WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Никишечкин Вячеслав Леонидович

УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЗА СЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛИМЕРНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск) Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Еренков Олег Юрьевич Научный консультант - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Ри Хосен

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Охлопкова Айталина Алексеевна (г. Якутск) кандидат технических наук, доцент Башков Олег Викторович (г. Комсомольск-на-Амуре) Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (г. Хабаровск)

Защита состоится «11» мая 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217)53-61-50; e-mail: mdsov@knastu.ru C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан «10» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Пронин А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. Благодаря особым свойствам, присущим только пластическим массам, применение их в машиностроении открывает широкие конструктивно-технологические возможности для создания машин и аппаратов на более высоком техническом уровне. Многие пластмассы, являясь самостоятельными конструкционными материалами, с большим успехом вытесняют как цветные, так и черные металлы и сплавы.

При этом особого внимания заслуживают стеклопластики, которые представляют собой термореактивную пластмассу, состоящую из синтетической смолы со стекловолокнистым наполнителем. Высокая удельная прочность в сочетании с хорошей химической стойкостью по отношению ко многим агрессивным средам открывает возможности использования стеклопластиков в различных отраслях промышленности и, в частности, в центробежных компрессорных машинах, обслуживающих различные химические производства.

Несмотря на многообразие способов получения деталей и изделий из стеклопластиков, применение их в качестве конструкционного материала часто ограничивается достигнутым уровнем их прочностных свойств, которые, в свою очередь, лимитируются несовершенством технологического процесса и нестабильностью свойств полимерных связующих. Очень часто имеют место механические повреждения деталей наиболее нагруженных узлов энергетических машин таких, как рабочие лопатки, диски и т.д.

Таким образом, задача повышения прочностных свойств стеклопластиков, в том числе за счет применения новых технологических решений, является актуальной.

Цель работы – исследование и установление связей между прочностными свойствами полимерного связующего и параметрами его предварительной электрофизической обработки для повышения механических характеристик стеклопластика.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследований:

1. Выполнить анализ современных методов модификации полимерного связующего, предназначенных для повышения прочностных свойств изделий из стеклопластика.

2. Обосновать выбор методов исследования и провести экспериментальные исследования для установления взаимосвязи между параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и механическими свойствами стеклопластика:

пределом прочности при сжатии, пределом прочности при растяжении, пределом прочности при статическом изгибе, твердостью, ударной вязкостью.

3. Разработать новый способ формования стеклопластиков с применением предварительного электровоздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электрическим магнитным полем на полимерное связующее с целью повышения прочностных свойств стеклопластиков.

4. Разработать механическую модель и методику расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, во время эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые экспериментально установлены и научно обоснованы закономерности изменения физико-механических характеристик полимерного (эпоксидного) связующего от вида и параметров предварительных электрофизических воздействий; механические свойства (пределы прочности при сжатии сж, растяжении в, статическом изгибе изг, твердость HB и ударная вязкость ан) отвержденных образцов полимерного связующего после обработки НЭМИ незначительно повышаются, а после обработки ЭМП остаются без изменения или несколько снижаются; более характерное повышение механических свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП, что обусловлено изменением надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной в фибриллярную:

- сж резко возрастает от 134 МПа до 142-143 МПа при 30 минутной обработке (сж = - 0,0222 + 1,610 + 134), т.е. повышается предел прочности при сжатии на 11,2%;

- в увеличивается от 30 МПа до 38-39 МПа при 25-30 минутной обработке (в = 0,0492 - 0,371 + 30), т.е. повышается на 30%;

- изг возрастает от 132 МПа до 192-195 МПа при 25-30 минутной обработке (изг = 2,229 + 132), т.е. повышается на 47%;

- ан возрастает от 9,9 кДж/м2 до 13,5 кДж/м2 при 25-30 минутной обработке (ан = 0,089 + 9,8), т.е. ударная вязкость повышается на 37,8%;

- HB увеличивается от 245,4HB до 262-279 HB при 20-30 минутной обработке (HB = 0,023 - 0,274 2 + 245,4), т.е. твердость возрастает на 11%.

