Материал: Основы создания полимерных композитов

где

o-(z,y)

где, в свою очередь, г - радиус сферы, a z, у - текущие координаты. Для однонаправленного стеклопластика S = 2 г, а двойной инте­

грал в выражении (3.67) трансформируется в интеграл с пределами интегрирования от -г до г:

ЕсАа

(3.68)

2,f?

Тогда модуль упругости композита в трансверсальном направле­ нии с учетом соотношений (3.66), (3.67) и (3.68) примет вид:

Следует отметить, что формула (3.69) не учитывает пористости композита. Влияние пористости оценим введением следующего по­ правочного коэффициента:

F f Fm л2 1 -2 —-^— +

1-F .

К2 =

1-

1 -F .

где F„ - объемное содержание пор.

Упростим это выражение, полагая, что т = Fn/(\- F a) .

Тогда к2 = (\-т )2/(\ + т) .

С учетом значений к, и к2 формула (3.69) примет следующий окончательный вид:

Модуль упругости усиленного арматурой композита в окруж-

156

ном направлении можно найти из уравнения смеси. Имеем:

где Fx - относительное объемное содержание арматуры, которое не­ обходимо уложить в окружном направлении.

Разложив arctg в ряд, удерживая два первых члена этого ряда, предположив, что Fa - 0,7, У = 2 (чему соответствует надежность а - 0,977) и решая уравнение (3.71) относительно Fx, получим для стеклопластика на основе связующего ЭДТ-10 и стекловолокна ВМ-1 Fx = 0,09. Учитывая, что общее содержание арматуры в композите Fa = 0,7, можно определить, какую часть армирующих волокон необ­ ходимо уложить в окружном направлении для увеличения жесткости композита в этом направлении в два раза по сравнению с осевым. Соотношение количества арматуры, ориентированной по радиусу цилиндрической оболочки, и количества волокон, уложенных в ок­ ружном направлении, равно 7:1.

Предложенный способ реализации эффекта радиального арми­ рования для цилиндрических оболочек позволяет существенно повы­ сить прочность композита при данной схеме нагружения. Кроме то­ го, дополнительное армирование в окружном направлении увели­ чивает жесткость оболочки, снижая тем самым опасность разрушения конструкции в результате потери устойчивости.

В настоящее время очень остро стоит проблема реализации вы­ сокой исходной прочности новых видов наполнителей в композите. Согласно условиям монолитности, существующие в настоящее время связующие и аппретирующие составы далеки от требований новых видов армирующих волокон [24, 91, 92]. Следствием этого является низкий коэффициент использования армирующего материала в ком­ позите. Однако этот вывод не распространяется на радиально арми­ рованные стеклопластики. Реализация исходной прочности наполни­ теля в композитном материале радиально армированной оболочки практически не зависит от упруго-прочностных свойств полимерного связующего и его адгезии к поверхности армирующих волокон [85-89].

Таким образом, для изготовления радиально армированных оболочек, в принципе, можно использовать самое дешевое и доступ­ ное связующее, не заботясь о его высоких упруго-прочностных свой­ ствах и адгезии к поверхности наполнителя. Требования к связую­ щему при изготовлении радиально армированной оболочки будут

157

определяться прежде всего условиями эксплуатации изделия.

Однако радиально армированные оболочки из стеклопластика, несмотря на все преимущества, не нашли до сих пор широкого про­ мышленного применения из-за отсутствия достаточно простого спо­ соба изготовления качественных (со строгой радиальной ориента­ цией наполнителя) изделий. Известные способы изготовления подоб­ ных оболочек сложны и трудоемки и не позволяют полностью ис­ пользовать возможности радиального армирования [79 - 81,93].

В связи с изложенным представляет интерес способ сборки обо­ лочки из кольцевых сегментов, формируемых из однонаправленной предварительно пропитанной стеклоленты. В процессе формования волокна ориентируются строго по радиусу кольца [94].

