Разработка технологических средств для производства теплозащитных покрытий космических кораблей с улучшенными характеристиками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Романенков Владимир Алексеевич

• Романенков Владимир Алексеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Романенков Владимир Алексеевич

Введение

Глава 1. Анализ состояния научно-технических и опытно-конструкторских разработок в области производства теплозащиты спускаемых аппаратов космических кораблей

1.1. Принципы функционирования тепловой защиты спускаемых космических аппаратов и требования к свойствам тепловой защиты, достигаемым при изготовлении теплозащитных покрытий

1.2. Технологический цикл изготовления теплозащитного покрытия спускаемых аппаратов

1.2.1. Опыт пропитки волокнистых наполнителей при изготовлении композитных конструкций

1.2.2. Опыт сушки пропитанных волокнистых наполнителей при изготовлении конструкций из полимерных композиционных материалов

1.3. Автоклавная баротермическая обработка теплозащитных покрытий с целью формообразования конструкции при одновременной оптимизации состава и структуры тепловой защиты

1.4. Формулировка задач исследования данной работы

Глава 2. Теоретическое описание технологии жидкофазной пропитки заготовок теплозащитных покрытий

2.1. Описание структуры вязально-прошивных полотен, как исходных заготовок для пропитки многослойных препрегов теплозащитных покрытий

2.2. Основные свойства бакелитового лака и феноло-формальдегидных полимеров, применяемых в качестве связующего для производства теплозащитных покрытий

2.3. Динамика формирования структуры теплозащитного материала

при многократной пропитке-сушке многослойного препрега

2.4. Анализ гидромеханики пропитки тканого пакета заготовок

2.4.1. Описание капиллярного механизма пропитки тканого пакета заготовок

2.4.2. Описание приточно-вытяжного механизма пропитки с движением вязкого лака вдоль образующей поверхности теплозащиты

2.4.3. Исследование направлений интенсификации процесса пропитки тканого пакета заготовок

2.4.4. Экспериментальное исследование процесса поперечной пропитки

2.5. Исследование процессов гидромеханики и массопереноса в процессе вакуумной сушки

2.5.1. Исследование массопереноса в процессе испарения при вакуумной сушке

2.5.2. Теоретический анализ гидромеханики связующего в процессе вакуумной сушки

2.6. Выводы по Главе

Глава 3. Научные основы обоснования режимов баротермической

(автоклавной и прессовой) обработки в технологическом процессе изготовления теплозащитных покрытий

3.1. Сравнительный анализ технологических способов снижения вязкости бакелитового лака ЛБС-4 при изготовлении теплозащиты спускаемых аппаратов

3.2. Моделирование процесса вытеснения излишков связующего из препрега под действием внешнего давления в условиях роста температуры

3.2.1. Математическая модель изменения толщины препрега под действием внешнего давления

3.2.2. Верификация методики анализа процесса вытеснения излишков связующего из препрегов

3.3. Принципиальный подход к согласованию баротермических режимов уплотнения материала на прессе и в автоклаве

3.4. Выводы по Главе

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработок и методик обоснования технологических режимов циклической поперечной пропитки многослойных препрегов и баротермического формования теплозащитных покрытий в автоклавном комплексе с

нейтральной средой

4.1. Отработка технологии изготовления многослойных препрегов теплозащитных покрытий в опытно-промышленной установке

4.2. Сопоставление результатов экспериментов и практического изготовления препрегов, полученных методом 3-х кратной пропитки с требованиями, предъявляемыми к препрегам теплозащитных покрытий

4.3. Физико-химические свойства теплозащитных покрытий, изготовленных из препрегов, полученных методом 3-х кратной поперечной пропитки

4.4. Сравнительный анализ технологий изготовления теплозащитных покрытий в автоклаве и воздушной и нейтральной рабочей средой

4.5. Отработка технологии баротермического формования теплозащитных покрытий в автоматизированном автоклавном комплексе

с нейтральной рабочей средой

4.6. Сравнительный анализ уровня свойств теплозащитных покрытий, достигнутых при изготовлении конструкций тепловой защиты спускаемых аппаратов по усовершенствованной технологии баро-термического формования с требуемыми технической документацией значениями физико-механических и физико-химических параметров тепловой защиты

4.7. Экономическая эффективность новых технологий многократной вакуумной пропитки препрегов и баротермического формования теплозащитных покрытий

4.8. Выводы по Главе

Заключение (основные выводы и результаты)

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических средств для производства теплозащитных покрытий космических кораблей с улучшенными характеристиками»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Проблема тепловой защиты является первостепенной при решении задач движения летательных аппаратов в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями, например, спускаемых аппаратов (СА) пилотируемых космических кораблей при возвращении на Землю. Аэродинамическое торможение набегающего потока воздуха на поверхности ЛА приводит к формированию интенсивных тепловых потоков к пилотируемому изделию.

Разработке тепловой защиты для полетов в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями предшествовали теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в ПАО РКК «Энергия» им. С.П. Королёва; в отраслевых и академических институтах ФГУП ЦНИИМАШ, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, НПО «Композит», ФГУП ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, а также ведущих технических ВУЗах страны: МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГУ ми. М.В. Ломоносова, Южноуральский университет, МАИ (НИУ), МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, МГУЛ и др.

Развитию и совершенствованию теплозащиты космических аппаратов были посвящены работы известных учёных физиков, химиков, материаловедов и технологов, таких как Анфимов Н.А., Авдуевсий В.С., Тихонравов Н.А., Полежаев Ю.В., Шлёнский О.Ф., Скала С.М., Горский В.В., Зарубин В.С., Алфу-тов Н.А., Резник С.В., Просунцов П.В. и многих др. Выполненные работы легли в основу создания систем тепловой защиты на основе композиционных материалов. В РКК «Энергия» вопросами теплозащиты занимались Северов А.А., Рыжиков В.И., Бурлуцкий В.Ф., Доморацкий А.Н., Борисенко В.Н., Чупров Б.И., Белов В.А., Москалева Н.А., Комаров С.П. и другие.

Установлено, что наиболее эффективными явились системы, построенные на принципе абляции - упорядоченном разрушении части теплозащитного покрытия из искусственно созданных композиционных материалов(КМ) и, в частности, на основе стеклянных, асбестовых, капроновых волокон, переплетенных в многослойную объемную структуру и полимерной феноло-

формальдегидной смолы, заполняющей межволоконное пространство и скрепляющей волокна.

Важнейшим условием качества и надежности подобной тепловой защиты является обеспечение требуемых условиями эксплуатации значений физико-механических и теплофизических свойств КМ. Данная задача решается в процессе изготовления композитной конструкции теплозащитного покрытия, т.к. получение материала и создание конструкции совмещены во времени.

Производство тепловой защиты СА включает несколько различных технологий. Главными факторами, определяющими качество теплозащитного покрытия, являются: факторы пропитки волокнистого наполнителя раствором фе-ноло-формальдегидной смолы в этиловом спирте при изготовления многослойного препрега, и факторы последующего горячего формования в автоклаве под давлением газообразной среды (баротермическое формование).

Управление указанными факторами невозможно без понимания взаимосвязей между технологическими параметрами процесса (давлением, температурой, временем, вязкостью, текучестью и т.п.) и параметрами процессов массо-переноса связующего при пропитке и автоклавном формовании.

Известные результаты проведенных исследований не содержат моделей, необходимых для оптимизации и активного управления технологическими процессами пропитки и автоклавного формования.

В связи с этим представленную научную работу, посвященную созданию методического и технологического обеспечения процессов изготовления теплозащитного покрытия СА, следует считать актуальной.

Цель работы. Повысить уровень физико-механических и физико-химических свойств теплозащиты космических кораблей на базе новых технологий и оборудования при снижении затрат на производство ТЗП.

Основные задачи исследования:

1. Научное обоснование технологических режимов многократной пропитки-сушки заготовки теплозащиты из условия обеспечения доли смолы на уровне 35-40% и создание оборудования для снижения времени пропитки;

2. Создание автоклавного комплекса, использующего азот в качестве рабочей среды, и научно обоснованное согласование технологического воздействия на заготовку теплозащиты температуры и давления в реакционной камере;

3. Разработка рекомендаций по применению результатов исследований в производстве теплозащитных покрытий.

Научной новизной обладают следующие положения работы:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена технология пропитки многослойных вязально-прошивных заготовок ТЗП феноло-формальдегидным связующим, которая на основе оригинальной 3-х кратной комбинации режимов пропитки и вакуумной сушки обеспечила получение высокого содержания смолы на уровне более 42%, что недостижимо при традиционной технологии пропитки.

2. Концептуально обоснована величина оптимальной доли спирта, равной 75% и удаляемой из связующего ЛБС-4 методом вакуумной сушки, позволяющая обеспечивать минимальную длительность 3-х циклов пропитки-сушки заготовок ТЗП с высоким содержанием смолы.

3. Теоретически обоснована связь технологических параметров формования ТЗП - величины давления и момента подачи азота в реакционную камеру автоклава, обеспечивающая получение требуемого содержания феноло-формальдегидной матрицы в тепловой защите по окончании процесса отверждения связующего.

4. Разработана методика согласования давления и момента подачи азота в реакционную камеру автоклава, позволившая сократить до минимума энергозатраты на получение азота из воздуха и нагрев формуемого теплозащитного покрытия и обосновать наиболее экономичный вариант заполнения камеры азотом с предварительным вакуумированием по сравнению с традиционной технологией продувки.

