CC BY
37
УДК 621.318.1.315.61:678.5.419.8
Д-р техн. наук Л. Р. Вишняков, канд. техн. наук Т. В. Грудина, О. I. Гунченко,
В. М. Морозова, канд. техн. наук Б. М. СЫайський
1нститут проблем матер1алознавства НАН Укра'ши, м.Кш'в
АРМОВАН1 ВОЛОКНИСТИМИ СТРУКТУРАМИ МАГН1ТОД1ЕЛЕКТРИЧНI ПОЛ1МЕРН1 КОМПОЗИТИ
Розроблено армованi волокнистими структурами пресованi магнгтопласти на основi залгзного порошку та епоксифенольного зв'язувального, як за магнiтною проникнiстю не поступаються вiдомим магнiтопластам, але значно перевищують ix за мiцнiстю. Розроблет магнтопласти рекомендовано для виготовлення клитв електричних машин.
Магштопласти - тшмерш композити, яш поедну-ють в ^6i переваги тшмерних матерiалiв з електро-фiзичними властивостями порошкових наповнювачiв-мегалiв, сплаыв, керамiки i використовуються в pi3rnx галузях технiки [1-4]. Як наповнювачi таких матерь алiв найчастiше застосовують дискретнi частинки як магнiтом'якого, так i магнiтотвердого матерiалу, а матрицею, тобто безперервною дiелектричною фазою, слугують термопластичнi або термореактивнi полiме-ри. Матриця в таких ПКМ роздiляе частки наповню-вача в електричному та магнiтному вiдношеннях, але зв'язуе !х механiчно.
Поеднання в магттопластах магнiтних та електричних властивостей феромагнтв або феритiв з високи-ми технологiчнiстю та мщтстю, як1 характернi для полiмерних композипв, може дати суттевий техтчний та економiчний ефект. Використання магншдаелект-рик1в дозволяе удосконалити технологiчнi процеси та конструкцiю електротехнiчних виробiв, шдвищити ступiнь автоматизацп виробництва та забезпечити ви-сокий рiвень експлуатацiйних властивостей. Компо-зицiйнi магнiтопласти використовуються в шагових та синхронних електродвигунах, в теле- та радюприст-роях, в акустичнш апаратурi, в товарах культурно-по-бутового та господарського призначення .
Ввдомо, що сучаснi технологй' виготовлення полiмер-них прес-композиц1й дозволяють забезпечити рiвень наповнення магнiтною фазою до 70-75 %, об. В робоп [3] стверджуеться, що граничне наповнення магттоп-ласпв визначаеться максимально щшьною упаковкою, яка для реальних частинок становить близько 63 %, об. В магшто-м'яких композитах на основi порошку залiза та його сплавiв к1льк1сть полшерно! iзолюваль-но! зв'язки становить вiд 0,5 до 5 %, мас. Для одержан-ня максимально! густини таких композипв технология виготовлення !х методом порошково! металургп вклю-чае операцш пресування при тиску до 700-800 МПа [2, 3, 5].
Як магттний наповнювач магнiтодiелектрикiв най-частiше застосовують порошки залiза або сплавiв (аль-
сиферу, пермалою, рiдкоземельних металiв) i феритiв [1-4]. Порошки залiза для магнiтодiелектрикiв одер-жують за такими методами, як електролгшчний, кар-бонiльний, вiдновлення або розпилення. Залiзнi порошки, що застосовують в магншдаелектриках, на-приклад, для виготовлення магштних клинiв, в електромашинобудуваннi одержують за методами вiдновлення або розпилення.
В полi дiелектричноl складово! магштопласпв знайшли застосування термопласти: полiпропiлен, пол-iстирол та його сополiмери, полiамiди, акриловi сопо-лiмери i також полпмвди, полiефiрiмiди, полiефiрсуль-фони, полiбензiимiдазоли та iнш. 1з термореактивних полiмерiв використовуються, головним чином, епок-сидш та феноло-формальдегiднi смоли.