Применение кольцевых сегментов исключило необходимость промежуточных стадий намотки и резки, значительно упростило про­ цесс изготовления изделий и позволило наметить пути его широкой автоматизации. Принципиальная схема изготовления элементов и сборки представлена на рис. 10. Кольцевые сегменты изготавливают (рис. 10,а) в подогреваемой кольцевой форме 3 прессованием пакета 4 однонаправленной предварительно пропитанной стеклоленты 7. Пу­ ансон 5 рубит ленту на куски и прессует их в пакет. Тянущие ролики 2, синхронно связанные с пуансоном, подают ленту к пресс-форме. После набора пакета производится полимеризация с одновременной подпрессовкой пуансоном. Готовый сегмент выталкивается из прессформы. Сборка производится склеиванием (рис. 10,6) кольцевых сег­ ментов 2 на цилиндрической оправке 7, покрытой разделительным

делие, которые может быть получено после соответствующей меха­ нической обработки кольцевых сегментов.

Эффективность разработанного способа заключается не только в повышении несущей способности радиально армированных обо­ лочек, но и в значительном упрощении технологического процесса и возможности его полной автоматизации.

Рис. 10. Способ изготовления радиально армированных стеклопластиковых оболочек

158

ГЛАВА 3. Выбор оптимальных параметров процесса получения композита

В предыдущих главах речь шла об оптимальном выборе исход­ ных компонентов стеклопластика, исходя из значений их физико­ механических и геометрических параметров. В этой главе будут рас­ смотрены вопросы оптимального соединения компонентов, т.е. тех­ нологические аспекты создания композита, от которых мы абстра­ гировались ранее.

Анализ основных современных методов получения стеклопла­ стиковых композитов [95 - 98] показывает, что все технологические операции создания материала без ограничения общности можно представить в виде комбинации следующих процессов: пропитка, на­ мотка и термообработка, рассмотрению которых с позиций механики сплошной среды и посвящено дальнейшее изложение.

3.1. Основные закономерности течения процесса

Процесс пропитывания стеклоарматуры полимерным связую­ щим - одна из основных операций получения композита, предшест­ вующая его формованию. Исследование кинетики этого процесса весьма актуально, так как от качества пропитки зависит монолит­ ность и прочность стеклопластика, стабильность его физико-механи­ ческих характеристик.

В первоначальной стадии пропитки происходит нанесение неко­ торой пленки связующего на арматуру, что обусловлено действием

сил поверхностного натяжения ad^hjdx2 (h - толщина пленки, сг-

поверхностное натяжение), гравитационных сил p gsina (р - плот­ ность связующего, а - угол наклона арматуры к горизонту) и, нако­ нец, сил внутреннего трения n d 2u ld x 2 {р. - вязкость связующего,

U- скорость движения арматуры). Поскольку корректное описание этого процесса с помощью дифференциальных уравнений весьма за­ труднительно, в работе были использованы методы теории подобия и анализа размерностей [99 - 103].

Размерность переменных, от которых зависит процесс нанесения связующего на волокно, можно в системе единиц СИ выразить через три основные единицы: массу М, время Т и длину L (табл. 12).

* г - радиус волокна.

159

Функциональную связь между этими переменными можно пред­ ставить в виде:

<p(p,pyU ,5 ,g sJ i,cos0)= 0.

Поскольку число переменных 8, основных размерностей 3, то, согласно ^-теореме, от уравнения, связывающего между собой 8 ве­ личин, можно перейти к уравнению, связывающему 8 - 3 = 5 безраз­ мерных критериев подобия й,-:

^1(л1,л2,/23,А24,/г5) = 0.

В качестве основных переменных выбираем следующие:

[ц]= ML-1T -1, [t/] = M°LT-1, [r]= M°LT°

Нетрудно видеть, что определитель показателей степени размер­ ностей этих переменных не равен нулю. Кроме того, через размерно­ сти М, L и Т можно выразить все критерии подобия. Следовательно, основные переменные выбраны правильно.

Представим критерии подобия в виде:

С учетом этих соотношений составим следующую систему уравнений:

M°L °T 0 =ML"3Ma,L'aiT ‘a'LAT _ALri,

M°L °T 0 = МТ"2М L“°2Т"а2 ЬРгТ V 7,

M°L °T ° = LT-2М“3 L"“3 Т“азI / 3 Т _/?3 V 3,

M°L°T° = LM“4 L_a4T"a4 LA T"A U 4,

решая которую (приравнивая степени в левой и правой частях при одинаковых основаниях степени), получим:

160