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
1.1. Анализ технологической схемы получения углерод-углеродных
Номер технологической
операции
Технологические операции изготовления УУЭПК
i = 0
Выбор исходных компонентов (сырья)
i = 1
Изготовление нетканого материала
i = 2
Карбонизация
i = 3
Высокотемпературная обработка
i = 4
Выбор связующего
i = 5
Пропитка
i = 6
Горячее прессование
i = 7
Карбонизация
i = 8
Высокотемпературная обработка
i = 9
Изготовление изделия из углерод-углеродного компози-
ционного материала (УУКМ)
i – номер технологической операции (перехода, этапа)
электропроводящих пористых материалов
Выбор альтернативных технологий из множества принципиально возможных технологий представляет собой сложную научно-техническую задачу.
Общие теоретические подходы, подлежащие последующей практической проверке, будут рассмотрены ниже.
Отметим, что в настоящее время фактически наиболее распространенной
технологией изготовления ГДП, надежно позволяющей изготавливать ГДП с
требуемыми параметрами, является технология изготовления углеродуглеродных электропроводящих пористых композиционных материалов. Поэтому в качестве примера в дальнейшем будем использовать данную технологию.
В табл. 1.1 представлена обобщенная технологическая схема создания
УУЭПК со структурой нетканого материала.
Разработчики и производители материалов решают следующие задачи:
1. Выпуск материалов для реализации.
2. Возможность использования выпускаемых материалов по новому при-
менению.
Т а б л и ц а 1.1. Обобщенная технологическая схема создания УУЭПК
Например, какой-то полимерный нетканый материал первоначально выпускался для теплозащиты. Его можно использовать, после доработки, в качестве
фильтрующего материала. В свою очередь, фильтрующий материал, после доработки, вероятно, можно использовать в качестве материала ГДП ТЭ с ППМ.
Указанный путь является экономически оправданным и естественным путем развития и применения технических систем.
Поэтому, если конечной целью проектирования является создание технологии изготовления ГДП ТЭ с ППМ, то необходим комплексный подход к проектированию. Это означает, что проектировать надо не только отдельные тех-
11
нологические стадии изготовления промежуточных продуктов, но и все технологически этапы создания конечного продукта.
В этой связи особое значение приобретает правильный выбор каждой
начальной технологической операции над конкретным материалом, так как при
неправильном выборе или проведении технологической операции неизбежно будет происходить накопление погрешностей в технологической цепи (табл. 1.1)
при проведении последующих операций.
Кратко опишем каждый из технологических переходов (этапов) в технологической цепи табл. 1.1.
Выбор исходных компонентов (сырья)
Выбор исходных компонентов (сырья) и, прежде всего, материала, из которого будет изготавливаться нетканый материал, имеет решающее значение
для достижения конечной цели.
Например, в технологии нетканых материалов широко используются полипропиленовые нити. Из таких материалов изготавливаются утеплители и
фильтрующие полотна. Однако полипропиленовая нить без дополнительных
сложных и дорогостоящих операций не может быть превращена в углеродную
нить. Это обусловлено природой химических превращений в процессе высокотемпературной обработки на стадии карбонизации.
Поэтому знание физико-химических закономерностей на каждом их технологических этапов и их правильное применение является необходимым условием и составной частью технологии системного проектирования
Более подробно основные закономерности и выбор сырья будут рассмотрены в разд. 2.
Изготовление текстильного материала – прекурсора углеродного
материала
Практика показывает, что вид полимера, из которого состоит текстильный материал – прекурсор углеродного материала, структура текстильного материала, толщина филаментов и нитей, степень их вытяжки и другие параметры, имеют значительное влияние на свойства полимерного углеродного материала, который в последующем может быть использован как элемент конструкции тепло-, огнезащиты или волокнистый наполнитель углепластика и углеродуглеродного композита для изготовления ГДП ТЭ ППМ.
В настоящее время известны следующие технологии изготовления текстильных материалов: ткацкие технологии, трикотажные технологии, технологии нетканых материалов (НМ).
В табл. 1.2 представлены некоторые характеристики отмеченных техно-
логий.
