4. - Бобіни або шпулі; 5 - натяжні ролики

Рис. 5,16. Схема «мокрого» намотування: 1 - шпулярник; 2 - напрямні ролики; 3 - бобіни або шпулі; 4 - просочувальна ванна; 5 - блок підсушування стрічки чи джгута; 6 - натяжник з регулятором; 7 - оправка; 8 - стрічка або

джгут

Рис. 5.17. Складена оправка для отвердіння: 1 - оправка; 2 - мастило К-21 чи ЦИАТИМ - 221; 3 - вуглєпластик або інший пластик; 4 - целофан;

5 - обкладний лист; 6 - металева об'ємно сплетена сітка; 7 - двонитка або мішковина; 8 - гумовий мішок; 9 - штуцер; 10 - відвідні трубки;

11 - колектор; 12 - перехідник до вакуумної системи вакуумним і гідроклавним (автоклавним).

При вакуумному формуванні за рахунок вакуумування створюється зовнішній тиск на матеріал величиною близько однієї надлишкової атмосфери (0,1 МПа).

Складена за наведеною схемою оправка вміщується до печі, якщо це вакуумне формування. Тоді вакуумний колектор приєднується до системи відкачування, встановлюються термопари, і далі чиниться ствердження у встановленому режимі.

При гідроклавному чи автоклавному методах формування створюють надлишковий тиск, що дорівнює кільком десяткам атмосфер (кілька мегапаскалів). Робочою рідиною в автоклавах служить гліцерин, котрий належить до важких ефірів. Головні переваги гліцерину перед іншими рідинами полягають у наступному:

• висока температура кипіння (290 °С чи 563 К);

• низька пружність парів за робочих температур гідроклава;

• дуже незначна розчинність газів у ньому;

• вибухобєзпечний, не займається;

• низький коефіцієнт об'ємного розширення;

• достатня теплопровідність;

• порівняно невелика вартість.

При гідроклавному формуванні оправка вміщується до гідроклава, також приєднується колектор до вакуумної системи, встановлюються необхідні первинні перетворювачі (термопари, манометри й т. ін.), гідроклав зачиняється і заповнюється гліцерином із спеціальної ємності.

Залишковий тиск під гумовим мішком, не більший ніж 150 мм рт. ст., підтримується вакуумними насосами типу ВН-4.

Підвищення температури і тиску в гідроклаві здійснюється у відповідності до заданої програми.

Температурний графік зображено нарис. 5.18.

Максимальний тиск у гідроклаві підтримується таким, що дорівнює

4. .5 МПа. Нагрівання гліцерину в автоклаві здійснюється спеціальними герметизованими електричними нагрівачами (ТЕН).

Графік показує, що за температури 80 °С робиться витримка протягом двох годин. За цієї температури відбувається виділення первинних летких продуктів: води, спиртів, інших розчинників. Потім температура підвищується до (150 ± 5) °С, якщо в якості зв'язного виступають формальдегідні або фуранові смоли.

Для вуглепластиків, що служать теплозахисним і ерозійностійким матеріалом, застосовуються саме ці смоли. У них високе коксове число (-80...90 %), але під час поліконденсації вони виділяють багато сторонніх продуктів і мають значну усадку (-6...8 %). Все це зумовлює необхідність ствердження їх за підвищеного зовнішнього тиску і одночасного вакуумування, що зрештою допомагає уникнути надмірної пористості й надати матеріалу достатньої міцності.

Рис. 5.18. Графік отвердіння вуглепласгику

Слід зазначити, що епоксидні смоли, які використовуються у створенні силових пластикових конструкцій, в процесі полімеризації практично не виділяють летких компонентів і не дають усадки, тому отвердівають у вільному стані, тобто без зовнішнього тиску.

Температуру, після витримування матеріалу з оправкою на рівні 50 °С (353 К), підвищують до 150 °С (453 К) з відхиленням ±5 °С. За цієї температури здійснюється витримка протягом 8 годин, тиск у гідроклаві підтримується на рівні 40.„50 кгс/см² чи 4...5 МПа. Охолодження виробу після отвердіння смоли відбувається у гідроклаві при вимкнутих нагрівачах. Необхідно, щоб до рівня 80 °С (353 К) вакуумні насоси працювали і підтримувався потрібний тиск в апараті.

Після цього вимикаються вакуумні насоси й компресори, і далі здійснюється вільне охолодження до температури 20...35 °С. Перед розкриттям гідроклаву його звільняють від гліцерину шляхом перекачування останнього до іншої посудини, від'єднують термопари, вакуумну систему і т. ін. Дістають у складеному вигляді оснастку із отвердівшим матеріалом, виконують огляд гумового мішка. Потім знімають оснастку і піддають огляду зовнішню поверхню матеріалу. Після цього виріб з оправкою встановлюється на токарний верстат для обробки зовнішньої поверхні за допомогою спеціальних різців. Коли поверхня вирівняна, проводять неруйнівний контроль якості матеріалу (наявність розшарувань, непроклеєння) та його товщини. Для цього застосовують прилади:

• ДУК-66 чи ИАД-4 та ін. - для контролю якості;

• ТУК-ЇМ та ін. — для контролю товщини.

