Determining the rates of impregnation by a low-viscous organic binder for a carbon reinforcing satin weave fabric.pdf При мелкосерийном производстве прецизионных изделий и элементов конструкций сложной формы из полимерных композиционных материалов для космической техники эффективен метод трансферного формования (Resin Transfer Molding - RTM). Для обеспечения надлежащего уровня качества выпускаемых изделий данным методом необходима разработка надежного технологического процесса. В первую очередь необходимо определить входные параметры процесса на основе используемых исходных материалов, границы допустимых изменений этих параметров для достижения определенного значения выбранного выходного параметра [1]. При выборе типа армирующего материала как одного из входных параметров руководствуются рядом требований, таких, как обеспечение необходимого уровня прочностных показателей детали, простота и минимальная трудоемкость переработки, возможность изготовления деталей сложной формы. Ввиду своей технологичности, обеспечивающей оптимальный баланс между стоимостью материала и простотой его переработки, в настоящее время для RTM-приложений часто применяются тканые волокнистые материалы. Повышенный интерес при изготовлении деталей сложной формы проявляется к армирующим тканям четырехремизного сатинового плетения, обусловленный их универсальностью и эффективностью решения многих задач, ввиду сохранения оптимального баланса между прочностными свойствами углеродных нитей и технологичностью переработки. Из-за пористой структуры тканей композиционный материал будет также обладать определенной величиной пористости. В современных работах [2, 3] принято классифицировать поры в ламинате в зависимости от их размера и принимать величину пористости за основной выходной параметр - параметр качества композиционной детали, поскольку увеличение содержания пор приводит к существенной деградации механических свойств конечного изделия [4]. Различают микропоры величиной от 10 до 50 мкм, образующиеся между элементарными волокнами нити, мезопоры величиной 0.5-1.0 мм, расположенные между сплетенными нитями и макропоры, вызванные глобальными нарушениями процесса пропитки, неправильным проектированием технологической оснастки или ее дефектами (рис. 1). Рис. 1. Образование пор в ламинате при дефектах оснастки Пористость может быть снижена путем оптимизации процесса пропитки с помощью модифицированного капиллярного числа [5, 6]. Практически вопрос решается проведением большого числа экспериментов и измерений, что сказывается на надежности получаемых результатов. Альтернативный путь - это применение аналитических моделей, связывающих тип плетения, структуру пористости, содержание волокна тканых материалов с их проницаемостью и объясняющих математически возможность формирования пор. Современные коммерческие тканые материалы обладают существенными структурными отличиями, поэтому каждая ткань представляет собой набор собственных параметров, отличных от других тканей, таких, как пористость и проницаемость армирующего пакета. В этой связи целью данной работы являлось исследование ткани четырехремизного сатинового плетения и определение оптимальных скоростей процесса пропитки армирующего слоя, отвечающих минимальной пористости ламината, вычисленных через архитектурные параметры тканого наполнителя. Теория образования пор в процессе пропитки армирующего слоя рассматривает ткань как совокупное множество элементарных ячеек, подразделяющихся на два типа доменов. К внутринитевому домену относится пространство внутри нити и пространство между нитью и поверхностью технологической оснастки; межни-тевой домен образован пространством при переплетении нитей основы и утка. В течение процесса подачи связующего в полость технологической оснастки вязкие силы доминируют в мезопорах, в то время как капиллярные силы определяют взаимодействие ткани со связующим компонентом на микроуровне, поскольку капиллярное давление обратно пропорционально размеру пор. Скорости пропитки внутринитевого и межнитевого доменов определяют тип образующихся пор. В случае превалирования скорости пропитки внутринитевого домена над межни-тевой скоростью воздух захватывается между нитями ткани - образуются преимущественно мезопоры, в противоположном случае - при доминировании скорости пропитки межнитевого домена образуются микропоры [7]. Полученное с помощью оптического микроскопа изображение ламината (рис. 2) иллюстрируют образование мезопор в области переплетения нитей основы и утка. Рис. 2. Образование мезопоры в области переплетения нитей основы и утка При выполнении вычислений принимают допущение о равномерной пористости домена. Скорость пропитки связующим вдоль внутринитевого uL и межните-вого U доменов определяется уравнением Дарси с учетом капиллярного характера движения жидкости в пористой среде для внутринитевого домена: kL f dP Pc, l UL =---L-1 ; (1) |4l V dn lL и=-4r f£] • () I0L V dn J где lL - длина домена вдоль направления пропитки, ф_г: - пористость домена, PClL -капиллярное давление, KL - проницаемость межнитевого домена, 0L - пористость тканого материала, dP / dn - градиент давления. Для оценки скорости импрегнирования доменов необходимо знать проницаемость каждого из них. При течении потока связующего вдоль внутринитевого домена kL и перпендикулярно домену kT проницаемость пористой среды соответствует уравнениям k = (hTkaxial + hLkcross ) k = (hLkaxial + hTkcross ) (3) T H ' L H ' где H - высота полости технологической оснастки для укладки армирующего пакета, hL - толщина нити основы, hT - толщина нити утка, kaxial, kcross - проницаемости нити при движении фронта потока в направлении вдоль нити и перпендикулярно к ней соответственно. Проницаемости нитей определяются исходя из модели Гебарта [8] как функции объемного содержания волокна, принимая форму упаковки