CC BY
17
УДК 662.2:662.76
М. Р. Файзуллина, А. М. Поздеева, Ю. М. Поздеева,
Р. К. Аллярова
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ДЕТОНАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ
Ключевые слова: композиционный материал, стеклопластик, связующее, скорость детонации.
В работе выполнены исследования, направленные на получение опытных образцов многослойного стеклопластика методом детонационного нагружения и изучение влияния детонационных характеристик энергонасыщенных материалов на качество полученного материала. Установлено, что прочное соединение слоев достигается при использовании в качестве энергонасыщенного материала аммонита 6ЖВ со скоростью детонации 3500 м/с и метаемой пластины толщиной 10мм, удельная энергия удара составляет 115 Дж/см2.
Keywords: composite material, fiberglass, binder, velocity of detonation
We obtain prototypes of multilayered glass fiber plastic by the method of shock wave impact and the effects of the characteristics of an explosive device on the quality of the material. Produced prototypes of multilayer fiberglass by shock wave impact. It is established that a firm connection of the layers is achieved by using as the explosive composition of 6ЖВ Ammonite with a detonation velocity of 3500 m/s and a welded plate thickness of 10mm, the specific impact energy is 115 J/cm2.
Введение
В настоящее время композиционные материалы (КМ) находят широкое применение в различных областях народного хозяйства. В авиационной промышленности наиболее широкое распространение получили стекло-, боро- и углепластики в виде многослойных композитов с матрицей из искусственных смол. Такие материалы называются полимерными композиционными материалами (ПКМ).
Недостатком ПКМ является высокая стоимость, связанная с длительностью технологического процесса изготовления и большими энергозатратами на термообработку, например, технологический процесс изготовления обшивок для лопастей вертолета предполагает выдержку ПКМ в термошкафе при температуре 150°С в течении 4-5 часов. За это время осуществляется полимеризация, в результате чего полуфабрикат приобретает жесткую форму и необходимые прочностные характеристики.
Из литературных сведений известно, что использование взрыва позволяет существенно ускорить химические процессы, особенно полимеризацию и вулканизацию. Например, под влиянием ударной волны акриламид за миллионные доли секунды образует полимер. Полимеризуются неподдающиеся полимеризации в обычных условиях мономеры [16]. Известны способы ускорения химических реакций детонационными процессами в технологиях интенсификации нефтеотдачи продуктивных пластов [7-11]. В работах [12-15] исследованы эффекты увеличения детонационных характеристик и характеристик горения энергонасыщенных материалов под воздействием ударных волн, формируемых взрывчатым превращением более мощных энергонасыщенных материалов. Также повышенный интерес вызывают новые способы использования энергии взрывчатого превращения для получения полимерных материалов и изделий из них, обладающих новыми свойствами [16-19] и использования поли-
меров для получения энергонасыщенных материалов с новыми свойствами [20-31].
В настоящей работе предлагается новый способ получения ПКМ, применяемых в авиастроении. Исследования выполнены на примере стеклопластика, изготавливаемого из полуфабриката - препрега, представляющего собой наполнитель в виде стеклоткани, пропитанный связующим на основе эпоксидной смолы в смеси с отвердителями.
Экспериментальная часть
При выполнении экспериментальных исследований использовался препрег марки КМКС, состоящий из стеклоткани Т-10-80, пропитанный связующим на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и фенол-формальдегидной смолы СФ-341, растворенной в спиртоэфирной смеси. Исследований по отверждению эпоксидной смолы в процессе детонационного нагружения ранее не проводились, поэтому при постановке экспериментов необходимо учитывать прочностные характеристики полимерных композитов. С одной стороны, мощность энергонасыщенного материала должна обеспечить ускорение химической реакции отверждения, а с другой стороны не допустить разрушение наполнителя. Известен опыт применения энергии взрывчатого превращения энергонасыщенных материалов для сварки металлов [31-33]. При выполнении сварного соединения одна из металлических пластин метается скользящей детонационной волной в направлении другой. При этом используются маломощные энергонасыщенные материалы на совнове нитрата аммония (например, аммонит 6ЖВ, аммонит А-40). Эти же энергонасыщенные материалы используются в данной работе. Используется параллельная схема детонационного нагружения в виде экспериментального устройства, изображенного на рисунке 1.