Практическая значимость работы состоит:

• в созданном комплексе методик для обоснованного выбора технологических режимов многократной пропитки, вакуумной сушки и автоклавного формования с учетом свойств волокнистого наполнителя и феноло-формальдегидной смолы, обеспечивающих однородность распределения и требуемое соотношение объемов смолы и наполнителя в теплозащитном покрытии;

• в созданной технологии и опытно-промышленной установке, которые позволяют проводить многократную пропитку многослойных вязально-прошивных полотен бакелитовым лаком, обеспечить однородность распределения связующего и наполнителя, сократить время пропитки и расход связующего;

• в созданной технологии и автоматизированном автоклавном комплексе, которые обеспечивают эффективное проведение автоклавного формования в нейтральной среде теплозащитных покрытий с однородным распределением и определенным соотношением объемов связующего и наполнителя в материале;

Практическая значимость научных, методических и технологических разработок подтверждается актами испытаний препрегов, теплозащитных композиционных материалов и конструкций тепловой защиты спускаемых аппаратов (СА), техническими актами внедрения технологий и оборудования в ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» РКК «Энергия» им. С.П. Королева.

Объект исследования: Технология производства теплозащитных покрытий пилотируемых транспортных кораблей из композиционных материалов на основе вязально-прошивных кремнезёмных и кремнезёмно-капроновых полотен и феноло-формальдегидного связующего.

Методы исследований: Теоретические положения работы базируются на использовании верифицированных численных методов исследования, положений теории вероятности и математической статистики, сертифицированных методов измерения теплофизических и механических величин. Эксперименты по

пропитке проводились на опытно-промышленной установке ВК 888-01850, по автоклавному формованию - на аттестованном автоматизированном автоклавном комплексе, испытания материалов - на сертифицированном испытательном оборудовании - Zwick Z 150, применяемом в производстве космической техники на «Заводе экспериментального машиностроения РКК «Энергия» им. С.П Королева.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, изложенных в работе, обеспечиваются корректным применением математических методов анализа и оптимизации, известных методов экспериментальных исследований на аттестованном оборудовании, сходимостью результатов аналитических моделей с экспериментальными данными, а также успешным использованием основных положений работы в производстве космической техники.

Основные научно-практические положения работы, выносимые на защиту:

• результат аналитической оценки научно-практической значимости основных направлений развития и совершенствования технологии многократной пропитки, вакуумной сушки и автоклавного формования теплозащитных покрытий космических кораблей в соответствии с приоритетом повышения качества теплозащиты и снижения затрат при изготовлении;

• принципы проведения многократной пропитки-сушки заготовок ТЗП, включая режимы и количество повторяющихся циклов, количество удаляемых летучих компонентов, с достижением высокого содержания феноло-формальдегидной смолы при минимальной длительности производственного цикла и расхода связующего;

• математическая модель уплотнения стенки теплозащитного покрытия, определяющая выбор технологических режимов автоклавного формования, методику согласования давления и момента подачи азота в

реакционную камеру, обеспечивающих достижение требуемого содержания смолы в покрытии с минимальными затратами электроэнергии.

Апробация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на пяти международных конференциях «Академические чтениях по космонавтике ...» (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана) в 2005; 2010; 2011; 2016; 2017г.г., на 4-ой Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана) в 2013г., на международной конференции «The International Conference on Advanced Composite Materials and Technologies for Aerospace Applications» (Wrexhem UK, Glyndor university) в 2016г.

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 10 статьях общим объемом 14,5 п.л., опубликованных в журналах Перечней Scopus, ВАК РФ и РИНЦ. По материалам диссертации получено 4 патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в выполненном анализе практического опыта изготовления теплозащиты космических кораблей, определении необходимости и пути совершенствования технологий. Проведены также научные и экспериментальные исследования, моделирование процессов и явлений, связанных с тепломассопереносом в многослойных волокнистых композиционных материалах, позволившие автору концептуально и теоретически обосновать, разработать и внедрить в практику новые эффективные технологии и технологическое оборудование многократной поперечной пропитки, вакуумной сушки и автоклавного формования теплозащитных покрытий с заданным соотношением и однородным распределением матрицы и наполнителя.

Работа выполнена по Госконтракту № 351-8625107 в рамках Федеральной космической программы 2006 - 2015гг.

Глава 1. Анализ состояния научно-технических и опытно-конструкторских разработок в области производства теплозащиты спускаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей

1.1. Принципы функционирования тепловой защиты спускаемых космических аппаратов и требования к свойствам тепловой защиты, достигаемым при изготовлении теплозащитных покрытий

Предельно допустимыми для самых жаростойких металлов считаются тепловые потоки около 2,5 105 Вт/м2, разогревающие поверхность до 1500 К. Причем данные границы являются в значительной степени условными, т.к. на практике тепловое воздействие сопровождается механическим и окислительным, что значительно снижает пороговые значения температур для металлов.[1]

Из известных основных способов отвода (поглощения) тепла: теплопроводностью теплоёмкими конденсированными веществами, конвекцией, массо-обменом, излучением, самым эффективным для всех космических аппаратов, время спуска которых менее 500 секунд, является способ абляции, основанный на физико-химических превращениях, происходящих при разрушении теплозащитного материала, сопровождающегося переходом части материала в газообразное состояние.

Абляция - процесс постепенного уноса скоростным высокотемпературным газовым потоком продуктов термического разложения поверхностного слоя материала. На термодеструкцию материала затрачивается значительное количество тепловой энергии аэродинамического нагрева в результате плавления, испарения, сублимации и других физических процессов. Постепенный «жертвенный» унос поверхностного слоя материала ограничивает тепловой поток внутрь материала, обеспечивая сохранение прочности и целостности нижних слоев, снижая температуру [1-3].

Разработке тепловой защиты для полетов в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями предшествовали теоретические и экспериментальные исследова-

ния, проведенные в РКК «Энергия»; в отраслевых и академических институтах ЦНИИМАШ, ВИАМ, «Композит», ЦАГИ им. Жуковского, а также ведущих технических ВУЗах страны МГТУ, МГУ, МГУЛ, Южноуральский университет, МАИ, МАТИ и др.

Развитию и совершенствованию теплозащиты космических аппаратов были посвящены работы известных учёных физиков, химиков, материаловедов и технологов, таких как Анфимов Н.А., Авдуевсий В.С., Тихонравов Н.А., Полежаев Ю.В., Шлёнский О.Ф., Скала С.М., Горский В.В., Зарубин В.С., Алфу-тов Н.А., Резник С.В., Просунцов П.В. и многих др. Выполненные работы легли в основу создания систем тепловой защиты на основе композиционных материалов.

Значительный практический вклад в создание тепловой защиты спускаемых аппаратов (СА) был внесен учёными и инженерами РКК «Энергия», среди которых Северов А.А., Рыжиков В.И., Бурлуцкий В.Ф., Доморацкий А.Н., Бо-рисенко В.Н., Чупров Б.И., Белов В.А., Москалева Н.А., Комаров С.П. и многие другие.

Установлено, что наиболее эффективными явились абляционные покрытия из искусственно созданных полимерных композиционных материалов, армированных волокнами.

Абляция в теплозащитных материалах (ТЗМ) при воздействии интенсивных тепловых потоков описана в работах [1, 3, 65, 94]. При деструкции углеводородного полимера водород и другие летучие компоненты образуют теплоемкий защитный слой. На внешней поверхности остается углерод в виде пористого графита, имеющего высокую степень черноты, низкую теплопроводность и высокую огнеупорность. Нагретый поверхностный углерод обладает хорошей излучательной способностью, что также уменьшает плотность теплового потока внутрь материала.

Схема формирования зон в ТЗМ при воздействии высокотемпературного газового потока показана на Рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Схема формирования зон в ТЗМ

Иными словами, подведенный к поверхности теплозащиты извне тепловой поток расходуется на излучение нагретой поверхности и на увеличение теплосодержания материала, на поверхностные физико-химические превращения с расходом массы и тепловым эффектом. Кроме того интенсивность теплообмена снижается за счет вдува (потока) газообразных продуктов разрушения в пограничный слой и тепловой поток, идущий внутрь материала. Интенсивность протекания физико-химических превращений определяется теплофизическими параметрами материала, составом, структурой, а в случае композиционных материалов, еще и технологией, поскольку теплозащитный материал и теплозащитная конструкция создаются одновременно. Причем система управляющих параметров регулирования технологических процессов должна обеспечивать выполнение требований, предъявляемых к тепловой защите, основанных на фазовых, в общем случае физико-химических превращениях, включая:

1) поглощение максимального количества теплоты;

2) высокое значение объемной теплоемкости;

3) высокую прочность при высоких температурах;

4) высокую температуру поверхности при разрушении и высокую степень черноты;

5) низкую молекулярную массу газообразных продуктов, образующихся при разложении;

6) образование жидкофазной поверхностной пленки с высокой вязкостью расплава.

Любые фазовые превращения сопровождаются значительными тепловыми эффектами, которые используются при конструктивном построении тепловой защиты космических аппаратов на основе композитов, в состав которых входят компоненты, способные к плавлению, испарению, или сублимации, а также разрушение которых в процессе нагрева прогнозируется и происходит в строго запланированном порядке.

Теплозащитные покрытия (ТЗП) используются как эффективный способ снижения перегрева элементов конструкций космических кораблей при действии высоких температур и тепловых потоков. Композиционная структура материала позволяет существенно снизить массу конструкций. В современных космических аппаратах доля конструкций из КМ, указанных на Рисунке 1.2, в том числе и абляционных, в общей массе корабля составляет более 25%.