Виготовлення виробiв з магнiтопластiв проводиться способами лиття пiд тиском, пресування, екструзп, просочування полiмером спресовано! порувато! заготовки та iнш. Особливостями технологй магттопласпв е вiдсутнiсть у технолопчному процесi таких склад-них i дорогих операцiй, як спiкання та тривала термь чна обробка, можливють виготовлення виробiв складно! форми та використання вiдходiв виробництва.
З технолопчно! точки зору магнiтопласти належать до матерiалiв, що важко формуються. Високий вмiст у них твердо! фази (до 95 %, мас.) зубумовлюеться не-обхiднiстю одержання максимальних магштних влас-тивостей.
Проте магншдаелектрики з високим рiвнем маг-нiтодiелектричних властивостей не завжди мають мiцнiсть, достатню для роботи магнiтiв при дп потуж-них навантажень. Так, магнит клини електродвигунiв, що розташовують у зош д^! пульсуючого магнiтного потоку та значних вiбрацiй повиннi мати високу меха-нiчну мiцнiсть i забезпечувати технологiчнiсть та еко-жтчшсть виготовлення.
Щоб пiдвищити мiцнiсть при збереженш високих магнiтодiелектричних властивостей магттодаелектри-ки для клинiв армують металевою аткою або виготов-ляють з використанням ниток iз феромагнiтних мате-
© Л. Р. Вишняков, Т. В. Грудина, О. I. Гунченко, В. М. Морозова, Б. М. Сшайський, 2007
рiалiв, що поеднуються полiмерною матрицею [1]. Використовують також cnoci6 прядiння комбшовано-го волокна, внутрiшню частину якого становить пол-iMep, а зовшшнш шар - порошкоподiбний ферит [6].
Об'ектами дослщження в нашiй робот стали ком -позицiйнi матерiали для магнiтних клинiв, в яких тдви-щена мiцнiсть досягаеться за рахунок армування !х волокнистими скляними структурами.
Порошковим наповнювачем був обраний порошок залiза марки ПЖР-2 (середнiй розмiр часток 45 мкм), одержаний методом розпилення з подальшим низькотем-пературним (400-500 °С) ввдновленням виробництва Казенного заводу порошково! металургл, м. Бровари. Вмiст домiшок у порошку залiза становив: вуглець -0,02 %; кисень - 0,30 %; кремнш - 0,05 %; марганець - 0,2 %; фосфор - 0,02 %; арка - 0,02 %.
Зв'язуючим було обрано епоксифенольне зв'язую-че марки УП-3127 розробки УкрДержНД1ПМ, м. До-нецьк. Вщомо, що фенолоформальдегiднi смоли заз-вичай крихк1, що зобумовлено специфжою будови !х просторово! полiмерно! сгтки в отвердженому станi, тому !х модифiкують епоксидними, фурановими або шшими смолами i сполуками. Натомiсть епоксидш смоли в порiвняннi з фенольними мають кращу адге-зiю до порошкових i волокнистих наповнювачiв, що забезпечуе високу мiцнiсть.
Перевагою епоксифенольного зв'язуючого УП-3127, що застосовували в робоп, е поеднання мiцностi i адге-зiйних властивостей [7]. Воно добре змочуе склянi ап-ретоваш волокна та забезпечуе високу адгезшну мiцнiсть на границi волокно-матриця, тому щ власти-восп успiшно використовуються при створеннi висо-комiцних конструкцшних склопластик1в [8].
В полi волокнисто! армувально! фази були обранi склоатки марок ССК-200 та ССФ-0,6-0, склотканина ТСУ-4(39) з пiдвищеною мiцнiстю, електроiзоляцiй-на тканина ЭЗ-125П та кремнеземна тканина марки КТ-11 -ТОА (табл. 1). Обраш армувальнi структури ви-готовляються iз скляних ниток марки Е i вiдрiзняють-ся типом переплетения, поверхневою щшьшстю та мщшстю. Тканина КТ-11-ТОА виготовлена з кремне-
земних ниток, що мютять 94 %, мас. кремнезему.
