4.2.2. Другие искусственные волокна

В настоящее время существуют так называемые кремнеземные и кремнеалюминиевые нити, нити на основе титаната калия, окси­дов металлов и т. п.

Особый класс представляют усы и нитевидные волокна, в том числе графита, оксидов кремния, алюминия, бериллия и магния, кар­бидов кремния и бора, нитридов, тугоплавких металлов.

Керамические волокна получают путем формования их из вис­козных растворов, содержащих растворимые в щелочи керамичес­кие структурообразования, с последующим обжигом.

Усы и волокна представляют собой нитевидные кристаллы, получа­емые с использованием различных методов их выращивания. Они явля­ются самой прочной формой из всех известных разновидностей твердого тела. Появились в начале 50-х годов нашего столетия и применяются как наполнители дисперсноупрочненных и волокнистых КМ. Конечно, эти кристаллы еще не нашли такого широкого применения как непрерывные волокна. Очевидно, они займут достойное место уже в 21 веке.

Таблица 7

Физико-механические свойства некоторых нитевидных волокон

материал нитевидного волокна	ρ, кг/м3	σв, МПа	Е, ГПа	Тпл, К
Графит	1660	19950	710	4300
Sic	3320	21000	490	2938
BeO	2770	133000	350	2833
B4C	2490	14000	450	2723
Al2O3	3880	28000	640	2313
Si3O4	3320	14000	310	1948
Fe	6370	13300	200	1813
Cr	7500	9030	230	1938
Cu	8860	3000	130	1353

Обозначения: ρ- плотность; σ_в- прочность при растяжении; Е - модуль упругости;

Т,_ш - температура плавления.

Как видно из табл. 7, самую высокую прочность имеют нитевид­ные волокна из оксида алюминия, а самый высокий модуль упругос­ти - графит, последний при самой низкой плотности и самой высо­кой температуре плавления (теоретической).

4.2.3. Высокопрочные органические волокна

Развитие ракетной и других видов техники привело к необходи­мости разработки новых армирующих материалов, которые могли бы повысить уровень несущей способности силовых конструкций и, прежде всего, корпусов твердотопливных двигателей. К таким пер­спективным материалам относятся искусственные органические волок­на, обладающие прочностью на разрыв выше 3 000 МПа (300 кгс/мм²) и модулем упругости примерно равным 105 МПа при сравнительно небольшой плотности р = 1 500 кг/м³.

Общим и основным условием получения сверхпрочных волокон является наличие волокнообразующих полимеров с достаточно вы­сокой молекулярной массой и устойчивой ориентацией структурных элементов. Растворы таких полимеров при истечении из отверстий- фильер сохраняют достаточно высокую степень ориентации моле­кул и форму волокна, которые в последующей вытяжке и термооб­работке могут закрепиться. Высокая степень ориентации, которая достигается при формовании, и сопутствующая ей высокая гомоген­ность структуры обеспечивают сверхвысокую прочность и высокий модуль упругости волокон.

В промышленности наиболее разработаны и освоены методы получения волокон из предельно жесткоцепных полимеров, ведущее положение здесь занимают ароматические полиамиды.

Процесс получения волокна состоит из двух стадий: синтеза волок­нообразующих полиамидов и формования волокон. Синтез по­лиамидов представляет собой низкотемпературную поликонденсацию хлорангидридов ароматических дикарбоновых кислот и ароматичес­ких диаменов. Из полученного продукта вытягивают волокна из филь­ер со скоростью около 60 м/с. Существуют и другие методы получения органических волокон, но они менее распространены.

По своей прочности на растяжение и модулю упругости (табл. 8) арамидные волокна превосходят все органические волокна и ней­лон в 2 и 4 раза соответственно. Прочность и модуль упругости у них выше, чем у стеклянных волокон в 2 раза и, в некоторых случаях, модуль упругости - в 1,5 раза. Отсюда следуют высокие удельная прочность и удельный модуль упругости арамидных волокон. Арамидные волокна практически безусадочны по сравнению с другими типами химических синтетических волокон. Незначительная усадка (0,04 %) появляется лишь при температуре 350 °С.

Таблица 8

Механические свойства арамидных, органических и других волокон

Волокно	ρ, кг/м3	σв, ГПа	Ɛ, %	σуд.,	Е, ГПа	Еуд., км
полибензоамидное (Кевлар-49)	150	3,7…4,0	1…4	255…275	120…140	83…97
Полиамидногидразидное (Х-500)	1460	2,0…2,25	3…4	136…154	86…106	59…72
Армидное (Терлон)	1460	1,17…1,46	1…1,5	80…100	85…120	58…82
Армидное (СВМ)	1460	3,5…4,0	2…4	240…275	120…130	83…90
углеводородное высокопрочное	1700…2000	2,0…3,5	0,5…0,8	118…175	200…600	118…300
Стеклянное алюмоборосиликатное	2600	1,4…2,2	2…3	54…85	60,0	23

примечания: ρ - плотность; σ_в - прочность при растяжении; Ɛ- относительное

удлинение; Е- модульупругости; о_уд и Е _уд - удельная прочность и удельный модуль упругости соответственно.

