Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Научно-исследовательская деятельность. Теория и практика системного проектирования углеродных композитов функционального назначения. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА»
В. А. Лысенко
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СИСТЕМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Санкт-Петербург
2019
УДК 621.3.035.221.45 + 658.512 + 519.7 + 661.666
Л88
Научно-исследовательская деятельность. Теория и практика системного проектирования углеродных композитов функционального
назначения: учеб. пособие / В. А. Лысенко. – СПб.: ФГБОУВО
«СПбГУПТД», 2019. – 82 с.
ISBN 978-5-7937-1772-4
ISBN 978-5-7937-1772-4
ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2019
Лысенко В. А., 2019
ББК 35.738
Л88
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой
Санкт-Петербургского государственного университета
промышленных технологий и дизайна»
К. Г. Иванов;
доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института
высокомолекулярных соединений РАН, профессор
Ю. Н. Сазанов
Лысенко, В. А.
В учебном пособии раскрыты пути определения нестандартных решений
при постановке и поиске научных и технологических задач применительно к
современной теории и практики создания композиционных материалов (КМ)
специального назначения, включая дизайн их пространственной структуры и
технологий изготовления. Представлены результаты создания современных
КМ на основе разработанных автором специальных методов системной инженерии, как инструментов планирования эмпирических исследований и получения современных научных знаний. Продемонстрирована высокая эффективность метода информационного моделирования в предметных областях разработки компонентов современных электрохимических источников тока, а также
элементов теплозащиты. Рассмотрены закономерности функционирования отрасли углерод-полимер-ных и углерод-углеродных КМ применительно к отмеченным выше предметным областям. Особое внимание уделено практике построения научных исследований по созданию таких КМ. На конкретных практических примерах учащиеся овладевают навыками составления математических информационных моделей химико-технологических процессов в области
химии и технологии переработки полимеров и композитов.
Предназначено для студентов специальности 18.06.01 – Химическая
технология (для аспирантов) института прикладной химии и экологии.
УДК 621.3.035.221.45 + 658.512 + 519.7 + 661.666
ББК 35.738
ОГЛАВЛЕНИЕ
Термины и определения...................................................................................... 5
Обозначения и сокращения ................................................................................ 7
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 9
1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ............................. 10
1.1. Анализ технологической схемы получения углерод-углеродных
электропроводящих пористых материалов .................................................... 11
1.2. Информационное моделирование системного проектирования ........... 16
2. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ
ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................................................. 25
2.1. Физико-химические процессы получения углеродных материалов
из полимерных прекурсоров ............................................................................ 27
2.2. Анализ технологий получения углеродных волокон и волокнистых
материалов из полимерных прекурсоров ........................................................ 29
3. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НЕТКАНЫХ
МАТЕРИАЛОВ ................................................................................................. 31
3.1. Выбор технологий получения текстильных материалов
как прекурсоров углеродных волокнистых материалов ............................... 31
3.2. Особенности технологий и свойства иглопробивных нетканых
материалов ......................................................................................................... 35
3.3. Оптимальный выбор материалов волокон и технологических
операций термической обработки для изготовления углеродных
нетканых материалов ........................................................................................ 39
4. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ
ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ............................. 41
4.1. Основные области применения углерод-углеродных
композиционных материалов ........................................................................... 41
4.2. Общие представления об углерод-углеродных композиционных
материалах .......................................................................................................... 42
4.3. Предварительная подготовка углеродных волокнистых
материалов ......................................................................................................... 43
4.4. Способы получения углеродной матрицы углерод-углеродных
композиционных материалов ........................................................................... 44
4.4.1. Газофазный способ получения углеродной матрицы
в углерод-углеродных композиционных материалах .................................... 44
3
4.4.2. Жидкофазный способ получения углеродной матрицы
в углерод-углеродных композиционных материалах .................................... 46
4.5. Способы изготовления углепластиков ..................................................... 47
4.6. Способы получения углерод-углеродных композиционных
материалов из углепластиков ........................................................................... 48
4.7. Высокотемпературная обработка углерод-углеродных
композиционных материалов ........................................................................... 49
4.8. Технологические особенности получения углерод-углеродных
электропроводящих пористых материалов для электрохимических
источников тока ................................................................................................. 50
5. СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ
МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕПЛОЗАЩИТЫ ........................................................ 55
5.1. Системная инженерия углерод-углеродных материалов
для теплозащиты................................................................................................ 55
5.2. Системный анализ функциональных требований и свойств
материалов и изделий для теплозащиты ......................................................... 56
5.3. Анализ методов теплозащиты и синтез конструктивных
решений .............................................................................................................. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 64
Библиографический список .............................................................................. 65
Приложение А .................................................................................................... 66
Приложение Б .................................................................................................... 71
4
Термины и определения
Жизненный цикл системы – развитие рассматриваемой системы во вре-
мени, начиная от замысла и заканчивая списанием (п. 4.20 ГОСТ Р ИСО/МЭК
15288-2005).
