автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Прогнозирование свойств композиционных материалов с древесными и другими армирующими наполнителями

^... ч-г

ч^ МОСКОВСКИ й

у ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи УДК 66.02/.09:621.679 КОТЕНКО Владимир Дмитриевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ДРЕВЕСНЫМИ И ДРУГИМИ АРМИРУЮЩИМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ

Специальность 05.21.05 — «Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва —

199 5

Работа выполнена в научно-исследовательской, лаборатории «Теплостойкие композиционные материалы» кафедр «Процессы и аппараты деревообрабатывающих производств» и «Теплотехника» Московского государственного университета леса.

Официальные оппоненты—доктор технических наук,

профессор; академик ИАВС Уголев Б. Н.

доктор технических наук, профессор Епифановский И. С.

доктор технических наук Бурлуцкий В. Ф.

Ведущая организация —Всероссийский научно-исследовательский институт древесины

Защита состоится « » .^П/?6/1^ . . 1995 г. в со

в «. Г1 Р. .">> часов на заседании специализированного Совета Московского государственного университета леса.

Ваши отзывы на автореферат ОБЯЗАТЕЛЬНО В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ С ЗАВЕРЕННЫМИ ПОДПИСЯМИ просим направлять по адресу: 141001, Мытищи-1, Московская область, Московский государственный университет леса. Ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . . »....... 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, профессор СЕМЕНОВ Ю. П.

Подп. в печ. 21.02.95 г. Объем 2 п. л. Зак 99 Тир. 100

Типография Московского государственного университета леса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальн<.нл;ь^аботы. Развитие современной техники характеризуется применением нового класса материалов - армированных композиционных материалов на полимерной основе. В настоящее,, время наибольшее применение получили композиционные материалы на основе термореактивных связующих ( реактолласты ), производство которых в стране, составляет несколько тысяч тонн в год.

Потребность в новых композиционных материалах растет достаточно бистро. Еместе с тем, разработка технологий производства новых композиционны:? материалов является длительным процессом. Обусловлено это тем, что формование композиционных,материалов из реактопластов сопровождается протеканием сложных взаимосвязанных физико-химических процессов. Влияние этих процессов на формирование свойств композиционных материалов практически не изучено. Отсутствие знаний о влиянии процессов тепломассопереноса и деформационно-напряженного состояния реактопластов на формирование свойств.не позволяет создать обоснованные методы расчета технологии производства новых композиционных материалов.

Выполненные экспериментальные и научные исследования позволили предложить научно обоснованные методы расчета технологических рехимоз.формования реактопластов. Использование современных средств вычислительной техники для проектирования технологий нобых• композиционных материалов существенно экономит время и затрат на разработку и внедрение этих технологий в производство. ' '

Цель работы. На основе анализа выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработать для различных тсзатстатесюк процессов физико-математические модели и на их -базе методы расчета ру;шнов формования реактопластов, при которых у до в лс тзоряпт с я предъявляемые требования к свойствам ком-1юзпцпг«шяк материалов. Используя 'полотегаш механики композитов определить, упругие постолпнне материала клёточной стенки различных < чплопепшх ) порол древесины, необходимых для прог-ногзтгрогзт'итя механических свойств композиционных материалов нэ' лрегеспов г»стпвс. . . .

Меггл:; псслсдг-пзпг.я. Исследования'выполнены на базе койп-«гк«г.то зсжсьзокшя согремггеи:;-: достижений математической

физики в области интенсивных процессов тепломассопереноса и средств вычислительной техники, а также физических и машинных экспериментов с применением методов рентгеноструктурного анализа.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Предложены новые физико-математические модели и на их основе разработаны методы расчета двух технологических процессов изготовления композиционных материалов - методом плоского прессования и формованием на оболочки вращения многослойных покрытий. Расчетные метода позволяют производить численный ан,алиЗ влияния тепломассобменных процессов и деформационно-напряженного состояния реактопластов на формирование свойств композиционных материалов. Сформулированы условия, при которые обеспечивается полная реализация свойств компонентов в композиционном матерале и исключается разрушение отдельных слоев в'.многослойном покрытии.

; 2. Разработаны структурно-механическая модель, и математическое описание деформационно-напряженного состояния нагруженной древесины, позволившие получить аналитические решения для оценки упругих постоянных материала клеточной стенки различные пород древесины.

3. Получены новые экспериментальные данные по теплофизи-ческим, фильтрационным, термовязкоупругнм и другим свойствам лрепрегов и полимерных'связующих, позволяющих осуществить численную реализацию на ЭВМ уравнений предложенных физико-математических моделей.

4. Разработан экспериментально-измерительный комплекс и . программное обеспечение"для интерпретации результатов исследования деформационно-напряженного состояния клеточной стенки древесины рентгеновскими лучами в области малых и больших углов рассеяния.

5. Предложены новые рентгеновские неразрушаюцие методы определения послс Иной плотности материалов и влажности древесины.

Практическая ценность. На основе предложенных моделей разработаны алгоритмы и ЭВМ-программы для проектирования свойств и технологических режимов формования реактопластов, которые могут быть использованы при разработке новых компози-

ционных материалов.

Достоверность полученных результатов подтверждена разработкой технологий производства некоторых новых композиционных материалов и многослойных покрытий на оболочки вращения и их внедрением в производство. Обоснованы новые неразрушагацие методы определения послойной плотности и влажности материалов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ 1982-1993гг.;

- на межвузовском семинаре "Гидродинамика и теплообмен в технологических процессах" 1903-1993гг.;

- на ХУ1 Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления ускорения научно-технического прогресса в деревообрабатывающей промышленности в 12.пятилетке" в 1986г. ( г. Клев );

- в НПО "Энергия" Российского космического агенства в 1990г.;

- в НПО "ВИАМ" авиационной промышленности в 1991г.

Публикации. Основные положения ■ диссертационной работы

опубликованы в открытой печати.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из • введения, пяти глав,- заключения и списка использованной литературы из 275 наименований. Объем диссертации - 343 страницы, включая 60 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится обзор современных методов прогнозирования свойств п технологических режимов Формования композиционных материалов. Проведенный анализ показал следующее.

1. Проблема описания упругих и теплофизических свойств композиционных материалов при идеальной адгезионной связи между компонентами, з основном,. решена. Разработанные метода оценок эф^екгазни сзойсгз базируются на фундаментальных положениях механики сплошных сред. Композиционные материалы представляют собой гетерогенную среда. Несмотря на .то,, что для таких сред используются, как правило, идеализированные геометрические модели,

принятие гипотезы об эквивалентной гомогенности позволяет получить аналитические оценки макроскопических свойств гетерогеннш •сред через свойства фаз и их геометрические характеристики.

2. Прогнозируемые по уравнениям механики композитов свойства композиционных материалов могут <5ыть достигнуты в результате энергетического воздействия на -реактопласты, включающего в себя действие .трех технологических факторов: температуры, давле(ния и времени. Формование композиционных материалов из реактопластов сопровождается протеканием сложных физики-хмми-ческих процессов. Роль энергетического воздействия на реактопласты двояка. С одной стороны, повышается прочность связи компонентов в результате протекания физико-химических процессов в реактопластах, с другой - в результате тех же процессов происходит деградация исходных компонентов, в частности разупрочнение полимерной матрицы. Влияние технологических режимов формования и протекающих при этом физико-химических процессов .в реактопластах на формирование свойств композиционных.материалов в настоящее время практически не изучено. . . . 3. Прогнозирование физико-механических свойств композиционных материалов на древесной основе ( плитных материалов, слоистых пластиков, модифицируемой полимерами древесины ) затруднено тем, что отсутствуют надежные данные об упругих постоянных материала клеточной стенки древесины.

