автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение повышения герметичности труб из углерод-углеродных композиционных материалов, работающих в агрессивных средах

Введение 6 /. Основы теория получения конструкций из углерод углеродных композиционных материалов (УУКМ), технологии изготовления и физико-механические характеристики

1.1. Получение углеродных волокнистых материалов (УВ)

1.1.1. Получение УВ гидратцеллюлозных волокон

1.1.2. Получение УВ из полиакрилонитрильных нитей

1.1.3. Получение УВ из пеков

1.2.4. Физико - механические и химические свойств углеродных волокон

1.2. Уплотнение много направленных структур УУКМ

1.2.1. Методы пропитки матрицы жидкостью из УУКМ. Обоснование выбора типа пропитывания

1.2.2. Термореактивные смолы

1.2.3. Пропитка пеков под низким и высоким давлениями

1.2.4. Химическое осаждение из паровой фазы

1.3. Типы структуры пространственно армированных УУКМ

1.3.1. Структурные схемы пространственно армированных композитов

1.3.2. Предельные коэффициенты армирования пространственных структур

1.3.3. Проектирование тканых структур на основе системы двух нитей. Эффективные упругие характеристики структур типа

1.3.4. Много направленные структуры система трех нитей

1.3.5. Схемы армирования цилиндров и других тел вращения

1.3.6. Процессы получения армирующих структур для УУКМ. Сухие тканые структуры и процессы получения цилиндров армирующих структур для УУКМ

1.4. Физическая модель термообработки УУКМ

1.4.1. Газопроницаемость матриц и постановка локальной задачи газопроницаемости

1.5. Проектирование и примера расчета трубчатых конструкций

1.5.1. Особенности механики деформирования ортотропных армированных структур из УУКМ

1.5.2. Метод осреднения жестокости в механике пространственно армированных композитов

1.5.3. Проектирование конструкций труб из УУКМ под нагрузке внутри давления

2. Обоснование рациональных параметров конструкций из УУКМ\ повышенной герметичности и технологии их изготовления

2.1. Технология изготовления труб

2.2. Основные используемые материалы

2.3. Рациональные параметр Технологического процесса изготовления изделия из УУКМ

2.3.1. Изготовление препрега, раскрой препрега и намотка раскроенного препрега на металлическую оправку

2.3.2. Отверждение намотанной заготовки и съем заготовки с металлической оправки

2.4. Типы процессов технологии изготовления углеродных труб

2.4.1. Предварительная карбонизация заготовки

2.4.2. Пропитка заготовки каменноугольным пеком

2.4.3. Карбонизация заготовки

2.4.4. Насыщение заготовки пироуглеродом

2.5. Процесса насыщение покрытий на трубы из УУКМ 92 2.5.1 .Техпроцесс насыщение покрытий

2.6. Оценка несущей способности и надежности функциональные трубопровода из углерод углеродного материала со структурой типа 2D

3. Методы определения механических свойств и герметичности труб конструкции из УУКМ

3.1. Методы статических испытаний армированных трубчатых структур из УУКМ

3.2. Испытание на растяжение трубчатых образов из УУКМ

3.2.1. Измеряемые величины

3.2.2. Используемые образцы и их подготовка к испытаниям

3.2.3. Испытательная оснастка и приспособления

3.2.4. Обработка результатов испытаний

3.3. Испытания трубчатых образцов под действием внутреннего давления

3.3.1. Используемые образцы и их подготовка к испытаниям

3.3.2. Испытательная оснастка и приспособления

3.3.3. Испытательное и измерительное оборудование

3.3.4. Обработка результатов испытаний

3.4. Определение структуры материала

3.4.1. Определение плотности и пористости

3.4.2. Методы количественной металлографии

3.4.3. Экспериментальное определение пористости и неоднородности материалов

3.5. Метод определения герметичности или газопроницаемости 126 3.5.1. Испытание на герметичность (газопроницаемости)

3.5.2. Формулировка требований к герметичности и обоснование выбора метода испытаний

При строительстве промышленных предприятий различных отраслей народного хозяйства значительную часть времени составляет изготовление и монтаж технологических трубопроводов. Общая масса технологических трубопроводов на крупных предприятиях металлургической, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности составляет десятки тысяч тон. На таких предприятий стоимость монтажа технологических трубопроводов составляет 25.65 %.