Подальші операції з вузлом залежатимуть від призначення вуглепластикових деталей (елементів). Тут можливі три варіанти.

1. Вуглепластик являє собою закінчену деталь і використовується за призначенням.

2. Вуглепластик в якості теплозахисного покриття вклеюється всередину металічної чи якої іншої оболонки, наприклад до розтруба носія «Шатгл».

3. На вуглепластик, шляхом намотування, наноситься силова оболонка із склопластика або іншого пластика.

За першим і другим варіантами призначення виробу виконується наступне:

розрізування матеріалу по великому діаметру і підрізування по малим діаметрам, тобто по торцям;

заготовки розтрубів (їх дві) знімаються з оправки за допомогою спеціального пристрою і силозбуджувача.

визначення вмісту смоли, ступеня поліконденсації, механічних і теплофізичних характеристик і т. ін. (аналізи проводяться на зразках-свідках чи на зразках, що вирізані з припусків).

Вміст смоли має бути у межах 30...40 %, ступінь поліконденсації не нижчим від 92 %, густина - (145 ± 5) г/см³ (1450 ± 50) кг/м³. Потім за допомогою приладів неруйнівного контролю визначаються суцільність матеріалу й товщина оболонки. Цей контроль здійснюється шляхом сканування на спеціальній автоматизованій установці або ж вручну.

Проводять також зовнішній огляд поверхні виробу. Якщо в матеріалі чи на його поверхні виявлено які-небудь дефекти (розшарування, сліди механічного впливу), то виконується ремонт, який обумовлено документацією. На поверхні дефекти усувають, заливаючи смолою нерівності або наносячи спеціальну масу, що складається із смоли й сажі чи вугільної кришки (пилу). Розшарування в матеріалі усуваються шляхом подавання смоли за допомогою шприца. При цьому треба визначити глибину залягання дефекту (рис. 5.19). Коли ж локальна чи сумарна площа розшарувань перевищує допустиму, то вузол ремонту не підлягає і бракується.

Після виконання всіх технологічних операцій і приймання замовником, вузол відправляють на інші операції чи зберігання.

Я

Проводиться також зовнішній огляд з метою визначення якості поверхні. Після виконання всіх операцій здачі оправку з двома розтрубами

кщо силовою оболонкою розтруба служить склопластик, то механічна обробка включає підрізання малих торців і обробку зовнішньої поверхні до отримання необхідної товщини вуглепластика, вимірювання якої виконується за допомогою приладів неруйнівного контролю. Тут можна застосувати як ультразвуковий, так і електромагнітний методи контролю.

Рис.5.19. Забивання дефекту: 1 - матеріал; 2 - дефект; 3 - смола; 4 - шприц типу ЗД-5, ЗД-6, ЗД-20.

відправляють на намотку склопластика, яка здійснюється на тих же намоту­вальних верстатах з допомогою стрічки або джгута за підвищеного зусилля натяжіння і, зазвичай, «мокрим способом». Зв'язним служать епоксидні смоли.

Полімеризація епоксидних смол проводиться з отверджувачами полиетелен-поліаміном чи гексаметилендіаміном, котрі вводять у смолу перед просочуванням стрічок або джгутів у кількості від 5 до 15 %.

Перебільшення вмісту отвердника призводить до зростання крихкості полімеру, що зазнає ствердження. Полімеризація зв'язного, тобто епоксидної смоли, проводиться за температури 120 °С (395 К) протягом 8 годин. Тож вуглепластик, отверджений за температури 155 °С (428 К), не зазнає внутрішніх змін, тобто деструкції.

Слід зазначити, що полімеризація склопластика здійснюється без зовнішнього тиску в аеродинам'чних або електричних печах опору з витяжною вентиляцією. Поясняється це тим, що під час отвердіння епоксидні смоли майже не виділяють летких компонентів і дають незначну усадку, що, разом з попереднім натяжінням стрічок і джгутів під час намотки, створює природний тиск опресування.

За деякими відомостями з літератури, застосовують і такий режим стверджування епоксидних смол:

• витримування намотаного виробу протягом 24 годин за кімнатної температури;

• підвищення температури до 85 °С і витримування протягом 8... 16 годин.

За такого режиму стверджування краще насичується смолою еле­ментарне волокно, що сприяє підвищенню адгезії на межі матриця- наповнювач і, зрештою, міцності пластика.