й во

$ 70

I ^ 60

И |

^ ^ 40

| | 30

| * 20 с

И 10

Космические

антенны

1ГГКНП

■

Спутники

С БЯЗИ

«Энергия

- Буран»

«Союз»

1 1 ,

классы изделий

Рисунок 1.2. Доля композитных конструкций в изделиях

В результате выполненных научных и экспериментальных работ на практике нашли применение два основных способа построения композиционной тепловой защиты, наиболее полно удовлетворяющих выше приведенным требованиям. В первом, армирующий материал (наполнитель) в композите образован переплетёнными волокнами, а связующий компонент (матрица), заполняющая межволоконное пространство, связывает волокна воедино. Теплозащитные материалы данного типа представлены на Рисунке 1.3.

а) б)

Рисунок 1.3 а) теплозащитный материал на основе кремнезёмных стеклянных волокон, пропитанных феноло-формальдегидной смолой; б) теплозащитный материал на основе асбестовых волокон, пропитанных феноло-формальдегидной смолой Во втором варианте конструктивным каркасом являются соты из стеклопластика или металла, заполненные смесью полимерной органической смолы, стеклянных пористых микросфер и хаотично распределённых микроволокон. Данный материал представлен на Рисунке 1.4.

б) в)

Рисунок 1.4 а) Структура теплозащитного материала на основе

стеклопластикового сотового каркаса, заполненного органической полимерной смолой, стеклянными микросферами и волокнами; б) образец материала до тепловых испытаний; в) образец материала после тепловых испытаний

Первый тип тепловой защиты, предпочтителен для СА, вход в атмосферу которых сопряжен со сверхвысокими динамическими нагрузками, обусловленными движением по баллистическим траекториям с малым временем спуска.

Практика применения композиционных материалов для тепловой защиты космических аппаратов показала, что наибольшую эффективность и надежность проявляют стеклопластики на основе кремнезёмных волокон и термореактивной феноло-формальдегидной смолы.

Термореактивная феноло-формальдегидная смола обладает густосетчатой пространственной структурой, образованной атомами углерода, кислорода, водорода. Данные материалы не плавятся, а при высокотемпературном нагреве

деструктируют с образованием углеродистого или коксового остатка без предварительного перехода в жидкое или вязко-текучее состояние и газообразных продуктов разложения.

Соотношение масс газообразных и твёрдых продуктов деструкции смолы определяется коксовым числом, К.

где рс , кг/м3- конечная плотность твёрдого остатка; ро , кг/м3 - начальная плотность смолы, которая для фенольно-формальдегидных смол лежит в интервале К = 0,5-0,6.

В результате выполненных исследований [3] показано, что при нагреве смолы до 1370 К примерный состав продуктов деструкции смолы включает: 54% кокса; 27% водорода; 6% оксида углерода; 6% паров воды; 7% прочие газы.

Применение данных смол в качестве связующих (матриц) в теплозащитных композитах, в частности в стеклопластиках, обусловлено ещё и тем, что образующийся при деструкции углерод в значительной мере упрочняет стекло-волокнистый наполнитель и создаёт благоприятные условия эффективной и полной реализации теплоты разложения волокон.

Схематично процесс разрушения стеклопластика с органической матрицей под действием теплового потока представлен на Рисунке 1.5.

Любые фазовые превращения сопровождаются значительными тепловыми эффектами, которые используются при конструктивном построении тепловой защиты космических аппаратов на основе композитов, в состав которых входят компоненты, способные к плавлению, испарению, или сублимации [2], а также разрушение которых в процессе нагрева прогнозируется и происходит в строго запланированном порядке.

1 2 3 4 5 6

Рисунок 1.5. Схематичная модель разрушения стеклопластика под воздействием теплового потока Р 1- пристеночный слой; 2 - расплав стекла; 3 - коксовый остаток; 4 - зона разложения; 5 - исходный материал; 6 - защищаемая конструкция ; 7 - потоки газообразных продуктов; 8 - частицы кокса

Так при воздействии теплового потока на теплозащитный стекловолокни-стый композит с феноло-формальдегидной матрицей по достижении температуры размягчения стекла образуется жидкая пленка расплава, вовлекающего во взаимодействие частицы твёрдого кокса - продукта разложения матрицы, что приводит к увеличению вязкости расплава и снижению эффективности теплопроводности. Данные факторы обуславливают увеличение доли газообразного вещества в общем уносе массы, следовательно, важнейшими параметрами теплозащитного стеклопластика являются содержание смолы фсм и коксовое число К, с увеличением которых растёт не только вязкость расплава на поверхности, но и количество тепла, поглощаемого фильтрующимися газообразными продуктами разложения феноло-формальдегидной смолы.

Приведённые в [1] данные определяют также возможность снижения интенсивности теплообмена между газом и поверхностью теплозащиты при входе корабля в атмосферу путём увеличения сопротивления сил нормального давле-

ния или иными словами конструкция корпуса СА должна быть плохообтекае-мой.

По такому принципу, например, устроена возвращаемая капсула корабля «Союз», имеющая сегментную форму, изображенная на Рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Спускаемый аппарат пилотируемого транспортного корабля «Союз»

Наиболее нагруженными элементами тепловой защиты СА являются оболочки корпуса и лобового теплозащитного экрана (ЛТЭ), изображенные на Рисунке 1.7, изготавливаемые из многослойных стеклопластиков.

а) б)

Рисунок 1.7 а) теплозащитная оболочка корпуса СА; б) лобовой теплозащитный

экран

Исходя из конструктивных особенностей теплозащитных оболочек и экранов СА (массы, габаритов, толщины) важнейшей задачей является обеспечение заданных значений физико-химических свойств материалов в каждой единице объема изделия, основные из которых указаны в Таблице 1.

Таблица 1.

Основные свойства теплозащитных материалов

№ п/п Марка и состав материала Массовая доля смолы, % Степень отверждения, % Плотность, г/см3 Водопоглощение, %

1 ТСПФ (кремнезёмное вязально-прошивное полотно ПВП-КТ + бакелитовый лак ЛБС-4) > 28 > 94 1,35 - 1,7 < 4,5

2 ПКТ-11-КФЛ кремнеземно-капроновое вязаль-но-прошивное полотно ПВП-КТК + бакели-товый лак ЛБС-4) 30 - 45 > 90 1,15 - 1,4 < 6

Возможная неравномерность распределения связующего в препреге при пропитке, концентрация излишков смолы в локальных замкнутых зонах при формовании в автоклаве, неравномерность нагрева и теплообмена в массе материала могут привести к негативным явлениям ещё в процессе изготовления теплозащитного покрытия, приводящим к очаговой деструкции материала ТЗП.

Так, например, проведённые совместные исследования с ВНИИ Противопожарной обороны МЧС России показали возможные условия термоокислительной деструкции теплозащитных материалов при горячем формовании.

Данные исследования подтвердили предположение о том, что теплозащитный композит является горючим материалом, а также и то, что при изготовлении материала возможно образование локальных зон с существенной неоднородностью распределения связующего, в которых могут зарождаться «очаги», и создаются условия для протекания нескольких процессов, а именно, рост

температуры выше критической за счёт превышения внутреннего тепловыделения над теплоотводом вследствие высокой экзотермии реакций отверждения и низкой теплопроводности отверждённого композита, а также возможность диффузии в зону «очага» кислорода в автоклаве с воздушной рабочей средой, что резко интенсифицирует процесс деструкции композита в локальной зоне.

Наличие подобных дефектов в тепловой защите, устанавливаемой на СА, недопустимо ни при каких условиях, поскольку представляет чрезвычайную опасность катастрофического разрушения ТЗП и корпуса СА. Исключение малейшей возможности возникновения подобных явлений при производстве теплозащиты потребовало научного исследования и решения следующих ключевых проблемных вопросов: создания технологии пропитки, обеспечивающей высокое содержание полимера в препреге и однородности распределения связующего в препреге; значительного сокращения длительности пропитки, оптимизации назначения технологических режимов баротермической обработки, обеспечивающих однородность распределения, требуемое соотношение между полимерной матрицей и волокнистым наполнителем, заданный уровень физико-механических свойств в каждой единице объема теплозащитного покрытия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Романенков Владимир Алексеевич, 2019 год

Температура

Рисунок 1.16. Температурная зависимость изменения вязкости связующего

ВСО - 200М

На основании зависимости авторами выбрана температура удаления излишков связующего в интервале 80 - 90°С, т.к. после 75°С изменение вязкости незначительны. Отмечается также, что режим формования препрега включает предварительную выдержку под вакуумом, в течение которой экспериментально подтверждено удаление в основном летучих компонентов связующего в силу значительно меньшей вязкости по отношению к основному компоненту -смоле и недостаточного градиента давления. Летучие компоненты в газообразном состоянии при повышенной температуре перемещаются в направлении уменьшения давления и перекрывают каналы пор, уменьшая пористость и проницаемость наполнителя, и создают дополнительные препятствия для выхода связующего. Эксперимент также показал, что интенсивное удаление связующего происходило только после создания избыточного давления в автоклаве на формуемый пакет препрега.

При автоклавном формовании при создании избыточного давления на препрег с волокнистым наполнителем наблюдается активное течение связующего по зазорам между нитями ткани, т.к. движение вдоль и поперёк элементарных волокон в нитях встречает значительное сопротивление вследствие малости размера межволоконного пространства, поскольку проницаемость пропорциональна квадрату радиуса поперечного сечения межволоконного пространства, и чем меньше радиус, тем меньше проницаемость.

