6.6.1.2. Метод намотки

Этот метод применяется, например, при изготовлении теплозащитного покрытия раструба РДТТ. Предварительно пропитан­ные лаком ЛБС-4 ленты наматываются на жесткую оправку на специ­альных станках с программным управлением, как показано на рис. 49.

Жесткая оправка служит для придания формы изделию и устанавли­вается на специальный намоточный станок. Шпулярник служит для уста­новки бобин с лентой, к нему относятся и натяжные ролики.

В процессе намотки оправка вращается вокруг своей оси и одновременно совершает поступательное движение вместе с суппор­том станка с регулируемой по программе скоростью. Скорость вра­щения составляет от одного до нескольких оборотов в минуту и за­висит от величины изделия.

Иногда суппорт станка является неподвижным, а перемещается шпулярник, но это часто приводит к изменению натяжения ленты и другим неудобствам, вызывающим частые остановки процесса на­мотки. Это объясняется малой массой шпулярника и плохой устой­чивостью его.

Кроме «сухой» применяется еще и так называемая «мокрая» на­мотка. Чаще всего она используется при намотке силовых конст­рукций жгутом или лентой и на эпоксидных связующих. Схема на­мотки показана на рис. 50 (вид сбоку).

В принципе «мокрая» намотка похожа на «сухую», но все даль­нейшие операции после каждой из них отличаются очень сильно.

После «сухой» намотки производится отверждение материала в гидроклавах под избыточным давлением. Автоклав отличается от гидроклава тем, что в качестве рабочего тела используется сухой воздух или азот. Они менее безопасны, но «чище» в работе.

Перед отверждением производится сборка оправки, как пока­зано на рис. 51.

Назначение отдельных элементов.

Оправка. Служит для придания формы наматываемому изделию, изготовлена из обыкновенной стали (ст 03, ст 20 и т. п.). Как прави­ло, пустотелая, снаружи полированная. Есть сообщения о примене­нии надувных оправок.

Смазка ЦИАТИМ-221. Применяется с целью предупреждения прилипания отверждаемого материала к оправке и для облегчения снятия материала с нее. Теплостойка, консистентна.

Целлофан. Предотвращает прилипание обкладных листов к материалу, имеет небольшие отверстия по всей поверхности для вы­хода летучих компонентов.

Обкладные листы. Изготавливаются из мягкого алюминиевого сплава, толщиной 0,5... 1 мм, имеют отверстия по всей площади, слу­жат для формирования наружной поверхности изделия.

Металлическая сетка. Высотой и ячейкой примерно в 5... 10 мм, создает объем для выхода газообразных продуктов, выделяющихся при отверждении смолы.

Двунитка или мешковина. Служит для предотвращения повреж­дения резинового мешка.

Резиновый мешок. Является гибким формирующим элементом и служит также для сбора летучих компонентов. Этот очень ответ­ственный элемент изготавливается из специальной теплостойкой резины, поставляется в готовом виде или готовится по месту произ­водства пластиков.

Отводные трубки, штуцера и коллектор. Служат для отвода ле­тучих компонентов и воздуха в вакуумный насос.

Вся вакуумная система должна быть герметичной. Материал на собранной оправке может отверждаться и формоваться двумя спосо­бами: вакуумным и гидроклавным (автоклавным). При вакуумном формовании за счет вакуумирования создается наружное давление на материал величиной около одной избыточной атмосферы (0,1 МПа).

Собранная по описанной схеме оправка помещается в печь, если формование вакуумное. Здесь вакуумный коллектор подсоединяет­ся к откачной системе, устанавливаются термопары и далее произ­водится отверждение по заданному режиму.

При гидроклавном или автоклавном методах формования со­здается избыточное давление в несколько десятков атмосфер (не­сколько мегапаскалей). Рабочей жидкостью в автоклавах служит гли­церин, относящийся к тяжелым эфирам. Основные преимущества глицерина перед другими жидкостями состоят в следующем:

• высокая температура кипения (290 °С или 563 К);

• низкая упругость паров при рабочих температурах гидроклава;

• очень незначительная растворимость газов в нем;

• взрывобезопасен, не возгорается;

• низкий коэффициент объемного расширения;

• достаточная теплопроводность;

• сравнительно невысокая стоимость.

