Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Анализ механических и физико-химических процессов, определяющих причины отказов подшипников сельскохозяйственных конвейеров, работающих в условиях воздействия агрессивной среды 9
1.2. Способы повышения надежности подшипниковых опор 21
1.3. Опыт применения волокнистых композиционных материалов для повышения надежности узлов трения 26
1.3.1. Физико-механические принципы создания композиционных материалов 26
1.3.2 Способы модификации искусственных неорганических волокон СVD-методом металлизации 30
1.4. Программа исследований 33
1.5. Цель и задачи исследований 35
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки разработки композиционных материалов с применением CVD-метода элементоорганических соединений 36
2.1. Исходные соединения для металлизации волокон 36
2.2. Термодинамическая возможность осуществления реакций термической диссоциации элементоорганических соединений 42
2.3. Механизм физико-химических процессов получения покрытий из газовой фазы элементоорганических соединений 48
2.4. Обеспечение химически устойчивого взаимодействия компонентов волокнистых композиционных материалов на основе полиамида ПА-6,6 52
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований 56
3.1. Аппаратурное оформление процесса металлизации 56
3.2. Реализация теоретических предпосылок получения композиционных материалов с металлизированными волокнами 58
3.3. Анализ морфологических характеристик поверхности металлизированных волокон 61
3.4. Определение содержания общего углерода в металлических покрытиях волокон 61
3.5. Определение теплопроводности композиционных материалов 62
3.6. Определение износостойкости композиционных материалов на образцах и восстановленных деталях 64
3.7. Определение адгезионной сдвиговой прочности композиционных материалов 66
3.8. Контроль и оценка степени термодеструкции, водопоглощения и биологической стойкости композиционных материалов на основе термопластов 66
3.9. Определение ударной вязкости композиционных материалов 67
3.10. Определение пределов прочности композиционных материалов при испытании на растяжение и сжатие 69
3.11. Определение оптимального режима ведения CVD-процесса с применением многофакторной модели эксперимента 71
3.12. Эксплуатационные испытания деталей 74
3.13. Методика обработки экспериментальных данных 76
ГЛАВА 4. Результаты исследований и их анализ 77
4.1. Экспериментальные исследования CVD-метода металлизации искусственных неорганических волокон 77
4.1.1. Выбор оптимального режима CVD-процесса 77
4.1.2. Получение металлических покрытий на стеклянных и углеродных волокнах 83
4.2. Разработка композиционных материалов. Исследование основных физико-механических, технологических свойств композиций 93
4.3. Обоснование выбора конструкции и расчет подшипника по критериям работоспособности 103
4.4. Результаты эксплуатационных испытаний 111
ГЛАВА 5. Внедрение результатов исследований и анализ экономической эффективности разработанной технологии 113
5.1. Разработка типовой технологии изготовления и восстановления подшипников поворотных опор ТСН-160А 113
5.2. Оценка технико-экономической эффективности внедрения типовой технологии изготовления и восстановления подшипников поворотных опор ТСН-160А 116
5.2.1. Основные характеристики продукции (услуги) 118
5.2.2. Оценка рынка сбыта 118
5.2.3. Конкуренция 118
5.2.4. Оценка издержек производства и расчет себестоимости 119
5.2.5. Финансовый план 125
5.3. Внедрение результатов работы 129
Общие выводы 130
Список литературы
- Анализ механических и физико-химических процессов, определяющих причины отказов подшипников сельскохозяйственных конвейеров, работающих в условиях воздействия агрессивной среды
- Термодинамическая возможность осуществления реакций термической диссоциации элементоорганических соединений
- Реализация теоретических предпосылок получения композиционных материалов с металлизированными волокнами
- Экспериментальные исследования CVD-метода металлизации искусственных неорганических волокон
Введение к работе
Надежность сельскохозяйственной техники является важным показателем ее качества. Условия эксплуатации машин и оборудования на предприятиях АПК существенно отличаются от особенностей работы техники в других отраслях народного хозяйства. Большинство сельскохозяйственных машин, в частности -конвейеры, в процессе работы взаимодействуют с живой средой (растения, микроорганизмы, животные), постоянно изменяющейся под влиянием биологических процессов и почвенно-климатических условий, что способствует возникновению отказов, которые становятся причиной потери продукции при вынужденных простоях оборудования [1].