Пористость величина переменная, изменяется во времени вследствие уплотнения формуемой заготовки, перераспределения связующего в препреге и удаления избытка из заготовки. Поэтому наиболее значимой задачей является получение знаний о динамике изменения пористости при формовании заготовки и определение условий достижения минимального значения пористости в отверждённом материале.

В работах [30,33] также приводятся данные по пористости и проницаемости многослойных пакетов, составленных из монослоёв стеклоткани Э-3-250, и , в частности, определён коэффициент проницаемости данной ткани, находящийся в пределах 0,2-1,2 мкм2, экспериментальным путём установлена зависимость коэффициента проницаемости от пористости ткани, приведённая на Рисунке 1.17.

£ 0.2 0.3 0.4 0,5 0,6

Пористость ш, %

Рисунок 1.17. Зависимость проницаемости стеклоткани Э - 3 - 250 от пористости

Эксперименты проводились при комнатной температуре 20°С, в качестве фильтрующейся жидкости использовалась вода.

Необходимо подчеркнуть, что при изменении температуры для жидких полимерных связующих, с изменяющейся вязкостью получаемая зависимость будет иметь существенные отличия от приведенной на Рисунке 1.17.

Качество композитной конструкции, формуемой в автоклаве, напрямую зависит и от точности реализации назначенных параметров технологических режимов, определяемой уровнем совершенства применяемого автоклавного оборудования. Так при слабо автоматизированном процессе управления автоклавом, изображенном на Рисунке 1.18 как отмечается в работе [34], наблюда-

ется зависимость качества продукции от выбора настроек параметров типовых регуляторов оборудования и от приобретённых знаний и опыта операторов.

Рисунок 1.18. Ручное управление параметрами технологического режима в

пультовой автоклава Основным требованием, предъявляемым к системам управления, является минимизация отклонений технологических параметров от заданных.

Решение данной задачи лежит на пути комплексной автоматизации процессов ведения режимов, создании систем управления, сводящих к минимуму влияние, так называемого «человеческого фактора», и роль оператора только лишь к введению в систему управления заранее назначенных и отработанных параметров технологического режима.

В работах [35, 36] авторами отмечается особая важность выбора типа рабочей среды в автоклаве, связанная с обеспечением не только качества изделий, но и промышленной безопасности особенно в случаях использования в составе формуемых материалов летучих, легковоспламеняющихся веществ. Отмечается, например, опасность возгорания материалов при определенных условиях формования, когда в качестве рабочей среды в автоклавах старой конструкции, изображенной на Рисунке 1.19, применяется сжатый воздух.

Рисунок 1.19. Общий вид автоклава с двухсторонней системой рециркуляции

воздушной рабочей среды Для сосудов, работающих под давлением, к коим относится реакционная камера автоклава, подобная ситуация является недопустимой поскольку может привести к чрезвычайной ситуации, грозящей катастрофическими разрушениями. Применение же в качестве рабочей среды нейтрального газа, обычно азота, полностью исключает подобные ситуации. Авторы также отмечают особое значение созданию условий формования композитных крупногабаритных конструкций с минимальными градиентами температур при нагреве, термостати-ровании и охлаждении изделия.

Основными условиями получения качественного композита с полимерной матрицей в данном случае является равномерная, строго нормированная передача тепла к материалу для инициирования и прохождения химических реакций полимеризации одновременно во всём объёме материала, а также приложения в определенный момент времени равномерно распределённой по поверхности заданной силы давления для уплотнения материала.

Однородность температурных полей в реакционной камере и на формуемом изделии во многом определяется конструктивными особенностями оборудования и применяемыми на практике схемами перемещения газообразной рабочей среды, изображенными на Рисунке 1.20, обеспечивающей теплообмен с изделием и механическое воздействие на поверхность изделия.

Схема, представленная на Рисунке 1.20 а, была практически реализована в автоклаве 1960 года выпуска, эксплуатировавшемся на ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия», общий вид которого представлен на Рисунке 1.19.

Для данной схемы наблюдалась значительная неравномерность распределения температур на изделии, достигающей 10... 15°С.

1

в) б)

Рисунок 1.20. Схемы рециркуляционного перемещения рабочей среды в автоклаве по отношению к оси формуемого изделия: а) перпендикулярная двухсторонняя;б) перпендикулярная односторонняя; в) параллельная (соосная) 1 - реакционная камера; 2 - изделие; 3 - вентилятор; 4 - газовые каналы; 5 -направление потоков теплоносителя; 6 - теневая зона

Схема для автоклава с горизонтальным расположением реакционной камеры, представленная на Рисунке 1.20 б, создавала более благоприятные условия для равномерного теплообмена между газом и поверхностью изделия. Однако для изделий в виде тел вращения данное условие выполняется только для фронтальной поверхности, а в тыльной части возможно образование т.н. теневых зон для обтекания газовыми потоками. В результате перепад температур мог достигать 15...20°С. Возможный вариант поворота изделия с ориентацией оси вдоль газового потока приводит также к нежелательным эффектам, связанным с перемещением связующего под действием силы тяжести в нижние области изделия и значительной неоднородности распределения. Очевидный способ устранения данного недостатка - вращение изделия относительно оси значительно усложняет и удорожает оборудование и производственный процесс.

Соосная схема, изображенная на Рисунке 1.20 в, описываемая в патенте на изобретение [37], лишена указанных выше недостатков и реализована в автоклавном комплексе с вертикальной реакционной камерой и автоматизированной системой управления работой оборудования. 1.4. Формулировка задач исследования данной работы

На основании приведённых выше данных были приняты следующие задачи исследования:

1. На основании анализа свойств и состава феноло-формальдегидных связующих, структуры волокнистых наполнителей, применяемых при производстве многослойных препрегов, закона сохранения массы создать математическую модель и обосновать технологические режимы процесса многократной пропитки-сушки, исследование динамики содержания летучих компонентов в препреге при многократной пропитке-сушке.

2. На основании анализа процесса течения жидкости в капиллярно-пористом наполнителе создать математическую модель и методику обоснования режимов баротермического формования, позволяющую назначать закон изменения во времени мощности системы нагрева, а

также величину и момент приращения давления в автоклаве при формовании.

3. Создать опытно-промышленную установку для многократной пропитки многослойных препрегов и автоклавный комплекс для баротерми-ческого формования, провести сравнение результатов исследований с результатами экспериментальной отработки технологий с использованием данного оборудования.

4. Создать и усовершенствовать технологии пропитки и автоклавного формования и применить результаты исследований в производстве ТЗП.

Глава 2. Теоретическое описание технологии жидкофазной пропитки заготовок теплозащитных покрытий

2.1 Описание структуры вязально-прошивных полотен как исходных заготовок для пропитки многослойных препрегов теплозащитных покрытий

Многослойные препреги являются одними из основных полуфабрикатов, применяемых в производстве теплозащитных покрытий (ТЗП) для космической техники.

В качестве армирующих материалов в препрегах применяются вязально-прошивные полотна [5] на основе кремнеземных волокон (волокон, изготовленных из кремнеземного стекла) или комбинации кремнеземных и капроновых волокон.

Из волокон, объединенных в нити, вырабатываются текстильным образом ткани, из которых последовательно методом пакетирования (послойного набора) и сшивки предварительно соединенных на вязально-прошивной машине двух слоев ткани набираются многослойные пакеты заготовок. Требуемая толщина заготовок определяется количеством набираемых слоев, причем сшивка производится таким образом, что каждый вновь укладываемый слой сшивается с предыдущими.

Структура, приведенная на Рисунке 2.1, и технология изготовления вязально-прошивных полотен предопределяют неизбежное наличие несплошно-стей - пор различных форм и размеров: от микропор между элементарными волокнами, соизмеримых с диаметром элементарного волокна (7.10 мкм), которые возможно рассматривать как капилляры, до макропор в виде свободного пространства в зонах переплетения нитей и сшивки.

Подобная структура позволяет относить вязально-прошивные полотна к типу материалов с ярко выраженными свойствами капиллярно-пористых тел и соответствующими теоретическими и практическими подходами при работе с данными материалами.

В частности, отмеченная структурная неоднородность пористости полотен предполагает и неравномерность распределения связующего при пропитке, неравномерность в объеме распределения и соотношения между связующим и наполнителем как в препреге, так и в отвержденном композите.

Рисунок 2.1. Структура вязально-прошивных полотен Указанные обстоятельства создают необходимость детального изучения поведения и свойств данных материалов, создания определённых технологий, разработки особых методик при реализации производственных процессов.

Производство многослойных препрегов для ТЗП должно обеспечивать получение материалов с определенным уровнем химических и физико-механический свойств в соответствии с требованиями, изложенными в отраслевых стандартах ОСТ 92-0944-81 [6] и ОСТ 92-0945-81 [38]. В частности, основные требования к препрегам приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Основные требования к многослойным препрегам ТЗП

№ п/п Тип полотна Марка связующего Содержание летучих компонентов, масс % Содержание полимерного связующего, масс. %

1 ПВП-КТ (кремнеземное) ЛБС-4 3...6 35.50

2 ПВП-КТК (кремнеземно-капроновое) ЛБС-4 7...13 40.55

2.2. Основные свойства бакелитового лака и феноло-формальдегидных полимеров, применяемых в качестве связующего для производства теплозащитных покрытий

Бакелитовые лаки, выпускаемые в соответствии с требованиями ГОСТ 901-78, являются растворами феноло-формальдегидных смол (ФФС) в этиловом спирте. В частности, лак бакелитовый спиртовой ЛБС-4, применяемый в качестве связующего для препрегов ТЗП, является спиртовым раствором термореактивной ФФС резольного типа.