■ Во второй главе представлены физико-математические модели двух- технологических процессов формования реактопластов - методом плоского прессования.и на оболочках вращения. Предложена структурно-механическая^ модель древесной клетки и на ее основе получены аналитические соотношения, позволяющие вычислять структурно-деформационные параметры' дифракционного рассеяния рентгеновских лучей и упругие постоянные материала клеточной стонки древесины.

В третьей главе дается описание экспериментально-измерительного комплекса, оснащенното якформаиионгл-вычислительной системой со специальным .программным обеспечением. Основой комплекса является рентгеновский дифрактомегр общего назначения ДРОН-З, укомплектовавши дополните лтчими устройствами ( рис. 1 ). Комплекс позволяет производить исследования дефор-мадионно-напряженного состояния реактопластов и древесины, а

Экспериментально-иэмвритвльний комплекс) на базе рентгеновского дифрактокетра ЛРОН-3

Р - источник рентгеновского излучения; Б,- входная коллимационная вертикальная даль; Бг- вертикальная танталовая щель-клин; З3- выходные коллимационные подвижные- нога;;К - изогнутый кварцевый кристалл-монохроматор; Т - стол гониометра ГУР-8; N - узел нагрузки; - 0 - испытываемый образец; 10 - индукционный датчик перемещений ( тип 221 ); Р - индикаторный прибор ( модель 276 ); БР - быстродействующий самописец ( Н3031 ); В 1 датчик рентгеновского излучения ( РЩН ); и, - аналоговый процессор; А -комплекс сбора и обработки информации ( №(-1-01 ); СМ - ПЭВМ "Искра 1256";' И - графопостроитель ( Н306 ); СЗ - гидравлическая станция; М - образцовый маю- • метр С МО 1226 ); а - гидроцилиндр; I - головка ' .динамическая ( тип 2ИГМ ) •

Рис. 1

также гидродинамических, теплофизических, кинетических, термп-вязкоупругих и других характеристик прессуемых пакетов и материалов; которые необходимы для решения уравнений, входящих в предложенные во второй главе физико-математические модели. Приводятся математическое обоснование и алгоритмы реализации на ЭВМ для всех задач, реализуемых комплексом. Программное обеспечение комплекса позволяет проводить интерпретацию данных рентгеноструктурных исследований, а также сквозную оценку погрешностей на всех этапах обработки данных.

1 В четвертой главе производится' проверка адекватности разработанных физико-математических моделей. На основе числе^ч ного анализа деформационно-напряженного состояния и процессов, протекающих при формовании реактопластов, исследуется их влияние на формирование свойств композиционных'материалов. Производится анализ -экспериментальных и рассчитанных по модели структурно-деформационных инвариантов для нагруженной древесины, в области малых и больших углов рассеяния рентгеновских лучей. Для эффективных модулей упругости и. теплофизических свойств композиционных материалов приводится сопоставление экспериментальных данных с расчетными.

В пятой главе представлены результаты практического использования разработанных физико-математических моделей для ■ проектирования технологий новых композиционных материалов и анализа возможностей технологической реализации'различных конструктивных схем многослойных покрытийформуемых на оболочки вращения.

' . ФИЗИКО-ШЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И .АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ ДРЕВЕСНОЙ КЛЕТКИ,

- ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ- РАСЧЕТЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРУЕМО!! ПОЛИМЕРАМИ ДРЕВЕСИНЫ

На основе анализа рентгеноструктурных данных о строении древесной клетки предложена ее структурно-механическая модель при нагружешш древесины погарек волокон (рис. 2 ). Клетка древесины моделируется полым цилиндром, включенным в гомогенную среду, -нагруженную.на бесконечности. Физико-механические свойства материала полого цилиндра соответствуют свойствам

Структурно-механическая модель клетки древесины при нагружении ее поперек волокон

клеточной стенки древесины,' а характеристики- окружающей ( гомогенной ) среда - эффективным с^йствам древесины. Напряжения на бесконечности соответствуют внешним условиям нагруженйя древесины. .Единственной геометрической характеристикой модели является отношение радиусов полого ц.шндра ( а/р ).. Древесина рассматривается как трансверсально-нзотропное тело, для ,;оторого имеют место соотношения

с -11 п ■ 11 " ЧГ "г! Ег2 (п д. 1 -22 п ) ■ •зэ' •

п • 2 2 = п -11 ЧГ

с •-зз п за "" Чз ^12 п - 11 л*

л с — -13 г: - 13 п -23 .

- - !Чз ' р2 3 =

12 1'123

V 1 2 1 1

Г31= га . Е ^22= ^

( 1 )

Для древесины Еп» Е^ и у21<< г>23, что дозволяет" с достаточной степенью точности считать реализацию условий плоско! деформации лри нагружении ее поперек волокон. Описание дефор мационно-напряженюго состояния для предложенной модели проведено в полярной системе координат. При одноосном нагруженщ о0, например вдоль оси 2, напряжения на бесконечное?«, составят

аг = -^--[1+Соз(2-е)];.

2 г ' ( 2 ) —— • 31п(2-е).

В, рамках линейной теории упругости общая однородная деформация может быть представлена в виде наложения однородного всестороннего ( радаально-симмвтричного ) растяжения и однородного сдвига. '

Поведение среда в состоянии однородного растяжения:

а ) для цилиндра '

, с .( 3 ) и = —г<1-2-г>>г-с1--ц, v = о,

2-р. 1 г 1

б ) для эквивалентной ( гомогенной ) среды <1,

( 4 )

•Г(1-2^)-г--—1. V = 0

2 а.

= > + -4-, & = 0;

(

Граничные условия для уравнений ( 3,4 )

°г = °гй' « = и„. г = Р." ог = 0, г = 0. ( & )

Поведение среда в состоянии однородного сдвига:

а ) для цилиндра

- [-Г ~ 2Ы с*" тЫс «]Соз(29)5

МГ ,2 С, ( Э -«2 3 1 .

т' " т~" Ы с*" тЫ с°]51п(29): и=1г[(а"3)Ус<+ ЫСэ + (а+1 +

р Э

+ (—] св]сов(2е); (6) 0 г г г >3 , г , г & л

7у с< ■ у °з ~ ^ >(ть *

<3 ) для эквивалентной среды г г Р ч2 3 г /3 1

= - [1 ' [у} + тЫ й»]Ып(гв,! (7>

Р г г 0 • , (3 у» ,

и8 =- 3— + (|3 +1)^— (3- 4- I—1 Й. Сов(гв);

! 4ц, (3 г I г

(3 Г Г Р , (3 ,3 ,

где с, (1, - коэффициенты, определяемые из граничных условий ( й, =*1 ); а = 3-4-г»; р = 3-4;г>г.

.Граничные условия для уравнений' (6,7 )■

°Г = °г> ^гв = °Г0' и = V 7 = V . Г = №

( 8 )

о„ = о, о_ = 0, г = 0.

Г ' Г0 '

При решении уравнений ( 3,4,6,7 ) использовались проце,-дуры механики композитов ( энергетический критерий осреднения и соотношения Эшелби ), в результате получены аналитические

решения для двух технических постоянных ( Vj\^ ) в плокости изотропии

1 +

Т

(1 - 2-у.) =-

4 2-(1-П)

п-тг -

<1 + —д -

4 4- (1-П)

= о,

( 9 ) ( 10 )

где) 7 = 4-(1-П); ^ = - 1; П = (о//3)г.

В табл. 1 приведены рассчитанные по уравнениям ( 9,10 ) и Известным соотношениям из теории упругости упругие постоянные материала клеточной стенки различных пород древесины.