Согласно данным по мониторингу инженерно-технической сферы АПК РФ, степень доходности большинства хозяйств все еще не может обеспечить обновления даже суженого воспроизводства ресурсов, поэтому обеспеченность техникой растениеводства и животноводства остается на уровне от половины требуемых нормативов, а в мелиорации - не превышает 20 %. Кроме того, затраты на ремонт МТП за последние 4 года достигли 37...41 млрд.руб. Доля фирменных технических центров в ремонте и обслуживании техники снизилась до 2 % от общих объемов [2].
Затраты и трудозатраты на обеспечение работоспособности транспортирующих машин, соответственно, в 6...7 раз и в 10.. 15 раз больше, чем на их изготовление. В общем объеме отказов конвейеров 30...37 % приходится на узлы трения. Наработка одного подшипника поворотной опоры транспортера ТСН-160А не превышает 550 часов при общем ресурсе 4300 часов.
Согласно работам [3...9], наиболее распространенной причиной нарушения работоспособности данных сборочных единиц становятся процессы изнашивания, которые сопровождаются сложными физико-химическими явлениями, усиливающимися под разрушительным воздействием агрессивных сред.
Стратегией машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции Российской Федерации на период до 2010 года
одним из важнейших направлений развития технического сервиса предусматривается создание ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий повышения надежности основных систем, агрегатов и сборочных единиц машин, включая опоры трения конвейеров [10].
В настоящее время решение задачи повышения надежности деталей поворотных опор конвейеров осуществляется посредством использования при их изготовлении коррозионно-стойких материалов (ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ) и одновременной физической изоляцией проблемного узла от системы коррозионно-активных компонентов установкой на опоры защитных крышек, препятствующих непосредственному доступу агрессивных агентов к элементам подшипника. Несмотря на то, что использование дорогостоящих конструкционных материалов и установка крышки связаны с дополнительными материальными затратами и снижают ремонтопригодность опоры в целом, данный подход получил широкое распространение на отечественных предприятиях АПК.
Ремонт в основном сводится к постановке запасных частей или восстановлению их работоспособности обработкой под ремонтный размер [11,12].
В условиях недостаточного ресурса основной массы поставляемых сборочных единиц, в частности, подшипников поворотных опор конвейеров, представляется актуальным рассмотрение вопроса повышения их надежности посредством принципиального совершенствования конструкции узла трения с использованием при изготовлении и восстановлении его деталей новейших конструкционных материалов. В ряде случаев представляется возможным осуществить замену подшипников качения парами трения скольжения с применением системы вкладышей. При этом необходимо отметить, что в использовании антифрикционных металлических материалов для данных целей достигнут определенный предел. В этой связи перспективна разработка вкладышей из композиционных материалов (КМ) на основе термопластов, армированных искусственными неорганическими волокнами.
Данные материалы наряду с высокими антифрикционными свойствами обладают необходимыми для жестких условий эксплуатации износостойкостью и
7 химической стабильностью. Однако КМ на основе термопластов имеют и определенные недостатки, важнейшими из которых являются низкая прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, отсутствие термической стабильности в области высоких температур, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов. Перечисленные свойства возможно оптимизировать применением прогрессивных методов модификации композитов путем их совершенствования в части адгезионной совместимости компонентов [13].
Среди подобных технологических процессов заслуживает внимания CVD-метод (CVD - Chemical Vapor Deposition, то есть «химическое газофазное осаждение») элементоорганических соединений (ЭОС). Применение CVD-метода позволяет получать покрытия с заданными свойствами при высоких скоростях осаждения в широком диапазоне температурных режимов. Процесс экологически чистый, легко поддается автоматизации [14].