Рис. 49. Схема намотки ленты на оправку «сухим» способом:

1 - жесткая металлическая оправка; 2 - наматываемая лента;

3 - шпулярник;

4 - бобины или шпули;

5 - натягивающее и контролирующее устройство

Рис. 50. Схема «мокрой» намотки:

1 - шпулярник; 2 - направля­ющие ролики; 3 - бобины или шпули;

4 - пропиточная ван­на; 5 - блок подсушки ленты или жгута;

6 - натяжитель с ре­гулятором;

7 - оправка; 8 - лента или жгут

Рис. 51. Собранная оправка для отверждения:

1 - оправка; 2 - смазка К-21 или ЦИАТИМ-221; 3 - углепластик или другой пластик; 4 - целлофан; 5 - обкладной лист; 6 - металлическая объемноплетенная сетка; 7 - двунитка или мешковина; 8 - резиновый мешок; 9 - штуцер; 10 - отводные трубки; 11 - коллектор; 12 - выход к вакуумной системе.

При гидроклавном формовании оправка помещается в гидро- клав, где также производится подсоединение коллектора к вакуум­ной системе, устанавливаются необходимые первичные преобразо­ватели (термопары, манометры и т. п.). После этого гидроклав зак­рывается и заполняется глицерином из специальной емкости.

Остаточное давление под резиновым мешком, не выше 150 мм рт. ст., поддерживается вакуумными насосами типа ВН-4.

Подъем температуры и давления в гидроклаве осуществляется по заданной программе.

Температурный график представлен на рис. 52.

Максимальное давление в гидроклаве поддерживается равным

• .50 атм или 4...5 МПа. Нагрев глицерина осуществляется специаль­ными герметизированными электрическими нагревателями (ТЭН).

Из графика видно, что при температуре 80 °С делается вы­держка примерно в течение двух часов. При этой темпера­туре происходит выделение первичных летучих продуктов: воды, спиртов и других раство­рителей.

Затем температура поднимается до (150 ± 5) °С, если связующим являются фе- ноло-формальдегидные или фу- рановые смолы.

Для углепластиков, служащих в качестве теплозащитного и эро­зионностойкого материала, применяются именно эти смолы. Они име­ют высокое коксовое число (~ 80...90 %), но при поликонденсации выделяют много побочных продуктов и имеют значительную усадку (~ 6...8 %). Все это обусловливает необходимость их отверждения при повышенном внешнем давлении и одновременном вакуумиро­вании, что, в конечном итоге, помогает избежать повышенной по­ристости и придать материалу достаточную прочность.

Нужно отметить, что эпоксидные смолы, используемые при созда­нии силовых пластиковых конструкций, в процессе полимеризации прак­тически не выделяют летучих компонентов и не дают усадки, поэтому отверждаются в свободном состоянии, т. е. без внешнего давления.

Температуру, после выдержки материала с оправкой при ее уров­не 50 °С (323 К), поднимают до 150 °С (423 К) с отклонением ± 5 °С.

При этой температуре производится выдержка в течение 8 часов, давление в гидроклаве поддерживается равным 40...50 кгс/см² или

4...5 МПа. Охлаждение изделия после отверждения смолы осуще­ствляется в гидроклаве при выключенных нагревателях. До температуры 80 °С (353 К) нужно, чтобы вакуумные насосы работали и поддерживалось необходимое давление в аппарате.

После этого выключаются вакуумные насосы и компрессоры, и дальше осуществляется свободное охлаждение до температуры 20…35 °С. Перед вскрытием гидроклава его освобождают от гли­церина путем перекачивания последнего в другую емкость, отсо­единяют термопары, вакуумную систему и т. п. Извлекают собран­ную оснастку с отвержденным материалом, делают осмотр рези­нового мешка. Затем снимается оснастка и выполняется осмотр внешней поверхности материала. После этого изделие с оправ­кой устанавливается на токарный станок для обработки внешней поверхности с помощью специальных резцов. После выравнива­ния поверхности выполняют неразрушающий контроль качества материла (наличие расслоений, непроклеев) и его толщины. Для этого применяются приборы:

– ДУК-66 или ИАД-4 и др. - для контроля качества;

– ТУК-1М и др. - для контроля толщины.