Після охолодження виконують розрізання пакету «склопластик + вуглепластик» і знімання з оправки за допомогою тих самих пристосувань, що й просто для вуглепластика. Слід зазначити, що поверхня силової оболонки із склопластика, за винятком торців, механічній обробці не підлягає. Необхідна товщина її досягається кількістю проходжень під час намотування, тобто шарів.

Виконавши всі операції контролю якості, обумовлені документацією, відправляють розтруби (тепер їх два) на складання соплового блоку.

Ми тут детально розглянули технологію виготовлення розтрубу (вихідного конусу) методом намотування. Описаний техпроцес є типовим для отримання цим методом й інших виробів.

Але крім вихідного розтруба вуглепластик застосовується в РДТП і в інших деталях, в тому числі для виготовлення вхідних «комірок» соплового блоку, зовнішнього теплозахисту втопленої частини сопла, деяких облицювань і т. ін. На твердопаливних прискорювачах ракети «Шатгл» вуглепластик застосовано в якості вкладиша критичної частини сопла, де розпал по радіусу досягає 15 мм. Звичайно, для бойових ракет таке неприпустиме.

Для виготовлення комірів та інших деталей РДТП невеликого розміру астосовується і пресовий метод, що полягає у наступному. Спеціально ро кроєні заготівки із вугільного тканинного препрегу (заздалегідь просоченого матеріалу) укладають до прес-форми, виготовленої за розмірами та формою деталі. Для деталей соплового блоку застосовують феноло- формальдегідні чи фуранові смоли. Поліконденсація (ствердження) здійснюється під пресом за тиску від 20 до 140 кгс/см² (2...14 МПа). Режим - звичайний для цих смол: підвищення температури до 80 °С, витримування протягом двох годин і довше - в залежності від товщини стінки деталі. Потім температура підщипується до (150 ± 5) °С, за неї виріб втримується виходячи

з розрахунку 10...30 хвилини на 1 мм товщини стінки, якщо загальна товщина не більша, ніж 50 мм, і 5... 15 хвилин, коли вона більша.

Раніше зазначалося, що вуглепластик, який застосовується розтруба РДТП, має назву УПА-3. Окрім нього створені інші стеклопластики, котрі за нижчої густини мають ті самі експлуатації і характеристики, що й УТТА-3, наприклад УП - УТ - ПУ.

Він формується на зв'язному ФН (феноло-формальдегід) пресовим чи гідроклавним методом. Тоді вуглепластик має відповідне маркування: УП - УТ - ПУ - П чи УП - УТ - ПУ - Г(А). Воно розшифровується таким чином: вуглепластик - вуглетрикотаж - піровуглець - пресовий (У - углерод або укр. вуглець). Це означає, шо тут використовується трикотажна стрічка чи тканина, волокна якої покритті піровуглецем, формування гідропресове, а в другому випадку автоклавне. Покриття волокон піровуглецем сприяє підвищенню їхньої ерозійної стійкості й механічної міцності.

Стрічки мають назву УТЛ (рос. - углетрикотажная лента) і УТЛ - ПУ - вуглетрикотажна стрічка з піровуглецем (ПУ - рос. пироуглерод), про який йтиметься далі. Звичайно УТЛ - ПУ - дорожча стрічка, тому й застосовується для важливих деталей соплового блоку РДТП. Для звичайних вуглепластиків беруть стрічку типу УТЛ.

У таблиці 5.6 наведено теплофізичні і фізико-механічні характеристики матеріалу УПА-3 - вуглепластика автоклавного отвердіння. Із таблиці видно, що теплопровідність матеріалу у напрямку розташування шарів значно вища ніж у напрямку, перпендикулярному до розташування шарів; міцність його на стиснення незначно відрізняється за напрямками.

Разом із підвищенням температури аж до 2 500 °С механічні ха­рактеристики зростають, не дуже знижуючись за подальшого її зростання.

Ступінь чорноти, тобто коефіцієнт випромінювання, змінюється від 0,83 за температури 1 200 °С до 0,92 - за температури 3 000 °С. Зазначені властивості вуглепластиків і характер їхніх змін обумовлюють застосування цих матеріалів за дуже високих температур, які мають місце під час роботи твердопаливного двигуна сумішевих паливах.