Максимальной производительностью обладает способ получения нетканых материалов по мокрой бумагоделательной технологии, а минимальной –
ткацкий. Однако это не означает, что при разработке углеродных материалов
для электрохимических источников тока или теплозащиты бесспорное предпо-
12
чтение надо отдать мокрому бумагоделательному способу. Во-первых, в табли-
Способ
Тип оборудования
Средний индекс
производительно-
сти
Ткацкий
Автоматический ткацкий станок
1
Бесчелночный автоматический ткацкий станок
2
Трикотажный
Круглотрикотажная машина большого диаметра
4
Вязально-прошивной
Вязально-прошивная машина
38
Иглопробивной
Иглопробивной агрегат
500
Клеевой (пропиткой
дисперсиями)
Клеевой агрегат
600
Электрофлокирование
Линия нанесения ворса в электрических полях для производства ковров,
замши, меха и др.
600–800
Фильерный (способ
аэродинамического
формования НМ из
расплава полимеров)
Агрегат для производства НМ фильерным способом
200–2000
Бумагоделательный
(сухой)
Бумагоделательная машина
2300
Бумагоделательный
(мокрый)
» »
5000–10000
це представлены индексы производительности технологий, работающих на
оборудовании, перерабатывающем обычное текстильное сырье, во-вторых, не
учтены особенности производства и переработки углеродных волокнистых материалов.
Т а б ли ц а 1.2. Технологии (способы) изготовления текстильных материалов
и индексы производительности НМ, тканей и трикотажа
Например, в разд. 2 показано, что возможно принципиально два разных
способа получения углеродных волокнистых материалов: путем высокотемпературных обработок филаментов (нитей) с последующей переработкой в текстильный материал и путем изготовления текстильного материала с последующей переработкой в углеродный текстильный материал. Ряд свойств углеродных волокон, например, недостаточная прочность на изгиб некоторых видов графитированных углеродных волокон не позволяет проводить их переработку по ткацкой
или трикотажной технологиям. Определенные сложности возникают с переработкой таких волокон по бумагоделательной технологии.
В этой связи, например, используют следующий способ переработки. Сна-
чала полиакрилонитрильное волокно предокисляют, потом из предокисленных
волокон изготавливают штапельные нити, их перерабатывают в непрерывные
13
нити, из которых изготавливают текстильный материал с последующими его
карбонизацией и высокотемпературной обработкой.
Неудивительно, что именно свойства технологии выработки углеродных
текстильных материалов определили столь широкое использование углеродных
тканей для создания ГДП ТЭ с ППМ на начальных этапах жизненного цикла
разработки таких материалов.
Таким образом, знание физико-химических особенностей получения углеродных материалов и их переработки в углеродные текстильные материалы
имеет принципиальное значение как для построения всей технологической цепи, так и выбора конкретной технологии получения текстильного материала –
прекурсора.
Выбор конкретной технологии определяется многими факторами.
Напомним, что в качестве ГДП ТЭ с ППМ могут использоваться как углеродные ткани различной текстильной структуры, так и углеродные нетканые
материалы, в том числе со структурой бумаги.
В разд. 2, 3 будут рассмотрены различные подходы к выбору технологий
изготовления текстильных материалов для создания прекурсоров углеродных
материалов.
Карбонизация
Карбонизация является наиважнейшей технологической операцией при
изготовлении углеродных волокнистых материалов. На этой стадии изготовления закладываются наиважнейшие функциональные эксплуатационные свойства углеродных волокон, нитей, структур и пр.
Главной особенностью этого технологического этапа является то, что в
процессе высокотемпературной обработки происходит наследование свойств
исходных полимеров, нитей, волокон структур.
Грамотное проведение карбонизации на основе знания физикохимических превращений, влияния свойств исходного сырья на свойства углеродных филаментов, нитей, волокон является фундаментом построения всей
технологической цепочки (см. табл. 1.1).
Основные закономерности карбонизации рассмотрены в разделе 4.
Высокотемпературная обработка
Технологический этап высокотемпературной обработки является решающим в получении углеродных филаментов, волокон, нитей с высокой электропроводностью, физико-механическими и физико-химическими свойствами, нетканых материалов с требуемыми электропроводностью, толщиной, пористостью, удельной поверхностной плотностью и другими свойствами.
На этом этапе в результате превращений на атомарном уровне происходит изменение структуры углеродных карбонизованных волокон, происходит
возникновение и накопление графитоподобной фазы с образованием углеродных кристаллитов, что играет решающее значение в получении углеродных ма-
14
териалов с высокими электропроводностью, химической стойкостью, требуемой теплопроводностью и другими важными свойствами.
