CC BY
57Решетневскуе чтения. 2014
УДК 678
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА КИНЕТИКИ ПРОЦЕССОВ
М. Н. Банщикова, Е. А. Жирнова
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected], [email protected].
Показаны факторы, влияющие на качество изготовления изделий из полимерных композиционных материалов в частности антенных рефлекторов из высокомодульного углепластика. Рассмотрены показатели, характеризующие кинетику процесса создания композитного материла. Анализируются технологические параметры процесса изготовления изделий из полимерных композитных материалов.
Ключевые слова: рефлектор, технологический процесс, высокомодульные волокна.
IMPROVED TECHNOLOGY OF MANUFACTURING PRODUCTS FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS BASED ON ANALYSIS OF THE KINETICS PROCESSES
M. N. Banshchikova, E. A. Zhirnova
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The factors affecting the quality of the manufacture of polymer composite materials such as antenna reflectors of high modulus carbon fiber are presented. The indicators characterizing the kinetics of the process to create a composite material are pointed. The technological parameters of the manufacture ofpolymer composite materials are analysed.
Keywords: reflector, processes, high modulus fibers.
Современный опыт развития ракетно-космической техники показывает, что применение в перспективных конструкциях полимерных композиционных материалов позволяет поднять на качественно новый уровень характеристики создаваемых спутников, увеличить их надёжность и срок службы. Прецизионные антенные рефлекторы должны удовлетворять жестким требованиям по геометрической точности (отклонение от теоретического профиля при изготовлении СКО < 0,01^0,05 мм), размеростабильности в диапазоне температур от минус 160 °С до + 140 °С (СКО < 0,0R0,05 мм.); удельной массе 1,0^2,5 кг/м2; устойчивости к гигроупругим и гигроскопическим деформациям (СКО < 0,02^0,04 мм); высокой проводимости отражающей поверхности; устойчивости к ультрафиолетовому излучению и атомарному кислороду и прочим факторам космического пространства. В последнее время для таких конструкций стали применять полимерные композиционные материалы (далее - ПКМ), имеющие по сравнению со стальными, алюминиевыми и титановыми сплавами малые коэффициенты линейного температурного расширения, высокие упруго-прочностные характеристики и малый вес.
Выходные геометрические параметры рефлекторов зависят от технологии изготовления. Обеспечение требований по точности геометрии является непростой технологической задачей производства антенных рефлекторов из полимерных композиционных мате-
риалов, на сегодняшний день пока нет готовых технологических решений, и отдельные этапы технологического процесса являются недостаточно изученными. Принципиально технология изготовления изделий из полимерных композиционных материалов состоит из четырех основных этапов: подготовка исходных компонентов композита (армирующего наполнителя и связующего); совмещение армирующего наполнителя с матрицей; формообразование изделия; отверждение связующего; механическая обработка изделия (при необходимости) [1].
Можно выделить следующие факторы, связанные с особенностью технологии изготовления прецизионных антенных рефлекторов из ПКМ:
- нестабильность характеристик исходного материала;
- различие физико-механических характеристик материала изделия и оснастки;
- влияние неравномерности процесса полимеризации на возникновение внутренних напряжений в изделии;
- влияние температурных и силовых параметров технологического процесса на возникновение внутренних напряжений;
- влияние погрешности выкладки препрега на получение заданных физико-механических и геометрических свойств изделия.
Важной особенностью является недостаточная изученность физико-химических свойств связующих,
Технология и мехатроника в машиностроении
препрегов и полимерных композиционных материалов. Качество исходного материала оказывает значительное влияние на получаемый продукт. Механические свойства углепластиков зависят от характеристик применяемых волокнистых наполнителей: качества их поверхности и микроструктуры. Свойства углеродных волокон в свою очередь также в очень существенной степени зависят от особенностей их структуры, типов и количества дефектов.
