Управление механическими свойствами стеклопластиков за счет предварительного электрофизического воздействия на полимерное связующее Никишечкин, Вячеслав Леонидович

Введение к работе

Актуальность темы. Благодаря особым свойствам, присущим только пластическим массам, применение их в машиностроении открывает широкие конструктивно-технологические возможности для создания машин и аппаратов на более высоком техническом уровне. Многие пластмассы, являясь самостоятельными конструкционными материалами, с большим успехом вытесняют как цветные, так и черные металлы и сплавы.

При этом особого внимания заслуживают стеклопластики, которые представляют собой термореактивную пластмассу, состоящую из синтетической смолы со стекловолокнистым наполнителем. Высокая удельная прочность в сочетании с хорошей химической стойкостью по отношению ко многим агрессивным средам открывает возможности использования стеклопластиков в различных отраслях промышленности и, в частности, в центробежных компрессорных машинах, обслуживающих различные химические производства.

Несмотря на многообразие способов получения деталей и изделий из стеклопластиков, применение их в качестве конструкционного материала часто ограничивается достигнутым уровнем их прочностных свойств, которые, в свою очередь, лимитируются несовершенством технологического процесса и нестабильностью свойств полимерных связующих. Очень часто имеют место механические повреждения деталей наиболее нагруженных узлов энергетических машин таких, как рабочие лопатки, диски и т.д.

Таким образом, задача повышения прочностных свойств стеклопластиков, в том числе за счет применения новых технологических решений, является актуальной.

Цель работы - исследование и установление связей между прочностными свойствами полимерного связующего и параметрами его предварительной электрофизической обработки для повышения механических характеристик стеклопластика.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследований.

1. Выполнить анализ современных методов модификации полимерного связующего, предназначенных для повышения прочностных свойств изделий из стеклопластика.

2. Обосновать выбор методов исследования и провести экспериментальные исследования для установления взаимосвязи между параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и механическими свойствами стеклопластика: пределом прочности при сжатии, пределом прочности при растяжении, пределом прочности при статическом изгибе, твердостью, ударной вязкостью.

3. Разработать новый способ формования стеклопластиков с применением предварительного электровоздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электрическим магнитным полем на полимерное связующее с целью повышения прочностных свойств стеклопластиков.

4. Разработать механическую модель и методику расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, во время эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. 1. Впервые экспериментально установлены и научно обоснованы закономерности изменения физико-механических характеристик полимерного (эпоксидного) связующего от вида и параметров предварительных электрофизических воздействий; механические свойства (пределы прочности при сжатии о_сж, растяжении о_в, статическом изгибе о_изг, твердость HB и ударная вязкость а_н) отвержденных образцов полимерного связующего после обработки НЭМИ незначительно повышаются, а после обработки ЭМП остаются без изменения или несколько снижаются; более характерное повышение механических свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП, что обусловлено изменением надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной в фибриллярную:

   о_сж резко возрастает от 134 МПа до 142-143 МПа при 30 минутной обработке (о_сж = - 0,022т + 1,610т + 134), т.е. повышается предел прочности при сжатии на 11,2%;

   о_в увеличивается от 30 МПа до 38-39 МПа при 25-30 минутной обработке (ов = 0,049т - 0,371т + 30),

   т.е. повышается на 30%;

   5. о_изг возрастает от 132 МПа до 192-195 МПа при 25-30 минутной

   обработке (о_изг = 2,229т + 132), т.е. повышается на 47%;

   6. а_н возрастает от 9,9 кДж/м до 13,5 кДж/м при 25-30 минутной обработке (а_н = 0,089т + 9,8), т.е. ударная вязкость повышается на 37,8%;

   7. HB увеличивается от 245,4HB до 262-279 HB при 20-30 минутной

   обработке (HB = 0,02т - 0,274 т + 245,4),

   т.е. твердость возрастает на 11%.

   7. 1. Установлены взаимосвязи между видом и параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и комплексом прочностных свойств стеклопластика: механические свойства стеклопластика при предварительных электрофизических воздействиях НЭМИ или ЭМП незначительно повышаются по мере увеличения продолжительности обработки 25-30 минут; существенное повышение прочностных свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП:

      о_сж повышается от 300 МПа до 415-419 МПа (о_сж = 3,874т + 305), т.е. предел прочности при сжатии возрастает на 38-40%;

      о_в увеличивается от 406 МПа до 510 МПа (с_в = 3,916т + 406), т.е. предел прочности при растяжении возрастает на 25,6%;

      Оизг возрастает от 650 МПа до 718-719 МПа (о_Юг = 4,519т + 650), т.е. предел прочности при статическом изгибе возрастает на 10,6%;

      а_н увеличивается от 260 кДж/м² до 327-328 кДж/м² (а_н = 4,861т + 260), т.е. ударная вязкость возрастает на 26%;

      HB возрастает от 300HB до 345-349HB (HB = 1,611т + 300), т.е. твердость возрастает на 15-16%.