Слщ вiдзначити, що всi волокнист структури е про-мисловими виробами i е доступними на ринках скля-них тканин.
Нашi попереднi дослiдження зi створення волокнистих композитiв на основi епоксидних та епоксифе-нольних зв'язуючих показали, що суттеве збiльшення мщносп вiдбуваеться при введеннi до його складу не менше 20 %, об. (~15 %, мас.) скляно! волокнисто! складово! [7, 8]. Щодо полiмерно! складово! магнi-топласту, то вмют !! в композитi мае забезпечити об-волiкання часток порошкового наповнювача та про-сочування елементарних волокон армувальних еле-ментiв. Виходячи з потреби найбiльшого порошкового наповнення полiмерно!' матрицi i враховуючи мшмаль-но можливий вмiст епоксидно! або фенолоформаль-дегiдно!' матрицi було визначено, що вмют полiмерно!' складово! в магнггопласп, що розробляеться, мае бути не менше 35 %, об. (10-12 %, мас.). Працеспроможтсть композиту в значнш мiрi визначаеться процесом виго-товлення, який повинен забезпечити умови для отри-мання мiцного зв'язку мiж матрицею i наповнювачами (порошковими та волокнистими) i зберегти !х вихщш властивостi.
Технологiя виготовлення композитiв складаеться iз наступних операцiй:
- приготування магнiтодiелектрично! маси (МДМ) iз порошкового наповнювача та полiмерного зв'язуючого;
- нанесення МДМ на армвальну структуру, тобто одержання препрегу з порошковим наповнювачем;
- складання пакету заготовок препрегу та укладан-ня його в прес-формi з обiгрiвом або мiж обiгрiваючи-ми плитами преса;
- пресування матерiалу при на^ванш пiд тиском.
Для одержання МДМ в готовий розчин зв'язуючого додавали необхвдну к1льк1сть порошку залiза, сумiш ретельно перемiшували протягом 20-30 хв. Було вста-новлено, що при використанш розчину зв'язуючого iз сухим залишком 25 % або 37 % мае мкце розшару-вання сумiшi. МДМ, що виготовлена на основi розчи-
Таблиця 1 - Основш характеристики волокнистих армувальних структур
Марка Нормативна документащя Поверхнева щiльиiсть (середня), г/м2 Тип переплетення Розривне навантаження, н не менше
основа уток
Склосггка ССК-200 ТУ У 6-00205015.087-95 200 полотняне 980 882
Склосiтка ССФ-06-0 ТУ У 6-00205015.079-94 370 - 1666 1715
Склоткаиииа ТСУ-4(39) ТУ У 6-48-00205015-2793 253 саржеве 2619 505
Тканина КТ-11-ТОА ОСТ 6-19-526-87 300 полотняне 882 784
Тканина ЭЗ-125П ТУ-16-503.210-81 145 сатинове 784 784
ну з тдвищеним вмiсroм зв'язуючого (57-60 % або 7578 %), ставала однорщною, розшарування i змiн влас-тивостей в нш не вiдбувалося при зберiганнi !! протя-гом 14 дiб.
Виготовлену МДМ наносили на скляну волокнис-ту армувальну структуру - склотканину або склосiтку. Товщину шару МДМ калiбрували на валковому при-стро! i одержували препрег з поверхневою щшьтстю, яка забезпечувала потрiбний склад магнггопласта. Слiд вiдзначити, що вмшт полiмерно! складово! в МДМ менше 10 %, мас. за сухим залишком призводить до осипання порошку з волокнисто! структури, що сввдчить про недостатню к1льк1сть розчину тшмеру. Цьому можна запобiгти при збшьшенш вмiсту полiме-ру до 12-15 %, мас. за сухим залишком в МДМ або, проводячи попередне просочування армувально! структури 10% розчином зв'язуючого i вносячи до !! складу 2,5-4,5 % полiмерно! складово!. Одержаний препрег з порошковим наповнювачем пiсля сушiння мав 1-1,5 % летких речовин.