Впродовж тривалого часу для захисту головних частин від аеродинамічного нагрівання на «пасивному» відтинку траєкторії застосовували матеріали типу азботекстоліту, склотекстоліту, в тому числі і на основі кварцевих волокон. Іноді до теплозахисного покриття вводили

аблюючі добавки, такі як абляційні нітриди, карбіди та інші наповнювачі, що дисоціюють за високих температур або сублімують. Але у зв'язку зі збільшенням швидкості входу до щільних шарів атмосфери деяких типів головних частин, і відповідно температури ТЗП, застосування кремнеземних пластиків стає неефективним. А якщо їх все ж застосовувати, то потребуватиметься значне збільшення товщини ТЗП і маси головної частини. Пояснюється це тим, що розплав кремнезему, котрий був головним захисним засобом за температур, що мали місце раніше, дуже виноситься за вищих температур і швидкостей, тож і ефективність покриття на його основі падає. Цим викликана необхідність застосування вуглепластиків для теплового захисту не лише головних частин, а й інших об'єктів: вони щонайповніше реалізують свої ентальпійні характеристики за дуже високих температур.

Таблиця 5.6 - Теплофізичні і фізико-механічиі характеристики матеріалу УПА-3

т,°с	Я І* Вт/(м-К)	її- л± Вт(м- К)	саТО б 1/К	с, кДж/(кг- К)	ац-106, 1/К	о»||, МПа	Ец-102, МП а	0ст|, МПа	0ЄТ-Ч МПа	0ВИГ МПа	£,%
20	175	6	4,4	0,68	0,7	7,5	7,5	22,0	25,0	14,5	0,1
1000	55	4,8	5,2	1,8	1,3...2,6	8,5		27,5	27,5	16,5	0,18
1500					1,7...2,9	10,0		31,5	31,5	16,7
2000	38	6	7,9	2,14	2...2,5	12,0		31,5	35,0	21,0	0,27
2500	34	7,4	7,9	2,17		12,5		32,5	32,5	19,5	0,51
2800	30	8,1	7,0	2,19		16		30,5	30,5		1,84

Примітка. *індскс || - паралельно шарам у матеріалі; * ‘індекс -1- - перпендикулярно шарам у матеріалі. А - коефіцієнт теплопровідності; а - коефіцієнт термічного розширення; С - питома теплоємність; сг,, а_ш, <У_т, - міцність при розтяганні, стисканні, вигині, відповідно; Е - модуль пружності; є, % - відносне подовження.

Для оцінки ефективності теплозахисних покрить вводиться показник

С = ^, а

де G - показник ефективності; р - густина матеріалу, г/см³ (кг/м³); а - коефіцієнт теплообміну, Вт/град; и- швидкість винесення матеріалу, мм/с (м/с).

Чим меншим є G, тим кращим є теплозахисне покриття. Так, для покриття СТКТ - НА (склотекстоліт, кварцова тканина, намотувальний, автоклавний) він становить 0,9...1, для вуглепластика УП - Т - 0,5...0,6.

Тенденція переходу від склотекстолітів до вуглепластиків спостері­гається не лише у вітчизняній техніці, а й за кордоном, наприклад на

міжконтинентальних бойових ракетах (МБР) типу «ТРАЙДЕНТ», «МХ».

Як правило, на головних частинах (ГЧ) застосовується кільцева намотка теплозахисного покриття за допомогою стрічки. При цьому намагаються розміщувати шари покриття не паралельно твірній конуса, а під кутом, аби винесення ТЗП було мінімальним під час руху ГЧ в щільних шарах атмосфери. Найкращим варіантом є така намотка, коли шари розміщуються перпендикулярно до твірної, але технологічно здійснити це практично неможливо. За намотки з малого діаметра конуса прямою стрічкою шари розміщуються під тупим кутом до напрямку руху газового потоку (рис. 5.20, а). Коли намопса ведеться з великого торця, шари в ТЗП розміщуються під гострим кутом до напрямку руху ГЧ, тобто «за потоком» (рис. 5.20, б). Зрозуміло, що винесення покриття з шарів, розміщених за варіантом «б» буде меншим, а ефективність ТЗП - вищою. Можна припус­тити, що за нашого часу як у нас, так і за кордоном застосовується намопса покриття з великого торця, хоча технологія при цьому значно ускладнюється.

У цій главі згаданий матеріал не розглядається, бо вона присвячена головним чином технології РДТП.

.1 І . І.“І

Рис. 5.20. Розміщення шарів у ТЗП: 1 - ТЗП; 2 - метал; а - за намотки з малого торця; б - за намотки з великого торця.

Окрім вихідних розтрубів, головних частин, вуглепластики за­стосовуються для вхідних деталей соплового блоку, в тому числі для коміра, каски. Ці деталі отримують шляхом укладання заготівок тканини, просоченої зв'язним, до прес-форми та подальшого формування і поліконденсації під пресом за тиску до 140 кгс/см² і температури (155 ± 5) °С. Час витримування за максимальної температури становить 20 хвилин на 1 мм товщини матеріалу. Густина таких пластиків дорівнює 1,35...1,45 г/см³ (1 350...1 450 кг/м), міцність на стиснення - 800 кгс/см². Методи виготовлення вуглепластиків і техпроцеси є типовими і для отримання інших пластиків [32 - 38].