Термокомпрессионное формование углекомпозитов на основе цианэфирной матрицы

Введение 8
1. Компоненты углекомпозита на основе цианэфирной матрицы 10
1.1 Компоненты связующих 10
1.1.1. Компоненты связующих и реакции их отверждения 10
1.1.2 Марки и свойства цианэфирных связующих 14
1.1.3 Структура, температурные переходы и свойства цианэфирных связующих в отвержденном состоянии 21
1.2 Углеродные армирующие волокнистые системы 30
1.2.1 Характеристика углеродных волокон 30
1.2.2 Текстильные формы углеродных армирующих волокнистый систем, их марки и свойства 35
2. Получение препрега углекомпозита на основе цианэфирной матрицы. Марки и составы 39
2.1 Методы совмещения связующего с армирующим наполнителем 39
2.2 Физические процессы, проходящие при пропитке 43
2.3 Технология пропитки 49
2.4 Технологические свойства препрегов, методы их определения, марки препрегов на основе цианэфирной матрицы с углеродным армирующим наполнителем и их свойства 57
3. Термокомпрессионное формование на основе цианэфирной матрицы 63
3.1 Формирование пакета-заготовки для термокомпрессионного формования методом выкладки 63
3.1.1 Раскрой и ручная выкладка. 64
3.1.2 Автоматизированная выкладка 67
3.2 Метод термокомпрессионного формования 70
3.2.1 Общие представления и технологические параметры ТКФ 70
3.2.2 Материалы, используемые при изготовлении эластичного формующего элемента 79
4 Эксплуатационные свойства углекомпозитов на основе цианэфирной матрицы 87
4.1 Физико-механические свойства цианэфирных углекомпозитов 87
4.2 Теплофизические, электрические, антифрикционные и другие свойства цианэфирных углекомпозитов 89
Заключение 92
Список литературных источников 93

Весь текст будет доступен после покупки

Композиционный материал – это многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов. Композит может состоять из металлической, полимерной, углеродной или керамической матрицы, которая армирована различными рода наполнителей: волокнистыми или дисперсными.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) широко используют в различных сферах благодаря таким преимуществам, по сравнению с металлами, как долговечность, высокая прочность, низкая масса, коррозионная и химическая стойкость, менее сложная механическая обработка и др. Современное развитие автомобильной, авиационной и космической техники требует применения материалов с высокими удельными характеристиками прочности. Использование ПКМ на основе полимерных матриц и армирующих непрерывных волокнистых систем позволяет достичь снижения массы конструкций, но температура эксплуатации таких материалов ограничена термической стабильностью и термомеханическими свойствами полимерной матрицы.
Разработанные на сегодняшний день цианэфирные связующие обладают высокой прочностью и ударной вязкостью, высокой температурой стеклования, низким водопоглощением, газовыделением, диэлектрической проницаемостью и потерями, прозрачностью для радаров и хорошей адгезией к различным подложкам, что позволяет также использовать ПКМ на их основе в отраслях электронных устройств, высокотемпературных адгезивов и конструкционных аэрокосмических материалов. Отверждение цианэфирных связующих характеризуется образованием устойчивой сеткой триазиновых циклов, которая, в свою очередь, обеспечивает термическую стабильность отвержденной полимерной матрицы в диапазоне температур от 190 до 400°С и не приводит к образованию низкомолекулярных летучих продуктов.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Компоненты углекомпозита на основе цианэфирной матрицы
1.1 Компоненты связующих
1.1.1. Компоненты связующих и реакции их отверждения

Основой связующих является олигомер. Термин смола на основе сложного эфира цианата используется для описания как семейства мономеров, так и олигомеров с реакционноспособными концевыми цианатными группами (–O–C?N) на ароматическом кольце. Это семейство термореактивных мономеров и олигомеров, которые могут попеременно называться цианатными смолами, циановыми эфирами, цианэфирными или триазиновыми смолами, содержат как минимум две цианатные функциональные группы и будут полимеризоваться при добавлении тепла и/или катализатора, например колеманита, в термореактивный материал (полицианурат). Эти смолы обладают хорошей технологичностью, жизнеспособностью и совместимостью с различными армирующими материалами. Используются, прежде всего, в электронной и аэрокосмической промышленности. Наибольшее распространение имеют цианэфирные смолы, получаемые в результате реакции различных типов бисфенолов, содержащих ароматические кольца, с веществами, содержащими цианатные функциональные группы, как, например, реакция получения цианэфирной смолы на основе Бисфенол-А и Бисфенол-П, растворенных в ацетоне, и бромциана, представленная на рисунке 1.