Дальнейшие операции с узлом будут зависеть от назначения угле­пластиковых деталей (элементов). Здесь может быть три варианта.

1. Углепластик представляет собой законченную деталь и идет по назначению.

2. Углепластик, как теплозащитное покрытие, вклеивается внутрь металлической или другой оболочки, например, как в рас­трубе носителя «Шаттл».

3. На углепластик, путем намотки, наносится силовая оболочка из стеклопластика или другого пластика.

Если назначение узла или изделия определяется по первому и второму вариантам, то выполняются следующие операции:

– разрезка материала по большому диаметру и подрезка по ма­лым диаметрам т. е. по торцам;

– заготовки раструбов, их две, снимаются с оправки с помо­щью специального приспособления и силовозбудителя;

– определение содержания смолы, степени поликонденсации, меха­нических и теплофизических характеристик и т. п. (анализы производят­ся на образцах свидетелях или на образцах, вырезанных из припусков).

Содержание смолы должно находиться в пределах 30...40 %, сте­пень поликонденсации не ниже 92 %, плотность - (145 ± 5) г/см³ (1450 ± 50 кг/м³). Затем с помощью приборов неразрушающего контроля определяются сплошность материала и толщина оболочки. Этот кон­троль осуществляется путем сканирования на специальной автома­тизированной установке или вручную.

Производится также внешний осмотр поверхности изделия. Если в материале и на поверхности его обнаружены какие-либо дефекты (расслоения, вмятины, забоины), то выполняется ремонт, оговорен­ный в документации. На поверхности дефекты устраняются залив­кой смолы в неровности или нанесением специальной массы, состо­ящей из смолы и сажи или угольной крошки (пыли). Расслоения в материале устраняются путем подачи смолы с помощью шприца. Перед этим должна быть определена глубина залегания дефекта (рис. 53). Если локальная или суммарная площадь расслоений пре­вышает допустимую, узел ремонту не подлежит и бракуется.

После выполнения технологических операций и приемки заказчиком узел от­правляется на доработку или хранение.

Если силовой оболочкой раструба служит стеклопластик, то механи­ческая обработка включает в себя под­резку малых торцов и обработку внеш­ней поверхности до получения необхо­димой толщины углепластика, замер которой

производится с помощью при­боров неразрушающего контроля. Здесь могут быть применены как ульт­развуковой, так и электромагнитный методы контроля.

Производится также внешний осмотр с целью определения качества поверхности. После выполнения всех операций сдачи оправку с двумя раструбами направляют на намотку стеклопластика, которая осуществля­ется на тех же намоточных станках с помощью ленты или жгута при повышенном усилии натяга и, как правило, «мокрым способом». Связую­щим служат диановые эпоксидные смолы типа ЭД-5, ЭД-6, ЭД-20.

Полимеризация эпоксидных смол производится с отвердителя- ми полиэтилен-полиамином или гексаметилендиамином, которые вводят в смолу перед пропиткой лент или жгутов в количестве от 5 до 15 %. Повышение содержания отвердителя приводит к охрупчи­ванию отверждаемого полимера.

Полимеризация связующего, т.е. эпоксидной смолы, произво­дится при температуре 120 °С (393 К) в течение 8 часов. Таким обра­зом, углепластик, отвержденный при температуре 155 °С (428 К), не претерпевает внутренних изменений, т. е. деструкции.

Нужно отметить, что полимеризация стеклопластика осуществ­ляется без внешнего давления в аэродинамических или электричес­ких печах сопротивления с вытяжной вентиляцией. Объясняется это тем, что при отверждении эпоксидные смолы почти не выделяют ле­тучих компонентов и дают незначительную усадку, что вместе с пред­варительным натягом лент и жгутов при намотке создает естествен­ное давление опрессовки.

По некоторым сведениям из литературы, применяется и такой режим отверждения эпоксидных смол;

– выдержка намотанного изделия в течение 24 часов при ком­натной температуре;

– подъем температуры до 85 °С и выдержка в течение 8... 16 часов.