Анализ особенностей физико-химических процессов формообразования показывает, что свойства изделий из полимерных композитов определяются структурой материала и зависят от полей технологических напряжений и деформаций, которые образуются в материале при изготовлении изделия как результат взаимодействия ряда механических, физических и химических процессов. Технический уровень изделий из ПКМ оказывается сильно зависящим от точности и оптимальности построения технологического процесса. Для управления характеристиками изделий, в том числе и точностными, необходимы модели, отражающие зависимость этих характеристик от технологических факторов (температуры, давления, времени выдержки, скорости нагрева и охлаждения и др.) [2].
Так как процесс изготовления очень сложный, на каждом этапе производства необходим жесткий контроль в частности за параметрами температура и влажность, как окружающей среды, так и используемых сырья и материалов. Понижение температуры на 1 °С, как и увеличение влажности может привести к увеличению времени полимеризации, а это приведет к нарушению всей технологической цепочки производства.
Для обеспечения качества изделий необходимо отслеживать кинетики процессов, происходящих непосредственно в ходе создания композитного материала, при затвердевании связующих в зависимости от технологических режимов, в частности от температуры и длительности выдержки. Это возможно путем определения следующих характеристик:
1. Динамических диэлектрических свойств образцов изделий сложной формы из ПКМ, прежде всего показателей: диэлектрической проницаемости е', коэффициента потерь е" и ионной проводимости X. Существует корреляционная связь между изменением структуры полимера в процессе отверждения, характеризуемой вязкостью системы, и диэлектрическими характеристиками.
2. Коэффициента теплового расширения а, определяемого методом термомеханического анализа.
3. Температуры стеклования Т^ опытных образцов изделий сложной формы из ПКМ, определяемой методом динамического механического анализа.
4. Время гелеобразования динамического механического анализа.
Анализ влияния технологических параметров процесса изготовления антенных рефлекторов из ПКМ показывает:
1) зависимость большинства физико-механических характеристик от времени выдержки, как и от
температуры формования, имеет экстремальный характер;
2) время выдержки изделия при температуре формования также зависит от многих факторов: химической природы связующего, отвердителя и катализатора, теплофизических свойств полимерного композиционного материала, его качества и режимов предварительного подогрева, от температуры формования, размеров и формы изделия. Время выдержки непосредственно влияет на степень отверждения связующего;
3) величина давления определяется в основном типом наполнителя и вязкостью связующего при температуре формования. С увеличением давления до определенного критического значения происходит дополнительная пропитка армирующих жгутов жидким связующим и уплотнение материала;
4) скорость нагрева заготовки определяется кинетикой изменения вязкости связующего и теплоемкостью технологической оснастки. Высокая скорость нагрева приводит к выделению летучих веществ и ухудшению структуры материала, к большому градиенту температур и образованию значительных остаточных напряжений, к высокой неравномерности процесса отверждения по объему заготовки.
Стабильное и эффективное функционирование технологического процесса напрямую зависит от успешной реализации мониторинга процессов, реализующего прямую и обратную связь. На основе показателей мониторинга и проходит усовершенствование технологии производства за счет изменения параметров этапа формования изделия.
Основным направлением работ по созданию прецизионных антенных рефлекторов является повышение точности формы отражающей поверхности рефлекторов, увеличение жесткости и уменьшение массы для улучшения пользовательских свойств антенн космических аппаратов нового поколения.
Библиографические ссылки
1 Кербер М. Л., Виноградов В. М., Головкин Г. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология : учеб. пособие / под ред. А. А. Берлина. СПб. : Профессия, 2008. 560 с.: ил.
2. Биткина Е. В., Денисов А. В., Биткин В. Е. Конструктивно-технологические методы создания разме-ростабильных космических композитных конструкций интегрального типа // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. Т. 14, № 4(2).
References
1. Kerber M. L., Vinogradov V. M., Golovkin G. et al. Polymer composite materials: structure, properties, technology: ucheb.posobie / ed. A. A. Berlin. St.-Petersburg : Profession, 2008. 560 p.
2. Bitkina E. V., Denisov A. V., Bitkin V. E. Structurally-technological methods to create dimensionally space composite structures of integral type // Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences., 2012, vol. 14, № 4(2).
© Банщикова М. Н., Жирнова Е. А., 2014