2. Установлены взаимосвязи между видом и параметрами предварительных электрофизических воздействий на полимерное связующее и комплексом прочностных свойств стеклопластика:

механические свойства стеклопластика при предварительных электрофизических воздействиях НЭМИ или ЭМП незначительно повышаются по мере увеличения продолжительности обработки 25-30 минут; существенное повышение прочностных свойств наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП:

- сж повышается от 300 МПа до 415-419 МПа (сж = 3,874 + 305), т.е. предел прочности при сжатии возрастает на 38-40%;

- в увеличивается от 406 МПа до 510 МПа (в = 3,916 + 406), т.е. предел прочности при растяжении возрастает на 25,6%;

- изг возрастает от 650 МПа до 718-719 МПа (изг = 4,519 + 650), т.е. предел прочности при статическом изгибе возрастает на 10,6%;

- ан увеличивается от 260 кДж/м2 до 327-328 кДж/м(ан = 4,861 + 260), т.е. ударная вязкость возрастает на 26%;

- HB возрастает от 300HB до 345-349HB (HB = 1,611 + 300), т.е. твердость возрастает на 15-16%.

3. Установлена взаимосвязь между режимами вибрационной обработки жидкого связующего, его плотностью, вязкостью и механическими свойствами стеклопластиков:

- с увеличением продолжительности виброактивации жидкого связующего плотность отвержденных образцов повышается по экспоненциальной зависимости с максимумом при 10 минутной обработке;

рациональным режимом виброактивации является: частота колебаний 100 Гц и амплитуда колебаний 60 мкм; повышение плотности полимерного связующего под действием механических колебаний связано с дегазацией массы связующего и более равномерным распределением отвердителя в объеме эпоксидного олигомера;

- предел прочности при статическом изгибе изг изменяется по экстремальной зависимости с максимумом его значения при вибрационном воздействии в течение 5 минут; максимальное значение предела прочности при статическом изгибе (695 МПа) обеспечивается при частоте колебаний 100 Гц и амплитуде колебаний 60 мкм по сравнению с образцами без вибрационного воздействия (650 МПа), что обусловлено снижением угла смачивания, возрастанием степени пропитки наполнителя в виде стеклоткани, а также дегазацией и более равномерным распределением отвердителя в объеме композита;

- при этом ударная вязкость также изменятся в зависимости от времени виброактивации по экстремальной зависимости с максимумом ее значения (280 кДж/м2) при 5 минутной обработке и выбранном режиме виброобработки по сравнению с исходным образцом (260 кДж/м2).

4. Впервые методом растровой электронной микроскопии установлен характер изменения надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки НЭМИ и ЭМП:

- структура образца, не подвергнутого воздействию НЭМИ и ЭМП, сферолитная размерами от 2 до 6 мкм по длине и от 2 до 5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образца;

- после электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов переходит к фибриллярной, что отражается на характере разрушения образца, которое происходит по пластическому механизму;

- при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов.

5. В связи с тем, что прочность полимерных материалов определяется напряженно-деформированным состоянием их структуры, на основе механической модели разработана методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженнодеформированное состояние материала с учетом присущего полимерным материалам нелинейного характера зависимости напряжений от скорости деформации.

Практическая значимость работы заключается в:

- разработке нового способа формования изделий из эпоксидной смолы, основанного на применении предварительного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

- разработке и изготовлении экспериментального стенда для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее;





- определении и отработке режимов электрофизического воздействия и вибрационной обработки эпоксидного связующего;

- в изготовлении и испытаниях в производственных условиях опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха, изготовленных из стеклопластика.

Практическая значимость подтверждается внедрением научнообоснованных рекомендаций по повышению прочностных свойств стеклопластика путем предварительной электрофизической обработки полимерного связующего в производственную деятельность ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва) и ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск).

Апробация результатов работы:

Основные результаты работы были представлены на XI международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2007 г.); на VI международной научнотехнической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008 г.);

на VIII международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2009 г.);

на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на I конференции «Производители и потребители компрессорной техники» (г. Казань, 2010 г.); на совместном российско-китайском симпозиуме «2011 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies» (г. Харбин, 2011 г.) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Диссертация изложена на 133 страницах, включает 37 рисунков и таблиц. Библиографический список составлен из 115 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы научных исследований, сформулированы цель и задачи, изложены научные положения и новизна, отмечена практическая значимость работы исследования.

