CC BY
72
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Поскольку расчетные значения критерия Кочрена не превысили табличных, был сделан вывод об однородности дисперсий.
Проверка адекватности предложенной математической модели с использованием F-критерия. В табл. 2 приведены результаты проверки.
В зависимости от уровня значимости а = 0,05 и чисел степеней свободы m1 = m = = 4 и m2 = N - m = 12 - 4 = 8 определяем критическое значение критерия Фишера Fкр = 3,84. Поскольку расчетные значения критерия не превышают табличных (F < Fk) делаем вывод об адекватности математической модели.
Библиографический список
1. ГОСТ Р ИСО 8082 - 2005 Машины лесозаготовительные, тракторы лесопромышленные и лесохозяйственные. Устройство защиты при опрокидывании. Требования безопасности и методы испытаний.
2. ГОСТ Р ИСО 8083 - 99 Машины лесозаготовительные, тракторы лесопромышленные и лесохозяйственные. Устройство защиты от падающих предметов. Требования безопасности и методы испытаний.
3. ГОСТ Р ИСО 8084 - 2005 Машины лесозаготовительные, тракторы лесопромышленные и лесохозяйственные. Устройство защиты оператора. Требования безопасности и методы испытаний.
4. ГОСТ Р ИСО 3164 - 99 Машины землеройные. Защитные устройства. Характеристика объема ограничения деформации при лабораторных испытаниях.
5. Питухин, А.В. Оценка вероятности безотказной работы элементов конструкций с трещиноподоб-
ными дефектами / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. № 9 (103). - Петрозаводск: ПетрГУ, 2009. - С. 85-87.
6. Питухин, А.В. Исследование влияния технологических дефектов на прочность защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Вестник МГУЛ-Лесной вестник. - № 1. - 2010. - С. 89-91.
7. Питухин, А.В. К расчету упругопластических деформаций защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора с использованием метода переменных параметров упругости / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Известия Санкт-Петербургской ЛТА. - 2011. - № 194. - С. 77-83.
8. Питухин, А.В. Экспериментальная оценка эффективности защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Фундаментальные исследования.
- № 12. - 2011. - С. 155-157.
9. Питухин, А.В. Оценка энергопоглощающих свойств защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Матер. международной научнотехнической конференции. - Вологда: ВГТУ, 2011.
- С. 156-158.
10. Питухин, А.В. Организация и проведение испытаний макетного образца устройства защиты кабины колесного трелевочного трактора / А.В. Питухин, И.Г. Скобцов, Д.А. Хвоин // Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ - Петрозаводск, 2011.
- С. 33-35.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ АНТИФРИКЦИОННЫХ
материалов для подшипников скольжения технологического оборудования
В.Ю. ПРОХОРОВ, доц. каф. технологии машиностроения и ремонта МГУЛ, канд. техн. наук
Основными свойствами углерода, обеспечивающими его широкое применение, является высокая теплостойкость, низкая плотность, высокая химическая стойкость, биологическая совместимость, достаточно высокая тепло- и электропроводность. Одна из основных причин, обеспечивающих широкое применение графита для создания анти-
фрикционных материалов, низкий коэффициент трения по металлам, который может быть достигнут до 0,05.
Природу смазочной способности графита объясняют слоистым строением его кристаллической решетки. Считается, что большое расстояние между базисными плоскостями (3,5 • 10-10 м) обеспечивает легкое скольжение слоев
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
125
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
друг по другу при условии адсорбции, особенно на призматические плоскости молекул воды, кислорода, окиси, двуокиси углерода.
Традиционные углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) представляют собой материалы, содержащие углеродные волокна в качестве армирующего элемента и объемно-изотропную матрицу в виде поликристаллической углеродной массы. Для армирования этих УУКМ применяются высокомодульные углеродные волокна на основе целлюлозы, полиакрилонитрила (ПАН). Современные углеродные волокна обладают широким диапазоном характеристик, которые зависят от исходного органического материала и условий получения волокна.
Производство углеродных волокон из ПАН волокон осуществляется в три стадии. Первоначально ПАН волокна растягиваются на 500-1300 %, затем стабилизируются на воздухе при температурах 200-800 °С. Процесс окисления ПАН волокна обычно ведется при растяжении. Затем осуществляется вторая стадия - карбонизация, проводимая при температурах от 1000 до 1600 °С. Третья стадия осуществляется путем графитации волокна при температуре 2500 °С.
Одним из важных параметров при получении углеродных волокон является температура термообработки, с повышением которой происходит окончательное совершенствование структуры, в частности, улучшение ориентации волокна, приводящее к возрастанию модуля упругости. Между ориентацией и модулем упругости наблюдается довольно четкая корреляция.
В настоящее время за рубежом для УУКМ применяются углеродные волокна, изготовляемые из пека, не уступающие по своим свойствам углеродным волокнам из ПАН волокна и имеющие меньшую стоимость.