Выбор связующего
Выбор связующего, как и выбор исходных компонентов (сырья), является
решающим технологически этапом. От правильного выбора связующего зависят в конечном итоге свойства углеродной матрицы, всего углерод-углеродного
композита.
Пропитка
Пропитка является важной технологической операцией, призванной
обеспечить введение требуемого полимера в структуру углеродной матрицы и в
конечном итоге необходимые физико-механические свойства, электропроводность, пористость, толщину и прочие углепластика и углерод-углеродного композита.
Далее дадим краткую характеристику последующих технологических
этапов с указанием конкретных режимов или оборудования, используемого при
изготовлении углепластиков и углеродных материалов.
Горячее прессование препрегов (полимеризация)
Перед прессованием проводят кондиционирование листов препрегов. Для
этого их помещают в термошкаф, нагретый до 90 ± 50 °С и выдерживают 20–
30 мин. Кондиционирование необходимо для удаления влаги или летучих веществ.
Для отпрессовки образцов их помещают между предварительно разогретыми до 160 ± 50 °С рабочими поверхностями пресса. Каждый лист препрега с
двух сторон прокладывают силиконизированной бумагой с целью предотвратить прилипание к рабочим поверхностям пресса. Проводят смыкание поверхностей пресса и выдерживают при давлении 10–20 МПа в течение 15 ± 3 минут,
что обеспечивает полимеризацию связующего. После полимеризации углепластики готовы к карбонизации и высокотемпературной обработке.
Карбонизация
Карбонизацию углепластиков, полученных на основе углеродных графитированных материалов проводят в печи непрерывной карбонизации. Для карбонизации образцов их последовательно друг за другом протягивают через рабочую камеру печи с заданной конечной температурой термообработки и скоростью протягивания.
После того, как образцы «вышли» из печи, их подвергают дальнейшей
термообработке.
Высокотемпературная обработка
Высокотемпературную обработку образцов проводят в печи непрерывного действия. Для высокотемпературной обработки образцов их также последовательно протягивают через рабочую камеру печи с заданной скоростью и максимальной температурой.
15
После выхода образцов из печи и проведения контроля их качества, по-
Группы стандартов
Номер документа
1. Регулирование проектирования любых объектов,
включая материальные объекты, технологии их создания, а также программные
средства и объекты-образы
ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288-2005, ГОСТ 34.601-90,
Р 50.1.028-2001, ГОСТ Р ИСО 10303-1-99, Р
50.1.032-2001, Р 50.1.027-2001, ГОСТ Р ИСО 1030346-2002, ГОСТ Р ИСО 10303-11-2000, ГОСТ Р
53622-2009, ГОСТ Р 53723-2009, ГОСТ Р ИСО/МЭК
7498-1-99, ГОСТ Р ИСО/МЭК 15026-2002, ГОСТ Р
ИСО/МЭК 12207-2010
2. Электронная модель изде-
лия
ГОСТ 2.052-2006, ГОСТ 2.102-68, ГОСТ 2.103-68
3. Стандарты проведения
НИР
ГОСТ 7.32-2001
лученные образцы готовы к использованию.
1.2. Информационное моделирование системного проектирования
Рассмотрим основные этапы создания УУЭПК на различных стадиях их
жизненного цикла, включая разработку конкретных технологических режимов,
исследование физико-химических свойств и особенности оптимизации технологий их изготовления при промышленном внедрении и производстве. Построение технологий и анализ влияния параметров технологических переходов на
свойства УУЭПК ГДП выполнены с использованием информационного моделирования.
Ранее было показано [1], что использование информационного моделирования позволяет оптимально формализовать идею объекта проектирования ОП;
адекватно, в том числе относительно ресурсов, сформировать информационный
образ ОП и критерии оценки изготовления материального прототипа. Информационное моделирование технологии создания и особенно технологии материального воплощения ОП позволяет перевести затратные по времени и другим ресурсам процессы материализации ОП в область обработки информации; сократить число циклов доработки прототипа и пр.
Система стандартов и рекомендаций по их применению (табл. 1.3) предусматривает несколько уровней проектирования: концептуальное, уровень технических условий для согласования, уровень технического задания и пр. Согласно
ГОСТ Р 15288-2005 при проектировании систем, в том числе сложных, данный
стандарт можно применять к проектированию подсистем в составе сложных систем. Это позволяет применять положения ГОСТ к проектированию как отдельных этапов технологий, так и комплексных технологических решений создания
композитов для ГДП.