Основу содержания первой главы составляет аналитический обзор теоретических и экспериментальных исследований в области создания и модификации стеклопластиков, включающий в себя рассмотрение следующих вопросов: 1) общая характеристика стеклопластиков, назначение и области применения; показано, что стеклопластики широко используются при изготовлении узлов и деталей машин, во многих конструкциях они успешно заменяют металлы, улучшая эксплуатационные свойства машин и агрегатов, при этом особенностью стекловолокнистых материалов является то, что они, как правило, образуются одновременно с изготовлением изделий во время формования в формах, поэтому их свойства определяются не только характеристиками исходных компонентов, но и технологическим процессом; 2) исследования изменения физических свойств полимерных материалов при разных способах их модификации; представлены классификация и характеристика способов модификации эпоксидных олигомеров, выступающих в качестве связующего при изготовлении стеклопластиков, при этом для получения стеклопластика с высокими эксплуатационными характеристиками необходимо направленное регулирование технологических и физикохимических процессов, например, с помощью электровоздействия на связующее, его вибрационной обработки и т.д.; 3) современные представления о прочности полимерных материалов; представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие, что преодоление сил взаимодействия между атомами и молекулами твердого полимера могут происходить под влиянием тепловой энергии, механических воздействий, излучений и т.д.

Большой вклад в исследование процессов создания, модифицирования и формирования свойств полимерных материалов внесли известные ученые Атовмян Е.Г., Ганиев М.М., Бадамшина Э.Р., Берлин А. Н., Брагинский В.А., Зеленев Ю.В., Иванов В.А., Кестельман В. Н., Охлопкова А.А. и другие.

Исследованию структуры, свойств и процессов разрушения полимерных материалов посвящены работы Аскадского А.А., Бартенева Г.Н., Журкова С.Н., Каргина В.А., Карташова Э.М., Огибалова П.М., Ратнера C.Б., Сломинского Г.Л., Френкеля Я.И.

На основании анализа вышеизложенного материала сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

Во второй главе представлены обоснование выбора материала исследования, методики и аппаратура для экспериментальных исследований и производственных испытаний, описание экспериментальной установки для реализации электрофизического воздействия на полимерное связующее.

В качестве материала для изготовления экспериментальных образцов было использовано полимерное связующее Этал Т 210 и два вида наполнителя с общей основой – стеклотканью Т11, и разными замасливателями: 78 и ГВС9. Соответственно были изготовлены следующие образцы стеклопластика: Этал Т 210-Т11-78 и Этал Т 210-Т11-ГВС9. Образцы изготавливали с помощью установки вакуумно-компрессионной пропитки и печи сопротивления для термообработки материала, установленной на ОАО «Дальэнергомаш».

В табл.1 сведены значения прочностных свойств полученных образцов стеклопластика в зависимости от типа замасливателя.

Таблица 1.

Прочностные характеристики исследуемых стеклопластиков Прочностные характеристики Предел Предел Предел Ударная прочности прочности прочности вязкость, Тип стеклопластика при при при кДж/мсжатии, растяжении, изгибе, МПа МПа МПа Этал Т 210-Т11-78 455 383 532 2Этал Т 210-Т11-ГВС9 528 406 665 2Анализ представленных в табл.1 экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что стеклопластик с применением связующего Этал Т 210, стеклоткани Т11 и замасливателя ГВС9 обладает повышенной прочностью. Об этом свидетельствует более высокие значения предела всех установленных прочностных характеристик стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9 по сравнению с материалом Этал Т 210-Т11-78.

Таким образом, объектом дальнейших экспериментальных исследований был выбран стеклопластик Этал Т 210-Т11-ГВС9.

Полученные образцы связующего и стеклопластика в виде пластин и лопаток подвергались следующим исследованиям, согласно ГОСТ 4648-и ГОСТ 186-11262: испытания образцов связующего с целью определения напряжений сжатия, растяжения, изгибающих напряжений, прочности при межслойном сдвиге, ударной вязкости и твердости как после электрофизического воздействия, так и без него; испытания образцов стеклопластика с целью определения напряжений растяжения, изгибающих напряжений, прочности при межслойном сдвиге, ударной вязкости и твердости как после электрофизического воздействия, так и без него.

Измерение вязкости полимерного связующего Этал Т 210 проводили в соответствии с положениями ГОСТ 8420-74 при помощи вискозиметра ВЗ-4. Измерение твердости исследуемых образцов проводили по методу Бринелля в соответствии с положениями ГОСТ 4670-90. Механические свойства экспериментальных образцов определяли на испытательных машинах WDW-50E, МК-30А. Качество обработанной резанием поверхности деталей из исследуемого материала контролировали при помощи профилометра TR 200 производства США. Оценивались основные параметры шероховатости согласно ГОСТ 2789-73 и международного стандарта ISO 4288. Токарную обработку проводили на токарном патронно-центровом станке с ЧПУ модели РТ755Ф311, а разрезку – абразивным кругом. Контроль изменения плотности полимерного связующего производили при помощи пикнометра ПЖ-2-1ГОСТ 22524-77 по ГОСТ 27845-73.

Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена установка, схема которой представлена на рис.1.

В третьей главе представлено описание нового способа формования стеклопластиковых изделий из эпоксидного связующего, подвергнутого электрофизической обработке НЭМИ и ЭМП, изложены результаты экспериментального исследования изменения морфологии полимерного связующего.

Сущность предлагаемого способа (патент РФ №2422273) заключается в том, что в технологическом процессе изготовления изделий включена операция предварительной (до операций формования и отверждения) электрофизической обработки эпоксидного связующего.

Электрофизическая обработка связующего состоит из одновременного воздействия на связующее в жидкой фазе наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для совместного воздействия НЭМИ и ЭМП на полимерное связующее: 1 – аппарат управления установки ЭМП, 2 – катушка индуктивности, 3 – электропитание катушки индуктивности, 4 – генератор ГНИ-16, 5 – электропитание электродов излучения НЭМИ, 6 – полимерное связующее, 7 – диэлектрическая емкость, 8 – диэлектрические подставки, 9 – электроды излучения В качестве источника НЭМИ применяли специальный генератор ГНИ-01-16, изготовленный в Южно-Уральском ГУ, и установку электромагнитного перемешивания для возбуждения магнитогидродинамических сил, изготовленную при непосредственном участии автора.

При проведении экспериментов использовали следующие режимы электромагнитного воздействия:

- наносекундные электромагнитные импульсы (НЭМИ):

длительность импульса 1 нс; амплитуда импульсов 6 кВ; мощность в одном импульсе более 1 МВт; частота повторения импульсов 1000 Гц;

- электромагнитное поле (ЭМП): частота колебаний = 0,5 Гц;

длительность прямого импульса - 0,02 с, реверса - 1,8 с, обратного импульса - 0,02 с.

В работе проводились сравнительные исследования, (рис.2), которые позволили проследить изменение морфологии полимерного связующего при обработке НЭМИ и ЭМП. Данные исследования проводилось с помощью растрового электронного микроскопа марки JSM-6480 (фирма JEOL, Япония).

На рис.2, а представлена микроструктура необработанного образца полимерного связующего.

а б Рис.2. Морфология полимерного связующего: а – до электрофизической обработки; б – НЭМИ+ЭМП 25 минут Видно, что структура образца сферолитная, размеры которых от 2-6 мкм по длине и от 2-5 мкм по ширине, сколы рельефные, что свидетельствует о хрупком разрушении образцов. После электрофизической обработки НЭМИ и ЭМП в течение 25 минут надмолекулярная структура композитов, рис.2, б, значительно меняется. В первую очередь это отражается на механизме разрушения образцов, которое происходит по пластическому механизму, так как сколы отличаются сглаженными границами разрушения.

4 Волновое число, см-Рис.3. Результаты инфракрасной спектроскопии: 1 – до электрофизической обработки; 2 – НЭМИ и ЭМП 5 минут;

3 – НЭМИ и ЭМП 10 минут; 4 – НЭМИ и ЭМП 15 минут;

5 – НЭМИ и ЭМП 20 минут; 6 – НЭМИ и ЭМП 25 минут Интенсивность поглощения Во-вторых, наблюдается еще более выраженная анизотропия роста надмолекулярных образований, которые представляют собой больше фибриллярную структуру, чем сферолитную, несмотря на наличие центров кристаллизации по сферолитному типу.

Таким образом, электрофизическая обработка НЭМИ и ЭМП привела к тому, что в образцах происходит переориентация сферолитных образований в фибриллярные. При этом следует отметить, что изменения химической структуры исследуемого материала находятся в пределах погрешности эксперимента, о чем свидетельствуют результаты ИК-спектроскопии образцов, рис.3.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию изменения плотности, вязкости и механических свойств связующего и стеклопластика в зависимости от параметров и вида электрофизического воздействия на полимерное связующее, режимов и продолжительности его виброобработки.

Экспериментальные исследования проводились в несколько этапов.

На первом этапе был выполнены эксперименты по исследованию плотности и вязкости полимерного связующего.