З виготовленого препрегу складали пакет заготовок, який формували в прес-формi з обiгрiвом. Формування та отвердження магнiтопласта проводили пресовим методом з обмежниками за режимом, ввдпрацьованим для склопластик1в на основi зв'язуючого УП-3127.
Технологiя виготовлення магнiтопластiв забезпечувала в !х складi 12-14 %, мас. епоксидно! матрицi та 14-17 %, мас. склотканини або склосiтки. Ступiнь от-
вердження зв'язуючого була не меншою, шж 97 %. Зразки для дослщження виготовляли iз спресованих пластин магнггопласта шляхом механiчно! обробки ал-мазним iнструментом згiдно з вимогами вщповщних стандарлв.
Магнiтну проникливiсть композипв визначали за методикою вимiрювання магнино! iндукцi!, в основу яко! покладеш ГОСТ 19693-77 та ГОСТ 8260-77. Ви-мiрювання проводили на установщ ВЗУ541 з викорис-танням мiкровеберметра Ф-18 та теслометра Ф-4354/1 в полях 250, 500, 750 i 1000 а/см.
Оцiнку мехашчних властивостей магнiтопластiв проводили за результатами таких випробувань:
- при згиш (3-х точковому) при 20 i 150 °С вщпо-вiдно з ГОСТ 4648-71 на машин УМЭ-10Т;
- при стисненнi уздовж шарiв армувально! структури вiдповiдно з ГОСТ 4651-82;
- при ударi - ударна в'язшсть за Шарт визнача-лась на маятниковому копрi типу 2083 КМ-0,4 за ГОСТ 4647-80 при ударi паралельно та перпендикулярно до армувальних шарiв.
Модуль пружносп визначали при ступiнчастому навантажент пiд час розтягування зразк1в з вимiрю-ванням деформацi! за допомогою тензорезисто^в типу КФ5 з використанням вимiрювально! системи типу СИИТ-3 вщповщно з рекомендацiями ГОСТ 9550-81. Вплив армувальних структур на мщшсть магштопласта при згиш та ударi (таблиця 2).
Таблиця 2 - Склад та фiзико-механiчнi властивостi армованих магнггопласпв
Армуюча структура Товщина шару, мм Поверхнева щшьшсть препрегу, г/м2 Питома густина композиту, г/см3 Мштсть на згин Стзгину, МПа ± шарам Ударна в'язюсть, а, кДж/м2
± шарам || шарам
Склоатка ССК-200 0,35-0,39 1330-1510 3,60-3,75 295 86 43
280 - 315 78 - 95 41 - 46
Склоатка ССФ-06-0 0,69-0,75 2460-2620 3,49-3,60 280 90 100
270 - 295 85 - 95 95 -105
Склотканина ТСУ-4(39) 0,43-0,46 1550-1670 3,53-3,61 475 147 110
460 - 505 140 -155 105-115
Кремнеземна тканина КТ-11-ТОА 0,54-0,60 1950-2090 3,48-3,57 200 41 37
185 - 215 38 - 45 36 - 38
Склотканина ЭЗ-125П 0,26-0,30 960-1150 3,75-3,90 220 41 29
205 - 235 38 - 45 26 - 32
Примтка: в чисельнику — середке значения, в знаменнику — мтмальне та максимальне значення
3a пoвepxнeвoю щшьтстю (тaбл. 2.) npenpera знaчнo вiдpiзняютьcя, що зoбyмoвлeнo piзнoю пoвepxнeвoю щilльнicтю вoлoкниcтиx apмyвaльниx CTpyrayp. Haйбiль-шу пoвepxнeвy щшьтсть (~25GG г/м2) мae пpeпpeг нa основ! склосггки CCФ-GбG, a нaймeншy (~11GG г/м2) - npe-пpeг Ea ocœœi cклoткaнини Э3-125П. Ъэму пpи фopмy-вaннi композипв одше1' товщини нeoбxiднo викopиcтoвyвaти piзEy кшьксть шapiв i, як гаслдок от-pимyвaги piзEy товщину шapy в oгвepджeнoмy композит.
