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
для интерференционных зеркал с максимальным коэффициентом отражения в
диапазоне длин волн, соответствующих рабочей температуре.
Ограничения: большая толщина экрана, неравномерность экрана по тол-
щине, изменение толщины экрана в зависимости от рабочей температуры – могут препятствовать работе эффекта интерференции в ИК диапазоне.
5.3.2. Выбор материала теплозащитной системы
Как отмечалось, в указанном диапазоне температур эффективно могут
работать углеродные материалы.
Использование графитов в виде графитированных листов нецелесообраз-
но, так как графит имеет высокий коэффициент теплопроводности.
Целесообразно использовать пористый графитовый материал.
5.3.3. Выбор типа конструктивных элементов пористого материала
Принципиально возможно применение структурных элементов таких, как:
ткань;
бумага;
бумага из нановолокон;
нетканый материал;
пены;
структуры, полученные по золь-гель технологии;
сетки из ТРГ;
сочетания структурных единиц;
сочетания структур (нити + нанонити, бумага + нанобумага).
5.3.4. Связность элементов конструкции можно обеспечить за счет:
переплетения, трения – в случае применения углеродных волокнистых
материалов;
материала матрицы, при изготовлении композитов, в том числе и пори-
стых, дисперснонаполненных;
изготовления пористого материала по золь-гель технологии или,
например, из Y-графита.
5.3.5. Синтез конструкции теплозащитного материала как технической
системы
Анализ показывает, что возможны следующие конструкции материала:
конструктивные элементы упорядочены;
конструктивные элементы расположены неупорядоченно;
смешанное расположение упорядоченных и неупорядоченных элемен-
тов в определенных целях.
Для задачи теплозащиты направление формообразования должно быть
отличным от направления тепловых потоков за счет радиационного излучения
или теплопроводности материала. Следовательно, оптимальной будет конструкция из упорядоченных элементов – волокон, расположенных в плоскости
61
формообразования плоского листа, плиты. Поверхность волокнистой плиты
должна располагаться перпендикулярно направлению тепловых потоков.
Для уменьшения радиационного притока тепла через плиту, поры в плите
не должны быть сквозными.
Плита должна иметь оптимальную пористость:
при большой пористости радиационный теплоперенос будет преобла-
дать над теплопроводностью;
при малой пористости будет велик теплоперенос за счет теплопровод-
ности.
Вместе с тем, часть плиты, прилегающая к металлическому кожуху печи,
должна быть плотной, чтобы накапливать тепло и передавать его при соприкосновении с кожухом.
5.3.6. Материал прекурсоров углеродных волокон, из которых изго-
товлены конструктивные элементы
Из возможных прекурсоров углеродных волокон следует выбирать волокна, полученные из гидратцеллюлозы, по сравнению с волокнами, полученными из полиакрилонитрила. Это обусловлено тем, что углеродные волокна из
ГЦ обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с углеродными волокнами из ПАН.
Кроме того, в силу анизотропии свойств, теплопроводность поперек волокон значительно ниже, чем вдоль. Следовательно, расположение волокон
перпендикулярно тепловым потокам будет способствовать уменьшению теплопроводности конструкции.
Таким образом, проведенный системный анализ позволяет предложить,
например, следующую конструкцию системы для теплозащиты (рис. 5.2).
Возможно уменьшение теплового потока на кожух 5 за счет выбора оптимального соотношения и величин толщин h1, h2, h3.
С целью уменьшить теплопроводность конструкции необходимо, чтобы
выполнялось условие ρ3V > ρ2V. Повышенное значение ρ3V по сравнению с ρ
2V
будет способствовать эффективному накоплению и отводу тепла от конструкции на кожух печи.
Возможно уменьшение теплового потока на кожух 5 за счет подбора
плотностей ρ1V, ρ2V, ρ
3V
.
Очевидно, что исходя из оценки разд. 1 (технико-экономическое обоснование) материал элементов 2, 3 – углеродный нетканый материал.
Материал 2 – плотная углеродная ткань, образующая отражающий экранмембрану.
Очевидно, что этому условию и условию связности конструкции удовлетворяет конструкция, являющаяся трехслойным композиционным углеродуглеродным материалом.