а б Время электровоздействия, мин Время виброобработки, мин Рис. 4. Плотность полимерного связующего: а – после электровоздействия:

1 – НЭМИ; 2 – ЭМП; 3 – совместное воздействие НЭМИ и ЭМП;

б – после вибрационной обработки: 1 – f = 100 Гц, А = 60 мкм;

2 – f = 100 Гц, А = 20 мкм; 3 – f = 50 Гц, А = 60 мкм; 4 – f = 50 Гц, А = 20 мкм На рис.4, а приведены результаты измерения плотности полимерного связующего при электровоздействии НЭМИ, ЭМП и НЭМИ-ЭМП. При раздельном воздействии НЭМИ и ЭМП плотность полимерного связующего возрастает от времени обработки незначительно (кривые 1 и 2). Существенное повышение плотности наблюдается при совместном воздействии НЭМИ и ЭМП (кривая 3) на полимерное связующее в течение 30 минут.

Плотность, г/см Плотность, г/см Аналогичная картина наблюдается при вибрационном воздействии на полимерное связующее (рис.4, б). При чем наибольшая плотность наблюдается при значении параметров вибрационной обработки f=100 Гц и А=60 мкм. Вибрационная обработка более эффективно повышает плотность полимерного связующего, чем совместная обработка НЭМИ и ЭМП. Повышение плотности полимерного связующего после вибрационной обработки, а так же совместного воздействия НЭМИ и ЭМП, по-видимому, происходит вследствие изменения надмолекулярной структуры, дегазации массы связующего и более равномерного распределения отвердителя в объеме эпоксидного олигомера.

На рисунке 5, а представлены данные по влиянию вида и времени электрофизической обработки полимерного связующего на его вязкость.

Установлено, что при раздельном воздействии НЭМИ и ЭМП вязкость практически не изменяется, а при комбинированной обработке НЭМИ и ЭМП вязкость изменяется по экстремальной зависимости от времени обработки.

На рисунке 5, б представлены данные по влиянию режима и времени вибрационной обработки полимерного связующего на его вязкость.

Установлено, что максимальное снижение вязкости происходит при реализации режима обработки с амплитудой 60 мкм при частоте колебаний 100 Гц в течение 5 минут. Внешние механические колебания создают в объеме связующего касательные напряжения и пульсации давления, которые и являются причиной снижения внутреннего трения и, как следствие, вязкости исследуемого материала. При длительных вибрационных обработках (более 5 минут) вязкость полимерного связующего возрастает, вероятно, из-за укрупнения коагуляции надмолекулярной структуры.

а б Время электровоздействия, мин Время виброобработки, мин Рис. 5. Вязкость связующего: а - после электрофизической обработки:

1 – НЭМИ; 2 – ЭМП; 3 – НЭМИ+ЭМП; б – после вибрационной обработки (амплитуда колебаний*частота колебаний): 1 – 20 и 50;

2 – 60 и 50; 3 – 20 и 100; 4 – 60 и 1Условная вязкость Условная вязкость по В 3-4, 60° С, сек по В 3-4, 60° С, сек На следующем этапе проводились исследования влияния временной выдержки полимерного связующего до реакции полимеризации на прочностные характеристики как непосредственно связующего, после отверждения, так и изготовленного с его участием стеклопластика.

Из рис.6, а следует, что прочность на сжатие и изгиб полимерного связующего Этал Т 210 монотонно уменьшается по мере выдержки перед отверждением до 4 минут.

Прочностные характеристики стеклопластика (рис.6, б) Этал Т 210-Т11-ГВС9 также имеют некоторую тенденцию снижения с увеличением времен выдержки полимерного связующего.

а б Время выдержки, ч Время выдержки, ч Рис. 6. Значения прочностных характеристик экспериментальных образцов: а – полимерного связующего Этал Т 210;

б – стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9; 1 – прочность на сжатие;

2 – прочность на изгиб Такой вывод подтверждается данными по влиянию времени выдержки связующего на изменение его вязкости, представленными на рис.7. Экспериментально доказано, что с увеличением времени выдержки повышается вязкость исследуемого полимерного связующего, что и Время выдержки, ч является причиной снижения степени пропитки стеклоткани и, соответственно, прочностных Рис. 7. Значения вязкости полимерного свойств готового материала.

связующего Предел прочности, МПа Предел прочности, МПа Условная вязкость по В 3-4, 60° С, сек На втором этапе проводилось исследование влияния предварительных воздействий НЭМИ и ЭМП на механические свойства полимерного связующего.

На рис.8 приведены данные, позволяющие установить влияние Продолжительность воздействия, мин времени предварительных электрофизических обработок Рис. 8. Предел прочности при сжатии полимерного связующего образцов из эпоксидного Этал Т 210 на прочность при связующего Этал Т 210:

сжатии. Обработка 1 – после воздействия НЭМИ;

полимерного связующего 2 – после воздействия ЭМП;

НЭМИ или ЭМП 3 – после воздействия НЭМИ и незначительно влияет на ЭМП изменение предела прочности при сжатии; совместная обработка связующего НЭМИ и ЭМП приводит к повышению предела прочности при сжатии, максимум которого 38 МПа наблюдается после 25 минутной обработки.