Экспериментальное устройство монтировалось на основании 1, которое представляет собой стальную пластину толщиной 10 мм. Заготовки препрега
6 вырезались в виде прямоугольников размером 40^80 мм и укладывались в обечайку 2 в четыре слоя, при этом направление нитей основы менялось в соответствии с таблицей 1. С обеих сторон заготовок укладывались картонные прокладки 4 с целью смягчения ударного воздействия и защиты от продуктов взрыва. Между заготовками и основанием обеспечивался зазор 4 мм при помощи винтов. Сверху на заготовку укладывалась стальная пластина 5, обеспечивающая передачу ударной волны, а на пластину устанавливалась бумажная коробка, наполненная энергонасыщенным материалом насыпной плотности 3. Толщина слоя энергонасыщенного материала составляла 15 мм.
6_
1 - основание; 2 - обечайка; 3 - заряд ВВ; 4- картон; 5 -металлическая пластина; 6 - препрег (4 слоя); 7 - электродетонатор Рис. 1 - Схема эксперимента
Взрывчатое превращение осуществляли в манометрическом сосуде (рис.2), куда помещали экспериментальное устройство, после чего сосуд вакуу-мировали до давления 0,01-0,02 МПа. Инициирование осуществляли при помощи электродетонатора ЭД-8, заглубленного в энергонасыщенный материал на 1/3 часть длины. Коробка с составом имеет разгонный участок, имеющий усеченную форму, которая вынесена за пределы расположения заготовок.
Таблица 1 - Направление нитей основы
Номер слоя Направление нитей основы у, град
1 0
2 +45
3 -45
4 0
После взрыва образцы извлекались из сосуда, очищались. После проводили микроскопическое исследование структуры полученного материала, определялась прочность на растяжение.
Результаты исследований, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что прочного соединения слоев возможно добиться только при
оптимальной величине энергии удара. В данном случае эта величина составляет около 115 Дж/см2. При таком режиме детонационного нагружения одновременно с механическим соединением слоев происходит полимеризация связующего. Образец практически сохраняет свою целостность и размеры. Небольшие повреждения кромок обусловлены краевыми эффектами заноса горячих продуктов взрыва за границу метаемой пластины, что в перспективе может быть разрешено применением зарядов с на-висанием (то есть размеры метаемой пластины будут превышать размеры заготовки). Косвенно о протекании процесса полимеризации свидетельствует приобретение жесткости исходным образцом. При меньшем значении удельной энергии соединение слоев отсутствует, что, по-видимому, может быть объяснено отсутствием реакции полимеризации. Об этом свидетельствует тот факт, что препрег в этом случае не приобретает жесткости.
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - штуцер мановакуумметра; 4 -наружные контактные стержни; 5 - изоляция; 6 - штуцер для создания вакуума и выпуска газов; 7 - болтовое соединение для закрепления крышки; 8 - ручка; 9 - внутренние контактные стержни; 10 - заряд ВВ; 11 - блокировка линии подрыва (обеспечивается открытием двери в бронекабину); 12 - узел блокировки; 13 - пульт дистанционного управления подрывом; 14 - шина заземления
Рис. 2 - Манометрический сосуд
Значительное превышение энергии удара приводит к разрушению образца. Хотя в этом случае остатки разрушенного образца также обладают жесткостью, что свидетельствует о протекании процесса полимеризации.
На рисунке 3 представлены результаты микроскопического исследования поверхности образцов исходного материала и образцов стеклопластика после детонационного нагружения. Видно, что образец при оптимальном режиме ударно-волнового воздействия сохраняет целостность как стекловолокна, так и полимерной матрицы, которая равномерно заполняет пространство между волокнами. Для сравнения представлена структура стеклоткани, пропитанная связующим, полученной в заводских условиях. На рисунке 3 (в) представлена картина разрушения волокна в случае значительного превышения удельной энергии удара.