В последние годы проводятся исследования по получению различных структур, в том числе покрытий и пленок, путем термического разложения и осаждения ЭОС. Однако имеющиеся публикации не располагают сведениями о возможности полученных покрытий при создании композиционных материалов, применение которых целесообразно в процессах производства и восстановления деталей сельскохозяйственной техники [15].
Современная химия ЭОС обеспечивает синтез различных видов этих соединений практически для всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. Для разработки КМ в работе исследовались карбонильные, циклопентадиенильные и (3-дикетонатные соединения никеля и меди, то есть металлов, которые сравнительно широко используются и имеют хорошие результаты в технологических процессах упрочнения и восстановления деталей сельскохозяйственной техники [16].
Работа выполнена на кафедре деталей машин и ПТМ Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени
8 В.П. Горячкина» (ФГОУ ВПО МГАУ), в лаборатории высоких технологий Государственного научного центра Российской Федерации Государственного научно-исследовательского института химии и технологии элементоорганических соединений (ГНЦ РФ ГНИИХТЭОС) г. Москвы; в лаборатории синтетических материалов Федерального государственного унитарного предприятия научно-исследовательского института синтетического волокна (ФГУП «ВНИИСВ») г.Твери, в Зональной межвузовской научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии Тверского государственного технического университета г. Твери.
На защиту выносятся:
теоретические основы получения покрытий на искусственных неорганических волокнах CVD-методом при термическом разложении и осаждении ЭОС;
результаты металлизации стеклянных и углеродных волокон с последующим их использованием в качестве армирующих наполнителей при создании композиционных материалов на основе полиамида ПА-6,6;
результаты производственных исследований, технико-экономическая эффективность изготовления и восстановления подшипников поворотных опор скребковых навозоуборочных транспортеров ТСН-160А с использованием разработанных КМ.
Анализ механических и физико-химических процессов, определяющих причины отказов подшипников сельскохозяйственных конвейеров, работающих в условиях воздействия агрессивной среды
Машины непрерывного транспорта получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Их основные элементы - тяговые и грузонесущие - используются в качестве подающих и транспортирующих частей в сельскохозяйственной, дорожно-строительной, горно-добывающей, полиграфической и других видах техники. При этом надежность современных транспортирующих машин во многом определяется безотказной работой узлов трения [16].
Согласно опыту эксплуатации, детали подшипников сельскохозяйственных конвейеров выходят из строя при наработке менее 50 % от технического ресурса. Причинами их отказа становятся жесткие условия эксплуатации: высокие нагрузки при невысоких скоростях качения и большом количестве рабочих циклов, а также агрессивное воздействие окружающей среды, способное вызвать физико-химическую модификацию рабочих поверхностей и привести к возникновению характерных видов изнашивания. При этом способы повреждения подшипников многообразны, что связано с совокупным действием механических, физико-химических, электрохимических и других процессов, реализующихся при трении и в контакте с агрессивной технической средой [17, 18].
По общепризнанной классификации различают следующие виды изнашивания сопряженных деталей: 1) механическое, в том числе абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное; 2) молекулярно-механическое или изнашивание при заедании; 3) коррозионно-механическое, том числе окислительное, фреттинг-коррозия и водородное изнашивание [19].
Основным видом механического разрушения подшипников сельскохозяйственных конвейеров является абразивное изнашивание, которое возникает в результате режущего или царапающего воздействия твердых тел (частиц почвы, кристаллов соли) на поверхности взаимно перемещающихся с некоторой относительной скоростью деталей [20].
Так, подшипники, комплектующие систему транспортеров картофелеуборочных комбайнов ККУ-2А, находясь в постоянном рабочем контакте с почвой, выходят из строя уже после двух сезонов работы. Важно отметить, что подобные самоходные комбайны эксплуатируются не более 30...60 дней в году [21,22].
Теорию абразивного износа разрабатывали М.А. Бабичев, А.К. Зайцев, В.Н. Кащеев, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, В.Д. Кузнецов, П.Н. Львов, Ю.Ф. Малышев, С.Л. Наумов, К.В. Савицкий и другие ученые.