На третьем этапе проводилось исследование влияния предварительных воздействий НЭМИ и ЭМП на механические свойства стеклопластика.

Из рис.9 следует, что при раздельном влиянии НЭМИ и ЭМП на эпоксидное Продолжительность воздействия, мин связующее Этал Т 2ударная вязкость образцов из Рис. 9. Ударная вязкость стеклопластика стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9: 1 – после Этал Т 210-Т11-ГВСвоздействия НЭМИ; 2 – после изменяется не существенно.

воздействия ЭМП; 3 – после При совместном воздействии комбинированного воздействия на связующее НЭМИ и ЭМП НЭМИ и ЭМП наблюдается значительное повышение ударной вязкости при продолжительности обработки более 25 минут. Таким образом, в данном случае наблюдается одновременное повышение прочностных свойств и ударной вязкости стеклопластика.

Предел прочности, МПа Ударная вязкость, кДж/м На четвертом этапе проводилось исследование влияния предварительных обработок полимерного связующего НЭМИ и ЭМП непосредственно в форме на механические свойства изделия из стеклопластика. Электрофизическая обработка полимерного связующего осуществлялась непосредственно в форме для изготовления лопатки рабочего колеса центробежной компрессорной установки. Схема и фотография экспериментальной установки представлена на рис.10.

а б Рис. 10. Экспериментальная установка электрофизической обработки полимерного связующего непосредственно в форме:

а – общий вид; б – схема Цель данных экспериментов – установить и оценить изменения механических свойств стеклопластика относительно вышеисследованных вариантов с предварительной обработкой полимерного связующего.

На рис.11 представлены экспериментальные данные, позволяющие оценить взаимосвязь между видом и временем электрофизического воздействия на эпоксидное связующее Этал Т 210 и механическими характеристиками образцов из стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9.

Анализ полученных данных (рис.11) позволяет заключить, что совместная обработка НЭМИ и ЭМП полимерного связующего позволяет повысить качество готового стеклопластика, о чем свидетельствуют более высокие значения прочности на сжатие материала по сравнению с полученными при индивидуальных обработках НЭМИ и ЭМП и без обработки.

На следующем этапе исследовалась взаимосвязь между режимом виброактивации жидкого эпоксидного связующего и пределом прочности стеклопластика при статическом изгибе (рис.12). В случае реализации указанных режимов виброактивации связующего наблюдается изначально рост предела прочности стеклопластика при изгибе, а затем, при превышении 5 минут виброобработки, либо некоторое снижение прочности, либо сохранение постоянного ее значения. При этом наиболее эффективным режимом виброактивации, из исследуемых в данной работе, является следующий: частота колебаний 100 Гц, амплитуда колебаний 60 мкм. Именно при реализации данного режима обеспечивается максимальное значение предела прочности при изгибе стеклопластика в случае предварительной виброобработки связующего в течение 5 минут.

На последнем этапе проводились экспериментальные исследования эффективности механической обработки стеклопластика Этал Т 210Т11-ГВС9, полимерное связующее которого было предварительно обработано НЭМИ и ЭМП в течение Продолжительность воздействия, мин 25 минут. Осуществлялись следующие виды Рис.11. Предел прочности при сжатии механической обработки:

образцов из стеклопластика точение, разрезка. Основное Этал Т 210-Т11-ГВС9 (обработка требование, предъявляемое к в форме): 1 – после воздействия указанным операциям – НЭМИ; 2 – после воздействия обеспечение минимального ЭМП; 3 – после уровня шероховатости комбинированного воздействия обработанной поверхности.

НЭМИ и ЭМП а б Время виброобработки, мин Время виброобработки, мин Рис.12.Физико-механические свойства стеклопластика:1 – f = 100 Гц, А = 60 мкм; 2 – f = 100 Гц, А = 20 мкм; 3 – f = 50 Гц, А = 60 мкм; 4 – f = 50 Гц, А = 20 мкм; а) изгибающее напряжение;

б) ударная вязкость Предел прочности, МПа Предел прочности, МПа Ударная вязкость, кДж/м На рис.13 представлены профилограммы обработанных точением поверхностей деталей из стеклопластика, а в таблице 2 сведены численные значения отдельных параметров шероховатости для случаев точения и разрезки заготовок из исследуемого материала.