Шцшсть щш згит тa yдapi дocлiджeниx композипв знaчнo вiдpiзEяютьcя (тaблиця 2), що зoбyмoвлeнo, го-ловним чином, piзнoю мщшстю apмyючиx cтpyкгyp. Haйбiльшy мщшсть, як i слщ 6уло oчiкyвaти, мae мaг-нiтoплacт, apмoвaний склотганиною TCy-4(39). Цьо-му мaтepiaлy згачно пocгyпaютьcя зa мщшстю ком -позити, apмoвaнi cклoткaнинoю Э3-125П !a ^емне-земною ткaнинoю KT-11-TOA. ïx мщшсть пpи згиш в 2,1-2,3 paзи, a пpи yдapi пapaлeльнo тa пepпeндикy-ляpнo шapaм у 3 paзи мeншa. Досить високий piвeнь мщносгп мaють композити, apмoвaнi cклociткaми CCK-2GG !a CCФ-Gб-G.
Peзyльтaти дослвджень мaгнiтнoï пpoникливocтi композипв з piзними волокнистими cтpyкгypaми га-ведено в тaблицi 3.
^и нaпpyжeнocгi мaгнiтнoгo поля 25G a/см ввднос-нa мaгнiтнa пpoникливicть для вcix дocлiджeниx ком -позипв знaxoдитьcя в мeжax 5,8-7,б. Haйбiльш висо-ку мaгнiтнy пpoникливicть мae cклoплacтик, apмoвa-ний склотганиною Э3-125П. Пpи зpocтaннi нaпpyжeнocгi мaгнiтнoгo поля мaгнiтнa пpoникливicть знижуеться, i пpи 75G-1GGG a/см crae пpaкгичнo одга-
Рис. 1. 3aлeжEicIь вщносно'1 мaгEiIEoï пpoEикливocIi вщ EaпpyжeEocIi мaгнiтнoгo поля:
1 - мaгEiтоплacI з1 склоагкою CCФ-Gб-G; 2 - мaгнiтоп-лacI з1 склоагкою CCK-2GG; 3 - мaгнiтоплacт з1 craoTOa-ниною TCy-4(39)
ковою для вcix дocлiджeниx композипв .
Mexaнiчнi влacтивocтi зpaзкiв мaгнiтoплacтiв, що було визнaнo oптимaльними зa вмютом епоксифеноль-нoï мaтpицi (12-14 % мac.) тa apмyвaльнoï cклoфaзи (14-17 % мac.), пoкaзaнi в тaбл. 4, a ïx мaгнiтнa пpo-никливють - га pиc. 1.