Трубопроводы, как объект исследования, имеют важное народнохозяйственное значение для Сирии, России и других стран мира, которые применяют трубопроводы в химической, нефтехимической, ракетной и авиационной областях промышленности. Технологические трубопроводы подразделяют: По месту расположения: на внутрицеховые, соединяющие отдельные виды обродуования, и межцеховые, транспортирующие продукты между цехами или объектами, По величине внутреннего давления: на вакуумные, работающие при абсолютном давлении ниже 1 кгс/см2, низкого давления - от 1 до 100 кгс/см2 и высокого давления - свыше 100 кгс/см2, По температуре транспортируемых продуктов: на холодные (температура продукта до 45°С) и горячие (свыше 45°С), По агрессивности транспортируемого продуктов: на неагрессивные или мало агрессивные, вызывающие коррозию стенки трубы менее 0,1мм в год, средне агрессивные -ОД .0,5 мм в год и высоко агрессивные свыше 0,5 мм в год, *. По применяемым материалам: на металлические (углеродистые и легированные стали, цветные металлы и их сплавы, чугуны различных марок), металлические с внутренними покрытиями (резиной, полимерами, керамикой, стеклопластиком, биметаллами) и неметаллические (полиэтиленовые, полвинилхлоридные, полипропиленовые, фторопластовые, фарфоровые, графитовые и керамиками)[1].

Применение трубопроводов в ракетных и авиационных технике:

- Для подачи топлива из топливного бака к двигателям (ЖРД).

- Для управления система и сопл ракетных, также применениями трубопроводов.

- Для подачи топлива из баков к двигателям самолётов.

- Для подачи гидравлических жидкостей для управления системы самолётов.

- Для подачи кислорода и других жидких веществ на космические станции. Известно, что интенсивное развитие химической и нефтехимической промышленности обусловило резкое увеличение выпуска аппаратов и трубопроводов различных типов и размеров, работающих при высоких давлении и температуре.

В настоящее время на заводах для транспортирования кислот широко используются трубопроводы, изготовленные из серого чугуна или низкоуглеродистых пластичных сталей.

Однако ожидаемый срок эксплуатацией таких труб невысок и составляет, например, для чугуна 7. 15 лет в зависимости от температуры, степени концентрации и скорости транспортирования кислот. Однако самым неприятным является тот факт, что разрушение труб происходит внезапно вследствие проникающей коррозии, вызванной действий химической агрессивностью кислотам [2].

Одним из наиболее эффективных вариантов замены металла полимерными материалами при сооружении трубопроводных систем являются пластмассы. Известно [3], что серийно выпускаемые в Р. Ф. трубы из полиэтилена низкой и высокой плотности и поливинилохлорида предназначены для эксплуатации при температуре транспортируемой химической жидкости 20°С и рабочем давлении, не превышающем 1 Мпа. Повышение температуры рабочей среды ведет к катастрофическому понижению несущей способности труб. В то же время интересы народного хозяйства требуют существенно расширить область замены металлических труб пластмассовыми. В первую очередь это относится к системам промышленного и гражданского горячего водоснабжения. В условиях Крайнего Севера а связи с большой стоимостью текущего и капитального ремонта систем горячего водоснабжения экономически эффективным может быть применение труб из стеклопластика

4].

Промышленность выпускает два вида труб из стеклопластика, отличающихся способом обеспечения герметичности [5]. Герметичность может обеспечиваться либо внутренним подслоем, обогащенным связующим, либо эту функцию может выполнить тонкостенная труба из термопластика. В последнем случае получается так называемая пластмассовая труба. Каждый из названных видов имеет свои преимущества и недостатки. С точки зрения оборудования и технологии производства предпочтение следует отдать пластмассовым трубам. В то же время необходимо учитывать отрицательные свойства пластмассовых конструкций. Например, имеются сведения [6], что при непрерывных в эксплуатации конструкций и при химическом воздействии кислотами на изделия в условиях высоких температур происходит растрескивание слоя термопластов.

Несколько лет назад приступили к исследованию новых материалы, которые отвечают технологическим требованиям трубопроводов, работающих в агрессивных средах. Причем одним из видов используемых материалов, характеризуемых повышенной прочностью при высоких температурах, химической инертностью и малой плотностью являются углеграфитовые материалы [7]. В то же время углеграфитовые материалы обладают рядом недостатков, ограничивающие их применение: недостаточные термопрочность, стойкость к тепловому удару и ударным нагрузкам, хрупкость. Эти недостатки могут быть устранены путем создания композиционных материалов на основе углеродного волокна в качестве армирующего элемента и объемно-изотропной матрицы в виде поликристаллической углеродной массы, получивших название углерод - углеродные композиционные материалы (УУКМ) [8].