элементарных волокон в нити как гексагональную _ч 5/ f ф3 Vf f max Тф kaxial = -1 (4) 8r 2 k = C r cross cross (1 -ф)2 C 16 9л\/б axial где Caxial = 53 , Ccr , Vf max = -j= • ф, ф - пористость нити, r - радиус во-\6 локна. Пористость внутринитевого домена, необходимая для расчета скорости пропитки, определяется следующим образом: (5) ф^ = 1 - H (1 -ф l ), где фL - пористость нити основы, hL - высота нити основы, H - высота полости оснастки. Капиллярное давление (Pc>L), определяется из уравнения Юнга - Лапласа и записывается как 2у cos 8 (6) Pc,L =r где у - поверхностное натяжение связующего, 8 - контактный угол между связующим и волокном, rcL - капиллярный радиус, определяемый как .. _ ФL .. (1 -ФL ) ' Доля пор в ламинате, вызванная захватом воздуха в межнитевом домене, может быть определена из выражения, полученного авторами [7], исходя из представлений о доменной структуре ткани: 1- Kl fфL + фт ' Kl Ф L 1 kL kL J ЦФ lU ФLPc, ^lULl ln 1 + kLLL KlPcl Vf = Ф ,(7) фт Pc. ЦФL (Lt /2)U log 1+ kT ( Lt /2) KLPC ,т где Ф - доля межнитевого домена в структуре ткани. В качестве исследуемого материала в работе использовалась углеродная ткань артикула 3198 (Porcher Ind., Франция) с плетением 4HS - четырехремизный сатин, данные по геометрии ткани были получены с использованием оптического микроскопа. Расстояние между нитями и ширина нитей определялись на не менее 5 участках ткани, для расчетов использовались средние значения. На лицевой поверхности сатина преобладают уточные нити. В четырехремизном сатине каждая основная нить выходит только один раз на лицевую поверхность, затем уходит под три уточные нити. Каждая нить ткани состоит из 3000 штук элементарных волокон диаметром 7 мкм каждая. Строение четырехремизного сатинового переплетения предусматривает наличие в каждой точке ткани в направлении толщины, за исключением областей между переплетениями, по две нити - основы и утка. При изготовлении детали толщиной 0.001 м2, состоящей из 5 слоев ткани, в направлении толщины расположено 10 нитей, поэтому на одну нить приходится 0.0001 м2 пространства полости технологической оснастки. Принимая, что элементарные волокна в нити упакованы в гексагональную структуру, рассчитана площадь элементарного волокна и нити с необходимым числом волокон. Минимальная площадь, которую может занимать нить ткани 3198, равна 1.2710-7 м2. Исходя из реальных размеров нити и допуская, что нить имеет прямоугольное сечение, определена реальная площадь нити равная 1.8510-7м2. Все измеренные и расчетные параметры приведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Измеренные геометрические параметры армирующей ткани № п/п Измеренная величина Значение 1 Ширина нити основы A, м 1.88-10-3 2 Ширина нити утка B, м 2.03-10-3 3 Диаметр волокна rf, м 7.00-10-6 4 Площадь всех волокон в нити S, м2 1.27-10"7 Таблица 2 Вычисленные геометрические параметры армирующей ткани № п/п Вычисленная величина Значение 1 Площадь волокна Sf, м2 3.85-10"11 2 Площадь нити основы SL, м2 1.85-10-7 3 Площадь нити утка ST, м2 2.02-10"7 4 Пористость нити основы 0.38 5 Пористость нити утка фт 0.43 6 Толщина нити основы hL, м 0.0001 7 Толщина нити утка hT, м 0.0001 8 Проницаемость нити основы при движении потока вдоль основы kaxial, м2 2.53-10"13 9 Проницаемость нити утка при движении потока вдоль утка kaxial, м2 4.56-10"13 10 Проницаемость нити основы при движении потока перпендикулярно основе kcross, м2 3.50-10"12 11 Проницаемость нити утка при движении потока перпендикулярно утку kcross, м2 4.34-10"12 12 Проницаемость домена при движении потока вдоль нити основы kL, м2 1.76-10"13 13 Проницаемость домена при движении потока вдоль нити утка kT, м2 2.56-10"13 14 Пористость внутринитевого домена; основа и уток фт 0.69 0.72 15 Капиллярный радиус; основа rCiL и уток rC,T, м 7.72-10"6 8.80-10"6 16 Капиллярное давление; основа PClL и PcT уток, Па 8.24-103 7.23-103 Различие геометрических параметров нитей основы и утка ткани 3198 обусловлено особенностями процесса ткачества. Отклонение геометрических параметров ткани от теоретических, модельных представлений оказывает влияние на процесс пропитки материала и образование пор в структуре ламината. С целью получения оптимальной скорости пропитки ламината были изготовлена экспериментальные образцы материала с соотношением наполнитель - матрица 55.45 -47.55 % и определена проницаемость армирующего материала, которая составила 6.5110-10 м. Определение проницаемости сводилось к регистрации времени и положения фронта связующего при пропитке армирующего материала вдоль нитей основы. При этом вязкость связующего не изменялась в течение времени пропитки и составляла 0.1 Пас. Процесс пропитки проводился при градиентах давлений от 0.85 105 до 0.36 105 Па. По выражению (7) оценена теоретическая доля возможной пористости и построена зависимость скорости пропитки от содержаний пор в ламинате, показанная на рис. 3. 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 Скорость пропитки, м/с Рис. 3. Зависимость образования пористости в структуре ламината при различных скоростях пропитки Таким образом, теоретически минимальную пористость возможно получить при поддержании скорости пропитки на уровне 5.7-10-4 м/с, что соответствует ранее заявленным значениям для пропитки других материалов [9]. Изготовленный ранее образец, для которого справедлива данная скорость, также обладал минимальной пористостью. Из вышесказанного следует, что задача получения качественной пропитки материала сводится к обеспечению расчетных скоростей пропитки материала путем поддержания однородности укладки армирующего материала, то есть поддержаний однородной проницаемости по всей геометрии пре-формы, а также путем изготовления точных технологических оснасток, позволяющих проводить процесс пропитки без изменения их форм и размеров.

Скачать электронную версию публикации