Пopiвнянo з вщомими мaгнiтoплacтaми, apмoвaни-ми cклoткaнинoю [1], poзpoблeнi apмoвaнi мaгнiтoп-лacти мaють тaкi основш xapaкгepиcтики:
Питoмa ^dma, г/см ВiднocEa мaгEiтEa пpoEикливicть Miцнicть npn згин1, MQa EeapмoвaEиx мaгнiтoплacтiв apмoвaEиx cклoткaEИEoю
Ввдомий [1] 2,8-3,5 4 -7
1GG-12G 15G-2GG
Poзpoблeний в ГПЫ НАНУ
3.4-3,7
5.5-7,5
3GG-55G
Таблиця 3 - Maran^a пpoникливicть apмoвaниx мaгнiтoплacтiв
Apмyючa MaгEiтEa пpoEИкливicть пpи H, a/см
25G 5GG 75G 1GGG
Cклociткa CCK-2GG 5,8-б,8 5,2-б,1 4,8-5,5 4,5-5,G
Cклociткa CCФ-Gб-G 5,9-б,7 4,8-5,7 4,5-5,3 4,3-5,G
Cклoткaнинa TCУ-4(39) 5,8-б,5 5,5-б,1 4,9-5,2 4,5-4,S
KpeмEeзeмEa ткaEИEa KT-11-TOA б,1-б,5 5,3-5,7 4,9-5,3 5,3-5,5
CклoткaEИEa Э3-125П 7,G-7,6 б,5-б,7 5,5-5,9 5,2-5,4
Таблиця 4 - Мехашчш характеристики магштопласпв оптимального складу
№ п/п Композит i3 армуючою структурою ствиг., МПа ^стисн. П шарам МПа а, кДж/м2 Е, ГПа
20 0С 150 0С
± шарам || шарам
1 ССК-200 345 310 170 86 51 20-23
330 - 365 290 - 335 160 -190 75 - 98 49 - 53
2 ССФ-06-0 295 260 104 105 115 21-23
270 - 320 245 - 280 98-110 90 -120 105-125
3 ТСУ-4(39) 550 505 185 165 130 22-25
518 - 570 480 - 535 175 - 200 160 -170 125-135
Примтка: в чисельнику — середке значения, в знаменнику — мтшальне та максимальне значення
Таким чином, встановлено, що розроблен армо-ват магнiтопласти не поступаються вiдомим армова-ним магниопластам за магнiтною проникливiстю, але значно (в 2-3 рази) перевищують !х за мiцнiстю. Ви-сокий рiвень мiцностi при згинi досягнуто за рахунок армування склосiтками ССК-200, ССФ-06-0 та склот-каниною ТСУ-4(39). Розроблеш магштопласти рекомендовано для виготовлення клинiв електричних машин.
Перелж посилань
1. В. А. Троицкий, А. И. Ролик, А. И. Яковлев / Магнито-диэлектрики в силовой электротехнике.- Киев: Техника.- 1983.- 207 с.
2. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасенкова, Б. М. Тарсева.-т. 3.- Л.: Энергоатомиздат.- 1988.- 728 с.
3. А. П. Лосото, И. М. Миляев, А. Н. Миронов, В. А. Сеин Современные тенденции в области разработки и про-
изводства магнитотвердых магнитопластов // Пластические массы.- 1999.- № 3. - С. 3-8.
4. В. П. Ефимова, О. К. Фролов. Магнитные композиционные материалы // Строительные материалы.- 1998.-№ 5. - С. 6-7.
5. Panasyuk O. A., Maslyuk V. A., Dannigen H., Lyulko, Munitsky A.V. Organization and investigation of powder magnetic- soft materials based on the iron powders, Conference Proceeding Euro PH 2004, vol.4, p.577-583, Austria Center, 2004 October.
6. Патент 4-12011 Япония. Магнитный материал. Опубл. 03.03.92.
7. А.С. 197047, СССР, Лаковые КМ для армированных пластиков. Опубл. 03.01.1984.
8. И. П. Петько, Т. В. Грудина, Н. А. Дурманенко и др. Полимерные армированные композиционные материалы с повышенной экологической чистотой и уменьшенной энергоемкостью производства / Исследование в области композиционных материалов. - Сб.научн. трудов ИПМ НАНУ. - 1995. - С.17-25.
Одержано 21.06.2007
Разработаны армированные волокнистыми структурами прессованные магнитопласты на основе железного порошка и эпоксифенольного связующего, которые по магнитной проницаемости не уступают известным магнитопластам, но значительно превышают их по прочности. Разработанные магнитопласты рекомендованы для изготовления клиньев электрических машин.
Pressed magnetic plastics reinforced with fibrous structures and based on iron powders and epoxy phenol binder have been developed. These plastics are not inferior to known magnetic plastics as to the magnetic permeability but considerably surpass them in terms of strength. The magnetic plastics are recommendedfor electric machine wedges producing.