При таком режиме отверждения лучше насыщается смолой элемен­тарное волокно, что способствует повышению адгезии на границе матрица -наполнитель и, в конечном итоге, прочности пластика.

После охлаждения производится разрезка пакета стеклопластик + углепластик и съем с оправки с помощью тех же приспособлений, что и просто для углепластика. Следует заметить, что поверхность силовой оболочки из стеклопластика, кроме торцов, механической обработке не подвергается. Необходимая толщина ее достигается количеством проходов при намотке, т. е. слоев.

Выполнив все операции контроля качества, оговоренные документа­цией, направляют раструбы, теперь их два, на сборку соплового блока.

Мы подробно рассмотрели технологию изготовления раструба (выходного конуса) методом намотки. Описанный техпроцесс является типичным и для получения этим методом изделий из дру­гих пластиков.

Но кроме выходного раструба углепластик применяется в РДТТ и в других деталях, в том числе для изготовления входных «ворот­ников» соплового блока, наружной теплозащиты утопленной части сопла, некоторых облицовок и т. п. На твердотопливных ускорите­лях ракеты «Шаттл» углепластик применен в качестве вкладыша критической части сопла, где разгар по радиусу доходит до 15 мм. Ко­нечно, для боевых ракет такое недопустимо.

При изготовлении воротников и других деталей РДТТ небольшого размера используется и прессовый метод, заключающийся в следующем.

Специально раскроенные заготовки из угольного тканевого препрега (заранее пропитанного материала) укладываются в пресс- форму, изготовленную по форме и размерам детали. Для деталей соплового блока применяются феноло-формальдегидные или фура- новые смолы. Поликонденсация (отверждение) производится под прессом при давлении от 20 до 140 кгс/см² (2... 14 МПа). Режим - обычный для этих смол: подъем температуры до 80 °С, выдержка в течение двух часов или более - в зависимости от толщины стенки детали. Затем температура доводится до (150 ± 5) °С, при ней изде­лие выдерживается из расчета 10...30 мин на 1 мм толщины стенки, если общая толщина не более 50 мм, и 5...15 мин, если она больше.

Как было сказано выше, углепластик, который применяется для раструба РДТТ, имеет название УПА - 3. Кроме него созданы другие углепластики, которые при меньшей плотности имеют те же эксплуа­тационные характеристики, что и УПА-3, например, УП - УТ - ПУ. Он формуется на связующем ФН (феноло-формальдегид) прессовым или гидроклавным методом. Тогда углепластик имеет соответствую­щую маркировку: УП - УТ - ПУ - П или УП - УТ - ПУ - Г(А). Она расшифровывается следующим образом: углепластик - углетрикотаж - пироуглерод - прессовый. Это значит, что здесь применяется трико­тажная лента или ткань, волокна которой покрыты пироуглеродом, формование прессовое, а во-втором - гидроклавное или автоклавное. Покрытие волокон пироуглеродом способствует повышению их эро­зионной стойкости и механической прочности.

Ленты носят название УТЛ - углетрикотажная лента и УТЛ - ПУ - углетрикотажная лента с пироуглеродом, о котором будет сказано ниже. Конечно, УТЛ - ПУ - более дорогая лента, поэтому применяется для ответственных деталей соплового блока РДТТ. Для обычных углепластиков берется лента типа УТЛ.

В табл. 22 приведены теплофизические и физико-механические свойства материала УПА-3 (углепластик автоклавного отверждения).

Из таблицы видно, что теплопроводность материала в направ­лении расположения слоев значительно выше ее в направлении, перпендикулярном расположению слоев; прочность на сжатие не­значительно отличается по направлениям.

С повышением температуры вплоть до 2500 °С механические ха­рактеристики возрастают, не сильно понижаясь и при дальнейшем ее увеличении. Степень черноты, т.е. коэффициент излучения изменяется от 0,83 при температуре 1200 °С до 0,92 - при температуре 3000 °С.

Указанные свойства углепластиков и характер их изменения обусловливают применение этих материалов при очень высоких тем­пературах, которые имеют место в сопле при работе твердотоплив­ного двигателя на смесевых топливах.