1 Таблица 1

Упругие постоянные материала клеточной стенки различных пород древесины

Порода Дуб Бук Береза ■ Сосна Ель

Плотность. 660 730 620 590 500

Влажность 12 11 9 9 12

Пористость 0,57 0,526 0,6 0,62 0,67

Е, МПа 3274,5 ЗС21,5 1555,3 1762,8 1621,8

ц, МПа 928,8 &38,2 420,7 487,9 474,3

V, 1 0,763 0,802 0,849 0,807 0,71

Проверка адекватности физико-математической модели осуществлялась по изменениям дифракционной картины рассеяния рентгеновских лучей нагруженной древесины в малых и больших углах.

Анализ напряжений рентгеновскими методами основан на использовании уравнения Вульфа-Брегга

IX'X = 2-й-81п(0о), ( II )

а изменение расстояния' между атомными плоскостями приводит к соответствующему изменению угла дифракции

е - Шйд - - «8(ео).лоо. ( 12 )

В области больших углов наибольший интерес при нагруже-нии древесины поперек волокон представляет экваториальный'..-• рефлекс 3002 целлюлозы, имеющий угол дифракции 0 = 11°,35., При одноосном растяжении древесины,( о0 ) поле деформаций в клеточной стенке неоднородно. Поэтому смещение угла дифракции определяется усредненной деформацией. Операция усреднения деформации сводится к интегрировании по объему, занимаемому клеточной стенкой. В результате аналитических преобразований получена следующая формула для среднего значения смещения угла дифракции:

+ [с3 - Зс4(1+П)]СОЗ(20). ( 13 )

В гетерогенных системах поле напряжений вызывает не толь- • ко смещение рентгеновских рефлексов, но и их уширение, среднее значение которых определяется из усредненной дисперсии для неоднородного поля деформации в клеточной стенке древесины

£<е0) = \2Ilc] +■ (а~'1 [зс*(1.+П+П2) - 6с,с5 >

^ 2 ^ П

■ 2с? Зс_ск (1+П) Зс. 1+1М2 , ,

+ -+ ■ 5 » -- + _5---- + Зс*(1 -Ю Соз(20 ) +

П Пг 2 П3 4 0

Г с, -I л-г алв(9.)

+ 2П(а-1 )[— - 30,10.003(29.)} —0-5—, (14)

I П -I ■ ?

Формулы '( 13,14 ) позволяют сравнивать расчетные значения изменения угла дифракции и деформативного уширения линии рефлекса с экспериментальными данными.

Малоугловая дифракция рентгеновских' лучей на системе изолированных капилляров'подчиняется интегральному уравнению

(ЛгЛ2 00 -

1(8) = Ь'5.—/ •Фг(5,Ю -Г(Й)'СШ, (15 )• -Ь 0

Ш в 2 ' -зо г '

где Б ---БШ9П); Б = (-,)г = 7,695-10 "м*.

К ш-с

Расчеты, проведенные в рамках линейной теории упругости, показали, что изменение форм-фактора капилляра 3? (Б,К) при нагружении пористой среды определяется радиальной компонентой вектора перемещения на его границе, осредненной по объему клерки. Поэтому деформация капилляра проявляется в изменении функции распределения пор по размерам Г (И) и в изменения малоугловых инвариантов.

Функция распределения пор по.размерам для.системы рассеивавших ориентированных капилляров обычно является одномодаль-ной и имеет конечные моменты1до шестого порядка включительно. Это позволило определить выражение для интенсивности рассеяния нагруженной среды с функцией распределения в(й), равной

3 Ь

§<г) = (1 + а---ЬЬПЮ---И-Г (И), ( 16 ).

2 2 '

где ..'..•

Г • 1-г>

а = с - с3 + 3-е .<1+Л) .—

= [сх+ с3 - З с4-<1+П)]

о *

Для малоугловых рентгенограмм использовались инвариант Порода (3, радиус инерции Гинье II 'и интенсивность рассеяния в нулевой угол 1(0), которые могут быть выражены через интенсивность малоуглового рассеяния. Отношения этих инвариантов для нагруженной и ненЗгрузсенной древесины определяются уравнениями

•

ае = —— = 1 + а - Ь; ( 17 )

' Оо -

1+а+2Ь

С = —4— - —; ( «8 )

<Н?о • 1+а+ь

1.(0)

£ = —5- = 1 + а + Ь. ( 19 )

х0(О);..

Соотношения ( 17,19 ) позволяют рассчитать на основе

физико-математической модели малоугловые инварианты и сравнить их с экспериментальными значениями.

Исследования показали, что наблюдается удовлетворительное совпадение экспериментальных значений малоугловых структурно-деформационных параметров зе, С с расчетными, полученными по физико-математической модели. При 0О < 0,7$^ максимальные отклонения не превышают 9-12% для всех пород древесины, а при 0,70,3, ^ °о ^ авр отклонения увеличиваются, что объясняется следующими причинами:

при возрастании нагрузки происходит разрастание микротрещин и различных неоднородностей в материале клетки древесины;

недостатком линейного представления зависимости деформации от напряжения при больших нагрузках.

В болыпеугловой дифракции смещение положения рентгеновского рефлекса Л002 меньше, чем предсказанные на основе расчетов. Объясняется это тем, что при нагружении древесины наибольшие деформаций, испытывают слабоупорядоченные области микрофибрилл, а жесткие высокоупорядоченные области, на которых происходит интерференционное рассеяние, мало деформируются. Напротив, деформативное уширение рентгеновского рефлекса Л00, больше расчетного. По-видимому, соотношение ( 14 ) не учитывает всех причин, оказывающих влияние на 5Т1гирение рентгеновских интерференционных линий в древесине при ее нагружении, так как оно- отражает только дисперсное деформационное изменение межплоскостшх расстояний.

' ФИЗШСО-МАТИтТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМОВАШИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. Плоское формование

При построении модели принимались следующие допущения: толщина пористой среды по сравнению с размерами в плос- ■ кости прессования является малой, что позволяет рассматривать-процесс переноса энергии в одномерной постановке;

температура пористого материала, находящихся в Порах жидкости и пара в фиксированной точке совпадает в любой мо-

меят времени;

диффузионной составляющей газовых фаз по сравнению с фильтрационной пренеОрегается, причем фильтрационное течение подчиняется закону Дарси;

пары жидкости подчиняются закону Клапейрона; в процессе испарения жидкости прохождением фазы гигроскопического состояния пренеОрегается, в этом случае при наличии в порах жидкости давление пара в материале равно давлению* расыщения.

| Расчетная схема приведена на, рис. 3. Предполагается, что в начальный момент времени в общем'случае в порах могут находиться жидкость, пар и воздух. Их начальное распределение по толщине 0, также как и температуры, равномерное.

Расчетная.схема

П.Р0.с0Д0,

V Ьг=1• Ь Рис. 3

С учетом принятых допущений .физико-математическая модель технологического процесса формования композиционных материалов из. реактопластов методом плоского прессования включает в себя:

уравнение кинетики отверждения полимерной матрицы ( с внутренними источниками "энергии и продуктов поликонденсации 1у )

ае Ил

- = (ек - 6)"«к* • С0 • ехр (-О/КГ);

( 20 )

ъ

* АН-О <16 40

1ут= —--( 21 ), I, = ^пп-Рпл—; ( 22 )

уравнения массопереноса: а )• для жидкой фазы

аь о , аь о , ат , •

д , к,ар ,

к. о.-- + I. ( 23 )

4,1 1 дг. I ц^г *

<5 ) для паровоздушной смеси

ЗР г а , Р к. ЭР 1

П(1-Ь)- = Мк.-1--ь--1 ■ +

8Ъ( * 1 ^ дг, И2Т ц2 Эз >

в г Р к2 <5Р , а , Р к2 <?Р ,

+ ^"ау"«- я2г V-» + ^""вз"*- Й2т "¡¡Г +

г аь 1 ат н, г м, ч дв

+ ПРГ-+ С1 -Ь>—--+ (1-Ь)-^-|1---- ;( 24 )

«•ж т at V м4аг I

в ) для пара

* с ц

ер, аь г а г р к, ар

П(1-Ъ)-2-.-.Пр.— - к_х---б-

эt • 3 аг I - ах I- н.т ц, эх

•а , р к2 ар

>1ГПуГ 77ё

д , р V ар >-,

к-—|---11; (25)

** Эй I II. Т и- 92,

дъ ^ НгТ ц2 . дz уравнение переноса энергии

ат а г ат Л _ ат

С/А V Г С/1 Л

сРо- = -к-1 -г,Л - Тс. ^-г - ( 26 .)