Т а б ли ц а 1.3. Система стандартов для проектирования углероднаполненных
электропроводящих пористых композитов
16
Окончание табл. 1.3
Группы стандартов
Номер документа
4. Стандарты на создание новых видов продукции
ГОСТ Р 15.000-94, ГОСТ Р 15.201-2000, ГОСТ Р
53791-2010, ГОСТ Р 15.011-96, ГОСТ 15.311-90,
ОСТ 153-00.0-002-98
5. Стандарты на организацию
производства
ГОСТ Р 1.0-2004, ГОСТ Р 50995.0.1-96, ГОСТ Р
50995.3.1-96, ГОСТ 14.201-83, ГОСТ 14.322-83,
ГОСТ Р ИСО 10012-2008, Р 50.1.051-2010, ГОСТ Р
ИСО 9004-2010
6. Стандарты управления
проектами
ГОСТ Р 54869-2011, ГОСТ Р 54870-2011,
ANSI/PMI 99-001-2004
7. Стандарты обеспечения
качества
ГОСТ Р ИСО 9000-2008, ГОСТ Р ИСО 9001-2008,
ГОСТ Р 40.003-2008, ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК
19796-1:2005)
8. Углеродные материалы
ГОСТ 28006-88, ГОСТ 28005-88, ГОСТ 28008-88,
ГОСТ Р 54255-2010, ГОСТ 6217-74
9. Стандарты испытания
композиционных материалов
ГОСТ Р 50583-93, ГОСТ 25.604-82, ГОСТ 25.601-80,
ГОСТ 14359-69, ГОСТ 15139-71, ГОСТ 4648-71,
ГОСТ 11262-80, ГОСТ 4650-80, ГОСТ 9550-81
10. Нетканые материалы.
Стандарты измерения параметров
ГОСТ 10213.1-2002, ГОСТ 10213.2-2002, ГОСТ
10213.4-2002, ГОСТ 13587-77, ГОСТ 16919-79,
ГОСТ 15902.3-79, ГОСТ 15902.2-2003 (ИСО 90732:1995), ГОСТ 3811-72 (ИСО 3932-76, ИСО 3933-76,
ИСО 3801-77)
11. Измерение электропроводности
ГОСТ 20214-74, ГОСТ 30501-97, ГОСТ 4668-75,
ГОСТ 6433.2-71 (CT СЭВ 2411-80)
Проектирование УУЭПК для ГДП целесообразно проводить в несколько
этапов, важнейшими из которых являются:
1. Создание информационной модели материала – УУЭПК, в том числе,
при необходимости, создание электронной модели материала (по ГОСТ 2.052-
2006).
2. Создание информационной модели технологического процесса изго-
товления УУЭПК.
3. Создание технологии изготовления материалов – УУЭПК.
4. Создание материального прототипа УУЭПК ГДП и дальнейшая его до-
работка.
Первый и второй этапы позволяют существенно сократить сроки и стоимость выполнения третьего и четвертого этапов, результатом которых является
конкретный материал УУЭПК и технологический процесс, используемый на
практике.
Опишем объекты, с которыми необходимо работать при системном про-
ектировании.
17
Объекты, с которыми необходимо работать при системном проектировании, были подробно рассмотрены в работах [1], [2] и кратко указаны ниже:
1. Материалы:
1.1. Материалы для изготовления текстильных материалов-прекурсоров
(например, волокна из ГЦ, ПАН);
1.2. Вид текстильного материала (например, ткань, трикотаж, нетканый
материал);
1.3. Альтернативные перспективные прекурсоры, например на основе по-
лиоксадиазола;
1.4. Углеродные волокнистые материалы, в том числе графитированные
нетканые материалы;
1.5. Полимерные связующие;
1.6. Углепластики;
1.7. Углерод-углеродный композиты и др.
2. Технологии:
2.1. Технологии переработки текстильных материалов, включая техноло-
гии изготовления нетканых материалов;
2.2. Технологии пропитки;
2.3. Технологии прессования, каландрирования;
2.4. Технологии карбонизации;
2.5. Технологии высокотемпературной обработки;
2.6. Технологии измерения свойств материалов.
3. Методы проектирования:
3.1. Метод системного проектирования;
3.2. Метод информационного моделирования как составная часть метода
системного проектирования;
3.3. Применение указанных методов к проектированию конкретных тех-
нологий изготовления УУЭПК.