62
Рис. 5.2. Система для теплозащиты:
1 – поток радиационной энергии из печи, 2 – плотный, отражающий
радиационное инфракрасное излучение, углеродный материал с ρ
1V
;
3 – пористый волокнистый материал с объемной плотностью ρ2V;
4 – пористый волокнистый материал с объемной плотностью ρ3V;
5 – водоохлаждаемый кожух печи высокотемпературной обработки;
А и Б – стороны конструкции согласно ранее принятому обозначению
(материал прекурсоров углеродных материалов – гидратцеллюлоза)
Таким образом, нами выполнено системное проектирование материала
для теплозащиты печей высокотемпературной обработки. Проектирование выполнено:
1) на концептуальном уровне;
2) на уровне получения конкретного технического решения.
Уточнение параметров конструкции можно выполнять с использованием
методов, например, аксиоматического дизайна, полихроматических множеств и
графов, а также применением инженерных расчетов, математического или физического моделирования материалов и защитных экранов из них.
Отметим, что на основе системы стандартов, методов и базовых принципов системного проектирования возможно получение и других технических
решений.
63
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Системное проектирование (системная инженерия) является научнопрактической методологией создания широкого класса объектов машиностроения, авиационной, космической техники.
В учебном пособии подробно раскрыты теоретические основы системного проектирования и информационного моделирования объектов материаловедения – композиционных материалов и их прекурсоров. На конкретных примерах рассмотрено применение методов системной инженерии для разработки
перспективных нетканых материалов и углеродных материалов на их основе;
углерод-углеродных пористых электропроводящих композиционных материалов для электрохимических источников тока; углерод-углеродных композиционных материалов для теплозащиты.
С использованием многокритериального выбора на множестве альтернатив проведены анализ и выбор конкретных технологий изготовления нетканых
углеродных материалов и углерод-углеродных композитов.
На основании комплексного системного проектирования определены основные параметры технологий нетканых материалов, технологий карбонизации, изготовления углепластиков и углерод-углеродных композитов.
Продемонстрирована перспективность использования нетканых материалов из гидратцеллюлозы как прекурсоров углерод-углеродных композитов специального назначения.
Показана высокая эффективность методов информационного моделирования для разработки компонентов современных электрохимических источников тока и конструкций теплозащиты.
64
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лысенко, В. А. Научные основы создания электропроводящих пори-
стых композитов. Теория и практика / В. А. Лысенко. – Palmarium Academic
Publishing. – 2015. – 368 с. – ISBN 978-3-659-60150-7.
2. Лысенко, В. А. Научные основы создания углероднаполненных электро-
проводящих пористых композитов: дис. … д-ра техн. наук. – Саратов, 2013. –
300 с.
3. Симамура, С. Углеродные волокна / С. Симамура. – М.: Мир, 1987. –
304 с.
4. Конкин, А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материа-
лы / А. А. Конкин. – М.: Химия, 1974. – 376 с.
5. Левит, Р. М. Электропроводящие химические волокна / Р. М. Левит. –
М.: Химия, 1986. – 200 с.
6. Варшавский, В. Я. Углеродные волокна / В. Я. Варшавский. – М.: Изд.
Варшавский, 2007. – 500 с.
7. Пискунова, И. А. Разработка процессов получения углеродных волокни-
стых материалов с использованием пиролитических добавок: дис. … канд. техн.
наук. – СПб, 2003. – 155 с.
8. Лысенко, А. А. Основы ресурсосберегающих технологий получения ак-
тивированных углеродных волокон, их свойства и применение: дис. … д-ра техн.
наук. – СПб, 2007. – 310 с.
9. Сазанов, Ю. Н. Карбонизация полимеров / Ю. Н. Сазанов, А. В. Гриба-
нов. – СПб.: Научные основы и технологии, 2013. – 296 с.
10. Буринский, С. В. Научные основы технологии окислительно-восста-
новительных и ионообменных волокон, материалов на их основе: дис. … д-ра.
техн. наук. – С. В. Буринский. – СПб, 2006. – 466 с.
11. Васильев, В. В. Композиционные материалы / В. В. Васильев, М.,
1990. – 512 с.
65
ПРИЛОЖЕНИЯ
Номер документа
Название документа
1. Регулирование проектирования любых объектов, включая
материальные объекты, технологии их создания, а также программные
средства и объекты-образцы
1. ГОСТ Р ИСО/МЭК
15288-2005
Информационная технология. Системная инженерия.
Процессы жизненного цикла систем
2. ГОСТ 34.601-90
Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания
3. Рекомендации Росстандарта
Р 50.1.028-2001
Информационные технологии поддержки жизненного
цикла продукции. Методология функционального моделирования
4. ГОСТ Р ИСО
10303-1-99
Системы автоматизации производства и их интеграция.