0 ОХ дъ I 0 дъ ' ф Г Р1 1 въ "

уравнения термовязкоупругости

V ;

а(Г ) = Ее (Г ) - Е| й(Г-т' )е(т' ( 27 )•■>

а(Г) 1 *

е(Г) =-+ —Г ЩГ-Г )а(т' )йх.

Е о

Е

М

<31;

( 29 ),т'= Г

dt

0 а, (Т(Ш ^ ат(Т(г)>

а1 = ехр СГ(Т - Т0),г3,

энергетический критерий 1

V!

-]Ьге (2) IV,

( 30 ) (31)

( 32 .)

уравнение переноса энергии при кондиционировании ЭКг) д г дТ , дЪ

ср-=.—т— +Гйр0—. ( зз.)

уравнения для касательных и нормальных напряжений

Т2(х)

(а*-а*ИТ(а)-Тс]

,Е, БИ /р2/(Е131)-X

* СьУ'цг/(Е181)-1/2

;( 34 ).

<71(х)=(а*-а*).[Т(а)-Тс].Е1[1.- 2 11-1, .(35 )

«1 /(^/(Е^Ы/г '.

уравнение для тепловых напряжений Е*

о„ = ст.. =

[^«Хг-а'СКа)-^)], ( 36 )

где

б/г

12

б/г

ет = 1/5 /а*(Т(2)-Т0)с1г; хТ = —д- ]а*(Т(2)-Т0)2ф;. - -О/г 5 -5/2

. Замыкающие соотношения

с Т-273

Р„(Т) = О.ЮЗЗ Г-) ;

т I 100 у

р3.= р_(Г) = 133

ь.

КЕ

ехр[18,

100

' 4105 .

681--1;

1-35 1

( 37 ) ( 38 )

Р° = Р°НТЬ? (39)' П = (40)

Краевые условия:

1 ) для процесса прессования: а ) начальные условия Т(г,0) = Т0; Ь(2,0) = Ь <П; Р(х,у,2,0) = Р„ = Р0;

0(г,О) = 0н; р(2,0) = род, ( 41 )

<3 ) граничные условия. Т(5/2Д) = тли): ( 42 ),• оа = Рпт;' ( 43 )

е, = аД (44); аг. - к, р , зр эр -

. от , •

, аь ■ дТ р. вР ч г 9?

аГпр,-+ рвт-+[к,—— +■ К-:—IV--+

"i 1 .5а 0 т <92 -i 1-.|х1 ц2н2т -и ах

ар ' «эр -> г эр ар ар.

-1- дх. ду дг >

Р(х,у,г), = Р„, ( 48 )

условия симметрия

дР(0,Ь) ЗЬ(ОД) ЭР(0,1) _

9г дй ■ 5х ' . .

. - в?(0,х) ар(од) • л

= -- =--= О; ( 49 )

I ду - . дъ

2 ) для процесса кондиционирования'

Тл = Ги.у.аД), а(Тй - Тг) = ШШп)„. ( 50 )

В модели деформационно-напряженное состояние реактоплас-тов анализируется как на стадии формования, так и на стадии кондиционирования. На стадии формования реактопластов'деформационно-напряженное состояние описывается с помощью уравнений ^ермовязкоупругости, а при решении этих уравнений использовался -принцип температурно-временной аналогии, при котором применяется экспериментально-определяемый коэффициент темпе-ратурно-временного сдвига (31 ), связывающий температуру и время деформирования.

Энергетический критерий ( 32 ), выражающий собой энергию деформирования, имеет экстремум и позволяет определить технологические режимы формования, при которых свойства компонентов в полной мере будут реализованы в композиционном материале

При кондиционирован™ используются уравнения термоупругости ( 34, 35, 36 ), решение которых совместно с уравнением переноса энергии ( 33 ) позволяет оценить формирование на ■ этой стадии тепловых напряжений. Анализ этих напряжений позволяет выбрать режимы кондиционирования и оценить совместимость компонентов.

, Проверка адекватности физико-математической модели осуществлялась численным анализом процессов, протекающих при изготовлен™ двух типов композиционных материалов: стеклопластика ( типа ЖСП ) и асбопластика (тииа АТ-1-А ). Стеклопластик ( наполнитель стеклянная ткань,, полимерная матрица ЛБС-4 -спиртовой раствор фенолофэрмальдегидной смолы ) и асбопластик ( наполнитель'асбестовая ткань, полимерная матрица ЛБС-4 ) длительное время изготавливаются промышленностью и их свойства хорошо изучены. Оба материала изготавливаются из препре-гов (.листы ткани, пропитанные связующим и прошедшие термическую обработку при Т ~ 350К;'содержание летучих в таком компаунде не превышает 3-5%, жидкая фаза отсутствует ). В • уравнения модел! входят,экспериментально-определяемые зависимости и параметры: аи(Ъ',Т), бт(Ь,Т), с0(Т), Я0(Т), ат(Т,1), ¡^(РлД), ^(Рц.Т), ^(РдД), к*, П, п, ¿П. Эти данные,

олученные в результате проведенных экспериментов, приведены табл. 2, 3, 4, 5. Б этих таблицах представлены также дан-ыэ, которые используются в последующей модели.

Таблица 2 .

Кинетические параметры полимерных матриц

Полимерная матрица Яэтв, Дж/кг дн, Дж/моль к* 1/с и, Дж/моль п

Бакелитовый лак (ЛБС-4) 280000 156000 18-Ю12 120736 1,88

Кремнийорганиче екая смола (К-9Х) 234000 -163000 34-Ю12 292560 0,61

Анализ экспериментальных данных гидродинамических характеристик препрегов (чсм.-табл. 4 ) показал следующее.. Контактные слои, образованные соприкосновением отдельных слоев эсбопрепрега, является непроницаемыми. Для таких материалов таблюдается проницаемость перпендикулярно плоскости дрвссо-зания и в контактном слое, образованном плитой пресса и верх-зим ( нижним ) слоем препрега'. Толщина контактного слоя является Функцией.температуры и давления прессования. Для стек-яопрепрсга наблюдается проницаемость как в контактном слое, так и между слоями, а такте перпендикулярно плоскости прессования. При температуре- выше 350К и давлении 1МПа для стек-лопрепрога и 1 ,_5МПа для асбопрепрега прессуемые пакеты являются непроницаемыми.