Механизм абразивного изнашивания как физического процесса заключается в том, что разрушающее воздействие на детали сопряжений оказывают твердые частицы минерального происхождения с неметаллическими атомными связями. Они могут иметь различную форму граней и быть по-разному ориентированы относительно зоны деформирования [23].
В монографиях (24, 25) рассматриваются особенности изнашивания для случаев, когда абразивные частицы входят в контакт с поверхностью детали по касательной. При этом, обладая большей, чем у металлического зерна твердостью и достаточной для восприятия необходимой нагрузки прочностью, разрушающее тело вдавливается в материал детали. Износ может проявляться в виде пластического деформирования, микрорезания и снятия стружки с формированием на поверхностях трения рисок, канавок, царапин, глубина которых зависит от размера и формы зерна абразива, а также от величины зазора между сопрягаемыми деталями, варьируя в диапазоне от 0,001 до 5 мм. Образование царапин и канавок сопровождается явлением наклепа, вызывающим выкрашивание верхних слоем металла, частицы которого, попадая в зону трения, становятся дополнительным источником разрушений. При этом сам процесс трения способствует активации поверхностных слоев материала, повышая их реакционную способность. Так, в зависимости от условий трения и состава окружающей среды на железе со сравнительно высокой скоростью, порядка 30 А/0 ,1с, формируется комплексная пленка из смеси оксидов FeO и Fe203. По мере роста пленка подвергается деформации под воздействием остаточного напряжения сжатия внутри системы и теряет стабильность. Это становится причиной появления трещин и отслоения оксидов, которые, вступая в химическое взаимодействие с реакционно-способными компонентами среды, формируют твердые соединения и участвуют в процессах дальнейшего разрушения деталей в качестве абразивных частиц.
Таким образом, для подшипников качения, работающих в условиях постоянного контакта с такими сельскохозяйственными материалами, как почва, растительная масса и минеральные удобрения, на долю абразивного износа может приходиться до 60 % всех разрушений, что делает необходимым решение проблемы защиты конструкционных материалов от деформирующего воздействия твердых тел [26].
Для подшипников навозоуборочных, моечных и ряда других конвейеров, эксплуатируемых в рабочих средах коррозионно-активных жидкостей или газов в режиме ограниченного поступления смазочного материала, характерной причиной выхода из строя является коррозионно-механическое изнашивание.
При этом износ деталей происходит под влиянием двух одновременно действующих факторов: механического разрушения и коррозии, интенсивность которых определяется природой контактирующих материалов, их химическим составом и коррозионной стойкостью. Детали подшипников качения сельскохозяйственных конвейеров в зависимости от условий контакта с агрессивной средой подвергаются следующим видам коррозии: атмосферной (металл разрушается под воздействием сформированной на нем пленки влаги, содержащей растворенные реакционно-способные компоненты), жидкостной (корродирующая поверхность находится в объеме раствора электролита) и биокоррозии (обусловлена жизнедеятельностью микроорганизмов) [27].
Термодинамическая возможность осуществления реакций термической диссоциации элементоорганических соединений
Для получения покрытий с заданными свойствами необходимо исследовать термодинамическую возможность протекания прямых и побочных реакций разложения исходных ЭОС в CVD-процессе. Также это позволяет решать вопросы совместимости реагентов с материалом подложки и определять оптимальные технологические режимы металлизации.
Известно, что принципиальная вероятность осуществления любой химической реакции определяется изменением ее энергии Гиббса AGT. Если AGT 0, то реакция протекает самопроизвольно в заданном направлении, если AGT 0, то она термодинамически не возможна. Абсолютная величина AG"T (при AGT 0) характеризует, насколько изучаемая система отдалена от состояния равновесия; реакции, протекающие с большей потерей AGT, идут со значительной глубиной превращения [77].
Значение AG т = /(Т) для реакций в широком интервале температур можно вычислять различными способами, в том числе методом коэффициентов Ср, методом приведенных потенциалов АФ , а также приближенными методами.