Данные смолы обладают многими достоинствами, среди которых малая стоимость и простота производства, обеспеченность исходным сырьем, высокая смачиваемость большинства материалов, хорошая растворимость и коксуемость при высокотемпературном нагреве [3].

Среди недостатков следует отметить пожароопасность и токсичность, оказывающую вредное воздействие на организм человека и окружающую среду, а также химическую нестабильность в исходном состоянии, обусловливающую малое время жизнеспособности и необходимость быстрой переработки -перевода в отвержденное состояние.

Основные физико-химические свойства лака приведены в Таблице 3.

Таблица 3.

Основные физико-химические показатели свойств бакелитового лака

ЛБС-4

№ п/п Наименование показателя Величина показателя

1 Массовая доля смолы, % 50...60

2 Вязкость динамическая, МПас 145...465

3 Массовая доля свободного фенола, % не более 8,5

4 Массовая доля воды, % не более 9

5 Плотность при 20 °С, г/см3 1,041

6 Температура вспышки, °С не менее 15

7 Температура воспламенения, °С не менее 20

8 Температура самовоспламенения, °С не менее 440

9 Гарантийный срок, мес. 2

10 Время желатинизации, с 50.110

Ускоренный перевод смолы из вязко-текучего в твердое стеклообразное состояние производится путем нагревания. Отверждение происходит при температуре 135 - 145 °С по механизму реакции поликонденсации. Побочным выделяющимся продуктом является вода.

В отвержденном состоянии ФФС имеет густосетчатую разветвленную структуру, изображенную на Рисунке 2.2, образованную множеством бензольных колец, гидроксильных групп.

Рисунок 2.2. Молекулярная структура отверждённой ФФС

Основные показатели физико-механических свойств отвержденных фе-ноло-формальдегидных полимеров приведены в Таблице 4.

Таблица 4.

Основные физико-механические свойства феноло-формальдегидных по-

лимеров

№ п/п Наименование показателя Величина показателя

1 Плотность, г/см3 1,25.1,38

2 Предел прочности при растяжении, МПа 25.50

3 Предел прочности при сжатии, МПа 70.150

4 Предел прочности при изгибе, МПа 400.1000

5 Ударная вязкость, Дж/м2 2.6

6 Модуль упругости, ГПа 3.5

7 Относительное удлинение при разрыве, % 0,8.15

8 Деформационная теплостойкость, °С 140.180

9 Температура начала деструкции, °С 250.300

10 Температурный коэффициент линейного расширения, К-1 (6.9)105

11 Удельная теплоемкость, кДж/кгК 1,2.2

12 Коэффициент теплопроводности, Вт/мК 0,12.0,25

13 Водопоглощение за 24 часа, % 0,3.0,4

2.3. Динамика формирования структуры теплозащитного материала при многократной пропитке-сушке многослойного препрега

Для полимерного композиционного материала, применяемого в тепловой защите абляционного типа, процесс коксования и степень выхода кокса при нагреве покрытия являются важнейшими факторами работы теплозащитного покрытия [1, 39, 40]. Следовательно, для обеспечения надежности и работоспособности ТЗП необходимо выполнить условия: полимерная матрица должна хорошо коксоваться (иметь коксовое число К=0,5...0,6) и уровень содержания матрицы в материале ТЗП должен быть высоким. Вдобавок, распределение матрицы должно быть однородным, с минимальным уровнем содержания пор.

Исходный уровень содержания полимерной основы композита формируется на этапе пропитки наполнителя связующим. Для теплозащитных покрытий на основе кремнеземных и кремнеземно-капроновых полотен, как следует из Таблицы 2, доля полимера в препреге должна находиться в интервалах значений 35.50 масс. % для препрегов на основе кремнеземных полотен и 40.55 масс.% для кремнеземно-капроновых.

Данные значения могут быть получены в случае почти полного заполнения всего порового пространства полотен, расчетная пористость которых составляет 0,591 для кремнеземных и 0,546 для кремнеземно-капроновых.

Лак ЛБС [4] содержит в массовых долях 50 - 60% ФФС; 8,5% фенола и 22,5 - 32,5% водного раствора этилового спирта. Этиловый спирт является растворителем, который снижает вязкость лака, обеспечивает необходимую жизнеспособность связующего и улучшает процесс пропитки наполнителя. В объёмных долях, например, лака 55% концентрации следующие: ФФС - ^ФФС) -46,5%; фенол - дФ = 8,05%; водный раствор спирта дв.сп. = 45,45% (спирт -40,45%; вода - 5%). Сумма долей водного раствора спирта и фенола составляет максимальную долю удаляемых из связующего компонентов, называемых летучими компонентами (ЛК).

Наличие растворителя в лаке помимо положительного эффекта создаёт две проблемы:

- в процессе однократной пропитки сложно на практике обеспечить тербуе-мое высокое содержание ФФС, а также равномерность распределения, т.к. объём межволоконного порового пространства вязально-прошивных полотен составляет около 50%;

- в процессе сушки с целью удаления ЛК в препреге появляются поры, объём которых соответствует объёму ЛК иными словами, если удалить весь этиловый спирт, то пористость в объёме матрицы может составлять величину 40...60%.

Наиболее эффективным способом компенсации указанной проблемы является многократное повторение циклов пропитка-сушка препрега.

Поскольку для ФФС резольного типа свойственно интенсивное увеличение скорости химических реакций отверждения при температуре выше 50°С следует проводить вакуумную пропитку и вакуумную сушку (сублимацию) при нормальной температуре окружающей среды, либо при температуре, не превышающей 50°С, что предотвращает дополнительную проблему, связанную с повышением вязкости вследствие отверждения связующего [41,44].

Испарением возможно управлять удалением летучего компонента - спир-то-водного растворителя, назначая время сушки и Объём пор и наполнение межволоконного пространства связующим зависит от доли удаляемых ЛК w, связанной со временем сушки и описываемой следующей функциональной зависимостью.

м/ = 1 — еа1я

(2.1)

где а - эмпирический параметр (константа), определяющая интенсивность испарения ЛК; а^ - так называемое приведённое время сушки.

Необходимо заметить, что температура испарения фенола, содержащегося в связующем, выше 50°С. Поэтому фенол после сушки остаётся в жидком состоянии в межволоконном пространстве полуфабриката.

Схематичный процесс циклической пропитки-сушки представлен на Рисунке 2.3.

порами П0 лаком ЛБС-4 доли С| в лаке и появление \fV21 при при 2-й сушке

новой поры П]

Рисунок 2.3. Схема цикличной пропитки-сушки

Данная схема иллюстрирует рассматриваемый путь увеличения доли ФФС в исходном объёме межволоконного пространства путём многократного повторения циклов пропитка-сушка, в процессе которых межволоконное пространство разделяется на области. Принимается, что после первой пропитки лак объёмом усв1 заполняет область По , не занятую наполнителем. После сушки и удаления летучих ^^ образуются поры П1, поверхность которых ограничивает первую область. После повторения пропитки и сушки вновь образуются поры, поверхность которых ограничивает очередную область. Процесс может повторяться многократно.

Для математического описания процесса заполнения пор лаком применяют следующие обозначения: П - пористость полуфабриката после 1-й сушки, 1=0 - индекс, соответствующий исходному состоянию пористости в пакете тканевых заготовок; дс - доля спирта в лаке; дф и дв - доли фенола и воды соответственно.

Примем также, что летучими компонентами лака в процессе сушки являются спирт и вода, суммарная доля которых равна:

После первой пропитки и сушки объём пор П1 в полуфабрикате будет равен:

Применив метод индукции, можно вывести формулу для объёма пор Пп в полуфабрикате после п-й пропитки-сушки:

(2.2)

Начальную пористость По для полотен ПВП-КТ и ПВП-КТК возможно определять из соотношений:

где ркт - плотность кремнезёмного полотна, г/см3; рс - плотность стеклянного волокна, г/см3;

где рктк - плотность кремнезёмно-капронового полотна, г/см3; рк - плотность капрона, г/см3; gк - объёмная доля содержания капрона в ткани.

Суммарную долю ФФС и фенола в препреге после многократного повторения циклов пропитки-сушки можно оценить следующей зависимостью:

(2.3)

где п - число циклов пропитки-сушки.

Тогда с учётом объёма, занимаемого волокнистым наполнителем, объём летучих компонентов после многократной пропитки и сушки описывается соотношением:

(2.4)

Потенциально объём летучих компонентов может быть отожествлён с остаточной пористостью в препреге.

Полученные соотношения позволяют провести необходимые расчеты параметров динамики изменения структуры материала и оптимизировать технологический процесс многократной пропитки и сушки.

Расчеты показали, что количество пропиток и доля удаляемых летучих компонентов в процессе первой сушки влияют на долю объема, занимаемого феноло-формальдегидной смолой, в объеме препрега материала теплозащиты. Зависимость в графическом виде представлена на Рисунке 2.4.

количество сушек, п

Рисунок 2.4. Зависимость доли объема, занимаемого в препреге

феноло-формальдегидной смолой, от количества циклов «пропитка-сушка» и объема летучих компонентов q^, удаляемых за первый цикл

Вместе с этим количество летучих компонентов, которые потенциально могут создать пористость, представлено в графическом виде на Рисунке 2.5.