Представление данных об изделии и обмен этими данными. Ч. 1. Общие представления и основополагающие
принципы
5. Рекомендации Росстандарта
Р 50.1.032-2001
Информационные технологии поддержки жизненного
цикла продукции. Терминологический словарь. Ч. 2. Применение стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303
6. Рекомендации Росстандарта
Р 50.1.027-2001
Информационные технологии поддержки жизненного
цикла продукции. Автоматизированный обмен технической информацией. Основные положения и общие требования
7. ГОСТ Р ИСО
10303-46-2002
Системы автоматизации производства и их интеграция.
Представление данных об изделии и обмен этими данными. Ч. 46. Интегрированные обобщенные ресурсы. Визуальное представление
8. ГОСТ Р ИСО
10303-11-2000
Системы автоматизации производства и их интеграция.
Представление данных об изделии и обмен этими данными. Ч. 11. Методы описания. Справочное руководство по
языку EXPRESS
9. ГОСТ Р 53622-2009
Информационные технологии. Информационно-вычислительные системы. Стадии и этапы жизненного цикла, виды
и комплектность документов
10. ГОСТ Р 53723-2009
Информационные технологии. Руководство по применению ГОСТ Р 53625-2009 (ИСО/МЭК 19796-1:2005)
Приложение А
Система государственных стандартов для проектирования
углероднаполненных электропроводящих пористых композитов
Т а б ли ц а А.1. Система государственных стандартов для проектирования
углероднаполненных электропроводящих пористых
композитов
66
Продолжение табл. А.1
Номер документа
Название документа
11. ГОСТ Р ИСО/МЭК
7498-1-99
Информационная технология. Взаимосвязь открытых систем. Базовая эталонная модель. Ч. 1. Базовая модель
12. ГОСТ Р 52292-2004
Информационная технология. Электронный обмен информацией. Термины и определения
13. ГОСТ Р ИСО/МЭК
15026-2002
Информационная технология. Уровни целостности систем
и программных средств
14. ГОСТ Р ИСО/МЭК
12207-2010
Информационная технология. Системная и программная
инженерия. Процессы жизненного цикла программных
средств
2. Электронная модель изделия
15. ГОСТ 2.052-2006
ЕСКД. Электронная модель изделия. Общие положения
16. ГОСТ 2.102-68
ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов
17. ГОСТ 2.103-68
ЕСКД. Стадии разработки
3. Стандарты проведения НИР
18. ГОСТ 7.32-2001
СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе.
Структура и правила оформления
4. Стандарты на создание новых видов продукции
19. ГОСТ Р 15.000-94
Система разработки и постановки продукции на производство. Основные положения
20. ГОСТ Р
15.201-2000
Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство
21. ГОСТ Р 53791-2010
Ресурсосбережение. Стадии жизненного цикла изделий
производственно-технического назначения. Общие положения
22. ГОСТ Р 15.011-96
Система разработки и постановки продукции на производство. Патентные исследования. Содержание и порядок
проведения
23. ГОСТ 15.311-90
Система разработки и постановки продукции на производство. Постановка на производство продукции по технической документации иностранных фирм
24. ОСТ
153-00.0-002-98
Порядок разработки и постановки на производство продукции производственно-технического назначения для
топливно-энергетического комплекса
25. ГОСТ Р 1.0-2004
Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения
26. ГОСТ Р
50995.0.1-96
Технологическое обеспечение создания продукции. Основные положения
27. ГОСТ Р
50995.3.1-96
Технологическое обеспечение создания продукции. Технологическая подготовка производства
67
Продолжение табл. А.1
Номер документа
Название документа
28. ГОСТ 14.201-83
Обеспечение технологичности конструкции изделий. Общие требования (с Изменением № 1)
29. ГОСТ 14.322-83
Нормирование расхода материалов. Основные положения
(с Изменением № 1)
30. ГОСТ Р ИСО
10012-2008
Менеджмент организации. Системы менеджмента измерений. Требования к процессам измерений и измерительному оборудованию
31. Р 50.1.051-2010
Система сертификации ГОСТ Р. Регистр систем качества.