В первом случае применимо уравнение: AGT = АН0 - aTlnT - У2 вТ2 - 1/6 сТ3 + IT, (2.2) где изменение энтальпии АН0 = Ш0 конечных веществ - Ш0 начальных веществ; а, в, с - коэффициенты уравнения теплоемкости реакции типа Ср = а + вТ + cl2; I - константа, определяемая подстановкой значения AG298 вместо о AG т в уравнение следующего типа: AG T=-RTlnKp, где Кр - константа равновесия. В свою очередь, AG298= АН298 - 298,16 AS298. При вычислении AG/ по второму методу используют формулу: -AGT/T = AO -AHVT, (2.3) где изменение приведенного термодинамического потенциала реакции: ДФ = ІАФ конечных веществ - ІАФ начальных веществ.
В ряде случаев для расчета целесообразно применять метод Темкина-Шварцмана. При этом величины AG/ вычисляют по уравнению (2.4): AG\ /Т = ДН298 /Т - AS298 - (аМ0 + вМ, + сМ2 + вМ2), (2.4) где АН298 и AS298 - стандартные изменения энтальпии и энтропии при 298К; а, в, с, d - коэффициенты уравнений типа Ср = а + вТ2 и Ср = а + вТ + dT.2; М0, Мь М2, и М.2 - константы, зависящие от температуры Т, находят из таблиц [77.. .79].
Выбор метода осуществляется на основании имеющихся в литературе расчетных данных.
Определение термодинамической возможности металлизации волокон можно представить на примере тетракарбонила никеля. Карбонильные никелевые покрытия являются сложными образованиями, состоящими в основном из элементарного металла, его соединений с углеродом и кислородом. В публикациях [14, 70] отмечается, что при термическом разложении Ni(CO)4 имеют место следующие превращения:
При анализе полученных значений AG\ = /(Т) можно сделать выводы о том, что основная реакция (2.5) принципиально осуществима, причем значительная глубина превращения прогнозируется при температуре от 600 К и выше.
Реакции взаимодействия никеля с СО термодинамически возможны в сравнительно узком диапазоне температур. При этом небольшая абсолютная величина AGT позволяет предполагать, что вещества реагируют между собой не достаточно интенсивно.
Реакции взаимодействия никеля с С02 формально могут протекать с достаточной глубиной превращения, но практически не осуществимы из чисто кинетических соображений (чрезвычайно малое количество С02 в избытке СО). Поэтому данные реакции, а тем более реакцию (2.11) не следует принимать во внимание.
Реакция (2.12) термодинамически возможна при температуре не более 600К, но ее удельный вклад в образование примесей ничтожен из-за малого количества исходного карбида Ni3C. Кроме того, при низких температурах ведения процесса, нельзя исключать протекание реакции Белла-Будуара (2.13).
Теоретические предпосылки для получения никелевого покрытия возникают и при использовании в качестве исходного реагента циклопентадиенила никеля, основной реакцией разложения которого является уравнение (2.14): Ni(C5H5)2 - Ni + 8CO + 2CH4 + H2. (2.14)
Так как технологически предполагается использовать в качестве несущего газа монооксид углерода, то данное никелевое покрытие может содержать примеси чистого углерода, оксида углерода (II) и (IV), оксида и карбида никеля:
Реализация теоретических предпосылок получения композиционных материалов с металлизированными волокнами
CVD-процесс на углеродных и стеклянных волокнах осуществлялся с применением экспериментальной установки 3227-А-23, созданной в лаборатории высоких технологий Государственного научного центра РФ Государственного научно-исследовательского института химии и технологии элементоорганических соединений (ГНЦ РФ ГНИИХТЭОС) г. Москвы.
В данной установке реализован способ осаждения металла путем термического разложения элементоорганических соединений на непрерывном волокне при его протяжке через реакционную камеру, оснащенную электромеханическим приводом ЮМ1.211 (рисунки 3.1, 3.2).