Представляет также интерес зависимость общего приведенного времени сушки ts* = ants от количества циклов «пропитка-сушка» и объема летучих компонентов, удаляемых за первый цикл сушки, представленная на Рисунке 2.6.

Причём длительность первой сушки связана с долей летучих компонентов, удаляемых при первой сушке, зависимостью (2.1). Зависимость (2.6.) длительности первой сушки от доли ЛК, удаляемых при первой сушке, приведена на Рисунке 2.7.

о -I—»—•—•—•—i—•—»—»—«—i—•—«—>—»—i—•—•—•—•— 1 2 3 4 5

количество сушек, n

Рисунок 2.5. Зависимость доли объема, занимаемого в препреге

летучими компонентами, от количества циклов «пропитка-сушка» и объема летучих компонентов, удаляемых за первый цикл

1 2 3 4 5

количество сушек п

Рисунок 2.6. Зависимость суммарного приведенного времени сушки ts*, ts* = ants от количество циклов «пропитка-сушка» n и объема летучих компонентов, удаляемых за первый цикл

2,5

О ш а

£ 2

к

г

Ш 5

а *

и 3 1,5 8 о

X X

и 1 и 1

и

ш ¡р

с

0,5

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 доля летучих компонентов, удаляемых за первый цикл сушки

1

0,9

Рисунок 2.7. Длительность первой сушки в зависимости от доли летучих компонентов, удаляемых при первой сушке Обработка представленных графиков из условия достижения назначенных долей ФФС величин 0,34 и 0,38 дает взаимосвязь общего приведенного времени сушки от количества циклов «пропитка-сушка». Анализ взаимосвязи показывает: если время сушки выбрать из условия удаления летучих компонентов ^ = 0,7), содержащихся в лаке, то после двух циклов «пропитка - сушка» остаточная пористость и доля ФФС будут составлять 12% и 34% соответственно. Уменьшения доли летучих компонентов (пористости) до 7% можно добиться за 3 цикла «пропитка-сушка» и при принятии приведенного времени первой сушки, из условия удаления w = 0,8 летучих компонентов связующего.

Анализ результатов расчёта общего времени многократной пропитки-сушки 1^, час [64], проиллюстрированного на Рисунке 2.8, также показал, что минимальное значение времени при 3-х кратной пропитке соответствует доле удаляемых при сушке летучих компонентов ^0,75.

Рисунок 2.8. Зависимость общего времени 1:общ циклов пропитки-сушки от доли удаляемых ЛК w после одной(1), двух(2) и трех(3) пропиток

2.4. Анализ гидромеханики пропитки тканого пакета заготовок

Физическую основу пропитки пакета тканых заготовок бакелитовым лаком составляют процессы движения вязкой жидкости в окрестности развитых неподвижных границ. К таким процессам следует отнести движение вязкой жидкости в полости трубы, для описания которого Ж. Л. Пуазёйлем в 1840 году было предложено эмпирическое соотношение

v(r) = -AL(r2 -r2),

где v(r) — скорость жидкости вдоль трубопровода, м/с; r — расстояние от оси трубопровода, м; R — радиус трубопровода, м; Ар — разность давлений на входе и на выходе из трубы, Па; ц — вязкость жидкости, Па-с; L — длина трубы, м.

Аналогичное соотношение было предложено Дарси [51] в 1856 году для течений вязкой жидкости в порах твердого тела

КАр

q = ■

t]L

(2.5)

где q - объёмный поток жидкости через поверхность единичной площади пористого тела, м3/с; К- коэффициент проницаемости; Ар - перепад давления, Па;

Ь - длина пути жидкости внутри пористого тела, м; ^ - динамическая вязкость жидкости, Па ■ с.

Величиной коэффициента К принято [12,33,45] оценивать интенсивность прохождения жидкостей в различных по структуре материалах, в которых присутствуют пустоты или поры определенных размеров.

Общепринятой также считается теория, разработанная Козени, которая на основе анализа процессов движения идеальной несжимаемой жидкости в среде с порами в виде капилляров, проводит определение проницаемости пористых тел для жидкостей. Разработанные на основе теории методики [46,47] определения проницаемости пористых структур, позволяют провести оценку проницаемости волокнистых наполнителей для растворов связующих композиций при различных условиях проведения процессов пропитки.

В качестве обобщения данных зависимостей можно в соотношении (2.5) использовать коэффициент пропорциональности Козени-Кармана [52], определяемый по формуле

С d2 П3

К0 = С , (2.6)

л I 16 (1 -П)2 v 7

где С — коэффициент для волокнистого наполнителя круглого сечения, С ~ 0,5; 1 - коэффициент, учитывающий криволинейность пути движения жидкости в поровом пространстве, учитывающий способ пропитки, I = 1,2-1,25 (пропитка на оправке); 1 =1 (пропитка в ванне); ^ф - эффективный диаметр волокон, см; П — пористость материала заготовки ТЗП, П=1-рз/рв ; Рв— плотность волокна, г/см3; рз — средняя плотность материала заготовки, г/см3.

Соотношение (2.5) позволяет исследовать основные механизмы пропитки.

2.4.1 Описание капиллярного механизма пропитки тканого пакета заготовок

Основной движущей силой процесса пропитки капиллярно-пористого наполнителя растворами связующего без приложения избыточного давления является капиллярное давление.

Капиллярное давление возникает за счёт капиллярных сил, действующих благодаря способности полотен и лака к смачиванию. Процессу движения вязкой жидкости в капиллярах посвящены работы [9,10,11,45], в которых формирование перепада давления Ар, Па в формуле (2.5) связывалось с кривизной поверхности жидкости образующегося в капиллярах мениска.

В работах [9], [10] пропитка пористого материала описывается как процесс, происходящий в капиллярах твёрдого тела вследствие равнодействующего давления равного разности давлений на внутренней и на внешней поверхностях мениска жидкости в капилляре.

При полном погружении волокнистого наполнителя в жидкое связующее, жидкость внутри капилляра, изображенного на Рисунке 2.9 проникает на величину I, м пока капиллярное давление не сравняется с давлением газа в капилляре.

Рисунок 2.9. Схема проникновения жидкости в горизонтально расположенный капилляр, погруженный в жидкости Давление газа препятствует проникновению жидкости и замедляет процесс увеличения содержания связующего в наполнителе. Воздух во времени диффундирует из пор и капилляров, освобождая пространство связующему.

Из закона Пуазейля следует, что скорость V, м/с заполнения капилляров радиусом г, м жидким связующим можно определить по формуле:

(2.7)

где Ар - перепад давлений на пропитываемом участке; ц - динамическая вязкость связующего, Па • с; I - длина пропитываемого участка, м.

I

Из (2.7) следует, что величина I, м проникновения жидкости в капилляр за промежуток времени I, с будет определяться следующим соотношением:

I = г

V

Арг

8^

При погружении наполнителя в связующее на глубину Н, как указано на Рисунке 2.10, следует учитывать также величину гидростатического давления Ргидр, Па, определяемого по соотношению:

гидр

= рдн

(2.8)

где р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м2/с; Н -высота столба жидкости, м.

Рисунок 2.10. Схема действия атмосферного Ра и гидростатического Ргидр давлений на волокнистый носитель, погруженный в жидкое

связующее

1 - прядь волокон наполнителя; 2 - связующее

С учётом внешнего атмосферного Ра, Па давления величина общего давления пропитки Рпр, Па, действующего на погруженный в связующее волокнистый наполнитель, определяется уравнением:

(2.9)

где Рв - давление воздуха в наполнителе, Па; а - поверхностное натяжение на границе раздела фаз, Н/м; 0 - угол смачивания жидкости, град; р - плотность жидкости, кг/м3.

В каждом конкретном случае пропитки пористого наполнителя при определении проницаемости необходимо учитывать различные факторы, зависящие как от структуры наполнителя, так и от свойств связующего. Для анализа процессов пропитки возможно использовать эмпирические, обобщённые в работе [48] базы данных проницаемости для различных случаев пропитки.

При изготовлении многослойных препрегов ТЗП на основе волокнистых кремнезёмных и кремнезёмно-капроновых вязально-прошивных полотен методом погружения в ёмкость со связующим пропитка идёт по законам капиллярного проникновения.

Основными недостатками данного способа являются значительная длительность пропитки и невозможность управления процессом получения заданных параметров препрега. Находящийся внутри наполнителя воздух, оказывает сопротивление связующему проникать внутрь пор и капилляров и замедляет увеличение содержания полимера в препреге. Воздух постепенно диффундирует из пор, освобождая пространство для связующего, но процесс протекает крайне медленно.

Особенности химического состава связующего ЛБС-4, применяемого в производстве препрегов ТЗП, основным компонентом которого является фено-ло-формальдегидная смола резольного типа, предопределяет протекание процессов химического взаимодействия между олигомерными составляющими связующего даже при нормальной температуре окружающей среды. В результате происходящих процессов, формируется полимерная структура, нарастает молекулярная масса полимера [4, 7, 49, 50]. Следствием данного процесса является повышение вязкости связующего, замедление диффузии воздуха из пор, что приводит к образованию закрытых пор в препреге по окончанию пропитки.

Пропитки в ванне со связующим вязально-прошивных полотен ПВП-КТ и ПВП-КТК в условиях промышленного производства ТЗП показали, что процесс

достижения минимального допустимого значения содержания полимерной смолы в препреге длится в течение 700-800 часов в зависимости от значения начальной вязкости лака ЛБС-4. Помимо длительности технологический процесс отличается высоким расходом лака, т.к. по истечении указанного времени пропитки вследствие химических превращений лак, оставшийся в ванне становится непригодным для дальнейшего использования и утилизируется. Летучие пары вредных веществ (фенола и формальдегида), попадая в окружающую среду, также отрицательно влияют на экологию.