а Длина измеряемой поверхности, мм б Длина измеряемой поверхности, мм Рис. 13. Профилограммы обработанных точением поверхностей деталей из стеклопластика: а – стеклопластик без предварительной обработки связующего; б – стеклопластик с предварительно обработанным связующим Таблица 2.

Результаты исследования шероховатости поверхности деталей из стеклопластика при различных видах обработки Параметры шероховатости, мкм Исследуемый материал Ra Rz Rmax Rp Rm Sm Sk Точение Без обработки 12,61 32,72 30,97 14,02 21,95 0,34 0,связующего С предварительной 7,50 15,24 20,75 9,23 11,52 0,19 0,обработкой связующего Разрезка Без обработки 18,7 40,20 37,90 11,80 19,10 0,10 0,связующего С предварительной 12,88 29,33 22,37 6,20 8,55 0,10 0,обработкой связующего Отклонение профиля, мкм Отклонение профиля, мкм Анализ данных (рис.13, а и б; табл.2) позволяет сделать заключение о том, что механическая обработка стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9, выполненного из предварительно обработанного НЭМИ и ЭМП связующего обеспечивает получение более качественно обработанной поверхности. Об этом свидетельствует экспериментально установленный факт снижения параметров шероховатости обработанной поверхности модифицированного стеклопластика до 2 раз по сравнению с поверхностью стандартного материала.

В пятой главе представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния изделий из эпоксидного связующего, подвергнутого электрофизической обработке.

Для описания напряженного состояния полимерного материала в данной работе использована известная модель упруговязкого тела Максвелла, которая состоит из последовательно соединенных упругого и вязкого элементов.

Упругую деформацию выразим посредством закона Гука EЕ, а вязкую, с учетом того факта, что полимерное связующее относится к n классу неньютоновских жидкостей – db , где n - показатель dt степени, учитывающий нелинейный характер зависимости между напряжением и скоростью деформирования.

Таким образом, предлагаемая к рассмотрению модель упруговязкого тела имеет в своем составе упругий и вязкоупругий нелинейный элементы.

Запишем выражение полной деформации в дифференциальном виде d d db y . (1) dt dt dt Дифференцируя EЕ по времени, получаем выражение для упругой деформации d d d 1 d y y E или . (2) dt dt dt E dt Выражение для вязкой деформации выразим из (3) n db db db n n или . (3) dt dt dt Подставляем (2) и (3) в (1), получаем d 1 d n . (4) dt E dt Решая дифференциальное уравнение (4) для случая постоянной d деформации, т. е. 0, окончательно получаем dt n n nn 1 E t n . (5) n n Таким образом, получено выражение (5) позволяющее оценить напряженно-деформированное состояние материала с учетом присущей полимерным материалам нелинейности характера зависимости напряжений от скорости деформации. Анализ данного уравнения показывает, что согласно представленной модели на прочность полимерного материала при эксплуатации изделий существенное влияние оказывают напряжения, созданные при предварительном воздействии на материал и напряжения от действия внешней нагрузки на изделие.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Установлена, методом растровой электронной микроскопии, трансформация надмолекулярной структуры полимерного связующего от сферолитной к фибриллярной после его совместной обработки наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным полем; при этом изменений химической структуры исследуемого материала не происходит, о чем свидетельствуют результаты ИК- спектроскопии образцов;

2. Разработан новый способ формования изделий из эпоксидной смолы с целью повышения прочностных свойств стеклопластика, основанный на применении предварительной обработки наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем полимерного связующего в жидкой фазе; техническая сущность способа защищена патентом на изобретение (№2422273);

3. Разработана, согласно выбранной механической модели, методика расчета напряженного состояния деталей, выполненных из стеклопластика, получено математическое выражение, позволяющее оценить напряженнодеформированное состояние материала с учетом присущей полимерным материалам нелинейности характера зависимости напряжений от скорости деформации.

4. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для осуществления индивидуального и комбинированного электрофизического воздействия на полимерное связующее, основу которого составляют генератор наносекундных электромагнитных импульсов и установка электромагнитного перемешивания для возбуждения магнитогидродинамических сил в объеме полимерного связующего в жидком состоянии; определены значения параметров электровоздействия на полимерное связующее;

5. Впервые доказано экспериментально, что применение предварительного совместного воздействия наносекундными электромагнитными импульсами и электромагнитным переменным полем на полимерное связующее Этал Т 210 в течение 20-25 минут приводит к повышению прочностных свойств изделий из стеклопластика Этал Т 210-Т11-ГВС9 до 1,4 раз.