При использовании установки возможно проводить исследование режима металлизации путем замера температуры нагрева исходного ЭОС, а также расхода несущего газа и реагента. Реализация CVD-процесса проводилась в следующей последовательности: продувка системы азотом через расходомер, включение вакуум-насоса И и системы нагрева 3, подача паров ЭОС из емкости 6 в реакционную камеру 1, разложение паров ЭОС и осаждение покрытия, выключение вакуум-насоса. Для поддержания постоянной температуры в системе охлаждения реактора служит термостат 8, прием/опускание кожуха реакционной камеры и протяжка волокна производились электромеханическим приводом.
Металлизация волокна осуществлялась при использовании в качестве несущего газа монооксида углерода. При данной схеме появлялась возможность проведения технологического процесса по замкнутому циклу, исключающему выбросы в атмосферу. Все продукты реакции возвращались на повторное использование, в результате чего количество несущего газа, успевшего прореагировать на первой стадии осаждения, доводилось до 100 %.
В случае нарушения технологических режимов процесса дорогостоящие ЭОС также возвращались на повторное использование без заметных потерь реакционной способности.
Приготовление композиционных материалов на основе полиамида ПА-6,6 ОСТ 6.0609-83, армированного металлизированными стеклянными, углеродными волокнами проводилось в лаборатории синтетических материалов Федерального государственного унитарного предприятия научно-исследовательского института синтетического волокна (ФГУП «ВНИИСВ») г.Твери.
Экспериментальная часть работы подразделялась на 3 этапа. На первом этапе осуществлялась подготовка к CVD-процессу, сущность которой заключалась в проведении последовательных операций по обезжириванию, сенсибилизации и активированию поверхности волокон.
В качестве технологического оборудования использовались шесть прогуммированных ванн (три с рабочими растворами и три для промывки волокна), система сушки подогретым воздухом и система перемотки.
Обезжиривание проводилось для обеспечения требуемой прочности сцепления покрытия с подложкой под действием рабочего раствора следующего состава: НС1,рН-1,5...2,0; H2Odest. - 1000 мл; ПАВ-0,1...1,0 г/л. В качестве ПАВ использовался раствор тринатрийфосфата, подкисленный соляной кислотой до рН = 1,5...2,0. Продолжительность операции - 2 мин.
Сенсибилизация проводилась с целью создания каталитических центров, обеспечивающих при проведении последующего активирования, прочное сцепление металла с основой и качественное равномерное покрытие всей поверхности. Для этого волокно обрабатывали восстановителем, в качестве которого использовали кислые растворы следующего состава: SnCl2 2Н20 - 50г/л; НС1 плотностью 1,19 г/см3 - 50 мл/л; H2Odest. - 1000 мл; ПАВ-0,1...0,5 г/л.
В качестве ПАВ применяли кислотоустойчивые алкилсульфиды, которые способствовали удалению замасливателя и равномерному смачиванию всей поверхности обрабатываемого волокна. Продолжительность операции - 6 мин.
В ходе сенсибилизации ионы Sn2+ в виде SnCl2" сорбировались поверхностью волокна и при последующей промывке подвергались гидролизу с образованием малорастворимых продуктов Sn2(OH)3Cl согласно уравнению 3.1: SnCl2 + Н20 - Sn2(OH)3Cl + ЬҐ + ЗНС1. (3.1) Стабильность рабочего раствора обеспечивалась за счет дополнительного введения металлического олова, что способствовало восстановлению Sn4+ до первоначального состояния: Sn4+ + Sn-»2Sn2+. (3.2)
Концентрация ионов Sn4+ до 5 % в составе раствора интенсифицирует гидролиз на обрабатываемой поверхности волокна.
Процесс сенсибилизации завершали промывкой волокна в дистиллированной воде в течение четырех минут.
Активирование проводилось с целью получения каталитически активного металла при взаимодействии активатора с восстановителем, адсорбированным поверхностью в растворах сенсибилизации.
Экспериментальные исследования CVD-метода металлизации искусственных неорганических волокон
Для получения заданных физико-механических параметров металлизированных волокон необходимо установить оптимальный режим ведения CVD-процесса.