Одним из факторов, влияющих на свойства УУКМ, является структура армирующего каркаса в материале. Изготовление упрочняющих (армирующих) структур для УУКМ осуществляется из углеродных жгутов, стержней, тканей методами ручного и механизированного плетения, ткачества, намотки, а также созданием неупорядоченной
структуры в материале из хаотично распределенного волокна. Ориентация волокон используется для получения композиционных материалов с требуемыми в нужных направлениях механическими характеристиками или предпочтительной ориентации матрицы.
Среди различных видов каркасов наибольшее применение в качестве структур, обеспечивающих изотропные свойства в УУКМ, практическое применение нашли структуры 3d и 4d. Структура 4d обладает значительной проницаемостью и имеет макропористость более мелкую, чем макропористость 3d структуры. Последнее весьма важно для обеспечения прохождения газа при насыщении каркаса углеродной матрицей, так как позволяет получать углерод-углеродный композиционный материал с большей плотностью.
В отечественной практике разработаны каркасы различной структуры на основе стержней из углеродного волокна, углеродных жгутов и их различных сочетаний. Усиление изотропности создаваемого УУКМ может быть достигнуто применением структур 4d, 5d, 7d, 11d.
Одной из важных характеристик объемно-армированных структур является плотность каркаса. В отечественных разработках и за рубежом в настоящее время используются каркасы плотностью от 0,4 г/см3 до 0,86 г/см3. Исследование зависимости плотности материала от плотности каркаса показывает, что падает плотность материала. При плотности каркаса выше ук = 1,0 г/см3 не удается получить насыщения материала до плотности выше ум = = 1,5 ^ 1,55 г/см3. В то же время плотность каркаса ук = 1,16 ^ 0,20 г/см3 позволяет получить материал с плотностью ум = 1,86 ^ 1,88 г/см3.
Однако достижение равномерности распределения плотности носит обратный характер и существенно зависит от однородности каркаса и, следовательно, его структуры. Так, при плотности каркасов порядка ук = 1,5 г/см3 различные структуры дают примерно одинаковую плотность материала на уровне ум = 1,75 г/см3 и подобное распределение плотности по объему. Насыщение плотных каркасов (ук = 1,5 г/см3) дает хорошую равномерность, практически без макропор.
126
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»
Процесс насыщения разреженных каркасов очень чувствителен к структуре каркасов и сопровождается возникновением мак-ропор, хаотически расположенных в объеме. Существенно сказываются структура температурного поля и отличия в местных градиентах температур. Ликвидация макропор частично может быть осуществлена за счет уменьшения скорости насыщения, т.е. увеличения времени прохождения процесса.
Статистика и прямые эксперименты указывают на влияние гидрообработки каркаса на конечную плотность материала. Понятие гидрообработки включает как выдерживание аппретированных каркасов в ванне с водой в течение 0,25-2 часов, так и пропитку различными связующими с последующей сушкой. Эффект объясняется равномерным перераспределением волокон и ориентацией нитей, приводящих к увеличению проходных сечений и однородности открытой пористости. В результате гидрообработки каркасов удается поднять среднюю плотность материала с Y = 1,70 г/см3 до у = 1,75 г/см3.
Вторым основным компонентом УУКМ является углеродная матрица. Введение матрицы в каркас осуществляется либо через карбонизацию органического исходного материала, либо через осаждение пиролитического углерода из газовой фазы. Формирование материала матрицы включает в себя проникновение ее как внутрь пряди, так и между прядями.
Основными характеристиками, которыми должны обладать исходные органические материалы, используемые для формирования углеродных матриц, являются:
- высокий выход углерода, высокая способность наполнителя к пропитке связующим;
- низкое давление паров в процессе карбонизации, обеспечивающее минимум нарушения структуры в карбонизуемом материале;
- воспроизводимость свойств, полученных в процессе карбонизации.
В качестве исходных материалов для получения углеродной матрицы с применением процесса карбонизации используются органические смолы с высоким коксовым числом и пеки. При этом важно, чтобы смолы
имели высокое содержание ароматических углеводородов, высокий молекулярный вес и обладали развитыми поперечными химическими связями.
Наибольшее применение в качестве исходных материалов для получения углеродной матрицы получили резольные, новолач-ные, фенолформальдегидные, полиимидные, фурановые смолы и нефтяные пеки.
Физические характеристики пиролитического углерода определяются микроструктурой, которая, в свою очередь, зависит от состава газа при газофазном осаждении. Таким образом, можно изменить и контролировать характеристики пиролитического углерода изменением параметров, которые воздействуют на местный газовый состав, таких как температура, давление, расход газа, начальный состав газа и отношение площади поверхности подложки к объему газа.