      Установлена взаимосвязь между режимами вибрационной обработки жидкого связующего, его плотностью, вязкостью и механическими свойствами стеклопластиков:

      с увеличением продолжительности виброактивации жидкого связующего плотность отвержденных образцов повышается по экспоненциальной зависимости с максимумом при 10 минутной обработке; рациональным режимом виброактивации является: частота колебаний 100 Гц и амплитуда колебаний 60 мкм; повышение плотности полимерного связующего под действием механических колебаний связано с дегазацией массы связующего и более равномерным распределением отвердителя в объеме эпоксидного олигомера;

      предел прочности при статическом изгибе о_изг изменяется по экстремальной зависимости с максимумом его значения при вибрационном воздействии в течение 5 минут; максимальное значение предела прочности при статическом изгибе (695 МПа) обеспечивается при частоте колебаний 100 Гц и амплитуде колебаний 60 мкм по сравнению с образцами без вибрационного воздействия (650 МПа), что обусловлено снижением угла смачивания, возрастанием степени пропитки наполнителя в виде стеклоткани, а также дегазацией и более равномерным распределением отвердителя в объеме композита;

      при этом ударная вязкость также изменятся в зависимости от

      времени виброактивации по экстремальной зависимости с максимумом ее

      значения (280 кДж/м ) при 5 минутной обработке и выбранном режиме виброобработки по сравнению с исходным образцом (260 кДж/м ).

      1. Впервые методом растровой электронной микроскопии установлен характер изменения надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки НЭМИ и ЭМП:

      2. структура образца, не подвергнутого воздействию НЭМИ и ЭМП, сферолитная размерами от 2 до 6 мкм по длине и от 2 до 5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образца;

      3. после электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов переходит к фибриллярной, что отражается на характере разрушения образца, которое происходит по пластическому механизму;

      4. при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов.

      5. В связи с тем, что прочность полимерных материалов определяется напряженно-деформированным состоянием их структуры, на основе механической модели разработана методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженно- деформированное состояние материала с учетом присущего полимерным материалам нелинейного характера зависимости напряжений от скорости деформации.

      Практическая значимость работы заключается в:

      6. разработке нового способа формования изделий из эпоксидной смолы, основанного на применении предварительного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

      7. разработке и изготовлении экспериментального стенда для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее;

      8. определении и отработке режимов электрофизического воздействия и вибрационной обработки эпоксидного связующего;

      9. в изготовлении и испытаниях в производственных условиях опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха, изготовленных из стеклопластика.

      Практическая значимость подтверждается внедрением научно- обоснованных рекомендаций по повышению прочностных свойств стеклопластика путем предварительной электрофизической обработки полимерного связующего в производственную деятельность ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва) и ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск).

      Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.); на VI международной научно- технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008 г.); на VIII международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на I конференции «Производители и потребители компрессорной техники» (г. Казань, 2010 г.); на совместном российско-китайском симпозиуме «2011 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies» (г. Харбин, 2011 г.)

      Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен 1 патент на изобретение.

      Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Диссертация изложена на 133 страницах, включает 37 рисунков и 37 таблиц. Библиографический список составлен из 115 источников.

      Похожие диссертации на Управление механическими свойствами стеклопластиков за счет предварительного электрофизического воздействия на полимерное связующее

      

      Управление структурой, составом и свойствами покрытий при плазменной наплавке за счет технологических воздействийШевченко Олег Игоревич

      

      Повышение структурной стабильности материала лопаток газотурбинных двигателей из сплава ЭП718 за счет ограничения температурного воздействия в процессе механической обработкиГинергарт Оксана Юрьевна

      

      Управление формой и свойствами профилированных кристаллов сапфира в процессе их выращивания Курлов Владимир Николаевич

      Управление структурой и свойствами сталей 110г13л, 38хс, 45хн, используемых для изготовления деталей специальных машинЦуркан Денис Александрович

      

      Управление физико-механическими свойствами износостойких защитных покрытий на основе карбида титанаСкаков Данель Мажынович

      

      Прогнозирование структуры и свойств сталей и сварных соединений при управлении ресурсом оборудования установок вторичной переработки нефтиКабанов Борис Сергеевич

      Разработка шерстяных волокон с прогнозируемыми физико-механическими и технологическими свойствами за счет модификации исходного сырьяСлепнева, Елена Валерьевна

      

      Создание кожевенных материалов с улучшенными потребительскими и гигиеническими свойствами за счет модификации их неравновесной низкотемпературной плазмойДавлетгараева, Гульфина Зофаровна

      Улучшение свойств материала за счет усовершенствования процесса пароксидированияКомарова, Анна Леонидовна

      

      Повышение механических и триботехнических свойств конструкционных материалов открытой пары трения качения за счет обеспечения их структурной стабильностиСканцев Виталий Михайлович