РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕРЖНЯ ИЗ ЛЕГКОПОВРЕЖДАЕМОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ НИТИ

Ключевые слова: Пултрузия; стержень; пространственный каркас; композит.

Keywords: pultrusion; rod; spatial framework; composite.

В настоящее время техника развивается со стремительной скоростью, что подразумевает предъявление различных требований к материалам. Проблема разработки материалов с заранее определенными свойствами особенно актуальна при разработке материалов, используемых в конструкциях летательных аппаратов. Одна из областей применения композиционных материалов – использование их в конструкциях летательных аппаратов, испытывающих при эксплуатации высокие термомеханические нагрузки. Такими элементами конструкции выступают головной обтекатель, кромка крыла, наружная поверхность топливного бака и др.

Для реализации стабильной работы представленных элементов конструкции, материал, из которого они сделаны, должен обладать малым коэффициентом температурного расширения, высокой жёсткостью структуры, жаропрочностью.

Решением, для достижения требуемых свойств материала, стала разработка пространственно-армированных 3-х мерных или n-мерных (Рисунок 1) структур из высокомодульных, жаропрочных, волокон. Внедрение пространственной схемы армирования позволило добиться высокой трансверсальной и сдвиговой прочности, а также жесткости в направлении армирования [1, 2].

Рисунок 1 - Схемы армирования углерод-углеродных композиционных материалов:

 а – хаотичная, б – слоистая, в – розеточная, г – 3D, д – 4D-L, е – 4D, ж – 5D-L, з – 5D, и – аксиально-радиально-окружная, к – аксиально-спиральная, л – радиально-спиральная, м – аксиально-радиально-спиральная [3]

Перспективным направлением развития является использование легкоповреждаемого керамического волокна в качестве исходного сырья для производства стержня, что увеличивает жаропрочность конечного изделия, в сравнении с аналогами из углеволокна, а также сопротивление окислению при температурах до 1500°С, химическую инертность материала, коррозионную стойкость, устойчивость к радиационным воздействиям, и теплопроводность.

Из всех приведенных ранее видов пространственного армирования стоит выделить стержневые пространственные преформы. Главными эксплуатационными характеристиками композитных материалов (КМ) на основе стержневых преформ являются малый коэффициент температурного расширения [4, 5], легкость конструкции, высокая жесткость ее пространственной структуры, теплозащитные, теплоизоляционные свойства. Изменение количества направлений армирования в стержневых преформах позволяет варьировать механические характеристики материала в широком диапазоне. Пространственное расположение арматуры увеличивает сопротивление материала межслойному сдвигу, повышает несущую способность, и сопротивляемость материала разрушению при появлении трещин, так как они локализуются в отдельных сегментах структуры.

Качество пространственно-армированной стержневой преформы напрямую зависит от качества стержня. Выбор правильной геометрии стержня, исходного сырья, связующего предопределяет качественные характеристики преформы, и обеспечивает возможность сборки пространственного каркаса.

Технологический процесс изготовления стержня непосредственно формирует его качественные характеристики. Оборудование должно обеспечивать высокий уровень качества при переработке полуфабриката, снижать трудоемкость, повышать эффективность переработки. Важным фактором любого технологического процесса переработки является: повышение технологических характеристик волокон, снижение их повреждаемости при изготовлении преформ, повышение стабильности технологического процесса изготовления преформ и стабилизация параметров преформы, снижение отходов производства.

Структура технологического процесса зависит от вида применяемого волокна, содержания растворителя и температурного режима отверждения связующего. Изготовление жестких стержней осуществляют, в основном, по двум методам: осаждение пироуглерода из газовой фазы и пултрузия [6]. Схема пултрузионной установки изготовления стержней УИС-3 представлена на Рисунке 2:

Рисунок 2. Схема установки для изготовления стержней УИС-3 [7]:

I – камера для сушки; II – камера для термической обработки; 1 – шпулярник; 2 – пульт управления; 3 – пропиточная ванночка; 4 – сушильные камеры; 5 – фильеры; 6 – механизм протяжки; 7 – механизм резки; 8 – контейнер

Формование сечения выполняют длинными или короткими фильерами. Известны способы формования обмоткой нитями вспомогательной арматуры или за счет термоусадки вспомогательной арматуры, возможны вертикальные или горизонтальные компоновки пултрузионных установок.

При всем многообразии способов изготовления стержневых изделий из КМ по аппаратурно-технологическому оформлению необходимо отметить, что маршрутная технология изготовления стержней во всех случаях должна содержать следующие основные операции:

1. Смотку полуфабриката с паковки (катушки).
2. Пропитка волокна связующим в ванне, распылением или иным другим способом.
3. Отжим излишков связующего.
4. Предформование полуфабриката.
5. Сушка пропитанного полуфабриката.
6. Формование геометрии стержня.
7. Резка в размер.