Создание таких материалов стало возможным благодаря разработке углеродных волокон характ еризующихся следующими физико - механическими характеристиками а = 5.7 МПа, Е=500.700 ГПа, е = 1,5 .2%, р-1,2.2,2 г/мм3 и хорошей химической стойкостью в агрессивных средах.

Суть процесса изготовления композиционных материалов класса углерод-углерод состоит в создании армирующего каркаса, введении в него матрицы с последующим уплотнением, карбонизацией и графитацией.

На исследования по созданию УУКМ в разных странах были выделены крупные государственные субсидии, что было обусловлено высокими ценами на углеродное волокно, сложностью технологии и длительностью производственного цикла.

Имея четыре электрона на орбите, углерод легко вступает в реакции со многими химическими элементами при повышенных температурах, оставаясь инертным при нормальных условиях даже по отношению к сильным окислителям и другим химически активным веществам. Наиболее хорошо изучено взаимодействие УУКМ с газовыми средами, карбидообразующими элементами и щелочными, металлами, а также некоторыми солями и оксидами, образующими слоистые соединения.

Изучению взаимодействия УУКМ с газами, оказывающими коррозирующее действие, такими как диоксид углерода, кислорода воздуха, паров воды и др., посвящено большое число работ. Несмотря на многочисленность работ, касающихся механизма и кинетики окисления графита и углеродных материалов, в настоящее время нет единой теории этого процесса.

С кислородом графит не взаимодействует до 400 °С, температура начал реакции зависит от совершенства кристаллической структуры и повышается с ростом ее упорядоченности. Разрушение углеродных комплексов может происходить и при температура ниже 400 °С. Так, Косиба В., Дайне Г., обнаружили выделение продуктов реакции графита с кислородом при 250 °С. Ими были поставлены опыты, в которых скорость реакции определялась по убыванию массы образцов за 100 дней. С диоксидом углерода графит начинает реагировать при более высокой температуре до 500 °С, причем взаимодействие происходит с такой малой скоростью, что потери графита составляют 0,1% за двадцать лет.

Вследствие того, что углеродные материалы, за исключением пирографита и стеклоуглерода, всегда обладают развитой пористостью, реакции с газами, а также жидкими средами проходят не только на внешней поверхности образца или детали, но и на внутренней поверхности пор [9].

На основании большого количества работ, выполненных в достаточно чистых условиях, установлено, что значение энергии активации для реакции С+02 находится в пределах 218.243 Кдж/моль, С+Н2 - от 197 до 406 кдж/моль и для реакции С+Н20 - 230.348 Кдж/моль [10].

В аппаратах для химических производств используются углеродные материалы различных классов: искусственные графиты, получаемые по обычной технологии после пропитки синтетическими смолами, высоконаполненные пластмассы с углеродным наполнителем и составы для соединения отдельных элементов из углеродных материалов в конструкции.

Коррозионная стойкость смол, как правило, много ниже, чем у графита, так как синтетические смолы разрушаются щелочами и окисляющими кислотами. В результате воздействия агрессивной среды материал может терять прочность, увеличивается проницаемость или изменятся какие-либо другие свойства [11].

Непропитанные обоженные углеродные материалы, а также графиты используются в химически агрессивных средах весьма ограниченно, так как в аппаратах для химических производства требуется непроницаемость материала[12].

В качестве пропитывающего вещества - графит имеет недостаточную стойкость к щелочам, низкие механические свойства и газопроницаемость.

В последнее время в качестве щелочи и кислото-стойкого пропитывающего вещества предложено применять УУКМ. Выпускается этот материал под маркой ATM - 1, однако он не обеспечивает достаточную герметичностью [13].

Как отмечалось выше, проницаемость структуры УУКМ возникает в результате протекание химических процессов на поверхности материала, результатами которых является отщепление отдельны атомов и их групп от органических молекул, которые вследствие этого обогащаются углеродом. Изменение состава и строения исходных органических веществ сопровождается уплотнением их структуры, что приводит к усадке и развитию усадочных трещин. В результате этих процессов в твердом углеродном остатке карбонизации одновременно с атомномолекуярной структурой формируется пористость, причем размер пор имеет широкий диапазон: от молекулярного до достаточно крупного. Таким образом, пористость присутствует во всех углеродных материалах, что и оказывает существенное влияние на их свойства.

