CC BY
31
ОБЗОР СПОСОБОВ ПРОПИТКИ ПОРИСТОГО АЛЮМИНИЯ ЭПОКСИДНЫМИ
СМОЛАМИ
Лордкипанидзе М.А. ®
Аспирант Института материаловедения и металлургии, Уральский федеральный университет
Аннотация
В статье представлен обзор способов пропитки пористого алюминия эпоксидными смолами, раскрыта проблематика данной задачи, а также раскрыта возможная область применения таких композиционных материалов.
Ключевые слова: пористый алюминий, эпоксидная смола, вакуумная инфузия, композиционный материал.
Keywords: porous aluminum, epoxy resin, vacuum infusion, composition material.
Введение
В настоящее время пористые структуры на основе металлов пользуются все большей популярностью в промышленности. В частности, за последние 5 лет такие изделияиз пористого литого алюминия, как фильтроэлементы для отчистки жидких и газовых сред, пневмоглушители для снижения шума работающих установок, аэраторы, демпферы, теплообменники и др. составляют значительную конкуренцию классическим вариантам исполнения.
Пористая литая структура, получаемая методом пропитки экстрагируемого наполнителя [1], обладает колоссальным потенциалом для расширения возможных областей применения. Например, в работе [2] рассматривается возможность армирования пористого литого алюминия углеродныминанотрубками с целью применения материала в конструкционных нагруженных элементам. В данной работе рассматривается теория пропитки изделий из пористого литого алюминия эпоксидными смолами, что в перспективе позволит использовать сочетания уникальных свойств двух сред в демпферных изделиях.
Задачи
В данной работе автором ставятся следующие задачи:
- обзор способов пропитки эпоксидной смолой пористых структур;
- прогнозирование влияния эпоксидной смолы на некоторые физико-химические, механические свойства пористого литого алюминия;
- определение возможных областей применения.
Вкачестве примера рассматривается случай пропитки эпоксидной смесьюпластины из пористого литого алюминия. Основные характеристики двух сред приведены в Таблицах 1, 2.
Таблица 1
Характеристики пористой литой пластины из алюминия
Размеры, мм Пористость, % Плотность, кг/м3 Размер пор, мм Сплав, марка
100х100х10 60 1150 0,35-0,7 АК12
Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение при растяжении, % Твердость по Бринеллю, HB Удельная теплоемкость, Дж/кг-°С
13 11 0,3 45 418
® Лордкипанидзе М.А., 2017 г.
Таблица 2
Характеристики Б.Е.Я. 331 + Б.Е.И. 24 при 25°С
Вязкость, сПз Плотность, кг/ м3 Время застывания, час Требуемое количество катализатора, % Температура тепловой деформации, °С
2250 1160 16 13 111
Прочность на изгиб, МПа Предел текучести, МПа Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение при растяжении, % Твердость по Бринеллю, НВ
95 112 78 4,4 39
Данные по алюминиевой пористой пластине предоставлены предприятием ООО «Композиционные материалы» (г. Екатеринбург, Россия) [3]. Марка эпоксидной смолы выбрана по причине доступности информации о необходимых характеристиках [4]. БЕЯ. 331 является смолой общего назначения, рассматривается в сочетании с отвердителем триэтилентетраминаВ.Б.Н. 24 без добавления иных модификаторов.
Решение
1. Рассмотрим способы пропитки пористой литой структуры жидкостью. Известно, что для вымывания наполнителя после изготовления пористой алюминиевой отливки, используется два основных метода [1]: погружение отливки в ванну с вымывающей жидкостью (обычно дистиллированная вода); вымывание наполнителя проточной водой. Конкретный метод определяется конфигурацией отливки.
Из этого следует, что для формирования фильтрации, достаточной для проникновения воды в весь объем пор, расход потока (в случае промывки) и формирование поверхностного давления (в случае погружения в ванну) достаточны для достижения поставленной цели с использованием данных методов.
Однако в случае эпоксидной смолы, обладающей в 2-2,5 раза большей вязкостью по сравнению с водой, а также большей плотностью, использование методов пропитки при атмосферном давлении становится затруднительным. Также следует учитывать, что время пропитки становится ограниченным из-за моментально возникающих химических процессов между смолой и отвердителем.
Наиболее подходящим методом является использование вакуумной инфузии [5] при давлении пропитки свыше 1 атм. Данный способ позволит за короткий промежуток времени пропитывать отливки практически любой конфигурации. Данный способидентичен методу пропитке жидким металлом экстрагируемого наполнителя при получении пористой литой отливки, однако с учетом иных температур и сред -требует увеличения пропитываемого давления, а также использование другой оснастки.
2. На основе рассматриваемых в Таблице 1, 2 образцов, можно спрогнозировать, какимуровнем механических и физико-химических свойств способен обладать композит с матрицей из пластины пористого литого алюминия, пропитанный эпоксидной смолой с отвердителем методом вакуумной инфузии.
Из принципов формирования пор в алюминиевых отливках[6], можно заключить, что поры в литом алюминии считаются открытыми, однако воздушная связь между порами осуществляется в большей степени за счет образования на стенках полости макропор микроотверстий. Такая структуране способствует полному заполнениюмакропорвязким веществом в видуобразования предельно высокого капиллярного давления на границе макропора/микроотверстие. Определить процент заполнения пор возможно только эмпирическими методами (моделирование с помощью программных пакетов
(напримерЬУМНо'^),проведение эксперимента), однако можно оценить, что в случае заполнения 50% объема пор, такой композит способен обладать следующими особенностями:
- незначительный прирост плотности (до 20%);
- за счет слабой адгезионной прочности (не более 5-6 МПа при растяжении) между пленкой окисла на стенках пор литого образца и эпоксидной смолой, значения предела текучести, предела прочности при растяжении, прочности на изгиб пористого алюминия изменятся незначительно. После достижения критических нагрузок все равно произойдет разрушение целостности матрицы композита, однако не всегда приведет к разрушению образца в целом;
- снизится температурный диапазон применения композита за счет низкой температуры тепловой деформации эпоксидной смолы;
- в значительной степени по сравнению с чистым пористым алюминием увеличатся показатели упругости, прочности на сжатие у образца в целом.
3. Основываясь на теоретических прогнозах влияния эпоксидной смолы в качестве наполнителя пористого литого алюминия, рассмотренных в п.2, можно сделать следующие выводы:
- эпоксидная смола в значительной степени снижает уникальные свойства пористого алюминия, тем самым положительно не влияя на характеристики при изготовлении таких изделий, как фильтроэлементы, конструкционные элементы, теплообменники и жаропрочные детали;
- за счет повышающихся показателей упругости и прочности на сжатие, перспективным является использование такого композита при изготовлении демпфирующих и вибропоглащающих элементов.
Заключение
Данная работа показывает, что для изучения пропитки эпоксидными смолами пористых алюминиевых структур не достаточно аналитических методов. Определение конкретных параметров и свойств таких композитов требует экспериментального подтверждения, которое планируется осуществлять автором в развитие данной тематики.
Литература
1. Финкельштейн А.Б. Теория и практика получения пористых отливок из алюминиевых сплавов пропиткой: Автореф.дис. докт. техн. наук. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008.
2. Лордкипанидзе М.А. Обзор методов упрочнения пористого литого алюминия: статья в сборнике трудов ХХХПмеждународной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», 2016, с. 7-11.
3. www.kompmat.ru
4. www.dow.com
5. www.inumit.ru/rus/biblioteka/vacuumnaya-infuziya/
6. Житников Ю З. и др. Определение пористости материалов // Контроль. Диагностика - 2004, N4, с. 40-43.
