CC BY
80
УДК: 620.22
КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ ВОРСОВОЙ СТРУКТУРЫ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫЕ МЕТОДОМ НАМОТКИ
П.И.Богомолов1, И.А. Козлов2, А.А. Болотин3, П.А. Коренев4
Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт материалов», (АО «ЦНИИМ»), 191014, Санкт-Петербург, Ул. Парадная, 8
Описывается способ изготовления композиционных волокнистых материалов ворсовой структуры методом намотки. Приведены основные характеристики данных материалов на основе различных волокон, а также расчетная методика определения эффективной теплопроводности. Рассмотрены возможные области применения таких материалов.
Ключевые слова: теплозащита, теплоизоляционный материал, ворсовый материал.
COMPOSITE FIBROUS MATERIALS PILE STRUCTURES ARE MADE BY WINDING
P. I.Bogomolov, I.A. Kozlov, A.A. Bolotin, P.A. Korenev
Joint stock company «Central scientific-research institute of materials»,
191014, St. Petersburg, Paradnaya St.,8 The way of production of composite fibrous materials of pile structure by a winding method is described. The main characteristics of these materials on the basis of various fibers, and also a calculation method of determination of effective heat conductivity are provided. Possible scopes of such materials are considered.
Keywords: heat shield, thermal insulation material, pile material.
В настоящее время при разработке образцов новой техники для надежного и эффективного функционирования различных узлов и агрегатов необходимо применение теплоизоляционных и теплозащитных материалов, которые должны обладать рядом альтернативных свойств. Наиболее важным комплексом свойств является сочетание малого веса, деформативно-сти, высокой теплостойкости, теплоизоляционных функций, а также технологичности их производства.
Одним из перспективных материалов, применяемых для теплоизоляции и теплозащиты различных конструкций, сочетающим перечисленные выше свойства, является ворсовый материал непропитанной структуры (ВМНС). К ВМНС относятся волокнистые композиционные материалы, в которых все или большая часть волокон рабочего слоя не связаны между собойи ориентированы относительно основы в заданном направлении.
ВМНС могут иметь различные структуры (рис. 1), например, с прямыми волокнами, расположенными поперек основы, с ворсом с
наклонной ориентацией волокон или объемного плетения [1].Как правило, ворсовые композиционные материалы, изготавливаемые традиционными методами [2,3], выпускаются в виде рулонных материалов, из которых детали изготавливают путем раскроя и сшивки. В результате этих операций неизбежно появляются дефектные зоны в области швов, что снижает технологичность конечного изделия и сужает области его применения.
До конца 70-х годов область применения ВМНС из термостойких волокон в виде ваты, войлока, тканных и нетканых материалов в основном ограничивалась теплоизоляцией. Однако в некоторых узлах техники, применение традиционных теплозащитных материалов становится невозможным. Это обусловлено тем, что помимо теплозащитных и теплоизоляционных свойств данные материалы должны обеспечивать подвижность, герметичность и стойкость к эрозионному износу. Тем самым, возникла необходимость разработки специального материала, обладающего вышеперечисленными свойствами.
1 Павел Иванович Богомолов - инженер 1 категории АО «ЦНИИМ», e-mail: pavel.lab115@mail.ru;
2Игорь Анатольевич Козлов - кандидат химических наук, начальник отдела АО «ЦНИИМ»,тел.: (812)578-93-70,e-mail: speckompozit@mail.ru;
3Александр Александрович Болотин - руководитель группы АО «ЦНИИМ», e-mail: aabolotin1964@mail.ru;
4Петр Алексеевич Коренев - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник АО «ЦНИИМ», email: petrroot@inbox.ru
д/ х 8). х
Рисунок 1 - Структура ВМНС:
а) - с прямымиволокнами, расположенными равномерно и перпендикулярно к основе; б) - в виде пучков волокон, заделанных в основу; в) - с петлевым ворсом; г) - с прямым ворсом из волокон, покрытых связующим; д) - сворсом с наклонной ориентацией волокон в чередующихся смежных слоях; е) - сворсом, прошитым уточными нитями у основы
Ориентируясь на требования, предъявляемые к специальным теплозащитным и теплоизоляционным материалам, был разработан технологический метод ворсовой намотки [4]. Метод позволил получить бесшовные изделия в виде оболочек вращения с ворсовым покровом, как на внешней, так и на внутренней поверхности, а при необходимости на обеих поверхностях одновременно. При этом регулярный ворсовый покров может быть большой толщины, с достаточной плотностью ворса у основы и практически из любых известных волокон, в том числе и высокомодульных. Данный метод исключает их ткацкую переработку, изломы, резкие перегибы и прочие дефектообразующие манипуляции.