4. Принципы проектирования конструкций ГДП и УУЭПК для их созда-
ния и технологий их изготовлении:
4.1. Функции, которые должна выполнять ГДП, определяют конструкцию
УЭПК;
4.2. Базовая функциональность (минимальный набор функций, определя-
ющих работоспособность ОП) ГДП обеспечивается двумя составляющими: материалами и их пространственным распределением в структуре УЭПК;
4.3. Увеличение электропроводности УЭПК возможно за счет увеличения
электропроводности используемых материалов наполнителя, матрицы, связей
между структурными единицами ГДП;
4.4. Увеличение электропроводности и пористости возможно за счет со-
здания новых конструкций или оптимизации существующих конструкций на
макро-, микро- и наноуровнях;
4.5. Структура конструкции должна оптимально соответствовать направ-
лениям физических потоков; для получения наилучших параметров ГДП необ-
18
ходимо совпадение направления физических потоков и направления формообразования конструкции;
4.6. Принцип наследования свойств;
4.7. Принцип оптимального использования ресурсов и др.
Кратко сформулируем принцип наследования свойств.
Принцип наследования свойств
При прохождении материального объекта через технологические стадии
происходит изменение его свойств, некоторые свойства наследуются. Технологические стадии и их параметры необходимо проводить таким образом, чтобы возникали полезные свойства объекта, наследуемые на последующих стадиях. Совокупность таких свойств должна максимально соответствовать требованиям технического задания. Моделировать вышеописанный процесс можно с помощью методов системного проектирования.
Сформулируем алгоритм системного проектирования.
Алгоритм системного проектирования
1. Выбор цели проектирования.
2. Выбор объекта проектирования, например, необходимо спроектиро-
вать, найти, разработать, создать:
2.1. Материальный объект с заданными функциями и техническими ха-
рактеристиками, создать действующий образец.
2.2. Провести поиск технических решений со свойствами, максимально
приближенными к заданным техническим характеристикам ОП.
2.3. Разработать технологию создания ОП.
2.4. Выбрать другие объекты проектирования.
3. Применение метод системного проектирования, например, в рамках
метода информационного к созданию ОП.
3.1. Создание информационного образа ОП.
3.2. Определение критериев сравнения информационного образа с ОП.
3.3. Выбор технологий изготовления ОП.
3.4. Анализ (декомпозиция) ОП.
3.5. Синтез информационного образа ОП.
4. Получение технического решения в виде ОП.
Применим алгоритма системного проектирования и метода информационного моделирования для анализа технологий и УУЭПК ГДП на концептуальном уровне и создания их информационных моделей, для поиска и оптимизации создания технологических и конструктивных решений создания УУЭПК и
ГДП на их основе.
Алгоритм системного проектирования УУЭПК ГДП:
1. Определяем цели проектирования:
1.1. Создать УУЭПК и ГДП, удовлетворяющие ТЗ;
1.2. Разработать, найти технологии, позволяющие создавать такие УУ-
ЭПК и ГДП;
19
1.3. Разработать оптимальные технологии изготовления УУЭПК ГДП со-
гласно ТЗ.
2. Для анализа и оптимизации достижения целей по п. 1 поиск решений
проведем с использованием метода информационного моделирования.
3. Создаем информационный образ технологии изготовления УУЭПК
ГДП и самого композиционного материала.
4. Определяем информационный образ сравнения (ОС) УУЭПК ГДП со-
гласно ТЗ и критерии оценки образа сравнения с текущими характеристиками ОП.
5. Для каждого технологического перехода i изготовления УУЭПК разра-
батываем информационный образ материалов УУЭПК ГДП, характеризуемый
набором свойств j.
6. В соответствии с принципом наследования анализируем изменения
свойств изделия.
7. Согласно методологии информационного моделирования проводим
сравнение свойств УУЭПК ГДП с его образом сравнения.
8. Проводим изменение технологических параметров i-го технологиче-
ского перехода.
9. Проводим операции 5–8 так, чтобы получить максимальное соответ-
ствие свойств УУЭПК ГДП с ОС согласно ТЗ.
Информационная модель технологического процесса изготовления УУЭПК
представлена на рис. 1.1.
Информационный образ сравнения УУЭПК ГДП, по результатам анализа
литературы и исследований зарубежных ГДП, представлен в табл. 1.4.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]