Информационная модель – IDEF1 (Рекомендации Росстандарта Р
50.1.028-2001).
Информационное моделирование – метод системного проектирования
материальных объектов, образов, технологий, услуг и пр.
Информационный образ – описание разрабатываемого материала, тех-
нологии в знаковой форме, максимально приближенной к техническим требованиям на проектирование.
Модель – искусственный объект, представляющий собой отображение
(образ) системы и ее компонентов (п. 4.1 Рекомендаций Росстандарта Р
50.1.028-2001).
Объект проектирования – то же, что и система по п. 4.17 ГОСТ Р
ИСО/МЭК 15288-2005, определенный для проектирования конкретной стадии
или стадии жизненного цикла или модели проектирования.
Огнезащита – технические мероприятия, направленные на повышение
огнестойкости и (или) снижение пожарной опасности зданий, сооружений,
строительных конструкций.
Огнестойкость – способность строительных конструкций ограничивать
распространение огня, а также сохранять необходимые эксплуатационные качества при высоких температурах в условиях пожара. Характеризуется пределами огнестойкости и распространения огня.
Прикладная функциональная модель – [application activity model]: мо-
дель, описывающая приложение в терминах процессов и информационных потоков приложения (п. 3.2.3 ГОСТ Р ИСО 10303-1-99).
Прикладная эталонная модель – [application reference model]: информа-
ционная модель, которая описывает информационные требования и ограничения конкретного прикладного контекста (п. 3.2.8 ГОСТ Р ИСО 10303-1-99).
Рассматриваемая система – система, жизненный цикл которой рассматри-
вается в рамках настоящего стандарта (п. 4.19 ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005).
Системная инженерия, системное проектирование – проектирование систем в их полных циклах или на разных стадиях создания на основе системы стандартов, технологий, методов, принципов и пр. (ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005).
Система – комбинация взаимодействующих элементов, организованных
для достижения одной или нескольких поставленных целей. Система может
рассматриваться как продукт или как совокупность услуг, которые она обеспечивает. На практике интерпретация данного термина зачастую уточняется с помощью ассоциативного существительного, например, система самолета. В некоторых случаях слово «система» может заменяться контекстным синонимом,
5
например, самолет, хотя это может впоследствии затруднять восприятие системных принципов (п. 4.17 ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005).
Теплозащита – средство для обеспечения нормального температурного
режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значительных тепловых потоков (q >> Вт/см
2
), когда применение простой
теплоизоляции становится невозможным.
Функциональная модель – IDEF0 (Рекомендации Росстандарта Р
50.1.028-2001).
Электронная модель изделия – документ, содержащий электронную
геометрическую модель детали и требования к ее изготовлению и контролю
(включая предельные отклонения размеров, шероховатости поверхности и др.);
документ, содержащий электронную геометрическую модель сборочной единицы, соответствующие электронные геометрические модели составных частей, свойства, характеристики и другие данные, необходимые для сборки (изготовления) и контроля (п. 3.1.1 ГОСТ 2.052-2006, п. 1.2 ГОСТ 2.102-68).
Элемент системы – представитель совокупности элементов, образующих
систему. Элемент системы является отдельной частью системы, которая может
быть создана для выполнения заданных требований (п. 4.18 ГОСТ Р ИСО/МЭК
15288-2005).
6
ВМ – волокнистый материал
ГДП – газодиффузионная подложка, то же, что и газодиффузионный слой
ГДС – газодиффузионный слой
ГДЭ – газодиффузионный электрод
ГФ – гидрофобизирующее покрытие
ГЦ – гидратцеллюлоза
ГЦВМ – гидратцеллюлозный волокнистый материал
ЖЦ – жизненный цикл (по ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005)
КМ – композиционный материал
КЧ – коксовое число
МЭБ – мембранно-электродный блок
НИР – научно-исследовательская работа
НМ – нетканый материал
ОД – объект дизайна
ОКР – опытно-конструкторская работа
ОП – объект проектирования (то же, что и система по ГОСТ Р ИСО/МЭК
15288-2005)
ОС – образ сравнения
ПАН – полиакрилонитрил
ПВХ – поливинилхлорид
ПВС – поливиниловый спирт
ПОД – полиоксадиазол
ППМ – полимерная протонообменная мембрана
ПТФЭ – политетрафторэтилен
РП – рабочий проект
ТЗ – техническое задание (по ГОСТ 2.103-68)
ТП – техническое предложение
ТРГ – терморасширенный графит
ТО – термическая обработка
ТЭ – топливный элемент
УВ – углеродное волокно
УВМ – углеродный волокнистый материал
УМ – углеродный материал
УНМ – углеродный нетканый материал
УНТ – углеродные нанотрубки
УУКМ – углерод-углеродный композиционный материал
УУНМ – углерод-углеродный нетканый материал
УЭК – углеродный электропроводящий композит
УУЭПК – углерод-углеродный электропроводящий пористый композиционный материал
ФФС – фенолформальдегидная смола
Обозначения и сокращения
7
ЦВМ – целлюлозный волокнистый материал
ЭП – эскизный проект
БЛАГОДАРНОСТИ
Выражаю благодарность М. В. Крисковцу за помощь в оформлении.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: системное проектирование, системная инженерия, ГОСТ, ISO, ANSI, CALS-технология, ИПИ-технология, PLM-технология,
водородный топливный элемент, газодиффузионная подложка, газодиффузионный слой, теплозащита, электронная модель, информационная модель, информационное моделирование, полихроматическое множество, нетканый материал,
карбонизация, углеродное волокно, углеродное электропроводящее волокно,
углеродный волокнистый материал, углерод-полимерный композит, углеродуглеродный композит.