Экспериментальное исследование вязкоупругпх свойств прэпрегов включало определение всех составляющих суммарной деформации: упругой, остаточной и высокоэласт'ической. Для наполнителей исследуемых препрегов характерной является упругая деформация.' Из механш:и ко?®озитов йзвестго, что вязкоупругие. свойства композиционных материалов с тагами типами наполни-, телей определяются свойствами полимерных матриц. Как показа^ ли оксг.ержюнтальнме исследования, и для прессуемых препрегов

''Таблица-З Экспериментальные характеристики препрегов

Характеристика материала . 1 . \ Материал (наполнитель полимерная матрица)

Стекло-• ткань, ЛБС-4 Асботкань, ЛБС-4 Асбобаз'аль-тоткань, ЛБС-4 Ткань МКТТ-2, К-9Х

Плотность,кг/м3 1840 1690 1400 1836

Пористость,1 0,076 0,117 .0,05 0,235

Коэффициент теп-

лопроводности, 0,562 + 0,73 - 0,257 + 0,238 +

Вт/(м-К), +4,3-10"4! -1,2-10~4Т +0,000817Т 4,3-10"5Г

293«Т»500К

Теплоемкость, 715,84 800 5,4Т - 450 +

Дж/ (кг'К), + 1,48Т + 2,271 . - 630,98 + 1,9Т

293«Г»500К

Коэффициент диф- ав0(0,2+

фузии, м2/с, - +Ъ)-

303«Г»363К ■ ■• 1 • (Т/273)12,

Относительный

коэффициент тер- а0Е1-4(Ь-

модиффузии, 1 /К ■ ■ - - -0,5-)г],

303«Т»363К е0=ю"э

это условие выполняется. Вязкоупругие сюйства препрегов определяются одними и теми же уравнениями ( см. табл. 5 ), так как в них используется один и тот же тип связующего. Для композиционных материалов, в которых в качестве связущего используются сетчатые полимеры,--величина остаточной деформации ничтожно мала по сравнению" с двумя обратимыми составляющих деформации -'упругой и высокоэ;зстической. Поэтому при описании деформационных свойств композиционных материалов с такими типами полимерных, матриц-'остаточную-деформацию исключают из рассмотрения. Наши эксперименты показали, что величина оста-

Ааилпца ч

Гидродинамические характеристики препрегов

Вид проницаемости Материал

Асбо- и асбобазальтопрепрэг, 273 < Т > 348К; 0,1 < Рц > 1,5 МПа Стеклопрепрег 273 ^ Т > 348К; 0,1 5 Рп г 1,0 МПа

КОНТаКТ-НЫЯ сдой к - 1 ху о£ - 12,42.(Т-273)7'3 + *У + 96338 • (Т-273 )В'4 • Р° *3 Н,,- 14»10"й• <Т-273)-0*23»Рц0,9 к -- 1 °ху с£ .нк ху - ....... рп

"°ху 0,51 «Ю-* (Т-273 > 3+0,45.10"6 (Т-273 )~4•4РЦ 0,47.10"3'<1-273>"°'г.Рп°'1

В слое, образованном двумя соседними слоями Непроницаем к°ху с£ -Нс ху о£ « 25,б.(Т-273)9'7 + 224.107.(Т-273)4,1'РП ху Нс « 0,47.10"Э.(Т-273)"°'г.Р°'1

Перпендикулярно плоскости прессования )С0-0,7б5.Ю10-0,347.10"10-<1-273>+ 0,2 ПО"16 + - V- -з о оз 0.1225.Ю"10 кп - -0,47.10 «(Т-273) * + -

Таблица 5

Вязкоупругие свойства препрегов

Сотавлявдие суммарной деформации

Материал

Стекло -препрег

Асбо-препрег

Асбобазальто-препрег * .

евяз(Т0Д) = а + Ь.ехр(-с1)

Ед - 25 МПа

Ед - 20 МПа

совяз

а±+ ^(Т-273). 273 ^ Т » 373К а2. 373 < Т ^ 473К

а - 0,045; Ь - -0,045; с - 0,0166

а1- О,СБ; а^ 0,017; -0,00035

'ост.

-, 273 3 Т 5> 373К

(Т-273)

+ Га + -2—1. 2 /т-р7гз sj

(Т-273 У

п--373 < Т » 473К

а1 - -0,62; а2 - 1 Эд - 3,23; Ъ1 - 75 Ь2-74,09; Ьэ-5,4839

аз + V6

1пат(Т-Т0>

Г к1< I Кг.

^(Т-Тр), 273 « Т ? 373К 373 < Т > 473К

а±=0,132; г^-Г аэ - 0,8753 ^ - 20,917 Ь2 - 73,732 Ь3 - 5,655

- 0,025; Кз - 2

а, +

а

точной деформации прессуемых препрегов имеет тот же порядок, что и две другие составляющие суммарной деформации. В этой связи при численных расчетах учитывались все составляющие суммарной деформации,

В диссертации приводятся результаты численных расчетов по модели характерных процессов, протекающих при формовании композиционных материалов из указанных препрегов. Приводится сопоставление некоторых экспериментальных дащых с расчетными, анализ которых показал следующее.

Отсутствие в препрегах жидкой фазы и их ограниченная проницаемость накладывают определенные условия на решение уравнений модели. Эти условия заключаются в том, что отверждение связующего начинается при температуре ~ 350К, т.е. тогда, когда прессуемый пакет становится практически непроницаем. Массоперенос в предшествующем этому моменту времени, обусловлен только фильтрацией .воздуха и практески не влияет на результаты численного решения уравнения энергии. Выделяющиеся в дальнейшем продукты поликонденсации при отверждении связующего и летучие продукты частично накапливаются в порах, а частично адсорбируются. В дальнейшем эти продукты выделяются из .готового материала в результате диффузионных процессов;

Эффективность внутреннего источника энергии, обусловленного тепловым эффектом реакции отверждения связующего, очень мала'и его влияние не сказывается ни на распределении температуры пд толщине пакета, ни на процессе отверждения полимерной матрицы. .

Реологические характеристики прессуемых препрегов оказии вают решающее влияние- на формирование таких свойств композиционных материалов как плотность и пористость. При расчете этих свойств учитывались все составляющие суммарной деформации.

Максимальные тепловые напряжения возникают в поверхностных слоях в начальной стадии -охлаждения. Хотя эти напряжения уравновешены по толщине, но по величине они могут превышать предел прочности материала,' что приводит к разрушению поверхностных слоев. В дальнейшем эти напряжения уменьшаются и при выравнивании температуры по толщине материала практически ис-

чезают. Процесс кондиционирования, как показал анализ, не может быть бесконтрольным, особенно при охлаждении материала в плитах пресса, в полости которых подается холодная вода. Выбором соответствующего режима, охлаждения можно' исключить разрушения в поверхностных слоях материала.

Нормальные ( в волокне ) и касательные ( на границе раздела фаз: полимер - волокно ) напряжения достигают своих максимальных значений при полном охлаждении материала и остаются в нем в "замороженном" состоянии ( их называют остаточными . напряжениями ). Касательные напряжения могут превышать как адгезионную прочность системы полимер-волокно, так и предел прочности на сдвиг, данной матрицы. Эти особенности должны учитываться при конструировании деталей из композитов.

В диссертации приводятся результаты численных расчетов эффективных характеристик композиционных материалов и их сопоставление с экспериментальными данными. Расчеты производились по известным из-механики композитов решениям, полученным на основе вариационного принципа и сингулярного приближения теории случайных функций. Анализ производился для разнообразных композиционных 'матералов внутри каждого класса: зернистых, волокнистых, слоистых, в том числе и для тех, для которых производился анализ технологических процессов. Для некоторых материалов приводятся нижние и верхние оценки-свойств ( вилка Хакшна-Штрикмана ). Как показал анализ, экспериментальные данные хорошо согласуются с-расчетными. Показано тага®, что использование характеристик материала .клеточной стенки древе-' силы при расчете эффективных механических свойств древесно-слоистых пластиков дает хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных. Это обстоятельство указывает на то, что .при прогнозировании механических свойств композиционных материалов из реактолластов на древесной основе следует использовать упругие постоянные материала клеточной стенки древесины, а не эффективные упругие постоянные древесных наполнителей. Решения по уравнениям, полученным на основе статистических методов,.отличаются от решений по уравнениям, полученным на основе вариационных принципов, но находятся внутри вилки Хашина-Штрикмана. В частности, для коэффициента .теплопроводности трэнсверсально-изотропных материалов статистические

методы дают несколько завышенные ( до 20% ) значения по сравнению с моделями, полученными на основе теории термоупругости.