Арамидные волокна сохраняют свои свойства при пропитке их связующими и в процессе изготовления изделий из ПКМ.

Адгезионная прочность волокон СВМ к эпоксидным связующим находится на том же уровне, что и для минеральных волокон, и соста­вляет 40...50 МПа. Для них характерны высокая усталостная прочность и незначительная ползучесть. Волокна обладают также повышенной стойкостью против перерезания и истирания, при текстильной перера­ботке они теряют не более 10...20 % исходной прочности, тогда как стеклянные - до 50 %. Арамидные волокна устойчивы к действию воды, растворителей, горючего, смол; кислоты и щелочи действуют на них только при повышенных концентрациях и температурах.

Теплопроводность их составляет 0,14 Вт/м К, а термический ко­эффициент линейного расширения — 2,6-10'⁶ град'¹. Это очень низкие показатели, что существенно для работы некоторых узлов ракетной техники, в том числе и для корпусов РДТТ. К недостаткам арамид­ных волокон следует отнести несколько пониженную прочность при сжатии и большой разброс по прочности и модулю упругости, а так­же повышенную электризуемость, что требует принятия мер по за­щите изделий от накопления статического электричества. На проч­ность волокон влияет и ультрафиолетовое излучение. Но, несмотря на указанные недостатки, арамидные волокна обладают большим перечнем положительных свойств, что определило их широкое при­менение для изготовления корпусов РДТТ методом намотки. В табл. 9 приведены некоторые специфические характеристики нитей.

Таблица 9

Физико-механические свойства технических нитей из СВМ

Характеристики	Волокно СВМ-3	Волокно СВМ-4
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	3500	3800
коэффициент вариации по разрывной нагрузке,%	15	14
Линейная плотность, текс	29,4	29,4
Относительное удленение, %	4,0	4,0
Аккустический модуль упругости,%	125000	125000
количество кручений, кр/м	100+-10	100+-10

На основании выполненных исследований и опыта изготовления органопластиковых изделий установлено, что наиболее эффективными из текстильных структур, с учетом их переработки в изделие, являются нить СВМ линейной плотностью 29,4 текс, с круткой 100 кр/метр, со­стоящая из 200 волокон диаметром 12 мкм, и жгут - ровинг линейной плотностью 1000 текс из волокон диаметром 12 мкм. Текс - это масса одного метра нити в миллиграммах или одного километра - в граммах.

Нужно сразу отметить, что органические волокна хорошо под­даются технологической переработке, особенно при изготовлении пластиков на эпоксидных матрицах.

Методы формования органопластиков такие же, как и для пла­стиков с другими армирующими волокнами, применяется то же обо­рудование.

Большое значение при переработке волокон имеют продолжи­тельность пребывания органического наполнителя в контакте с не- отвержденным связующим при пропитке и хранении препрегов, температура и длительность процесса отверждения или термообра­ботки композита при формовании изделий.

Наиболее высокие прочностные свойства проявляют однонаправ­ленные органопластики, армированные арамидными волокнами типа Кевлар и СВМ. Им присуща выраженная анизотропия свойств.

Технология изготовления изделий из органопластиков методом на­мотки будет рассмотрена в специальной главе на примере корпуса РДТТ.

Опыт показывает, что повышенные механические свойства органи­ческих волокон при изготовлении изделий используются далеко не полностью. Ниже рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы.

1. Органические волокна нетеплостойки, прочность их падает с повышением температуры, причем, чем больше выдержка даже при полимеризации, тем больше падение прочности. Оно иногда дости­гает 25 %. Отсюда следует, что требуются такое связующее и такой режим полимеризации (поликонденсации), при которых потери проч­ности были бы минимальными.

2. Степень полимеризации никогда не достигает 100 % и оста­навливается на каком-то определенном значении, выше которого практически не подымается. Здесь могут быть предложены методы дополнительного радиационного отверждения или радиационной обработки при отверждении. Например, применение электронной бомбардировки с энергией электронов около 1 МэВ повышает проч­ность на 10... 15 %. Известны также опыты по повышению стабиль­ности волокна путем нанесения на него специальных олигомеров с последующим отверждением их и одновременным облучением элек­тронами с энергией около 700 кэВ.