Долгое время для защиты головных частей от аэродинамического нагрева на «пассивном» участке траектории применяли материалы типа асботекстолита, стеклотекстолита, в том числе и на основе кварцевых волокон. Иногда в теплозащитное покрытие вводили аблирующие до­бавки, такие как нитриды, карбиды и другие наполнители, диссоции­рующие при высоких температурах или сублимирующие. Но, в связи с возрастанием для некоторых типов головных частей скорости входа в плотные слои атмосферы и, соответственно, температуры поверхнос­ти ТЗП, применение кремнеземных пластиков становится неэффектив­ным. А если все таки их применять, то для этого потребуется значи­тельное увеличение толщины ТЗП и массы головной части. Объясня­ется это тем, что расплав кремнезема, который был главным защит­ным средством при ранее имевших место температурах, при более вы­соких температурах и скоростях сильно уносится, и эффективность покрытия на его основе падает. Это привело к необходимости при­менения углепластиков для тепловой защиты не только головных час­тей, а и других объектов: они наиболее полно реализуют свои энталь­пийные характеристики именно при очень высоких температурах.

Для оценки эффективности теплозащитных покрытий вводится показатель

,

где G - показатель эффективности; ρ - плотность материала, кг/м³;

a - коэффициент теплообмена, Вт/град; v - скорость уноса материала, м/с.

Чем меньше G, тем лучше ТЗП. Так для покрытия СТКТ-НА (стеклотекстолит, кварцевая ткань, намоточный, автоклавный) он составляет 0,9... 1, для углепластика УП-Т - 0,5...0,6.

Тенденция перехода со стеклотекстолитов на углепластики наблюдается не только в отечественной технике, а и за рубежом, на­пример, на МБР типа «ТРАЙДЕНТ», «МХ».

Ɛ, %	0,1	0,18		0,27	0,51	1,84	*индэксǁ– параллельно слоям в материале;	**индэкс |–перпендикулярно слоям в материале.	Обозначения: λ – коэффициент теплопроводности; ɑ – коэффициент термического расширения; С – удельная теплоемкость; σв, σсж, σиз. –прочность при растяжении, сжатии, изгибе соответственно; E – модуль упругости; Ɛ – относительное удлинение.
σиз., МПа	14,5	16,5	16,7	21,0	19,5
σсж. |, МПа	25,0	27,5	31,5	35,0	32,5	30,5
σсж.ǁ, МПа	22,0	27,5	31,5	31,5	32,5	30,5
Еǁ·102, МПа	7,5
σвǁ, МПа	7,5	8,5	10,0	12,0	12,5	16
ɑǁ·106, 1/К	0,7	1,3…2,6	1.6…2,9	2…2,5
С, кДЖ/(кг·К)	0,68	1,8		2,14	2,17	2,19
ɑ|·106, 1/К	4,4	5,2		7,9	7,9	7,0
λ|**, Вт/(м·К)	6	4,8		6	7,4	8,1
λǁ*, Вт/(м·К)	175	55		38	34	30
T, oC	20	1000	1500	2000	2500	2800

Как правило, на головных частях применяется кольцевая намот­ка теплозащитного покрытия с помощью ленты. При этом стремят­ся к тому, чтобы слои покрытия располагались не параллельно об­разующей конуса, а под углом, с тем, чтобы унос ТЗП был мини­мальным при движении ГЧ в плотных слоях атмосферы. Наилуч­шим является вариант намотки, когда слои располагаются перпен­дикулярно к образующей, но технологически осуществить это прак­тически невозможно. При намотке с малого диаметра конуса пря­мой лентой слои располагаются под тупым углом по отношению к газовому потоку (рис. 54, а). При намотке с большого торца слои в ТЗП располагаются под острым углом к направлению движения ГЧ, т. е. «за потоком» (рис. 54, б). Понятно, что унос покрытия при рас­положении слоев по варианту «б» будет меньше, а эффективность ТЗП выше. Предполагается, что в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом, применяется намотка покрытия с большо­го торца, хотя технология при этом значительно усложняется.