а - Препрег КМКС до обработки взрывом; б - Образец №1 после обработки взрывом; в - Образец №°3, разрушение стекловолокна
Рис. 3 - Структура образцов
Таблица 2 - Результаты экспериментов
Предел Ско- Удель-
про- рость ная
чности плас- энергия
на рас- тины, удара,2
Наименование материала Условия эксперимента тя-жение, МПа. (Удельная прочность, м) м/с Дж/см2
Аммонит
6ЖВ 172 115,4
ф=3500 312
м/с), (15,9х
Стекло- толщина х103)
пластик, метаемой
полу- пластины
ченный Ь = 10 мм
взрыв- Аммонит
ным А40 72 20,2
Способом ф=1420 м/с), толщина метаемой пластины Ь = 10 мм Нет соединения
Аммонит
6ЖВ 662 341,8
ф=3500 Обра-
м/с), зец
толщина разру-
метаемой шен
пластины
Ь = 2 мм
Аммонит
А40 276 59,4
ф=1420 м/с), толщина метаемой Нет соединения
пластины
Ь = 2 мм
Препрег 230-240
КМКС - (11,7-12,2х х103) - -
Стекло- Выдер-
пластик жка под
заводского изготовления давлением 0,8 МПа, при темпера- 460-470 (23,4-23,9х х103) - -
туре
150°С в
течении 5
часов
Результаты эксперимента (табл. 2) также показывают, что предел прочности на растяжение образцов, полученных методом ударно-волнового воздействия повышается в сравнении с исходным материалом на 30%, но не достигает прочности стеклопластика полученного на производстве в условиях статического сжатия при температуре 150°С и выдержке в течении 5 часов.
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о принципиальной возможности получения многослойного стеклопластика способом детонационного нагружения, сопровождающимся механическим соединением слоев с одновременной полимеризацией связующего. Проведены исследования влияния кинетических характеристик метаемой пластины на качество получаемого стеклопластика; установлено, что оптимальное значение удельной энергии удара имеет значение 115 Дж/см2, что достигается при использовании энергонасыщенного материала аммонит 6ЖВ со скоростью детонации 3500м/с и метании пластины толщиной 10 мм. При этом сохраняется целостность стекловолокна и полимерной матрицы, а также достигается прочность на растяжение 312 МПа. Прочность получаемых образцов оказалась ниже прочности стеклопластика получаемого в заводских условиях, что может быть объяснено неоптимальными технологическими режимами детонационного нагружения. Перспективным представляется проведение дальнейших
а
б
в
исследований в направлении подбора оптимальных
характеристик взрывного устройства.
Литература
1. Бацанов С.С. Твердофазные химические реакции в ударных волнах: кинетические исследования и механизм / С.С. Бацанов // ФГВ, 1, 115-128 (1996).
2. Веретенников В.А. и др. К вопросу о механизме полимеризации при ударном сжатии мономеров. / В.А.Веретенников, А.Н. Дремин, А.Н. Михайлов // ФГВ, 3, 95-100 (1966).
3. Ададуров Г.А. Полимеризация акриламида, инициированная ударными волнами / Г.А. Ададуров // ФГВ, 4, 566-570 (1972).
4. Барабэ Л.В. и др. Зависимость процесса полимеризации акриламида от амплитуды ударного сжатия, влияние отраженных ударных волн / Л.В. Барабэ, А.Н. Дрёмин, А.Н. Михайлов // ФГВ, 4, 583 (1964).
5. Барабэ Л.В. и др. Реакция полимеризации как метод исследования особенностей состояния молекул в кристаллической решетке при ударно-волновом нагруже-нии / Л.В. Барабэ, А.Н. Дрёмин, В.П. Рощупкин // ФГВ, 2, 95-99 (1983).
6. Анисечкин В.Ф. О фазовых превращениях и химических реакциях в ударных волнах / В.Ф. Анисечкин // ФГВ, 2, 140-143 (1980).
7. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 6, 174-177 (2012).
8. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 24, 126 (2012).
9. Д.М. Гагаркин, А.А. Мокеев, А.А. Марсов, И.Ф. Садыков, Бадретдинова Л.Х., Н.А. Макарова // Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 24, 122 (2012).
10. А.А. Мокеев, А.С. Солдатова, Л.Х. Бадретдинова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов // Взрывное дело, №107-64, 49-59 (2012).
11. А.А. Косарев, А.А. Мокеев, Д.К. Гильмутдинов, О.С. Шаклеина // Вестник технол. ун-та, 18, 17, 77-79 (2015).
12. В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.В. Станкевич, Т.П. Евсеева, А.П. Евдокимов // Взрывное дело, № 114-71, 242251 (2015).
13. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, С.В. Платонов, А.П. Евдокимов, Н.И. Торуткина // Взрывное дело, № 113-70, 183-190 (2015).
14. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадретдинова, А.П. Евдокимов, А.А. Марсов // Вестник Казан. технол. унта,11, 15, 268-269 (2014).
15. А.А. Мокеев, А.С. Сальников, Л.Х. Бадретдинова, А.П. Евдокимов // Вестник Казан. технол. ун-та, 11, 15, 9597 (2014).
16. Figovsky, O.L. Super deep penetration - new method of nanoreinforced composites producing based on polymer matrixes / O.L. Figovsky, E.M. Gotlib, E.C. Ilicheva, A.A.
Mokeev // Инженерный вестник Дона.- Ростов-на-Дону, 2014, т.31, №4-1, С.133-137.
17. Figovsky O. Production of polymer nanomembranes by super deep pénétration method / Figovsky O, Gotlib E, Pashin D, Mokeev A. // Chemistry and Chemical Technology. 2012. Т. 6. № 4. С. 393-396.
18. Е.С. Ильичева, Е.М. Готлиб, О.Л. Фиговский, А.А. Мокеев, С.В. Наумов // Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 141-145 (2011).
19. С.И. Вольфсон, Е.М. Готлиб, С.В. Наумов, А.А. Мокеев, О.Л. Фиговский // Вестник Казанского технологического университета, 14, 186-189 (2011).
20. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казан. технол. ун-та, 15, 7, 168-170 (2012).
21. С.В. Чипига, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 174-176 (2012).
22. Р.Ш. Гарифуллин, В.М.Борисов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, № 107-64, 60-68 (2012).
23. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.А. Мокеев, А.С. Сальников // Взрывное дело, 106-63, 252-258 (2011).
24. А.С. Солдатова, И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев, Д.А. Хадиева // Вестник Казан. технол. ун-та,, 8, 104-111 (2010).
25. И.Ф. Садыков, А.А. Марсов, А.А. Мокеев // Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 13, 190-192 (2013).
26. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казанского технологического университета, 17, 18, 186-188 (2014).
27. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов А.С. Сальников, А.А. Мокеев, М.Р. Файзуллина // Вестник Казан. технол. унта,, 17, 18, 109-110 (2014).
28. Р.Ш. Гарифуллин, В.Я. Базотов, А.С. Сальников, А.А. Мокеев, И.Д. Ахмадиев // Вестник технологического университета, 18, 21, 72-73 (2015).
29. А.А. Мокеев, А.П. Евдокимов, А.С. Сальников, Р.Ш. Гарифуллин, А.А. Марсов, М.Р. Файзуллина // Вестник технологического университета, 18, 4, 208-210 (2015).
30. Л.Х. Бадретдинова, И.Ф. Садыков, А.А. Мокеев, А.А. Марсов // Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 7, 120-122 (2014).
31. Дерибас, А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом / А.А. Дерибас. - Новосибирск: Наука, 1981. - 222 с.
32. Ханов А.М., Яковлев И.В. Взаимодействие элементов волокнистого композиционного материала в условиях ортогонального распространения фронта наслаивания при сварке взрывом / А.М.Ханов, И.В. Яковлев // ФГВ, 5, 95-100 (1979).
33. Взрывчатые вещества для сварки металлов взрывом: методические указания к лабораторному практикуму / сост.: А.А.Мокеев, И.Ф.Садыков, А.А.Марсов.- Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007.- 28 с.
© М. Р. Файзуллина - канд. техн. наук, доцент каф. технологии твердых химических веществ КНИТУ, e-mail: [email protected]. А. М. Поздеева - студент той же кафедры, e-mail: [email protected]; Ю. М. Поздеева - студент той же кафедры, email: [email protected]; Р. К. Аллаярова - студент той же кафедры, e-mail: [email protected].
© M.R. Fayzullina - candidate. tehn. Sciences, assistant professor. technology of solid chemicals KNRTU, e-mail: [email protected], А. M. Pozdeeva - Master Degree of the same department, [email protected]; Y. M. Pozdeeva - Master Degree of the same department, [email protected]; R. K Allayarova - Master Degree of the same department, e-mail: [email protected].
