CC BY
33
УДК 621.9.04
ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА
SIGRABOND
А.Н. Прокофьев, А.В. Булаев
Композит, искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу и включённые в неё армирующие элементы. На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод - углеродный композит (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практически чистый углерод. Уникальные свойства УУКМ -высокая температуростойкость в сочетании с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, а также способностью устойчиво работать при высоких температурах. SIGRABOND-это торговое название, которое использует SGL Carbon для высоко прочностного УУКМ.
Ключевые слова: композиционные материалы, механические свойства, углеро-до-волокно.
Композит — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Композитные материалы представляют собой гетерофаз-ные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. Композитный материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе [1].
На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод - углеродный композит (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практически чистый углерод [2].
Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональна. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод - углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон. Связи углерод - углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод - углерод, а между слоями межатомные связи
углерод - углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чешуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочное [2].
Уникальные свойства УУКМ - высокая температуростойкость в сочетании с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару, а также способностью устойчиво работать при температурах до 773 К в окислительной среде и до 3273 К в инертной среде и вакууме обусловили их широкое применение. Области применения углерод-углеродных композитов чрезвычайно разнообразны: авиация и космонавтика, металлургия, машиностроение, реакторостроение, медицина [1,3].
SIGRABOND-это торговое название, которое использует SGL Carbon для высокопрочностного композиционного материала, состоящего из углеродной матрицы или графита с армированием из углеродного волокна. Такое сочетание углерода или графита с углеродными волокнами объединяет многочисленные и разнообразные благоприятные свойства волокнистого композитного материала с электрографитом [6].
Электрографит является разновидностью углерода. Обычно готовится в электропечи нагревом смеси тонкоизмельченного кокса (обычно нефтяного кокса, но иногда антрацитового, ретортного, пекового кокса и т.д.) и углеродистых связующих (например, пека или гудрона) при достаточно высокой температуре (2500 - 3200° С), чтобы обеспечить их "графи-тизацию" под каталитическим воздействием присутствующих в смеси веществ (например, кремнезема или оксида железа) [5].
Пример деталей из материала SIGRABOND показан на рис.1.
Рис. 1. Пример деталей из материала ЗЮЯАБОМВ
8ЮЯАВОКО определяют различные факторы, а именно: тип волокна, содержание волокна, расположение волокон, матрица материалов, слой нароста, уплотнения, термическая обработка и любая модернизация. Углерод, армированный углеродоволокном (С/С), может, таким образом, быть адаптирован к каждому индивидуальному профилю или требуемой конструкции компонентов (рис. 2).
1 2 3
4 5
Рис. 2. Примеры структур разновидностей материала ЗЮЯЛВОМВ: 1 - ЗЮЯЛВОМВ 1001; 2 - ЗЮЯЛВОМВ 1601; 3 - ЗЮЯЛВОМВ 2001;
4- ЗЮКЛВОМВ 3001; 5 - ЗЮКЛВОМВ 4001
Характеристики [6]:
• Тепловое сопротивление под защитным газом до температур, превышающих 2000 °С.
• Высокая удельная прочность и жесткость.
• Низкая плотность и открытая пористость.
• Низкий коэффициент теплового расширения.
• Чрезвычайно высокая стойкость к тепловым ударам.
• Электрическая проводимость.
• Анизотропия: в материалах с выровненными углеродными волокнами изгибающий предел и предел прочности, а также электропроводность и коэффициент теплопроводности имеют различные значения между параллельными и перпендикулярными волокнами или слоями.
• Отличная устойчивость к переменной нагрузке, даже при относительно высоких температурах.
• Псевдопластический характер разрушения.
• Устойчивость к коррозии и устойчивость к радиации.
• Возможность производства высокой чистоты.
237
Под нагрузкой компоненты, сделанные из волокон, внезапно не ломаются, но, и при этом они не показывают пластического поведения металлов, когда они вне предела ползучести. Усилия, приложенные к С/С, заставляют сначала ломаться только несколько берегов волокон, и только после этого при повторной нагрузке происходит новый слом. Этот тип перелома известен как квазипластика. Относительное удлинение материала при разрыве составляет от 0,7 до 1,0 % [4].