В настоящей главе этот материал не рассматривается, так как она посвящена в основном технологии РДТТ.

Кроме выходных раструбов, головных частей, углепластики применяются для входных деталей соплового блока, в том числе для воротника, каски. Эти детали получаются путем выкладки заготовок ткани, пропитанной связующими, в пресс-форме с дальнейшим фор­мованием и поликонденсацией под прессом при давлении до 140 кгс/см² и температуре (155 + 5) °С. Время выдержки при максимальной тем­пературе составляет 20 мин на 1 мм толщины материала. Плотность таких углепластиков равна 1,35...1,45 г/см³ (1 350...1 450 кг/м³), проч­ность на сжатие 800 кгс/см². Методы изготовления углепластиков и техпроцессы являются типовыми для других пластиков [32 - 38].

Появление углепластиков стало возможным после создания угле­родных волокон и всевозможных полуфабрикатов на их основе: нитей, жгутов, лент и тканей различного плетения (сатиновое, трикотажное, объемное). Теплозащитные покрытия и конструкции на основе углерод­ных волокнистых материалов позволили повысить несущую способ­ность, эрозионную стойкость изделий, лучше реализовать энтальпий­ные характеристики ТЗП при абляции. Но несмотря на то, что углепла­стики оказались лучше, чем ТЗП на основе асбеста, кварца со связую­щим на основе феноло-формальдегидных и фуриловых (фурфурольных) смол, они все же имеют недостаточную эрозионную стойкость и не пол­ностью реализуют свои высокие энтальпийные характеристики.

С целью повышения эрозионной стойкости углепластиков груп­пой ученых ИПМ АН Украины во главе с доктором технических наук Д. М. Карпиносом было предложено «укрепить» эти материалы с по­мощью «корневой системы» на основе тугоплавких материалов. Идея взята из самой окружающей природы: корни деревьев и кустарников укрепляют овраги, склоны, берега рек и т. п. В зависимости от рабо­чей температуры в качестве армирующих материалов могут быть взя­ты молибден, вольфрам и даже стали в виде нитей или проволоки. Так как углепластики применяются в основном в качестве несущего и аб- лирующего материала выходной части сопла твердотопливного дви­гателя, для армирования используется вольфрамовая нить, толщиной около 80 мкм, т. к. вольфрам является тугоплавким материалом.В связи с этим нужно вкратце остановиться на некоторых свой­ствах вольфрамовой нити. Она, как и компактный материал, обладает высокими прочностными свойствами, жесткостью и жаропрочностью. К недостаткам можно отнести высокую плотность (19,3-10³ кг/м³) и низкую жаростойкость. Но второй недостаток углепластика легко преодолевается, так как, во-первых, вольфрам находится при рабо­те в восстановительной среде (СО и С0₂) а , во-вторых, время рабо­ты углепластиков в РДТТ не превышает 100 с.

Напомним некоторые показатели свойств вольфрама: Т_пл.= 3 683 К; Т_кип = 6203 К; теплоемкость с = 0,15 кДж/(кг-К); теплопро­водность λ₂₉₃ = 130 Вт/(м К); коэффициент теплового расширения ɑ = (4,76-10'... 5,6-10"⁶) 1/К.

Технология производства нити или проволоки в начальной ста­

дии, как и для компактного материала, основана на методах порошковой металлургии, которые подробно будут рассмотрены ниже в соответствующем разделе. Схема ее состоит в следующем:

- холодное прессование штабиков из порошков вольфрама;

- спекание штабиков в водороде;

- прогрев металла с целью сварки состыкованных штабиков при температуре, близкой к температуре плавления, путем пропускания тока.

- высокотемпературная обработка давлением: ротационная ков­ка, прокатка;

- гидростатическое высокотемпературное выдавливание для получения прутковой заготовки;

- волочение с целью получения проволоки диаметром 2,5... 3 мм;

- волочение проволоки на барабанных станках при температу­ре 1173...1273К;

- отжиг в газовом пламени, в водороде;

- освобождение от смазки и т. д.;

- окончательная намотка на катушки и упаковка.

Механические свойства вольфрамовой проволоки при повышен­ных температурах приведены в табл. 23.

Таблица 23