Все перечисленные этапы производства стержня могут совмещаться в зависимости от вида установки.

Известны технологический процесс (ТП) изготовления стержней для преформ на поливиниловом спирте (ПВС) [7], эпоксидной смоле [8] и каменноугольном пеке [9]. Функцией связующего в стержнях является лишь обеспечение связи между отдельными волокнами стержня на этапе получения преформы, после чего оно удаляется при термообработке.

Производство стержней на эпоксидной смоле и каменноугольном пеке не получило существенного распространения, так как достичь устойчивости технологического процесса с применением эпоксидной смолы, учитывая повреждаемость волокон и малые диаметры стержней, сложно, а стержни на каменноугольном пеке при повышении температуры теряют прочность, что приводит к короблению преформы.

В зависимости от применяемого связующего так же меняется вид зоны сушки материала. Виды сушки жгута подразделяются на: контактный, радиационный и конвекционный.  Контактный вид сушки предполагает, нагрев полуфабриката от соприкосновения с поверхностью сушильной плиты или формующей фильеры. Радиационный способ сушки задействует ультрафиолетовые излучения от электроспиралей или электроламп. Конвекционный способ сушки реализует, нагрев воздуха в закрытом пространстве, который высушивает полуфабрикат.

Формование геометрии происходит в фильере. Ее вид зависит от реализуемого способа формования, который может осуществляться как за один, так и за несколько итераций.

Резка в размер осуществляется гильотинным методом на высокой скорости, так как процесс получения стержня является непрерывным, и не допускает остановки процесса для резки.

Однако известные способы производства стержня нельзя полностью применить для переработки легкоповреждаемой керамической нити и требуют существенной модернизации. Данное волокно обладает высокой жесткостью и хрупкостью, что приводит к необходимости модернизации известных технологических решений.

Производительность процесса изготовления стержней пултрузией, прочностные и качественные характеристики стержней зависят от качества исходных материалов, от выбора технологических параметров, вида ТП и оборудования его реализующего. Основными параметрами ТП, которые должно обеспечивать технологическое оборудование являются усилие натяжения волокон, скорость протяжки, качество пропитки, степень отжима пропитанного жгута, поэтапность формования, температура термообработки, скорость охлаждения, режимы разрезки в размер стержней. Кроме величины и стабильности технологических параметров изготовления стержней должна соблюдаться взаимосвязь между ними, которая определяется из ряда условий, рассмотренных на этапе разработки технологических схем процесса.

Изготовление стержней малого диаметра из керомических волокон накладывает дополнительные требования к технологическому процессу. Снизить воздействие на волокно на всех этапах переработки можно за счёт устранения перегибов волокна и уменьшение предварительного натяжения волокна. Снизить воздействие на получаемый стержень можно за счёт только точечного контакта при протяжке и изготовления стержней мерной длины с последующей порезкой в размер при сборке преформ.

В ходе пултрузионного процесса искривление оси стержня происходит на этапе охлаждения, что крайне негативно сказывается на процессе сборки пространственного каркаса. Данного процесса нельзя в полной мере избежать при горизонтальном варианте пултрузионного процесса, минимизация искривления происходит за счет увеличения натяжения стержня в зоне охлаждения. Избежать искривления стержня, без усиления натяжения нити позволяет вертикальный вариант установки, так как гравитационные силы направленны вдоль оси стержня. Стоит принять вертикальный вариант пултрузионной установки, как самый подходящий для легкоповреждаемой нити, хотя обслуживание в данном варианте процесса затрудняется.

На основании анализа факторов, определяющих качественную и количественную стороны процесса, и с учётом специфики изготовления стержней из КМ можно сформулировать требования, которым должны отвечать конструкции отдельных узлов технологической установки.

Устройство для натяжения армирующего материала

Устройство для натяжения жгутов должно обеспечивать натяжение волокон без повреждения с обеспечением стабильного усилия натяжения в течении всего процесса изготовления стержней, а также регулировку усилия, не изменяющуюся при замене бобин с армирующим материалом.

В существующих технологических процессах операция натяжения армирующего материала осуществляется, в основном, до операции пропитки, либо подтормаживанием бобин с исходным волокном, либо подтормаживанием самого материала путём создания сопротивления его движению. Способы, основанные на подтормаживании самого материала, не приемлемы для керамических волокон из-за их легкоповреждаемости.

Большую группу натяжных устройств составляют приспособления, основанные на подтормаживании вращения бобин, которое может осуществляться дисковым или ленточным тормозом, пневмотурбиной, электродвигателем, электромагнитным тормозом и т.д. [10]. Для упрощения конструкции рекомендуется ленточный тормоз.