Рисунок 1 – Синтез цианового эфира на основе Бисфенол – А [2].
Большинство коммерческих мономеров могут быть представлены структурной моделью, показанной на рисунке 2 [3].

Рисунок 2 - Общая структура большинства коммерческих мономеров сложных эфиров циановой кислоты, где заместитель R и связь X могут варьироваться для придания смоле определенных свойств[3].

В таблице 1 представлены основные коммерческие цианэфиры.

Таблица 1 - Химическая структура отвержденных коммерческих цианэфиров [3].
Название Х*
R* Коммерчес-кое название Свойства
Температура стеклования, °С Водопоглаще-ние, % Диэлектри-ческие потери
Бисфенол А дицианат H Primaset 289 2,5 0,005
Бисфенол Е дицианат H Primaset BADCy 258 2,4 0,005
Тэтраметил бисфенол Ф дицианат CH3 Primaset LECy
AroCyL-10 252 1,4 0,003
Бисфенол М дицианат H AroCy XU 366 192 0,7 0,001
*Примечание: X и R – группы и заместители в структурной формуле, изображённой на рисунке 2.

Для улучшения физико-механических свойств матрицы в составе ПКМ в рецептурах связующих используют сочетание различных типов олигомеров (смол)[4]. Наиболее изученными в настоящий момент остаются смеси циановых эфиров с эпоксидными смолами, что во многом объясняется использованием этих смесей в промышленности для создания ПКМ[5]. Преимущество данных смесей по сравнению с чистыми циановыми эфирами заключается в более высоком сохранении физико-механических свойств полимерных матриц после воздействия влаги, а также в меньшей стоимости этих смесей за счет введения в состав значительно более дешевого компонента – эпоксидной смолы. Для уменьшения хрупкости и повышения вязкости разрушения ПКМ в состав цианэфирных связующих включают эластомеры или термопласты. К такого рода добавкам относят силоксаны, бутадиенакрилонитрильные каучуки с различными функциональными группами и, главным образом, термопласты с высокой температурой стеклования, такие как полисульфоны, полиэфиркетоны и полиэфиримиды. Введение в состав последних приводит к повышению трещиностойкости ПКМ без существенного падения температуры стеклования [6,7].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Penggang Ren; Guozheng Liang; Zengping Zhang (2006). Epoxy-modified cyanate ester resin and its high-modulus carbon-fiber composites., 27(4), 402–409. doi:10.1002/pc.20207
2. Basturk, Emre; Sen, Ferhat; Kahraman, Memet Vezir; Madakbas, Seyfullah (2015). Bisphenol A (BADCy)/bisphenol P (BPDCy) cyanate ester/colemanite composites: synthesis and characterization. Polymer Bulletin, 72(7), 1611–1623. doi:10.1007/s00289-015-1361-0
3. Kessler, M. R. (2012). Cyanate Ester ResinsAdapted fromCyanate Ester Resins, First Edition. Wiley Encyclopedia of Composites. doi:10.1002/9781118097298.weoc062
4. Р.Р. Мухаметов, А.П. Петрова Термореактивные связующие для полимерных композиционных материалов; учебное пособие / под общ. ред. Е.Н. Каблова. – Москва: НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, 2021. – 528 с.
5. Полимерные композиционные материалы для авиакосмической отрасли: материалы Всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 6 дек. 2019 г.), [Электронный ресурс] / ФГУП «ВИАМ». – М.: ВИАМ, 2019. – 208 с.: ил. – ISBN 978-5-905217-55-5.
6. Гуляев А.И., Шуртаков С.В. Количественный анализ микроструктуры граничного слоя «волокно-матрица» в углепластиках // Труды ВИАМ. 2016. № 7 (43). Ст. 08. URL: http://viam-work.ru (дата обращения: 25.03.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-7-8-8.
7. Прохорова Е.В., Мухаметов Р.Р. Модификация триазиновых композиций // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2013. № 9. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 27.11.2019).
8. Сборник лабораторных работ по общему курсу физики Часть I. Составители: Е.А. Ариас, З.С. Бондарева, Ф.А. Груздев, Г.Е. Коровина, А.О. Окунев, Н.А. Петрова
9. Mukhametov, R. R.; Merkulova, Yu. I.; Dolgova, E. V.; Dushin, M. I. (2015). Synthesis of heat-resistant polymer matrices via polycyclotrimerization of cyanate esters. Polymer Science Series D, 8(1), 22–26. doi:10.1134/S1995421215010104

Весь текст будет доступен после покупки