2. Формование многослойных покрытий на оболочки вращения

Конструктивная схема многослойного покрытия, используемого в качестве тепловой защиты и теплоизоляции оболочек вращения. показана на рис. 4. После укладки на оболочку ■ вращения слоев, она помещается в герметичную пресс-форму, в которой под давлением осуществляется пропитка- раствором связующего ( К-9Х+ этилацетат ) только бислойного покрытия. После- окончания пропитки вся конструкция помещается в термопечь,- где и осуществляется отверждение связующего. .

' ' Конструктивная схема многослойного покрытия

\

2

| "жесткие

4

1 - оболочка вращения;

2 - теплоизоляция;

3 - клеевые прослойки:

4 - фильтрующая прок-

5 - Оислойное покрытие

ладка;

( стекло- + угле-

ткань )

3 2

Рис. 4

Наиболее часто встречающиеся на практике конструкции оболочек вращения, на которые производится- формование многослойных покрытий, имеют достаточно большой радиус

кривизны Бц, который сла<5о зависит от меридиональной координаты, а угол между нормалью к поверхности и осью вращения мало отличается от тс/2. В связи с этим изучение процесса переноса энергии производится на полом цилиндре в одномерной постановке, а начальное распределение температуры в покрытии и концентрации'растворителя в препраге принято равномерным.

При построении физико-математической модели принимались следующие допущения: . .

температура твердой фазы и растворителя как в газовой, так и в жидкой фазах, равны; .

фазовые превращения происходят во всем объеме препрега; термодиффузионный поток в сравнении с фильтрационным пренебрежимо мал;

интенсивное удаление растворителя из связующего осуществляется при температуре кипения растворителя и массоперенос практически заканчивается на этой стадии.

Давление пара, растворителя создает в элементах покрытия напряжения, которые'совместно с тепловыми напряжениями -могут превышать пределы прочности отдельных слоев. Поэтому, как и в предыдущей модели, деформационно-напряженное состояние пок-. рытия анализируется как на стадии формования, так и на стадии кондиционирования. ' ■

Физжо-математическая модель включает в себя:

уравнение переноса энергии

эт. (г,г). 1 а , - .эт., —

С .р--!-=---\Х.-Г'— М + Ч„. 1= -1,11,(51 )

11 31: . г <9г I 1 дг > т

где

аг . г эг«- 1 ег

ас

уравнение переноса массы :

<?со .- ЭО , , • ?Р_

......- 4 - = Р- ГРздСТ.С) - Р3|, С = V—-7« < 52 >

дХ дй I н -1 * Вт,

уравнения термоупругости

ст'=

(1+V, )*(«-2v,)

(1+V, )• Ci-2v,)

Ei

г 1 . (i+v.)(2v.-iU [(i-v1)s42vlAl+alT1(r)-l—-1-J;

t*i

r 1_2v1 n ei 1 г •

[v -рЧ^]- Jwewes

1 ( 53 )

E. г i-zv E. 1 Г . ----A.*,—r-B.+v.e'j--i-.-j cLT.iOtdE'

(l+l> MI-2V,)!- 1 г? 1 J i-v r2 J 1 1

m

E.

i-v

"<уТ,(г),

где А,,В, - коэффициенты, определяемые из граничных условий; уравнение для оценки касательных напряжений в клеевых

швах-

¿ajE.S^T, ¿a^.S.AD,

»= 1

1. 1

--f-----

( 54 )

¿Et.Sl ¿X-S.J

Краевые условия

а ) для уравнения ( 51 ) Т, (г,0) = Тн = Const, i = (,п; T.d^.t) = TI+1<H,,t), Ч = ТТп; ■flT.CHj.t) eTitl(R,,t)

( 55 ) ( 56 )

дг =

дг

, I = 1 ,п; " 57 )

V

с

^(Нц'.г) = тссг): (58)'

X.--— = чи) или а(Т,- Т.) = X--—--,( 59.)

1 <Эг 1 г

б ) для уравнения ( 52)

ды

=0; (60 ), ——, =0; (61 ), 'г=±1/2 дг '2=о

Рз1 = р.! (62), — <---1-» (.63)

'2=±1/2 а Г П'12

в ) для уравнений ( 53 )

и1+1(г1+1> = М^-н*' 1 = Ьп; ( 64 )

)Л • Ч!>\\

п Е. гП-А^'*1 щ*. Г1*1

е,= -------?------!------■ ( 66 )

у_1-----?.а£

1-гг», 1

В приведенной системе уравнений используется также уравнение кинетики отверждения полимерной матрицы ( 20 ).

Условие., (63 ) для темпа нагрева позволяет гарантировать •невозрастание давления пара растворителя в фильтрующей прокладка .

Проверка адекватности модели осуществлялась на исходном варианте кс;нструк1ч1вной схемы многослойного покрытия, в'котором фильтрующая прокладка отсутствовала. Анализ деформационно-нэпря,тенного состояния элементов покрытия осуществлялся для сдедутаих технологических режимов Формования:

ре;;зга 1: температура печи Тд= 443К, температура воздуха внутри оболочки Тг= 293К;

режим 2: Тп= 443К, Тг= 443К; режим 3: Тп= 403К, Тг= 403К.

Характеристики слоев многослойного покрытия, полученные в результате экспериментальных исследований, приведены в табл. б.

Таблица б

Теплофизические характеристики слоев многослойного покрытия

Оболочка Р. кг/мэ а-10е, 1/К Вт/(м-К) с, Дж/(кг-К)

Нарушая Наполнитель - ткань МКГТ-2, полимер-

( слой 5) матрица - К-9Х (см. табл. 3 )

Промежуточная 1550 ' М 0,48 - 695 + '

( слой 2 ) ! 1,9-10"?-Т 1,7-Т

Внутренняя ¡2700 24,5 209 800

( слой 1 )

Фильтрующая прокладка

(нити: фенилон. 4- ари-

•мид)

( слой 3 ) ; 1350 1 0,253 + -2,667 +

5,32'Ю"4 'I1 1 ,216•Т

.. Результаты численных расчетов показали ( см. табл. 7 ), что при некоторых режимах формования в оболочке вращения с учетом давления пара растворителя могут возникать напряжения, превышающие предел текучести- материала оболочки, что приводит к потере оболочкой вращения геометрической формы. Опытная запрессовка подтвердила результаты численных расчетов

Большие значения касательных напряжений с точки зрения гидродинамики являются следствием того, что слой препрега ( 5 ) оказался непроницаем для пара растворителя, так как степень заполнения раствором связующего пор равна единице. В измененном варианте ( см. рис. 4 ) между слоем препрега и теплоизоляцией размещается фильтрующая прокладка 3 на к.чзе-

вых прослойках, исключающих проникновение в нее связующего. Однако и в этом случае герметичная клеевая пленка препятствует выходу газофазных продуктов. В конструкции выход газофазных продуктов обеспечивается перфорацией клеевой пленки. Расчеты и опытная запрессовка показали, что в этом случае касательные напряжения не превышают предела текучести материала оболочки вращения.

Таблица 7

Осевые ох и касательные оа напряжения в оболочке. вращения ( о^р- с учетом давления пара растворителя, <тт- предел текучести материала оболочки )

, Режим формования Напряжения в оболочке вращения МПа

V °т

1 53,'ё\ 59,2 159,2 170

2 127,<5, 132,2 • 232,6 170

3 93 101 201 170

Доля образующихся в местах перфорации "жестких пятен", как показали численные расчеты, не должна превышать площади - прокладки. В противном случае - прокладка приобретает . свойства композиционного материала.