При формировании твердого тела образующиеся поры могут быть связаны между собой, и с поверхностью, в том числе и с внутренней. Это так называемые канальные или транспортные поры, они ответственны за перенос массы вещества (фильтрация, диффузия) через тело.

Важной характеристикой пористой структуры является распределения в ней пор по размерам. По классификации, предложенной М. М. Дубининым, поры подразделяются на три категории: микропоры с эффективным радиусом менее 1,5.2 нм, переходные поры от 1,5.2 до 100.200 нм и макропоры с эффективным радиусом более 100.200 нм.

Важной характеристикой пористой структуры и важным свойством углеродных материалов является их проницаемость по отношению к газам и жидкостям. Многие технологические и эксплуатационные характеристики зависят в той или иной мере от проницаемости. Проницаемость пористого тела характеризуется коэффициентами проницаемости или фильтрации. Коэффициент фильтрации зависит не только от свойств пористого тела, но и от фильтрующегося вещества.

Свойства УУКМ в значительной степени определяются структурой углеродной матрицы. Наиболее часто применяемыми исходными материалами для матрицы являются смолы, пеки и углерод химически осажденный из газообразного углеводорода. Исходные органические материалы, используемые для формирования углеродной матрицы, должны удовлетворять следующим требованиям для трубопроводных систем в химически агрессивных средах промышленности: высокой выход углерода, низкое давление пара в процессе карбонизации, низкое влажность, которая меньшее виляет на процесс изготовления.

В зависимости от фазового состояния углеродсодержащих веществ различают следующие способы уплотнения углеродом:

1) с использованием газообразных углеводородов (природный газ и метан);

2) с использованием жидких углеводородов, характеризующихся высоким содержанием углерода и большим процентом выхода кокса (пеки, смолы).

3) комбинированный, включающий в себя пропитку пористых каркасов жидкими углеводородами, карбонизацию и уплотнение ПУ из газовой фазы [14].

Химическое газо-фазное осаждение пироуглерода (процесс уплотнения исходного ПУ), происходит за счет инфильтрации молекул углеводорода внутрь каркаса и их разложения с образованием ПУ. Процесс пиролиза легко управляем изменением контролируемых параметров.

Технологический процесс получения УУКМ жидкофазным методом включает изготовление пористого каркаса, пропитку его жидкими углеводородами, карбонизацию под давлением и графитацию. В качестве смол чаще всего применяют фенольные, фенолформальдегидные смолы, такие как бакелитовый лак марки А и резальная смола. Для увеличения химической стойкости и повышения герметичности УУКМ, наиболее прогрессивным и перспективным направлением является использование в качестве сырья пеков нефтяного и каменноугольного происхождения[15], поскольку они имеют существенные преимущества: доступность, низкую стоимость и высокое содержание углерода.

Формирование структуры и свойств углерод - коксовой матрицы используемой в трубопроводах химической отрасли, зависит от условий термообработки (150. 1200 °С), которые можно условно разделить на несколько стадий: отверждения, пропитки пек под давлением и карбонизация при высоком давлении повышает плотность материала, необходимую для увеличения эрозионной стойкости композита. Видно, что первоначально высокая скорость роста плотности резко падает после четвертого цикла.

Анализ экспериментальных данных показывает, что жесткость, прочность и герметичность изделий из УУКМ существенно зависят от пористости углеродной матрицы. В связи с этим и применяют различные технологические приемы повышения плотности и герметичности (например, наполнение под давлением, повторное наполнение и т.д.).

УУКМ получаемые газо-фазным способом, характеризуются достаточно развитой пористостью, определяющей в значительной степени их физико-химические свойства. Высокой пористостью определяется высокая газопроницаемость и пониженная химическая стойкость, что взывает необходимость разработки специальных технологических методов, направленных на снижение газопроницаемости и повышения эксплуатационных характеристик. Эффективная разработка этих процессов требует знания характеристик пористой структуры[16], основные характеристики ее распределения по размерам эквивалентных радиусов пор.

В физике низких давлений [17] истечение газа через единичную течь может быть описано тремя возможными механизмами в зависимости от числа Кнудсена, определяемого как отношение длины свободного пробега (А,) молекул газа к характерному размеру канала 2г. При X / 2г> 1 течение газа молекулярное, при X / 2г < 1 вязкостное (пуазейлевское), а если выполняется условие 0,01< X/ 2т < 1, наблюдается промежуточный режим течения газа. Длина свободного пробега молекул метана при 800 °С и атмосферном давлении составляет 0,26х 10"4 см. Опираясь на изложенное, весь спектр УУКМ матрицы разделен на следующие группы: фольмеровские (с г до 25.35 А0), кнудсеновские (г от 25.35 А0 до 300.350 А0), переходные (с г от 300.350 А0 до (30.35 )х103 А°) и пуазейлевские (с г более 35x103 А0) поры.