3. Известно также, что кристаллизация полимеров, а с ней и полная полимеризация наступают лишь при температурах, при которых уже начинается деструкция матрицы и органического наполнителя. При­менение магнитных полей и радиационной обработки способствует внутренней перестройке макромолекул и комплексов в композите. Некоторое повышение прочности и диэлектрической постоянной несом­ненно говорит об этом. Имеются сведения о волокнах, созданных на основе жидкокристаллических полимеров. Возможно, что и эпоксид­ные связующие при размягчении ведут себя как жидкие кристаллы и в магнитном поле образуют волокнистую структуру в самой матрице.

4. Показано также, что полимеризация связующего с помощью инф­ракрасного излучения в процессе непрерывной намотки ускоряет про­цесс отверждения и способствует повышению прочности. Энергия акти­вации полимеризации при этом воспринимается молекулами не­посредственно, а не через теплопроводность отверждаемой системы.

Кроме того, при послойной полимеризации с помощью ИК-излу- чения в процессе намотки последующие слои наносятся на «твердую» основу, что способствует лучшему натяжению волокна. При этом связующее в полимере распределяется более равномерно, что также способствует повышению прочности.

5. Много внимания уделяется вопросу повышения адгезии на гра­нице матрица-наполнитель - прежде всего, за счет применения аппре­тов (силанов, полидиметилсилоксанов), замасливателей; используют­ся также обработка волокна сжатым воздухом, плазменным разрядом в газовых средах (NH₃, NH₃ + N₂), электрохимическая обработка и т. п.

6. Очень интересными являются сообщения о получении арамидных волокон с пористой наружной оболочкой, содержащей игловидные пустоты, ориентированные параллельно оси волокна, т. е. с направленной ориентацией полимерных цепей. Прочность таких волокон составляет 3...3,5 ГПа, но, главное, они будут иметь высокую адгезию к матрице.

7. Необходимым является наличие прибора, контролирующего сте­пень отверждения связующего в процессе термической обработки по­лимерных органопластиков. Он может быть построен на принципе не­прерывного измерения диэлектрической постоянной.

Некоторые предложения будут высказаны также в главе, посвя­щенной материалам и технологии изготовления корпуса твердотоп­ливного двигателя, имеющего форму кокона.

4.3. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Уникальные свойства неметаллических композиционных матери­алов позволили не только существенно повысить качество конструк­ций РДТТ, уменьшив их массу, но и снизить трудоемкость и стоимость их изготовления. Сегодня даже трудно представить как можно создать современный РДТТ без применения стеклопластиков, органопласти­ков, эрозионностойких и теплозащитных неметаллических материалов.

Еще недавно стеклопластиковый цилиндрический корпус с продольно-поперечной намоткой (ППН) считался вершиной материаловедческой и технологической мысли. Но недостатком этой конструкции было то, что к цилиндру нужно крепить днище, а к нему - сопловой блок. Такое решение потребовало дополнительной массы двигателя на крепежные элементы, защиты их от высокотемператур­ного газового потока и т. п. В итоге - снижение общей удельной проч­ности конструкции и недостаточная надежность. Достоинств в этой конструкции и технологии, конечно, много: хотя бы то, что металли­ческая оправка для намотки используется многократно.

В связи с созданием высокопрочных органических волокон, отличающихся от стекловолокна повышенной удельной прочностью, появилась возможность проектирования и изготовления новых, бо­лее совершенных «коконных» конструкций, в которых боковая ци­линдрическая часть и днище корпуса образуются при самой намот­ке и составляют единое целое. О более высокой удельной прочнос­ти органоволокна говорят следующие цифры: прочность при растя­жении для обоих волокон примерно одинакова и находится в преде­лах от 2 500 МПа до 3 500 МПа. Правда, в последние годы появля­ются органические волокна с прочностью до 5 000 МПа.

В то же время плотность органических волокон в среднем со­ставляет 1 430 кг/м³, стеклянных - 2 600 кг/м³. Отсюда - более высо­кая удельная прочность органических волокон.

где σ_в - прочность при растяжении; у- удельный вес.

где ρ - плотность; g - ускорение силы тяжести.

Кроме того, переработка органических волокон в изделия бо­лее технологична. В такой конструкции сопловой блок крепится не к пластику, а к так называемым закладным элементам, которые обыч­но изготавливаются из титановых сплавов. Как правило, в кокон­ных конструкциях двигателей предусмотрено одно центральное со­пло. Управление ракетой в таком случае осуществляется путем вдува горячего или «холодного» газа в закритичную часть сопла или качанием центрального сопла, т. е. отклонением газовой струи от продольной оси ракеты.

В настоящей главе не будут рассматриваться стальные корпуса, которые применяются, например, на американском носителе «Шаттл»

и на некоторых отечественных ракетах, а также стеклопластиковые

корпуса, полученные методом продольно-поперечной намотки (ППН). На рис. 16 приведена контурная схема коконной конструкции корпуса.