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ФОРМОВАНИЯ НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ '

Физико-математическая .модель технологического процесса формования композиционных материалов плоским прессованием была использована для проектирования технологического режима формования нового композиционного материала на основе асбобазаль-товой ткани ( ТУ 38 114 341 ) и фенолоформальдегидной-смолы ( ЛБС-4 ). Определение параметров диаграммы прессования, грш которых свойства компонентов в полной мере реализуются в ком-

позиционном мэтерале, производилось с соблюдением условия ( 32 ). Свойства прессуемого.препрега и кинетические параметры полимерной матрицу приведены в табл. 2, 3, 4, 5. В качестве исходной была принята диаграмма прессования асбопластика: по температуре - трехступенчатой, по давлению - двухступенчатой, а их значения и продолжительность воздействия определялись расчетом. С использованием расчетной диаграммы прессования на экспериментальном прессе были отпрессованы плиты толщиной 10мм, из которых затем изготавливались образцы для исследования теплофизических и физико-механических характеристик полученного материала. Сравнительная оценка этих свойств с аналогичными по классу материалами ( стеклопластиками и асбоплацтиками ) дана в табл. 8. В сравниваемых материалах используется одно и то же связующэе.

Таблица 8

Сравнительная характеристика композиционных материалов на основе стеклоткани (ТСПН-Ф, ПКПН-Ф,), асботкани (АТ-1-А, АТ-1-В) и асбобазальтоткани (АБТ-1)

• Характеристика М а т е р и а л _

ТСПН-Ф, ПКПН-Ф АТ-1-А АТ -1-В АБТ-1

Об'емная наполнит. 0,53 0,33 0,33 0,32

доля матрица 0,47 0,67 0,67 0,68

Массовая наполнит. 0,7 0,5 0,5 0,5

доля матрица 0,3 0,5 0,5 0,5 >\

р, кг/м3 1550 1450-1600 1100-1300 1400-1450

к, Вт/(м-К) 0,279 - 0,605 0,43 0,5

0,465

с, Дж/(кг•К) 963-1215 1173 1100 1000

Е, МПа 13000 7500 6500 ■7000

свр, МПА 60,7 40 35 68

оВи, МПа оВс, МПа 78,5 75 65 125

78,5 - 110-160 270

Как видно из табл. 8, асбобазальтопластик по сравнению со стеклопластиками и асбопластиками имеет лучшие показатели по пределам прочности на изгиб и сжатие. Остальные характеристики примерно такие же.

В производственном процессе формования многослойных покрытий на оболочки вращения возникает необходимость замены отдельных слоев покрытия. В диссертации на основе модели технологического процесса формования многослойных покрытий на оболочки вращения произведен анализ различных вариантов возможной замены материалов отдельных слоев при различных режимах формования. На основе проведенного анализа даны рекомендации по замене материалов отдельных слоев покрытия, что существенно расширяет возможности предприятия-изготовителя.

РЕНТГЕНОВСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСЛОЙНОЙ ПЛОТНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

При экспериментальном определении коэффициента диффузии ав, относительного'коэффициента термодиффузйи 5Т и малоугло- . вых инвариантов эе, С,1 \ требуются характеристики послойного распределения плотности и влажности в материалах,' а также концентрации растворителя. Для определения этих характеристик разработаны рентгеновские методы.

Прохождение рентгеновских лучей в материале сопровождается убыванием интенсивности излучения вследствие потери энергии, обусловленной взаимодействием рентгеновских квантов с веществом. Для монохроматизированного потока рентгеновских лучей ослабление интенсивности определяется из соотношения

Д(х) = 10'ехр(-|а-х). (67)

Линейныд коэффициент ослабления р. зависит от плотности среды р, в связи с чем для характеристики ослабления среды используется массовый коэффициент ослабления

• ^ = РР- ■ ( 63 )

Для многокомпонентных смесей линейный коэффициент осяаб-

лення определяется из выражения

п п __

И = x р-, р,, £с,=1, 1=1,11. ( 69)

1=1 1=1

Приведенные соотношения позволяют путем просвечивания образцов узким параллельным пучком рентгеновских лучей исследовать послойную плотность образца. Проведя такие исследования, можно рассчитать эффективный массовый коэффициент ослабления исследуемого образца по его плотности

п

. 1 I Г0/1<хл) _ .

II- -----, . 5 = 1 ,п. (ТО )

р-с1 П'

Плотность в 3-м слое определяется по формуле

Р, = —--1пГ1 /1(2 )1, 3 = ьп. ( 71 )

|Д.Э-Й ' I- -1 -1

Для влажной древесины, которую условно можно рассматривать как трехфазную среду, состоящую из сухого древесинного вещества, вода и воздуха, линейный коэффициент ослабления

рентгеновского излучения определяется из выражения •

И = ¡1«'Рг'сг + |£-Рь-с„ 4- р^.Рьз.см, ( 72 )

где р®, р*, ц"- массовые коэффициенты ослабления древесинного вещества, воды и воздуха; ре, рь, рм - плотности, св, сь, сьз - их объемные доли соответственно.

Плотность воздуха на два порядка меньше плотности древесинного вещества при соизмерит коэффициентах поглощения и объемных долях, поэтому последним слагаемым в"формуле ( 72 ) можно пренебречь. Влажность з древесине определяется по формуле ■

I-1 - ^о

ЯГ = Л-^---< 73 )

где - линейный коэффициент ослабления абсолютно сухой древесины ( определяется расчетным путем по коэффициентам ослабления ее химического состава ).

Линейный коэффициент ослабления влажной древесины определяется из эксперимента по просвечиванию пучком рентгеновских лучей образца толщиной (1

1

= ( 74 )

Изложенные методы позволяют в динамике определять плотность и влажность в локальных точках образца, не прибегая к его разрушению. Несмотря на большой объем вычислений ( включая статистическую обработку и сглаживание сплайн-функциями измерений ) благодаря связи рентгеновской установки с быстродействующей ЭВМ, программные средства позволяют полутать оперативную информацию о текущем изменении послойной плотности в процессе формования реагстопластов и влагосодержании в образцах из древесины во время испытаний. Определение плотности и влажности можно производить с шагом 5-10~5м ( по минимальному размеру щелевых диафрагм ). Погрешность методов при наборе N ~ 4-103имп. составляет ~ 15Т--

Излохегашй метод определения вла:шости древесины использовался и для определения концентрации растворителя в прессуемых пакетах преттрегов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе прозедешшх теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие вуеодн.

I. В диссертации предложены н^вне модели и методы расчета те7яологически;: р?:п;г'лв формования роактопластов методом плоского щч-ссгеоипя и формования ик>рпслоЯных покрытий на оболочки гразкчгся, пеклшзхщ!'«? возяикнлзеппе в материалах преде ль-

но допустимых напряжений. На основе энергетического критерия для случая плоского прессования сформулировано условие, обеспечивающее в полной мере реализацию свойств компонентов в в композиционном-материале. Для случая формования многослойных покрытий сформулировано условие для максимальной скорости возрастания температуры в покрытии, позволяющее исключить влияние давления пара растворителя на напряженное состояние элементов покрытия.

2. Предложена, модель, позволяющая оценить тепловые и остаточные напряжения в композиционных материалах в процессе кондиционирования. Модель также позволяет оценить совместимость компонентов композиционных материалов и рассчитать величину остаточных напряжений (касательных и нормальных).

3. Разработан экспериментально-измерительный комплекс, оснащенный информационно-вычислительной системой со специальным программным обеспечением. Комплекс позюляет производить исследования теплофизических, гидродинамических, кинетических и других характеристик прессуемых пакетов и материалов и получать замыкающие соотношения, для решения уравнений физико-математических моделей. ■

4.' Основываясь .на положениях механики композитов, в диссертации предложена структурно-механическая модель древесной клетки, на основе которой получены аналитические решения для определения физико-механических свойств материала клеточной стенки различных пород древесины. Показано, что при определении механических характеристик древесно-слоистых пластиков в расчетах должны использоваться упругие постоянные материала клеточной стенки,, а не эффективные механические свойства древесины.