8
ВВЕДЕНИЕ
Углеродные материалы, включая углерод-углеродные композиционные
материалы, находят широкое применение в современных электрохимических
источниках тока и в качестве элементов конструкций теплозащиты.
В учебном пособии представлены результаты выполненных работ по созданию указанных выше материалов и технологий их изготовления на основе
методов системного проектирования (системной инженерии).
Показано, что методы системной инженерии, широко используемые для
создания изделий машиностроения, авиационной и космической техники, могут
быть успешно применены для анализа и синтеза, например, композитов – газодиффузионных слоев таких альтернативных источников энергии, как топливные
элементы с полимерными протонообменными мембранами или теплозащиты
высокотемпературных печей с рабочими температурами около 3000 °С.
На основе системы стандартов, регламентирующих процессы системной
инженерии – системного проектирования разнообразных систем в их полных
жизненных циклах и на отдельных стадиях проектирования и разработок отдельных видов продукции, ее тестирование и обеспечение качества, управление
проектами по ее созданию, а также таких методов системного проектирования,
как различные виды моделирования (создание электронной модели изделия,
информационное моделирование, математическое моделирование и др.), методов экспертной оценки, экспериментальных методов проведено обоснование
выбора исходных материалов, применение эффективных технологий для получения материалов с требуемыми свойствами.
Показана перспективность использования углеродных материалов, полученных из нетканых материалов на основе гидратцеллюлозных волокон.
С использованием метода информационного моделирования разработан
ряд конкретных конструкций и технологий их изготовления для производства
газодиффузионных подложек водородных топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, а также теплозащитных экранов высокотемпературных печей.
В учебном пособии представлены практические результаты создания углерод-углеродных композиционных материалов на основе методов системной
инженерии. Показана высокая эффективность разработанной автором технологии информационного моделирования для создания перспективных материалов
и изделий на их основе: компонентов современных электрохимических источников тока, включая топливные элементы с протонно-обменными мембранами
и литиевые аккумуляторы, и конструкций теплозащиты.
.
9
1. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
В настоящем разделе будет показано, как использовать систему ГОСТ и
методов системного проектирования с целью создать углеродные пористые
электропроводящие материалы для электрохимических источников тока.
Согласно ГОСТ Р ИСО 15288-2005, ГОСТ 2.103-68 процесс проектирования в жизненном цикле создаваемого объекта проектирования проходит ряд
стадий, в результате которых, в частности, определяются нижеперечисленные
компоненты системного проектирования.
Потребности
Современные потребности определяют необходимость создания таких
альтернативных источников энергии, как топливные элементы с полимерными
протонообменными мембранами, и газодиффузионных подложек в их составе.
Цели проектирования ТЭ с ППМ и ГДП
Области применения ТЭ и ТЭ с ППМ определяют функциональные и
технические требования к таким альтернативным источникам электроэнергии
и, соответственно, ГДП.
Согласно ГОСТ Р ИСО 15288-2005, при проектировании систем, в том числе сложных, данный стандарт можно применять и к проектированию подсистем в
составе сложной системы. Это позволяет при проектировании согласно стандарта
применять его положения к проектированию ГДП в составе МЭБ и ТЭ.
ГДП как элемент конструкции должны удовлетворять ряду требований,
позволяющих обеспечить высокую эффективность мембранно-электродного
блока и топливной сборки в целом.
Система стандартов предусматривает несколько уровней проектирования:
концептуальное, уровень технических условий для согласования, уровень технического задания и пр.
Задачи проектирования
Задачи проектирования представляют собой или технологию, или алгоритм – последовательность действий, которые должны привести к достижению
поставленной цели.
В качестве примера рассмотрим системное проектирование технологии
изготовления материала для ГДП ТЭ с ППМ.
Задание на проектирование: спроектировать на концептуальном уровне
технологию изготовления углерод-углеродных электропроводящих пористых
композитов (УУЭПК) для ГДП ТЭ с ППМ.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]