2.4.2. Описание приточно-вытяжного механизма пропитки с движением вязкого лака вдоль образующей поверхности ТЗП

Схема пропитки. Пропитка может осуществляться по схеме продольного течения связующего (вдоль образующей оболочки теплозащиты) при приточно-вытяжной организации подачи связующего, показанной на Рисунке 2.11. В этом случае I - это длина пути перемещения связующего вдоль образующей оболочки теплозащиты.

Рисунок 2.11. Принципиальная схема установки для пропитки ТЗП СА

под давлением на оправке

Далее выполняется сушка заготовки при повышенной температуре и ваку-умировании, которая может осуществляться в камерной электровакуумной печи или автоклаве.

На заключительном этапе технологического процесса производится термообработка под избыточным давлением в течение времени необходимого для подъема температуры, выдержки при температуре отверждения связующего и снижения температуры до нормального значения окружающей среды.

Другим фактором, влияющим на длительность пропитки, является остаточная пористость П материала теплозащиты, которая обусловлена не только исходной пористостью П, но и вязкостью связующего, зависящей от температуры и объемной доли спирта qс в лаке ЛБС-4.

Математическая оценка длительности пропитки. Пропитка наполнителя заготовки ТЗП связующим математически описывается с помощью уравнения Дарси (2.5) для процесса движения жидкости в твердой среде с открытой пористостью.

Для определения коэффициента пропорциональности Козенни-Кармана в уравнении (2.5) применяется формула (2.6).

Для расчета остаточной пористости после п -й пропитки и сушки применима формула (2.2).

Предложенная модель позволяет оценить длительность пропиток I, час по формуле

Пп12

4=ад (29)

Результаты расчетов с помощью формулы (2.9) представлены на Рисунке 2.12, которые показали, что каждая последующая пропитка на порядок длительнее предыдущей, что является существенным недостатком предложенного технологического процесса.

Очевидна необходимость поиска путей интенсификации процесса пропитки.

л

о. о

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

Хч

\ч

" \ ч ч

^^ — — — __ _ ^

■ 40%

■ 50%

номер пропитки

а)

0

1

2

3

о п

3£ I-С

О а. с

к 2 ш

.

ш

б)

Рисунок 2.12. Взаимосвязь пропитки пористости и длительности пропитки с номером операции и процентным содержанием спирта в связующем 1-40%; 2-50%: а) график остаточной пористости, б) график длительности пропитки 2.4.3. Исследование направлений интенсификации процесса пропитки тканого пакета заготовок

В целях интенсификации процесса пропитки связующим пакета сшитых по толщине заготовок можно предложить поперечную схему принудительного приточно-вытяжного заполнения пор заготовки и полуфабриката после нескольких ступеней пропитки, изображенную на Рисунке 2.13.

10000

1000

100

10

■40% ■ 50%

1 2 номер пропитки

0

3

В данном случае пропитываемая крупногабаритная заготовка ТЗП на оправку не устанавливается, а сворачивается вдоль и поперёк и в виде плоского пакета укладывается в пропиточную камеру 2, в которую при открытом кране 3 из ёмкости 4 под определённым давлением поступает связующее. Суть интенсификации процесса пропитки заключается в многократном уменьшении пути, перемещающегося связующего в заготовке ТЗП. Из анализа соотношения (2.9) следует ожидать сокращения длительности пропитки пропорционально квадрату уменьшения пути перемещения связующего, при прочих равных условиях.

Таким образом, поперечную схему принудительно-вытяжного заполнения пор заготовки и полуфабриката после нескольких ступеней пропитки можно рассматривать как метод интенсификации технологического процесса изготовления теплозащиты космических аппаратов.

,----------------1

! Ф

-В--1

X/4

Рисунок 2.13. Схема установки для поперечной пропитки заготовок ТЗП под давлением в пропиточной камере

2.4.4. Экспериментальное исследование процесса поперечной пропитки. Технологическое оборудование для экспериментов

Основные экспериментальные исследования процесса поперечной пропитки проводились на специально спроектированной и изготовленной на ЗАО ЗЭМ РКК «Энергия» опытно-промышленной установке ВК 888-01850, показанной на Рисунке 2.14.

Рисунок 2.14. Установка для пропитки

Принципиальная схема установки включает емкость со связующим 1, емкость для сбора связующего 2, вакуумную систему с насосом 3, а также трубопроводы, краны, мановакуумметры.

Для отладки различных режимов пропитки, включая режимы при давлении, превышающем атмосферное, была также спроектирована и изготовлена специальная камера ВК 0690-14526 с габаритами рабочего пространства 1350x1350 мм, изображенная на Рисунке 2.15. Конструктивно камера выполнена в виде2-х стальных полуформ, нижняя 1 установлена стационарно на подставке 2, верхняя 3 съемная. Полуформы герметично смыкаются. Между полостями полуформ возможна установка герметичной эластичной диафрагмы.

Максимальное рабочее давление 0,5 МПа. По аналогии с установкой изготовлен также малогабаритный лабораторный стенд для экспериментальных работ по пропитке модельных образцов малых размеров с габаритами 250х250 мм [43, 58].

Пропиточное оборудование обеспечивает возможность регулирования глубины вакуума в пропиточной камере, величины избыточного давления в емкости со связующим и в пропиточной камере в течение длительного времени выдержки под вакуумом при атмосферном и избыточном давлении.

Рисунок 2.15. Камера ВК 0690-14526 для пропитки под избыточным давлением

Методика проведения экспериментальных исследований.

Все исходные материалы, бакелитовый лак ЛБС-4 и полотна ПВП-КТ и ПВП-КТК, применяемые в экспериментах, подвергались входному контролю на соответствие требованиям технической документации в соответствии с действующими на предприятии инструкциями и методиками документального и инструментального контроля [71,72].

Входной контроль бакелитового лака ЛБС-4 проводился по показателям: содержание ФФС и динамическая вязкость.

Контроль содержания смолы в лаке предусматривает отбор пробы из партии лака и последующей сушкой навески 1,2...2 г при температуре 100±3 °С в течение 2 часов 20 минут, с последующим охлаждением в эксикаторе с силика-гелем до комнатной температуры.

Расчёт содержания смолы дффс, % производится по соотношению:

где Ш1 - масса навески после сушки; то - масса исходной навески.

Динамическая вязкость мПа-с лака определялась с помощью вискозиметра по ГОСТ 9070-75 [69] и рассчитывалась по формуле:

где с - коэффициент, называемый постоянной вискозиметра, р - плотность лака г/см3, т - время истечения определенного объёма лака через вискозиметр с соплом определенного диаметра, с.

Вязально-прошивные полотна ПВП-КТ перед пропиткой подверглись прокалке при температуре около 700 °С с целью удаления технологического замасливания, наносимого на поверхность стеклянных волокон в процессе производства на предприятии-изготовителе.

Вязально-прошивные полотна ПВП-КТК контролировались на содержание капроновых волокон после сушки при температуре 100±5 °С в течение 1 часа. Образец ткани массой 10-15 г подвергался термообработке при температуре около 700 °С для удаления капрона. Расчёт содержания капрона % производился по формуле:

т„

ак = —- 100%

где т - масса образца после термообработки, г; Шт - масса образца ткани после сушки, г.

После пропитки и сушки контроль физико-химических параметров пре-прегов осуществлялся на основании действующей на предприятии нормативно-технической документации ОСТ 92-0944-81 [7] и ОСТ 92-0903-78 [59].

Вырезка проб для испытаний осуществлялась из различных зон экспериментальных образцов, равномерно распределённых по поверхности либо из технологических припусков для образцов, предназначенных для формования экспериментальных конструкций ТЗП.

Содержание летучих компонентов длк, % в препрега определялось взвешиванием проб до и после сушки по режимам: для полотен ПВП-КТ при температуре около 100 °С в течение 3,5...4 часов, а полотен ПВП-КТК при температуре около 135 °С в течение 3...4 часов и рассчитывалось по формуле:

где Шо - масса пробы до сушки, г; т. - масса пробы после сушки, г.

Содержание ФФС qффс, % определялось взвешиванием после выжигания смолы из сухой навески при температуре около 700 °С и рассчитывалось • для полотен ПВП-КТ по формуле

где ш« - масса пробы после выжигания смолы, г; • для полотен ПВП-КТК по формуле

та

тс--—

9ффс2 =—

где qк - содержание капрона в полотне.

Результаты экспериментов по однократной пропитке-сушке тканых пакетов заготовок

Однократная экспериментальная пропитка выполнялась на опытно-промышленной пропиточной установке ВК 888-01850, представленной на Рисунке 2.14. Пропитывались три заготовки ТЗП из кремнезёмно-капронового по-

лотна ПВП-КТК с размерами 850х850х12 мм поочередно в камере ВК 069014526, указанной на Рисунке 2.15. Рассчитанная пористость составляла 0,546. Пропитка осуществлялась порцией лака, отобранной от произвольно выбранной партии лака ЛБС-4, непосредственно применяемого в производстве ТЗП на момент проведения эксперимента, со следующими параметрами: среднее значение содержания смолы 53 массовых % и средним значением вязкости 280 мПас. Доля капрона составляет 45%.