На передней крышке крепятся элементы воспламенения и изме­рения рабочих параметров двигателя. Материал обечайки корпуса («кокона») представляет собой органопластик, полученный методом намотки жгутом органических нитей из материалов ЖСВМ, Армос и др. Они имеют прочность 3,5...4,5 ГПа; в конструкции реализуется примерно 65 % этой прочности. Если учесть, что плотность органи­ческих волокон равна примерно 1 430 кг/м³, то удельная прочность их превышает 200 км.

Как было сказано, органические волокна имеют высокую проч­ность при растяжении, но конструкции на их основе обладают недо­статочной жесткостью и прочностью на сжатие и смятие, поэтому узлы стыковки корпуса изготовливаются из комбинированного пластика, т. е. армированного стеклянными и органическими волокнами.

Чтобы в дальнейшем ясно представлять технологию изготовления кокона, особенно порядок технологических операций, необходимо рас­смотреть обечайку корпуса и днищ в поперечном разрезе (рис. 17).

Рис. 16. Схема коконной конструк­ции корпуса:

1 - цилиндрическая стенка кокона;

2 - узлы стыковки двигателя; 3 - узел крепления соплового блока; 4 - узел крепления передней крышки; 5-днище; 6 - эластичный клин

Рис. 17. Стенка цилиндрической части корпуса:1 - силовая оболочка; 2 - теплозащитное покрытие (ТЗП); 3 - защитно-крепящий слой (ЗКС); 4 - герметизирующий слой

выполнена из органопластика, свой­ства которого были описаны выше. Изготовляется она путем намот­ки на песчаную оправку органических нитей или жгутов со связкой из эпоксидной смолы и несет основную нагрузку при внутреннем, про­дольном и поперечном нагружениях. Внутреннее нагружение имеет место при работе двигателя, оболочка при этом сильно деформирует­ся и материал работает на растяжение. Продольной нагрузке оболоч­ка подвергается в предстартовом положении и при полете ракеты, поперечной - при транспортировке. На дежурстве ракета находится обычно в «подвешенном» состоянии в специальном транспортно-пус­ковом контейнере, или (при подвижном старте) на ложементах.

Теплозащитное покрытие (поз. 2) защищает силовую оболочку от высоких температур при горении твердого топлива внутри кор­пуса, который выполняет роль и камеры сгорания. Так как при внут­реннем нагружении «кокон» испытывает большие деформации, то ТЗП должно обладать достаточным относительным удлинением, чтобы следовать за оболочкой корпуса двигателя. Оно представляет собой армированную тканью ТС резину, плотно наполненную угле­родом и изготовленную на специальном каучуке Р-51-2058.

Защитно-крепящий слой (поз. 3) служит для крепления заливного заряда и при работе двигателя является компенсатором между ТЗП и зарядом. Ту же роль ЗКС выполняет и при транспортировке снаря­женного двигателя. Он изготовлен из ткани (ТКЭТ), скрепленной эластичным каучуком (ткань капроновая эластичная техническая).

Герметизирующий слой (поз. 4) создает дополнительную герме­тичность корпуса, а главное, защищает от проникновения масел, кото­рые применяются при заливке заряда. Узлы крепления сопла и пере­дней крышки изготовлены из титанового сплава ВТ-3 и заделываются в органопластик по специальной схеме, как показано на рис. 18.

Некоторые свойства материалов вынесены нами в отдельные параграфы, поэтому здесь не приводятся.

Добавим только, что на передней крышке, которая крепится к закладному элементу (рис. 19), располагаются элементы иницииро­вания горения и всевозможные первичные средства измерений (тер­мопары, датчики).

К заднему закладному элементу крепится сопловой блок и сило­вые конструкции органов управления ракетой или ее ступенью. Кон­струкции закладных элементов испытывают самые большие меха­нические нагрузки, поэтому с одной стороны должны быть прочны­ми, а с другой - по возможности, легкими. Получают закладные эле­менты путем механической обработки тяжелой литой заготовки из титанового сплава. Достаточно сказать, что для одного из двигателей первоначальная масса заготовки равнялась почти пяти тоннам, а полученный из нее силовой элемент сопла - 450 кг.

Рис. 18. Схематический разрез задне­го днища:

1 - силовая оболочка; 2 - ТЗП; 3 - ЗКС;

4 - закладной металлический элемент; 5 - манжета; 6 - ТЗП на закладном элементе.

Рис. 19. Закладной силовой элемент:

1 - титановый сплав; 2 - легкий заполнитель

Манжета (рис. 18) изготовляется из прорезиненной ткани и от­личается от ТЗП тем, что в ней больше армирующего материала и меньше резины. Она служит как бы компенсатором между твердо­топливным зарядом и днищем двигателя, а также выполняет роль ТЗП в первые секунды горения топлива, «смягчая» тепловой удар на выходные элементы сопла; ее толщина составляет примерно 4 мм.