С точки зрения достижения необходимого разнообразия по геометрии и сложности конструкции изделий из УУКМ перспективным направлением является метод получения углеродной матрицы насыщением углеродных каркасов из газовой фазы. Наиболее распространенными способами насыщения пироуглеродом являются следующие.
Пиролитический углерод может быть получен пиролизом углеводородов в вакууме или при атмосферном давлении в среде водорода, азота, инертных газов. По существующим представлениям, образование пироуглерода в процессе пиролиза простейших углеводородов может протекать по адсорбционно-диффузионному механизму.
В настоящее время известны различные способы осаждения пироуглерода из газовой фазы: изотермический процесс, процессы с перепадом температур, перепадом давления и пульсацией давления. Наиболее часто используются первые два способа. Изотермический процесс осуществляется следующим образом. Каркас, на который наносится пироуглерод, лучисто нагревается от нагревателя так, чтобы газ и каркас подвергались действию постоянной температуры. Насыщение осуществляется при температуре около 1100 °С. При этом методе на наружной
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
127
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
поверхности каркаса образуется корка пироуглерода.
Способ с перепадом температур, с применением индукционного нагрева заключается в том, что часть каркаса или весь каркас, подвергаемый насыщению пироуглеродом, поддерживается оправкой, которая нагревается от индуктора. Образование пироуглерода происходит на внутренней стороне изделия, прилегающей к оправке, так как там достигаются наиболее высокие температуры, необходимые для протекания реакции разложения углеводородов. Наружная поверхность изделия имеет более низкую, т.е. возникает перепад температур по толщине каркаса. При этом коркообразования на наружной стороне изделия не происходит. Процесс осаждения пироуглерода распространяется радиально через каркас, уплотняя его. Насыщение происходит при атмосферном давлении и температуре оправки ~ 1100 °С.
В отечественной практике существует схема насыщения изделий пироуглеродом из газовой фазы термоградиентным методом, который заключается в следующем: углеродный каркас в потоке углесодержащего газа нагревается изнутри. При этом температура разложения газа достигается только в узкой зоне
Таблица
Свойства углерод-углеродных композиционных материалов
Наименование показателя, Пределы число-
обозначение вых значений
Плотность, у (г/см3) 1,73-1,96
Предел прочности при растяжении, ср (г/см2)
по оси Z 370-800
± оси Z 650-910
Предел прочности при сжатии, сс (г/см2)
по оси Z 1000-2100
± оси Z 550-2500
Предел прочности на изгиб, сшг (г/см2) 1200-1500
Относительное удлинение, е
по оси Z 0,2-0,40
± оси Z 0,2-0,37
Модуль упругости Е при растяжении (10-3г/см2)
по оси Z 170-500
± оси Z 65-320
Коэффициент теплопроводности, X (Вт/м К) 5,4-5,7
вокруг центрального нагревателя, дальше по радиусу заготовки температура ниже, поэтому пироуглерод не осаждается. После уплотнения заготовки до требуемой плотности в зоне вокруг нагревателя температуру повышают и уплотняют следующий участок и т.д., т.е. зона пиролиза перемещается от центра заготовки к ее поверхности. Потребляемую для нагрева мощность при этом непрерывно увеличивают. Особенность процесса заключается в том, что в течение всего времени на поверхности заготовки остается открытая пористость, обеспечивающая диффузионный доступ в зону пиролиза углеводородного газа и выход из нее образующегося водорода. В зависимости от параметров процесса осаждения пироуглерода из газовой фазы получают УУКМ с различными свойствами, приведенными в таблице.
Традиционные углерод-углеродные композиционные материалы имеют ограниченные рамки применения. Они изготавливаются в основном в виде массивных заготовок, из которых вырезаются детали.
Потребности различных отраслей привели к разработкам УУКМ в виде материала -конструкции. Подобные подходы позволяют создавать тонкостенные оболочки, стержни малых диаметров и большой длины, изделия сложной конфигурации. Формируя каркас и регулируя процессы насыщения, удается в стержневом варианте поднять прочность на растяжение и изгиб до величин порядка 5000 кгс/см2, т.е. в 2-3 раза выше, чем у традиционных. Возрастает деформация при изгибе. Тонкостенные оболочки с толщиной стенки ~ 1^3 мм имеют близкие к этим значения прочности при высокой устойчивости.
Библиографический список
1. Тарнопольский, Ю.М. Пространственно-армированные композиционные материалы. Справочник / Ю.М. Тарнопольский. - М., Машиностроение, 1987.
2. Бабкин, А.М. Управление свойствами композиционных материалов при проектировании технологий изготовления и модернизации машин / А.М. Бабкин, В.Ю. Прохоров // Матер. 2-й научно-практической конференции «Организация и развитие информационного обеспечения органов управления, научных и образовательных учреждений АПК», ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - Т. 2. - С. 35-43.
128
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013