Пропитка проводилась при комнатной температуре на опытно-промышленной установке ВК 888-01850 по технологии, укрупненная блок-схема которой приведена на Рисунке 2.16.

Цель экспериментальной отработки состояла в получении требуемого содержания ФФС в материале в пределах 30...45 масс.% путём варьирования технологических параметров процесса.

Вакуумирование камеры с заготовкой осуществлялось при остаточном давлении в камере 0,04...0,02 МПа в течение 1-2 часов. Подача лака в камеру с заготовкой осуществлялась под давлением 0,08...0,2 МПа. Время подачи определялось по моменту появления связующего в вакуумной системе установки. Сушка и пропитка проводилась при комнатной температуре 22...25 °С.

Рисунок 2.16. Блок-схема технологии пропитки многослойных препрегов под

давлением с эластичной диафрагмой

Результаты расчётов [60] и экспериментальных пропиток приведены в Таблице 5.

Таблица 5.

Результаты расчётных и экспериментальных данных пропитки

Марка полотна Расчётные данные Экспериментальны средние значения содержания смолы в заготовках, масс.%

Содержание полимерной смолы в заготовке, масс.% №1 №2 №3

ПВП-КТК 33,0 27,2 30,8 30,1

Величина отклонения от расчетного значения 17,5 6,6 8,7

Результаты эксперимента показывают фактическое содержание смолы в заготовках меньшее относительно расчётного, расхождение между расчётными и фактическими величинами. Отклонения между значениями содержания смолы в заготовках находятся в пределах 10%, что является свидетельством высокой точности экспериментов.

В Таблице 5 приведены результаты проведённых лабораторией ЗАО ЗЭМ определений содержания смолы, указанные в паспортах физико-химического анализа. Типовой паспорт испытаний проб, отобранных из заготовки №1, приведен в Приложении П2.

2.5. Исследование процессов гидромеханики и массопереноса в процессе вакуумной сушки

2.5.1. Исследование массопереноса в процессе испарения при вакуумной сушке

Сушка производится для удаления из препрега летучих компонентов (ЛК) лака ЛБС-4. Для определения необходимого времени вакуумной сушки проводились теоретические [60] и экспериментальные исследования с целью построения диаграммы интенсивности испарения ЛК.

Экспериментальные исследования проводились на заготовке из вязально-прошивного полотна ПВП-КТК, состоящей из 16 сложений кремнеземно-капроновой ткани. Заготовка предварительно пропитывалась лаком и помеща-

лась в герметичную камеру, в которой проводилась сушка при температуре около 25 °С и вакуумметрическом давлении, меньшем парциального давления паров этилового спирта, но выше парциального давления паров воды, содержащейся в лаке, которая в данном процессе из лака не испарялась.

Содержание ЛК определялось путем периодического взвешивания заготовки в процессе сушки и проведения арифметических вычислений отношения потери массы заготовки к первоначальной массе.

Результаты вычислений содержания ЛК в препреге приведены в Таблице

6.

Таблица 6.

Содержание ЛК в образце при вакуумной сушке

Время сушки, мин 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Содержание ЛК, % 18 17 16 15 14,5 14 13,8 13,3 12,5 12 11 11 11

График интенсивности испарения ЛК, построенный на основании полученных данных в среде Microsoft Excel, приведен на Рисунке 2.17.

20

ю 4-----

0 0,5 1 1,5 2

Время сушки, ч

• содержание ЛК — экспоненциальная зависимость

Рисунок 2.17. График интенсивности испарения ЛК в препреге при

вакуумной сушке.

Анализ экспериментальных данных показывает, что интенсивность испарения U приблизительно постоянна, и содержание ЛК в лаке может быть аппроксимировано зависимостью:

и _ Чж

где qлк - доля летучих компонентов, 10 - время удаления ЛК.

Если предположить, что г0 = Ад, то интенсивность удаления ЛК примет

вид:

<?лк/(7пр)

и =

А 8

где Тпр - температура препрега, град; 5 - толщина препрега, мм; А - эмпирический коэффициент, т.е. интенсивность сушки снижается при увеличении толщины препрега и увеличивается с ростом температуры препрега в процессе сушки. Закон изменения массы ЛК тлк, кг можно представить в виде:

_ о ^лк/(Тпр

ёГ(ТПР)г

шлк тп чк |

где тЛк = Цлкт0, т0 - масса ЛК перед сушкой, кг.

В первом приближении температура препрега может быть принята равной температуре в сушильной камере (Тпр = тсуш). Однако температуры тпр ,ТСУШ изменяются во времени. Поэтому масса удаленных ЛК может зависить от температурного режима сушки.

Для проверки высказанной гипотезы были проведены следующие эксперименты. Исследовалось влияние частичного отверждения резольных смол по поликонденсационному механизму с выделением продуктов поликонденсации на процесс удаления ЛК бакелитового лака при нагреве выше 100°С. Результа-

ты термообработки проб препрега на основе ткани ПВП-КТК при температурах 1000С и 1350С представлены в Таблице 7.

Таблица 7.

Доля ФФС, расходуемая на образование продуктов поликонденсации при нагреве лака ЛБС-4 выше 100°С в препреге на основе ткани ПВП-КТК

Масса пробы, г Масса пробы после термообра-ботки при 100°С, г Масса пробы после термообработки при 135°С, г Содержание ФФС после термообработки при 100°С, % Содержание ФФС после термообработки при 135°С, % Доля ФФС, прореагировавшей по реакции поликонденсации, %

3,5 3,2 3,15 38,2 37 1,2

3,45 3,15 3,10 38,15 39,03 1,25

Температура 135 °С выбрана для того, чтобы убедиться в существовании систематической погрешности при проведении экспериментального анализа содержимого матрицы композиционного материала после пропитки и сушки в процессе контроля по выбранной методике. Проведена также экспериментальная оценка влияния вакуумной сушки на содержание смолы в бакелитовом лаке ЛБС-4, в процессе которой проведена вакуумная сушка навесок лака с одинаковой массой и проведено определение массовой доли смолы по соотношению (2.10) и методике ГОСТ 901-78 [4]. По данной методике также было проверено содержание смолы в навесках лака, отобранных из одной емкости с лаком, что и навески, подвергнутые сушке. Результаты испытаний приведены в Таблице 8.

Таблица 8

Содержание смолы в навесках лака ЛБС-4

Наименование параметров Значения параметров для навесок №

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Начальная масса навесок, г 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Масса навески после вакуумной сушки, г Вакуумная сушка не проводилась 1,15 1,12 1,13 1,16 1,13

Масса навесок после сушки, г 1,14 1,12 1,13 1,14 1,13 1,1 1,08 1,09 1,1 1,09

Массовая доля смолы в навесках, % 57,0 56,0 55,6 57,0 55,6 55,0 54,1 55,1 54,7 54,7

Среднее значение массовой доли смолы в навесках, % 56,4 54,7

2.5.2. Теоретический анализ гидромеханики связующего в процессе вакуумной сушки

Препрег ТЗП представляется в виде гетерофазной структуры, в которой капиллярно-пористый наполнитель, состоящий из волокон, пропитан жидко-фазным связующим.

В процессе вакуумной сушки, длительность которой конечна, происходит процесс перераспределения связующего, включая и истечение из препрега, связанный не только с проникновением связующего в поры, освобожденные при испарении летучих компонентов, но и с имеющейся неравномерностью распределения связующего при пропитке.

В результате содержание ФФС в различных зонах и слоях полуфабриката оказывается неодинаковым.

При построении теоретической модели процесса, протекающего в пре-преге, связанного с перераспределением связующего, можно воспользоваться уравнением для описания движения жидкости в капиллярах, имеющим вид:

гл-о-соэ в

pgr

к

где а - поверхностное натяжение, Па; 0 - угол смачивания, град; г - радиус капилляра, м; И - высота столба жидкости в капилляре, м; р - плотность жидкости, кг/м3; §-ускорение свободного падения, м/с2; К > 1 - коэффициент, учитывающий наличие нижней поверхности у истекающей жидкости. При проведении анализа примем, что число нитей в основе и утке равно п на единицу длины. Диаметр нитей равен d, м. Тогда расстояние между нитями г =1, м. Образующаяся геометрическая структура будет описываться че-п

тырьмя кругами и квадратной ячейкой с площадью 22, м2, указанными на Рисунке 2.18.

Рисунок 2.18. Геометрическая ячейка структуры композита с волокнистым наполнителем В соответствии с рисунком площадь поры 8пор, м2 между нитями равна

пор

г ^ л2

V п

4

Тогда радиус капилляра гкап , м будет равен

Окончательно для оценки высоты слоя Итт ,м щим, получим

пропитанного связую-

Для описания во времени процесса истечения связующего из пропитанной заготовки можно предложить систему уравнений

где V - скорость опускания мениска истекающего слоя связующего, м/с Интегрирование первого уравнения даст

(2.11)

Второе уравнение в системе интегрируется только численно, что оказывается не очень интересным для практического использования в производственных условиях. Для получения аналитических зависимостей в явном виде примем связь скорости движения 13 , м/с с высотой столба жидкости /г, м в порах в

виде

V = V„

{2Н -д-1)2

а

(2.12)

где а = 1 -д , Н = - безразмерная высота столба жидкости в порах, д = -

Ншт Ншт

безразмерная толщина заготовки, Н - минимальная высота столба жидкости в порах, м; д - толщина заготовки, м.

Из (2.11) может быть найдена величина

Такая аппроксимация при к = 1 и к = 5 дает значения V = 0. При к * =