Основной особенностью метода является то, что он объединяет операции изготовления полуфабриката - ворсовой ленты и самой оболочки, что существенно упрощает процесс изготовления конечного продукта - изделия из ворсового материала, увеличивает производительность труда, улучшает качество изделий при использовании сравнительно простого технологического оборудования.
Сущность способа заключается в следующем. На оправку 1 (рис.2) наносится основа 2, например, из ткани с полимерным пленочным клеем. Формирование ворсовой ленты 3 осуществляется на ворсообразующем элементе 4, а через него посредством роликов перемещается транспортирующая нить 5, которая сматывается с катушки 6 и наматывается на оправку
1 вместе с ворсовой лентой 3. Ворсообразую-щий элемент обматывается жгутом 7 из волокон или нитей, формируемым с помощью ните-раскладчика 8 и обмотчика 9, на котором установлены бобины 10 с исходным волокнистым материалом. Данным способом возможно получение как петлевого, так и разрезного ворса. В последнем случае ворсовые петли разрезаются ножом 11 в процессе схода ворсовой ленты. Для обеспечения приклеивания нити 5 с ворсовой лентой к основе, на поверхность последней наносят жидкий клей из резервуара 12 с питателем.
11
Л
Рисунок 2 - Схема изготовления ворсового нетканого изделия
Структурные параметры получаемого ВМНС регулируются путем изменения ширины ворсообразующего элемента, угла наклона его относительно оправки, изменения шага намотки ворсового жгута и шага намотки ворсовой ленты на оправку, а также скорости вращения оправки. Данный способ предусматривает возможность удаления транспортирующей нити 5 из структуры материала после скрепления ворса с полимерной основой.
Окончательно намотанная ворсовая структура закрепляется на основе в процессе заключительной полимеризации клеевого слоя, технологические режимы которой определяются конкретным видом полимерного клея.
П.И.Богомолов, И.А. Козлов, А.А. Болотин, П.А. Коренев
После полимеризации ворсовая оболочка снимается с оправки и либо используется в качестве готового изделия конкретной конструкции с наружным ворсом, либо его выворачивают наизнанку, т.е. ворсом внутрь, для использования, например, в качестве гибкой герметичной теплоизоляции трубопроводов и т.п. Данным методом можно изготавливать и обычные плоские нетканые ворсовые материалы. Для этого полученную оболочку разрезают вдоль образующей оправки и полимеризуют в плоском состоянии.
Технологические режимы изготовления ВМНС подбираются исходя из структурно-геометрических параметров ворса:природа волокон и их структура;высота ворсового покрова; угол наклона ворса; плотность вор-
Особенностью структуры рассматриваемого материала, затрудняющей использование известных моделей и методик расчета, является наклонная и скрученная ориентация ворсовых петель по отношению к направлению теплового потока. Учитывая данный факт, была разработана математическая модель расчета эффективной теплопроводности ВМНС в виде пакета прикладных программ, позволяющего еще на этапе проектирования производить предварительную оценку работоспособности тех или иных конструкций [5,6].
Предлагается следующий подход к расчету эффективной теплопроводности ВМНС:
1. В каждом из слоев рассматриваемого материала выделяются характерные направления и вводятся локальные системы координат так, чтобы структура слоя была представлена максимально просто. Напри-
са;толщина волокон;объемное содержание волокон; изменение плотности ворса по высоте.
Данные параметры обеспечивают основные характеристики материала, которые определяются условиями эксплуатации. Основные характеристики ВМНС на основе некоторых волокон представлены в таблице 1.
В зависимости от объемного содержания волокон, ориентации и длины ворсинок можно получить материал с требуемым значением эффективной теплопроводности. Так, например, для теплоизоляционных кожухов магистральных трубопроводов из ВМНС на основе базальтового волокна (в виде ровинга) значение эффективной теплопроводности теплоизоляции может составлять порядка 0,06 В т/( м ■ К) (таблица 2).
мер, для ворсовой петли локальная система координат вводится так, что ось лежит в плоскости петли и делит ее на две симметричные части, также лежит в плоскости петли, а дополняет систему до ортогональной (рис. 3).
2. Строятся геометрические модели слоев и по ним рассчитываются эффективные теплопроводности каждого слоя в направлениях осей локальных систем координат. Например, может быть построена модель ворсовой петли, в которой нить заменяется элементом равной площади квадратного сечения, а остальные размеры выбираются из условий равенства объемов нити и моделирующего его элемента, а также пористости модели и реального материала.