5. На основе экспериментальных исследований разработаны:

а) рентгеновский неразрушаквдй метод определения послойной плотности материала в процессе формования композиционных материалов;

б) рентгеновский неразрушающий метод определения влажности в процессе сушки (увлажнения) образцов.

6. Показано приложение предложенных моделей для расчета технологических режимов формования новых типов композиционных материалов. - .

7. Теоретические исследования удовлетворительно согласуются с лабораторными и промышленными экспериментами.

8. На основе моделей разработаны алгоритмы и ЭВМ-программы для проектирования свойств и технологических режимов формования реактопластов, которые могут быть использованы проектными и научно-исследовательскими организациями при разработке новых композиционных материалов.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

о - напряжения,Па; ов - предел прочности,Па; е - деформация,1; Е - модуль Юнга,Па; Ц. - модуль сдвига,Па, динамическая вязкость, Па-с; П - пористость,I; ео- угол дифракции,рад.; 6 -степень отверждения полимерной матрицы, 1; 5 - волновой вектор рассеяния,м-1; 10- интенсивность первичного рентгеновского луча,имп./с; АН - тепловой эффект реакции отверждения,Дж/моль; р - плотность,кг/й3;тГ- порядок реакции отверждения, 1; эп -коэффициент диффузии,м2/^; бг- относительный коэффициент тер-' модиффузии, 1 /К; к„- коэффициент проницаемости^; Р - давление,Па; Ь,- степень заполнения пор 1-м веществом,1; И - газовая постоянная,Дж/(кг-К); М. - молярная масса,кг/моль; И -энергия деформирования,Дж; 1;,т - время,с; Г,т' - приведенное время,с; с - удельная теплоемкость,Дж/(кг-К); А, - коэффициент теплопроводности,Вт/(М'К); Т - температура,К; площадь сечения толокна,мг; Гф- удельная теплота фазового превращения, Дж/кг; г - радиус,м; а*- термический коэффициент линейного ' расширения,1/С; I - линейный размер,м; а - коэффициент теплообмена ,Вт/(мг'К); и - эффективная энергия активации процесса отверждения,Длс/моль; (3 - коэффициент массообмена,с/м2; и,у -радиальная и касательная компоненты вектора перемещения,м; О - 'инвариант Порода,м-1; 0ОТВ - удельная теплота реакции отверждения, Дж/кг; И - радиус рассеивающей частицы,м; и - концентрация пара растворителя, кг/м3; С - средняя по объему.концентрация растворителя,кг/м3.

Индексы:

о - материал ( скелет ); I - наполнитель,' жидкость; г - матрица, паровоздушная смесь; з - пар; 1 - воздух ( неконденсгт-

рувщпйс.ч ra-j.); п - параметры поЕврхности, нрепрег; н - насыщенный'пар, начальные параметры; л - композит; £ - ок-рутзмцаа срьдэ; о • древесина; а - атмосфера; * - эффективные

сзоЛстза . '

Основное 'содержание диссертации опубликовано в следующих рп^ота::.

I. Котенко Е.Д., Сапожников .11.В., Чернецоз A.A. Регенерация тз'.рдых адсорбентов при воздействии электрического пола " Науч. тр. / МЛТИ. -1 ??>3. - Dun. 150: Технология древесных ' плит ¡1 пластиков.-С.С4--6С. . -

Котенко П.Д., Потапов С.А., Сапожников И.В. Экспериментальное исследование равновесного влагосодержания силика-геля в электрическом поле // Науч. тр. / МЛТИ.-1934.-Вып.159: Технология древесных плит и-пластиков.-С.33-35,

3. Коте гаю В.Д. Структурный анализ при деформации древесины // Науч.тр. / МЛТИ.-1984.-Вып.163: Вопросы теплопередачи в-технологических процессах.-С.142-148. .

4. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Исследование структуры древесины при деформации на дифрактометре // Лауч.тр./ ГЛЛТИ.-1905.-Вып.171: Технология древесных пластиков и плит.-С.15-19.

5. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Исследование внутренних напряжений в древесине методом структурного анализа // Тезисы докладов, / XYI Всес. научн.-техн. конф. "Основные направления ускорения научн.-техн. прогресса в деревооб. лром-сга в-13 пятшотке".«-Киев.--I906.-С. 174-175.

6. Котенко В.Д.,-Оленин В.П. Экспериментальное исследование теплофизических характеристик армировании полимерны/' материалов // Науч. тр. / МЛТИ.-1906.-Вып. 179; Технология ■ древесных пластиков и плит.-С.17-30.

7. Котенко В.Д.,■Сапожников Л.В. Исследование структурных изменений в древесине, при механическом нэгружении // Науч. тр. / МЛТИ.-1987.-Вып. 192: Комплексное использование древесного сырья и повышение качества продукции.-С.5-8.

В. Сапожников ,11.В., Котенко В.Д. Исследование внутренних напряжений в процессах сушки древесины методами рентгвно-структурного анализа // Науч. тр. / МЛТИ.-1900.-Выи.203: Совершенствование технологии, древесины и пластиков.-С.35-39.

9. Об лизин А.Н., Котенко В.Д., Сапожников И.В. Расчетные методы определения коэффициентов теплопроводности композиционных материалов различной структуры // Науч. тр./ МЛТИ.-1989.-Вып. 219: Расчетные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах.-С.62-71. ; 10. Котенко В.Д., Бурлуцкая К.В. Теплозащитные свойства композиционных материалов на основе древесины // Науч. тр./ МЛТИ.-1990. Вып. 230: Совершенствование химической и химико-механической технологии древесины.-С.5-9.

11. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Влияние режимов кондиционирования на напряженное состояние волокнистых композитов /, Науч. тр. / МЛТИ,-1990.-Вып. 227: Расчетные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах.-С.68-74.

12. Котенко В.Д. Аналитические методы расчета термических коэффициентов линейного расширения композиционных материалов // Науч. тр. / МЛТИ.-1990.-Вып.227: Расчетные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах.-С.75-80. ' - ...

13. Котенко В.Д., Сапожников И.В. Прочность слоистых композитов при.интенсивном тепловом нагружении // Науч. тр./ МЛТИ.-1992.-Вып. 239: Гидродинамика и теплообмен в технологических процессах.-С.68-79.

14. Котенко В.Д. Физико-математическая модель технологического процесса-.изготовления композиционных материалов плоским прессованием // Науч.тр. / МЛТИ.-1993.-Вып.253: Расчетные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических • процессах.-С.5-16. ' ;

. 15. Котенко В.Д., Сапожников II.В. Физико-математическая модель технологического процесса формования многослойных теплозащитных покрытий на оболочки вращения // Науч.тр. / МЛТМ.-1993. -Шп.252: Расчетные методы гидродинамики и .теплопередачи б технологических процессах.-С.16-29.

1С. Котелке В.Д. Члслепшй анализ деформационно-напря-тепного состояния элементов июгослойннх покрытий в технологических процессах формования на оболочки вращения // Науч. ■тр. / ПГ7Л.-1Г93.-Вып. 259: Расчетные методы гпдродиначпки п тр.п^опврада'т в технологических процессах-.-С. 190-195.

17. Котенко В.Д. Применение математических моделей для

проектирования технологических режимов формования новых композиционных материалов // Науч.. тр./ МЛГИ.-1993.-Вып. 259: Расчетные методы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах.-С. 184-190.

18. Котенко В.Д., Миролюбов A.B., Шевляков A.A. Экспериментальное исследование термовязкоупругих свойств препрегов // Науч. тр. / МГУЛ.-1994.-Вып. 273. Технология химико-механической переработки древесины.-С.33-41.