Для детального анализа влияния технологических факторов на формирование пористой структуры УУКМ целесообразно из группы пуазейлевских выделить макропоры, поры с г > 105 А0. Такая классификация полезна для изучения кинетики до уплотнения ПУ.

Скорость диффузии в порах радиусом менее 350 А0 (кнудесновские поры) определяются молекулярным размером пор 2г. В данном случае коэффициент диффузии прямо пропорционален радиусу пор. Для пор с размером радиуса, на порядок и более превышающих X, при атмосферном давлении перенос газа осуществляется путем обычной диффузии (пуазейлевские поры г > 3x103 А0). В этих условиях коэффициент не зависит от диффузии в газах при атмосферном давлении и колеблется в интервале 0,11.0,20 см2/с.

С точки зрения химической стойкости материалы без дополнительной улучшающей обработки не могут считаться оптимальными в связи с тем, что имеют относительно большой объем доступных для окисления макропор, создающих достаточно большую развернутую реакционную поверхность.

В работе [18] установлено, что физико-механические свойства углерод углеродных материалов после завершающей стадии карбонизации зависят от пористости. Изменение свойства при карбонизации можно определить по следующей формуле: М-ц/(р), где М - одно из перечисленных свойств, р-пористость.

При увеличении общего объема пор уменьшается длина сплошного участка матрицы /0 , что приводит к существенному и нелинейному возрастанию Ьэфф. Размер Ьэфф зависит как от суммарного объема пор, так и формы пористости и размера пор. Образование мелких трещин с большим отношением длины к радиусу способствует резкому возрастанию Ьэфф по сравнению с равномерно распределенными более крупными порами.

Например, прочность углерод углеродного материала снижается, при росте пористость ее можно определить по зависимости:

On =а0 (.L эфф / / )1/т = а0. ЕХР ( -ц1/т +ц1/т. (1 -Vn/n». (1)

Где а„ - прочность пористого материала , а0- прочность без пористого материала, ш- параметр распределения прочности пучка волокон по Вейбулу, т] - константа зависящая от упругих свойств компонентов, степени наполнения и схемы укладки волокон.

В работе [14], использовалась описанная модель пористости матрицы композита. Расчет производится со свойствами матрицы, пересчитанными для данного значения пористости. Рассмотрим подробнее расчет эффективных свойств пористой матрицы.

Будем считать, что пористая матрица образовалась в результате внесения микроскопических пор произвольной формы в первоначально сплошной изотропный материал (К- объемный модуль, ц- модуль сдвига). Если считать, что поры в композите расположены случайным образом, а их распределение статистически однородно, то пористая углеродная матрица будет представлять собой макро изотропный материал, но уже с другими свойствами (К*- эффективный объемный модуль, ^-эффективный модуль сдвига). Решение задачи об определении эффективных упругих свойств пористой матрицы проводилось в сингулярном приближении теории случайных функций. В результате для эффективного объемного модуля К* было получено выражение:

К = К (1-Ср) [1- Ср/Ср+(4ц / ЗК)], (2) где К- объемный модуль материала без пор, ц - модуль сдвига материала без пор, Ср - относительная объемная пористость.

Соответственно, для эффективного модуля сдвига: ц = ц (1-Ср) [1- Ср/ Ср+ (9К + 8 ц) / 6( К+2ц)], (3) Эффективный модуль Юнга Е* и коэффициент Пуассона V* пористой матрицы можно рассчитать по следующим формулам:

Е* = 9 К* ц*/ (3 К*+ ц*), у* = (3 К*-2 ц ) / ( 6К* + 2 ц*), (4) Таким образом, учет пористости заключается в том, что свойства сплошного материала заменяются эффективными свойствами, полученными с учетом реальной пористости.

В качеств пропитывающих веществ УУКМ имеют недостаточную газопроницаемость или не герметичность материалов. Механические свойства волокон практически не меняются до температур 2000 °С в инертной среде, поэтому усадочные процессы в УУКМ завершаются, в основном при температурах 600.800 °С.