Таблица 1 - Характеристика некоторых композиционных материалов ворсовой структуры
Наименование параметра композиционного материала Вид волокна
Углеродное Кремнеземное Базальт
Плотность, кг/ м 3 200 - 800 120 - 1100 100 - 1000
Коэффициент теплопроводности при 200°С, В т/(м ■ К) 0,15 - 0,5 0,1 - 0,2 0,06 - 0,15
Температура плавления (сублимации) волокон, ° С 3600 (вакуум) 1700 - 1800 1200 - 1350
Таблица 2 - Результаты экспериментального исследования зависимости перепада температур и эффективной теплопроводности от объемного содержания волокон
Объемное содержание волокон, % Высота ворса, мм Температурный градиент, К Эффективная теплопроводность, Вт/(м ■ К)
8 10 195 0,06
10,8 20 157 0,091
25,8 10 164 0,107
а б
Рисунок 3 - Фрагмент структуры ворсового композиционного материала (а) и ворсовая петля
(б): 1 - основа (ткань); 2 - нити крепления; 3 - ворсовые петли
3. Для учета наклона и закрутки ворсовых петель используется соотношение:
Л-ф — Л-z ' COS2(p + Лх • Sin2(p где - эффективная теплопроводность материала в направлении, составляющем с осью Z угол Xz и Хх - теплопроводности в характерных для данного материала направлениях Z и X.
Результаты предварительных исследований позволили определить области применения ВМНС в качестве теплоизоляционных покрытий и деталей ракетно-космической техники, работающих в условиях воздействия высокотемпературного скоростного газового потока.
Целесообразным и подтвержденным экспериментально является применение ВМНС в качестве теплоизоляционных чехлов трубопроводов, а также теплоизоляционных вкладышей и покрытий с коэффициентом теплопроводности до 0,065, используемых, например, в транспортном машиностроении. Ворсовый слой таких изделий может быть выполнен из волокон базальта, стекла или органоволокна.
Также возможно применение ВМНС в системах термостабилизации, в частности в ис-парительно-конденсационных системах термостабилизации электронных и других тепловыделяющих блоков, помещаемых, например, в летательные аппараты [7]. В этом случае ВМНС может играть роль фитиля цилиндрической тепловой трубы с радиальным переносом теплового потока.
Перспективными областями применения рассматриваемых материалов также могут быть:
- изготовление рукавных фильтров с ворсовым фильтрующим слоем;
- изготовление на основе ВМНС три-ботехнических изделий различного назначения (подшипников скольжения и фрикционов);
- изготовление инструмента для шлифовки и полировки поверхностей сложной геометрической конфигурации.
Таким образом, разработанный материал позволяет изготавливать конструкции теплозащитных, теплоизоляционных и др. узлов техники, в которых необходимо обеспечить высокие износо- и температуростойкие характеристики в сочетании с малым весом, подвижностью и герметичностью. Описанная технология, позволяет получить ВМНС с заранее заданными характеристиками, зависящими от структурно - геометрических параметров ворса. Представленная методика расчета эффективной теплопроводности упрощает и сокращает время конструирования данных материалов.
Литература
1. М.С. Гензер. Механическая технология нетканых текстильных полотен., - М.: Легкая индустрия, 1978.
2. Ю. Индрюнас, Л. Вержболаускас, В. Милашюс. Структурные параметры ворса: Известия ВУЗов, Технология текстильной промышленности, № 5, 1964.
3. Е.И. Бершев. Нетканые ковры. - М: Легпромбы-тиздат, 1988.
4. Авт. Свид. СССР № 825727. Способ изготовления ворсового нетканого материала/ Березко С.Н., Грищенков Г.П., Гулевич К.П., Цыплаков О.Г., 1981.
5. Березко С.Н., Заричняк Ю.П., Коренев П.А., Соколов А.Н. Моделирование структуры и расчет теплопроводности ворсовых композиционных материалов //ИФЖ, 1994, Т. 67, №3-4.
6. Соколов А.Н. Моделирование теплофизических свойств и процессов в неоднородных материалах: автореф. дисс. канд. техн. наук: 01.04.14. - Санкт -Петербург, 1996.
7. Авт. свид. СССР № 1776016. Коаксиальная тепловая труба для системы терморегулирования космического летательного аппарата и способ ее изготовления/ Березко С.Н., Коренев П.А., Носов Н.И., 1990.