Порядок сертификации производств
5. Стандарты на организацию производства
32. ГОСТ Р ИСО
9004-2010
Менеджмент для достижения устойчивого успеха организации. Подход на основе менеджмента качества
6. Стандарты управления проектами
33. ГОСТ Р 54869-2011
Проектный менеджмент. Требования к управлению проектом
34. ГОСТ Р 54870-2011
Проектный менеджмент. Требования к управлению портфелем проектов
35. ANSI/PMI
99-001-2004
A Guide to the Project Management Body of Knowledge
(PMBOK Guide)
7. Стандарты обеспечения качества
36. ГОСТ Р ИСО
9000-2008
Системы менеджмента качества. Основные положения и
словарь
37. ГОСТ Р ИСО
9001-2008
Системы менеджмента качества. Требования
38. ГОСТ Р
40.003-2008
Система сертификации ГОСТ Р. Регистр систем качества.
Порядок сертификации систем менеджмента качества на
соответствие ГОСТ Р ИСО 9001-2008 (ИСО 9001:2008)
39. ГОСТ Р
53625-2009 (ИСО/МЭК
19796-1:2005)
Информационная технология. Обучение, образование и
подготовка. Менеджмент качества, обеспечение качества и
метрики. Ч. 1. Общий подход
8. Углеродные материалы
40. ГОСТ 28006-88
Лента углеродная конструкционная. Технические условия
41. ГОСТ 28005-88
Материал углеродный волокнистый Урал. Технические
условия
42. ГОСТ 28008-88
Нить углеродная конструкционная. Технические условия
43. ГОСТ Р 54255-2010
Материалы углеродные технического назначения. Отбор
проб. Термины и определения
44. ГОСТ 6217-74
Уголь активный древесный дробленый. Технические
условия
9. Стандарты испытания композиционных материалов
45. ГОСТ Р 50583-93
Материалы композиционные полимерные. Номенклатура
показателей
68
Продолжение табл. А.1
Номер документа
Название документа
46. ГОСТ 25.604-82
Расчеты и испытания на прочность. Методы механических
испытаний композиционных материалов с полимерной
матрицей (композитов). Метод испытания на изгиб при
нормальной, повышенной и пониженной температурах
47. ГОСТ 25.601-80
Расчеты и испытания на прочность. Методы механических
испытаний композиционных материалов с полимерной
матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах
48. ГОСТ 14359-69
Пластмассы. Методы механических испытаний. Общие
требования
49. ГОСТ 15139-71
Пластмассы. Методы определения плотности (объемной
массы)
50. ГОСТ 4648-71
Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб
51. ГОСТ 11262-80
Пластмассы. Метод испытания на растяжение
52. ГОСТ 4650-80
Пластмассы. Методы определения водопоглощения
53. ГОСТ 9550-81
Пластмассы. Методы определения модуля упругости при
растяжении, сжатии
10. Нетканые материалы. Стандарты измерения параметров
54. ГОСТ 10213.1-2002
Волокно штапельное и жгут химические. Метод определения линейной плотности
55. ГОСТ 10213.2-2002
Волокно штапельное и жгут химические. Методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве
56. ГОСТ 10213.4-2002
Волокно штапельное и жгут химические. Методы определения длины
57. ГОСТ 13587-77
Полотна нетканые и изделия штучные нетканые. Правила
приемки и метод отбора проб
58. ГОСТ 16919-79
Полотна текстильные нетканые. Нормы допускаемых отклонений по показателям физико-механических свойств
59. ГОСТ 15902.3-79
Полотна нетканые. Методы определения прочности
60. ГОСТ
3811-72 (ИСО 3932-76,
ИСО 3933-76,
ИСО 3801-77)
Материалы текстильные. Ткани, нетканые полотна и
штучные изделия. Методы определения линейных размеров, линейной и поверхностной плотностей
61. ГОСТ 15902.22003(ИСО 9073-
2:1995)
Полотна нетканые. Методы определения структурных характеристик
11. Измерение электропровлдности
62. ГОСТ 20214-74
Пластмассы электропроводящие. Метод определения
удельного объемного электрического сопротивления при
постоянном напряжении
69
Окончание табл. А.1
Номер документа
Название документа
63. ГОСТ 30501-97
Материалы электроизоляционные твердые. Метод измерения электрического сопротивления и удельного электрического сопротивления при повышенных температурах
64. ГОСТ 6433.2-71
(CT СЭВ 2411-80)
Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрического сопротивления при постоянном
напряжении
65. ГОСТ 4668-75
Материалы углеродные. Метод измерения удельного электрического сопротивления порошка
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]