Исходные органические материалы, используются для формирования матрицы и должны удовлетворять следующим требованиям для трубопроводных систем в химически агрессивных средах промышленности: высокий выход углерода, низкое давление пара в процессе карбонизации, низкая влажность, которая имеет влияние на процесс изготовления, особенно до стадии карбонизации.

Но развитие в технологии химической промышленности, требует большую герметичность. Поэтому повышенные герметичности, должно быть достигнуто другим путем, который будет удовлетворить требованием технологии и себестоимости. Расчёт технологического процесса изготовление, должен обеспечивать повышения герметичности и сохранение механических свойств труб из УУКМ. Для получения указанных свойств предлагается метод насыщения покрытия, на основе раствора поливинилового спирта и сажи, которые покрывают наружную и внутреннюю поверхности труб. 1- Актуальность работы

Одним из путей совершенствования трубопроводных конструкций, применяемых в химически агрессивных средах промышленности и многих других отраслях техники является повышение герметичности, увеличение химической стойкости и увеличение срока службы в агрессивных средах.

Ключевым моментом решения этих проблем является создание новых композиционных материалов, которые оптимальным образом сочетали бы в себе низкую газопроницаемость и высокую химическую стойкость к воздействию агрессивных сред (кислот), обеспечивающую работоспособность конструкции при воздействии 90%-ной кислоты, а также обеспечивали бы хорошие механические свойства, стабильность свойств композитов при минимальных производственных затратах.

На сегодняшний день в мире композиционных материалов для трубопроводов агрессивные средах и химической отрасли качество материалов такого класса, к ним а первую очередь относятся углерод - углеродные композиционные материалы. Однако потенциальные возможности этих материалов еще далеко не исчерпаны в особенности это касается химической стойкости и прочности армирующего наполнителя.

Эти материалы могут обладать широким спектром химической -механических характеристик для разнообразных видов. Рациональный выбор сочетаний этих свойств открывав! возможность не только качественного улучшения герметичности и химической стойкости, но и создает предпосылки для развития новых направлений в технике.

В связи с этим, создание и повышение герметичности углерод -углеродных композиционных материалов и их технических модификаций, адаптированных к конструкциями и условиям их эксплуатации является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение для Сирии, России и других странах. Решение, которое позволит существенно расширить эксплуатационные характеристики и их срок службы больше 20 лет изделий из УУКМ, диапазон их работоспособности, эффективность и надежность.

2- Основные цели и задачи работы

Основной целью диссертационной работы являются решение комплексной проблемы повышения герметичности трубчатых конструкций из углерод - углеродных композиционных материалов (УУКМ) и разработка технологических процессов изготовления трубопроводов, работающих в химически агрессивных средах.

Задачами работы являются

1) Разработка технологических процессов изготовления и термообработки трубчатых конструкций из углерод - углеродных композиционных материалов, которой обеспечивает оптимальное увеличение герметичности без ухудшения механических свойств материала трубы.

2) Проведение расчетно-теоретических и экспериментальных исследований с целью выработки инженрно - технологических решений технического процесса создания конструкций из УУКМ.

3) Разработка технологического процесса насыщение наружного слоя на пироуплотненне трубы и выбор состава пропитывающего раствора, который повышает герметичность.

4) Формирования базы данных свойств УУКМ с учетом пористости матриц.

3- Научная новизна Развитие и обоснование рациональных параметров технологических процессов изготовления трубчатых конструкций из УУКМ, которых обеспечивающих оптимальное повышение герметичности без изменения механических свойств материала. Проведение расчетно - теоретических и экспериментальных работ с целью выработки инженерно - технических решений технологического процесса создания конструкций труб из УУКМ и формирования базы данных свойств УУКМ с учетом пористости. Соотношение механических характеристик, структуры, газопроницаемости, химических стойкости материалов и технология процесс изготовления (пористости). Обеспечение повышения герметичности методом нанесения непроницаемого покрытия (ПВС+сажа).

Все эти, являются научной новизной исследования.

4- Практическая ценность работы

В диссертации разработаны: различные технологические процессы изготовления труб из УУКМ, методика определения механических свойств образцов труб из УУКМ при растяжение и внутреннем давлении, методика определения аморфолоческих структур материалов УУКМ электронным микроскопом и методика практического определения газопроницаемости материалов. Кроме того, в диссертации разработана методика нанесения непроницаемого углеродного покрытия на трубы 2В-УУКМ позволяющая повысить герметичность без нарушения механических свойств конструкции труб.