Исследования по выбору оптимального режима металлизации проведены с использованием методов многофакторного математического планирования экспериментов. Была применена реплика Vi -дробности от полного факторного эксперимента 23. Используя матрицу планирования многофакторного эксперимента 23"1, провели 4 опыта.
На основе предварительных экспериментов для каждой составляющей режима были определены основной, верхний и нижний уровни, интервал варьирования. Матрица планирования представлена в таблице 4.1. Математической моделью является полином первой степени: у = Ь0 + Ь1Хі + Ь2Х2 + ЬзХз. (4.1) Получено следующее уравнение регрессии: у = 3 - 0,5х, + 1,25х2 + 0,75х3. (4.2)
По величине и знаку коэффициентов уравнения регрессии можно оценить влияние каждого фактора на параметр оптимизации. В данном случае наибольшее влияние на толщину металлического слоя оказывает температура ведения CVD-процесса и в меньшей степени скорость протяжки волокна через реакционную камеру. Коэффициенты при х2, Хз указывают на то, что для уменьшения параметра оптимизации необходимо понизить температуру ведения процесса металлизации и уменьшить скорость протяжки волокна.
Далее был проведен математический анализ полученных результатов с использованием методик [95, 97...99]. В полученном уравнении регрессии все коэффициенты значимые, так как минимальная величина t для коэффициента Ь; больше значения tTa6. 0,5 0,17
Значимость коэффициентов уравнения указывает на то, что при выбранных интервалах варьирования факторы оказывают влияние на параметр оптимизации.
В результате проведенного анализа установлено, что функция симметрична относительно коэффициентов (коэффициенты различаются не существенно), все коэффициенты значимые, модель адекватна. В связи с этим было принято решение продолжать поиск оптимального режима способом крутого восхождения по градиенту.
Установлено, что скорость подачи газовой смеси в реакционную камеру оказывает меньшее влияние на толщину металлического слоя, чем температура ведения процесса и скорость протяжки волокна. В связи с этим в дальнейших исследованиях значение первого фактора было принято равным нулю.
Расчет сводился к тому, чтобы выбрать шаг движения по одному из факторов и пропорционально произведениям коэффициентов регрессии на интервалы варьирования рассчитать шаги по другим факторам.
Крутое восхождение по градиенту позволило получить оптимальное значение плотности в 9-м опыте. Дальнейшее увеличение продолжительности CVD-металлизации и температуры процесса не привело к уменьшению толщины покрытия и не способствовало ее увеличению.
Таким образом, на основании исследования по выбору оптимального режима CVD-процесса с целью выявления оптимального значения толщины металлического слоя, установлен следующий режим металлизации: - скорость подачи газовой смеси - 1,5 л/ч; - температура процесса - 390 С; - скорость протяжки волокна - 4 мм/мин.
Оптимальные режимы процессов осаждения покрытий на искусственных неорганических волокнах устанавливали по разработанной блок-схеме алгоритма с применением программы для персонального компьютера на базе процессора Pentium, составленной на языке C++ (приложения № 2, 3) [99].
Теоретические расчеты термодинамической возможности осаждения покрытий CVD-методом с использованием карбонильных, циклопентадиенильных и (3-дикетонатных соединений переходных металлов послужили основой для проведения экспериментальных исследований по получению модифицированных стеклянных и углеродных волокон.
На первом этапе эксперимента определялись технологические параметры CVD-процесса получения металлических покрытий высокой степени чистоты при термическом разложении тетракарбонила и циклопентадиенила никеля.
Никелирование волокон производилось в интервале температур от 20 до 500 С при скорости подачи газовой смеси 1,5 л/ч и давлении в реакционной камере 4 Па.
В ходе исследования установлено, что формирование покрытия из тетракарбонила никеля начиналось при 80 С; скорость роста металлического слоя достигала максимума при температуре 160 С; замедление процесса наблюдалось при 170 С и выше. Динамика роста никелевого покрытия подтверждается расчетами изменения свободной энергии реакции, согласно которым термическая диссоциация Ni(CO)4 принципиально возможна при температуре не ниже 140 С.