Проблемы, возникающие при обработке материала 8ЮЯАВОКО:
1. Анизотропия свойств материалов, вследствие чего деформации не передаются через слоистую структуру и связующую смолу, а происходит разрушение структуры материала в виде продольных трещин и отделение мелких частиц пыли на передней поверхности инструмента вместо стружки.
2. Высокая твердость, прочностные характеристики углеродо-волокна композитных материалов, что препятствует нормальному процессу резания.
3. Высокая твердость наполнителя и его абразивное воздействие на режущий инструмент, вызывающие его повышенный износ.
4. Высокие упругие свойства материала, что вызывает повышенный износ инструмента по задней поверхности из-за интенсивных контактных явлений.
Также перечислим основные проблемы, возникающие при изготовлении узлов из материала 8ЮЯАВОКО:
1. Низкое качество обрабатываемой поверхности (Яа=6,3 мкм, Яа=12,5 мкм). Стандарты на шероховатость разработаны для металлических материалов, и специфика свойств композиционных материалов в них не учтена, поэтому исследование качества поверхности композитов, в частности их шероховатости после механической обработки, имеет большое практическое значение.
2. Низкая производительность операции механической обработки, так как эта операция требует высокой квалификации рабочего, а также длительного времени по настройке станка. Подачу и скорость резанья невозможно увеличить из-за высокой нагрузки на деталь при обработке токарным резцом.
3. Возникновение неровностей на поверхности. Они ведут к изменению структуры материала и его химического состава, а также физико-химических и эксплуатационных свойств.
Процесс механической лезвийной обработки материала 8ЮЯА-ВОКО в настоящее время целиком не изучен. Существующие зависимости не учитывают всех проблем, возникающих при обработке. Основной целью проводимых исследований является повышение эффективности обработки материала 8ЮЯАВОКО и увеличение точности при нарезании наружной резьбы на токарных станках с ЧПУ.
238
Проведенные исследования и применение на практике более эффективных методов лезвийной обработки позволяют существенно повысить качество и производительность изделий, а также уменьшить их стоимость.
Список литературы
1. Ярославцев В.М. Высокоэффективные технологии обработки изделий из композиционных материалов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.
2. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. М.: Научные основы и технологии, 2009. 658 с.
3. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиции. М.: Химия, 1978. 310 с.
4. Оценка структурных дефектов углеродных волокон и полимерных композиционных материалов на их основе: учеб. пособие / Ю.М. Миронов [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
5. Полимерные композиционные материалы. Свойства. Структура. Технологии / под ред. А. А. Берлина. СПб.: Профессия, 2009. 560 с.
6. SLG GROUP the carbon company [Электронный ресурс]. URL: http://www. sglgroup .com/
Прокофьев Александр Николаевич, д-р техн. наук, доц., Брянск, Россия, Брянский государственный технический университет,
Булаев Александр Валентинович, асп., Брянск, Россия, Брянский государственный технический университет
PROBLEMSMACHINING MATERIAL SIGRABOND A.N. Prokofiev, A. V.Bulaev
The composite material, the composite - artificially created heterogeneous solid material consisting of two or more components with a clear boundary between them. Most components of the composites can be divided into a matrix and reinforcing elements included in it. Based carbon fibers do most heat resistant carbon - carbon composite (CCC), wherein the matrix gluing carbon fibers is essentially pure carbon. CCC unique properties - high heat resistance combined with low density, high strength and elastic modulus, and ability to operate stably at high temperatures. SIGRABOND is the trade name that uses SGL Carbon for high strength CCC.
Key words: composite materials, mechanical properties, carbon-to-fiber.
Prokofiev Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, docent, Bryansk, Russia, Bryansk State Technical University,
Bulaev Alexander Valentinovich, postgraduate, Bryansk, Russia, Bryansk State Technical University