6. Экспериментальным путем установлено, что оптимальная продолжительность вибрационной обработки жидкого эпоксидного связующего, предварительно отверждению, составляет 5 минут, установлены взаимосвязи между режимами виброобработки и прочностными свойствами стеклопластика, при этом наиболее эффективным режимом виброактивации, из исследуемых в данной работе, является следующий: частота колебаний 100 Гц, амплитуда колебаний 60 мкм.

7. Получены положительные результаты производственных испытаний опытных конструкций рабочих колес центробежных нагнетателей воздуха изготовленных из стеклопластика; изготовленные опытные образцы успешно прошли испытания на разгонной установке с превышением центробежной нагрузки на 25 %.

8. Результаты работы внедрены в ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва), ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск) и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных работах:

1. Еренков О.Ю. Разработка и исследование нового способа модификации полимерного связующего путем электрофизического воздействия /О. Ю. Еренков, В. Л. Никишечкин // Пластические массы.

2011.- №11. – С. 61 - 64.

2. Еренков О. Ю. Исследование механических свойств полимерных композитных материалов / О. Ю. Еренков, П. В. Игумнов, В. Л. Никишечкин // Вестник машиностроения. 2010.- № 4.- С. 55-58.

3. Еренков О.Ю. Оценка работоспособности деталей из полимерных материалов/ О.Ю. Еренков, В.Л. Никишечкин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008.- №1. – С. 45 - 47.

4. Никишечкин В.Л. Применение композитных материалов в компрессорном оборудовании /В.Л. Никишечкин, В.П. Игумнов, С.Л. Шептицкий // Компрессорная техника и пневматика. 2007.- №4. – С. 16-23.

5. Патент №2422273 Российская федерация, (51) МПК В29С 41/04.

Способ формования изделий из эпоксидной смолы/ Еренков О.Ю., Игумнов В.П., Игумнов П.В., Никишечкин В.Л., Богачев А.П. – Заявка № 2009145870/05; заявлено 10.12.2009; опубликовано 27.06.2011, Бюл. №18.

6. Erenkov O. Yu. Mechanical Properties of Polymer Composites / O. Yu. Erenkov, P. V. Igumnov, and V. L. Nikishechkin // Russian Engineering Research, 2010, Vol. 30, No. 4, pp. 373-375.

7. Еренков О.Ю. Влияние скорости нагружения полимерных материалов на процесс деформации и разрушения/ О.Ю. Еренков, В.Л. Никишечкин// Современные технологии в машиностроении: сборник статей XI Международной научно-практической конференции. – Пенза:

Приволжский дом знаний, 2007. – C. 259-261.

8. Еренков О.Ю. Влияние предварительного деформирования заготовок из полимерных материалов на качество поверхностного слоя обработанных точением деталей /О.Ю. Еренков, Е.В. Комялова, В. Л. Никишечкин, Е.Г. Калита // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. Ч. 1; Курск.

гос. техн. ун-т. Курск, 2008 г. – С. 140-144.

9. Еренков О.Ю. Влияние обработки полимерных материалов наносекундными электромагнитными импульсами на твердость поверхностного слоя/ О.Ю. Еренков, А.В. Никитенко, В. Л. Никишечкин// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы VI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. Ч. 1; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2008 г. – С. 144-147.

10. Еренков О.Ю. Исследование эффективности влияния предварительной электрофизической обработки полимерного связующего на прочностные характеристики ПКМ / О.Ю. Еренков, В. Л. Никишечкин//Ученые записки КнАГТУ. 2010.- № 2. – С. 94-103.

11. Никишечкин В. Л. Исследование механических свойств полимерных композитных материалов рабочих колес ЦКМ в зависимости от предварительного электрофизического воздействия / В.Л. Никишечкин, В.П. Игумнов // Производители и потребители компрессорной техники:

труды I конференции. – Казань: Слово, 2010. – С. 38-43.

12. Erenkov O. Yu. Researching of Polymeric Composite Material Mechanical Properties/ O. Yu. Erenkov, A.G. Ivakhnenko, V. L. Nikishechkin.- Modern materials and technologies 2011: International Russian-Chinese Symposium. Proceedings.- Khabarovsk: Pacific National university, 2011. – 485 p.

Никишечкин Вячеслав Леонидович УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ ЗА СЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОЛИМЕРНОЕ СВЯЗУЮЩЕЕ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 21.03.12 г.Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Гарнитура "Таймс".

Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,Тираж 100 экз. Заказ № 2Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанского государственного университета.

680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 1






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.