5- Апробация работы По результатам диссертации опубликовано 4 печатных работы две на (Фундаментальные исследования новых технологий, Москва, 1998) и две в журнале (оборонная промышленность). Основные результаты работы представились три докладов один на кафедру СМ 12 и двух на предприятия (8.8.Я.С.) в Сирии.

Техноло гия № 1 СУП)

Методы изготовления

Техноло гш № 2 (УП+ПК +К+П)

Технолог ия №¡3 (УП+ПК +К+П+Ц)

Технология 4 (УП+ПК+К +П+П+К)

Технология

5 (УП+ПК+К+ П+П+ПК+К)

Испьгтание на растяжение

Испытание внутренним давлением

Морфологический анализ структуры материалов

Технологи я№б (УП+ПК+ К+П+ ГОП)

Испытание на герметичность (газопроницаемости)

Сравнение и выбор рациональных процессов технологии изготовления, обеспечивающей высокие значения герметичности

Технология покрытия поверхности (ПВС+сажа) труб с целью повышения герметичности без изменения механических характеристик материала

Рис. В.1. Показался схема и пути исследование работы, их управление

6- Структура и объем диссертации Диссертационная работы изложена на 153 страницы машинописного текста, включая введение, четырех глав и основные выводы работа иллюстрирована 76 рисунками, содержит 19 таблицы и списка литературы из 31 наименований.

• Выводы и рекомендация

1. Применение УУКМ для изготовления трубопроводов, работающих в агрессивных средах, решает важную народно - охазяйственную проблему, вследствие их высоких эксплуатационных свойств и низкой стоимости по сравнению с металлами.

2. Технологический процесс, состоящий из этапов (отверждения, предварительная карбонизация, пропитки пек под давлением и карбонизации) и их комбинации оказывает существенное влияние на механические свойства УУКМ, их структуру и герметичность.

3. Анализ механических свойств, пористости, газопроницаемости и химической стойкости труб, изготовленных по 6 различным технологиям, показал, что лучшими свойствами обладают образец изготовление по технологии (УП+ПК+К+П+ГОП).

4. Повышение герметичности осуществляется за счет нанесение непроницаемого углеродного покрытия на поверхность труб. Покрытие раствором (ПВС+сажа) позволяет повышать герметичность в 45 раз. Расчет себестоимости изготовления трубопроводов из УУКМ показал ее невысокую величину.

5. Технология пропитки и карбонизации играют самую важную роль в состояние матрицы УУКМ. Пористость, в зависит от технологического процесса обработки количества циклов, повышает герметичность.

• Заключение

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1-Разработана комплексная система проектирования пространственно-армированных композитов и технологических процессов их производства, включающая:

• Банки данных по исходным материалам и базовым технологиям.

• Комплексная модуль расчета композиционных материалов и конструкции трубчатых деталей с учетом пористость основных структурных, физико-механических и реологических особенностей.

• Методики экспериментальной отработки материалов и конструкции и их герметичности.

2- Проведены расчтно-теоретические и экспериментальные исследования различных технологических процессов изготовления УУКМ и конструкций, в результате которых:

• Выявлены основные особенности и закономерности поведения УУКМ в условиях воздействия химически агрессивных средах.

• Изучены 2-Д ткань армирования и различные виды углеродной матрицы при пропитки до стадией карбонизации с точки зрения влияния структурных особенностей на повышение герметичности или уменьшение газопроницаемости без изменения механических характеристики УУКМ и работоспособность конструкций в химически агрессивных средах

3- Сформирована научная основа для разработки новых технологий, повышающих герметичность и создания нового поколения композитов предназначенных для эксплуатации в химически агрессивных средах.

4- Разработаны углерод углеродные композиционные материалы с высокими герметичностью и эксплуатационными свойствами для химической промышленность.

5-Разработаны новые технологиями нанесения непроницаемого углеродного покрытая на трубы 21>УУКМ, которые повышают герметичность несколько раз.

6-Разработаны УУКМ с высокими герметичностью, которые внедрены в изделия трубопроводной техники, работающие в агрессивных средах.

7- На основе обобщения технических требований к материалам разработаны рекомендации для организации промышленных производств углерод углеродных композиционных материалов.

1. Сгибнев А. В., Алшикх В. Особенности углерод углеродных композиционных материалов //Фундаментальные исследования новых технологий. - Липецк, 1998. -С.105-107.

2. Каган Д. Ф. Трубопроводы из пластмасс. М.: Изд-во Химия, 1980.- 296 с.