Устройство для пропитки

Устройство для пропитки должно обеспечить нанос связующего на волокна равномерно по длине, не повреждая их. Для осуществления операции пропитки в настоящее время разработан целый ряд устройств, принцип действия которых основан на окунании жгутов в связующее или нанесении его на движущийся материал при помощи специальных устройств. Для пропитки легкоповреждаемого материала целесообразно использование устройств, осуществляющих нанесение связующего на пропитываемый материал без его перегибов и контакта с элементами устройства.

Связующее должно находится в ванночке с подогревом, температура которой задается и поддерживается в требуемом диапазоне. Механизм, на основе пары роликов и ремней погружен в связующее и далее ремни в процессе движения переносят связующее на волокна. Создается процесс аналогичный поливу связующего на волокна. Движение ремней задается электродвигателем с редуктором. Направление движения ремней может задаваться либо попутно, либо встречно движению пропитываемых волокон. При встречном движении осуществляется больший нанос связующего из-за уменьшения пути движения связующего и его потери.

Ванна для связующего рекомендуется выполнить из нержавеющей стали с предусмотренной внутренней полостью – для жидкости, которая равномерно передаст тепло связующему от ленточных нагревателей. Волокно каждого потока поступает в фильеру, которая осуществляет отжатие излишков связующего в ванну. Необходимо предусмотреть возможность демонтажа пропитывающего механизма для удаления связующего в конце работы. Компоновка ванны и отжимного механизма должна быть выполнена таким образом, чтоб избежать застоя связующего.

Отжимное и формующее устройства

Основными требованиями, предъявляемыми к отжимным и формующим устройствам, являются стабильное качество осуществляемой операции, простота и надёжность в работе, износостойкость. Наиболее эффективно использовать для отжима-формования фильеры, обеспечивающие необходимую форму и площадь поперечного сечения при протягивании сквозь них пропитанной арматуры.

При подборе фильер для отжима-формования необходимо учитывать, что волокно трётся о её стенки и при большой степени обжатия волокон или при низком классе шероховатости поверхности фильеры возможны повреждения волокон. В связи с увеличением сил трения периферийные волокна повреждаются, засоряя отверстие фильеры. Важную роль при отжиме без повреждений материала играет точная центровка волокна по оси проходного отверстия фильеры, так как при отклонении его от оси, усилие натяжения жгутов увеличивает силу трения о стенки фильеры, формообразование происходит с одной стороны и периферийные волокна сильно повреждаются.

Входная зона фильер должна иметь радиусный вход, чтобы не повредить поступающие на формование волокна, и поперечное сечение по размерам, превышающее сечение полуфабриката. Формующая зона фильеры должна иметь сужающееся по конусу сечение, переходящее от диаметра полуфабриката до требуемого приформованного сечения или готового стержней. При формовании имеется неравномерность напряженного состояния как вдоль фильеры, так и в радиальном направлении. Эта неравномерность усиливается с увеличением угла входного конуса. Поэтому важной характеристикой фильер является угол входного конуса, который не должен быть более 30⁰, чтобы раствор, захватывался протягиваемыми волокнами, и иметь минимальное значение, чтобы обеспечить более плавное нарастание давления, так как это улучшает качество стержней за счет повышения содержания ПВС в стержне и способствует более полному удалению воздуха из формующей во входную зону. Оптимальным следует считать конусность 12...15⁰.

Длина зоны с постоянным сечением предназначена для обеспечения прохождения релаксационных процессов в объёме сформованного стержня и максимального снижения остаточных напряжений в нём. Длина зоны с постоянным сечением пропорционально зависит от скорости протяжки и на основании рекомендаций, выработанных при пултрузии изделий на основе термопластоd, должна быть равна не менее, чем двум диаметрам. На этапе окончательного формования сечения стержней для большего времени нахождения материала стержней в обжатом состоянии целесообразно устанавливать 2-3 фильеры с одинаковым сечением проходного отверстия. Переход от входного конуса к калибрующей части в фильере должен быть выполнен с возможно большим радиусом скругления, чтобы уменьшить резкость перегиба периферийных волокон при формовании.

Печь сушки и термообработки стержней

Требованиями к печи являются стабильное поддержание температурного режима, простота и безопасность обслуживания, низкая чувствительность температурного режима к изменениям, вносимым полуфабрикатом стержней, чтобы количество потоков не оказывало влияния на температурный режим в печах, и замена одного из потоков не приводила к получению брака на остальных потоках.