3. Уржумцев Ю. С., Буманис В. Н. Технико-экономические предпосылки особенности создания и эксплуатации трубопроводов из армированных пластиков. -М.: Северодонецк, 1981.-263 с.

4. Колесников С. А. Термоустойчивость пластиков. М.: Изд-во Химия , 1980.237 с.

5. Хрусталев Н. В., Маслов Б. П. Основные проблемы создания коррозионно-стойких стеклопластиковых изделий и высоко производителях процессов их производства. - М.: Северодонецк, 1981.-321с.

6. Углерод углеродные композиционные материалы / Ю. Г. Бушуев, М. И.Прсин, В. А. Соколов и др. - М.: Металлургия,1983.- 128 с.

7. Буланов И. М., Воробей В.В. Технология производства космоческих ракетных из композиционных материалов. -М.: Изд-во МГТУ, 1998. 521с.

8. Искственный графит / В. С. Островский, Ю. С. Виргильев, В. И. Костиков и др. -М.: Металлургия, 1986. 272 с.

9. Нечаев В. Н., Конторович Б. В. Новые методы сжигания топлива и вопросы теории горения.- М.: Наука, 1972. -171с.

10. Крылов А Н., Вильк Ю. Н. Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности. -Л.: Изд-во Химия. 1%5. -147с.

11. Технология и проектирование углерод углеродных композитов и конструкций / Ю. В. Соколкин, А М. Вотинов, А. М. Вотинов и др. М.: Наука физматлит., 1996.-240с.

12. Кряжев Ю. Г., Свишенко В. П. Использование нефтяных и каменноуглеьных пеков для получения углеродных волокон и композиционных материалов.- М.: НИИТЭХИИ, 1982. 45с.

13. Вакуумная техники: Справочник/ Е. С. Фолев, В. Б. Минайчев, А. Т. Александров и др. —М.: Машиностроение, 1992. -480 с.

14. Епифановский И. С. Композиционные углерод углеродные материалы в конструкциях летательных аппаратов: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ, 1993.-51с.

15. Ишлинский А Ю., Черный Г.Г. //Прикладная механика композитов./ Механика. -М.: Мир, 1989.-358с.

16. Композиционные материалы: Справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др. -М.: Машиностроение, 1990. -510с.

17. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник/ Ю. М. Тарнопольский, И. Г. Житун, В. А Поляков и др. -М.: Машиностроение. 1987. -224с.

18. Воробей В. В. Технология производства из композиционных материалов: Учебное пособие -М.: Изд-во МАИ, 1996. 179с.

19. Расчет термонапряженных конструкции из композиционных материалов/ В. В. Воробей, Е. В. Морозов, О. В. Татарников. -М.: Машиностроение, 1992. -240с.

20. Димитренко Ю. И. Механика композиционных материалов при высоких температурах. -М.: Машиностроение, 1997. -388 с.

21. Baets J. G. Advanced carbon-carbon materials for solid roket nozzles// AIAA. -NY., 1976. -№.1057. -p.5.

22. Savage G. Carbon-carbon composite. -London: Chapman @Hall, 1992. -P 388.

23. Dongny P. J., Ellis R.A. An advanced nozzle for space motor.pro. AIAA, l6h.lnt. carbon Conf. New Orleans, 1980. -P.486.

24. Frye E. R. And Stoller H. M. Structures, structural dynamics and materials . Pro. AIAA, 10th Conf. New Orleans, 1969. -P.193.

25. Kotlensky W.V., Flock T.G. Areviw of advanced vaterials for MX-booster nozzles . Pro. AIAA, 10th Cortf. New Orleans, 1969. -P.63.

26. Обухов А. С. Проектерование химического обрудования из стеклопластиков и пластмасс. -М.: Машиностроение, 1996. -240с.

27. Сосуды и трубопроводы высокого давления: Справочник/ Е. Р. Хисматулин, Е. М. Королев, В. И. Ливишиц и др. -М.: Машиностроение, 1990. -380с.

28. Лукина Э.Ю., Колесников С.А. Тепловое расширение углерод-углеродных материалов. -М.: Машиностроение, 1977. -242с.

29. Цыплаков О.Г. Основы формования стеклопластковых оболочек. -М.: Машиностроение, 1968. -176с.1. В печати:

30. Сгибнев А.В., Буланов И.М., Алшикх В. Повышения герметичных труб из углерод углеродных композиционных материалов // Вопросы бороной техники. Серия XV. Композиционные материалы. -2000. -№ 4.