В печах необходимо реализовать, прогрев воздуха. Время сушки полуфабриката определяется длиной камеры и скоростью его протяжки. Время, за которое необходимо высушить полуфабрикат до критической влажности, определяет температуру, которую необходимо обеспечить в камере. Для возможности варьировать время процесса сушки в широком диапазоне рекомендуется выполнить камеру длиной два метра с поддержанием температуры по трём зонам. Конструктивно печь сушки выполнена как печь тоннельного типа с прямоугольным проходным сечением, через которое проходит полуфабрикат. Температурный режим задаётся электронагревательными элементами, установленными снизу и сверху металлического корпуса тоннеля, что даёт рассеивание температуры и обеспечивает достаточно равномерное температурное поле по сечению камеры. Температура контролируется термопарами и поддерживается в заданном диапазоне электронной схемой установки. Постоянство влажности воздуха обеспечивается естественным вентилированием.

Для удобства обслуживания и профилактики камера лучше выполнить в открывающемся варианте. Камера открывается при подготовке к работе и в рабочем режиме при необходимости заправки полуфабриката, что минимально нарушает заданный температурный режим.

Тянущее устройство

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции тянущего устройства, являются обеспечение стабильной скорости протяжки стержней без повреждения его сечения, простота в обслуживании и надёжность в работе.

Скорость протяжки, а, следовательно, производительность технологического процесса, определяется протягивающим устройством. Приложение сил к стержню должно быть без повреждения его сечения на рабочей длине и гарантированно обеспечивать движение полуфабриката по технологическим этапам.

Устройство резки стержней

Устройство резки стержней должно осуществлять качественную разрезку в заданный размер изготовленного стержня, не повреждая торец стержней. Указанным требованиям удовлетворяет резак гильотинного типа, приводящийся в движение от пневмоцилиндра. Устройство резки интегрировано в тянущее устройство с целью обрезки стержня в непосредственной близости к захватам и обеспечения точности получаемой длины стержня.

На основании проведенного анализа и с учётом особенностей переработки выбранных исходных компонентов стержней, разработана принципиальная схема технологической установки, на которой по мере продвижения жгутов выполняются следующие операции: сматывание жгутов с бобин с заданным подтормаживанием, нанесение ПВС-связующего на жгуты, отжим излишков связующего, сушка полуфабриката стержней, приформовка подсушенного стержня, термообработка и формование сечения стержня, охлаждение стержней, протяжка и разрезка в размер. Скорость прохождения всех операций ТП задаётся механизмом протяжки. Принципиальная схема установки представлена на Рисунке 3:

Рисунок 3. Принципиальная схема установки:

1 – шпулярник, 2 – устройство для пропитки, 3 – отжимная фильера, 4 – печь, 5 – формующие фильеры, 6 – зона прижима, 7 – узел протяжки, 8 – зона отрезки

Таким образом данная схема установки для переработки легкоповреждаемой керамической нити в стержень, обеспечивает минимальную травматизацию сырья в ходе производства, на каждом этапе технологических операций. Вертикальное расположение тоннельной печи создает естественный процесс движения воздуха и удаления влаги. Длина получаемых стержней фиксированная и определяется интервалом расположения захватов. Управление работой узлов установки осуществляется с пульта управления, выполненного в виде отдельного герметичного шкафа. Скорость протяжки выбирается исходя из пооперационных исследований для получения стержней с высокими качественными и прочностными характеристиками. Рабочий диапазон варьирования скорости протяжки составляет 0,2-3,0 м/мин.

Список литературы:

1. Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. Пермь, 2009. 342 с
2. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. М.: Инжиниринг, 2003. 560 с.
3. Димитриенко Ю.И. Технологические напряжения в углерод-углеродных композиционных материалах. - 1991. №6. -с. 1030-1042.
4. Uses and properties of carbon/carbon composites / Dariel M. S., Agam S., Naveh Y. // Res. Lab. Annu. Rept. 1988 / Israel Atom. Energy Comm. - Tel-Aviv. - 1989. - s. 94.
5. Kearns K.M., Development Carbon-Carbon Composites. 43rd International SAMPE Symposium Volume: 43. Number: May 31-June 4 Pages: - 1998. -s. 1362-1369.
6. Бардин Н. Г. / Жаростойкие покрытия для углеродных и углерод-карбидокремниевых композитных материалов // Диссертация, Москва -2020 г
7. Буланов И. М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: учеб. для вузов / И. М. Буланов, B. B. Воробей. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. – 516 с.
8. Lackey E. An analysis of factors affecting pull force for the pultrusion of graphite epoxy composites / E. Lackey, J. G. Vaughan // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 1994. – Vol. 13, № 3. – P. 188–198.
9. Малько Д. Б. Способы совершенствования технологии объемно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов : дис. ... канд. техн. наук : 05.17.11 / Д. Б. Малько. – М., 2000. – 162 с.
10. Мелешко А. И., Половников С.П. / Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты // М.: Сайнс-пресс, 2007. – 192 с.