Методология определения параметров конструкций с высокой функциональной эффективностью из углеродсодержащих композиционных материалов на основе многомасштабных математических моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Михайловский Константин Валерьевич

• Михайловский Константин Валерьевич
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Михайловский Константин Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Ключевые направления в создании ракет-носителей и космических аппаратов нового поколения

1.2. Классификация углеродсодержащих композиционных материалов

1.3. Условия эксплуатации ракетно-космических конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

1.4. Проблемы проектирования, производства и испытания ракетно-космических конструкций длительного и многоразового применения из углеродсодержащих композиционных материалов

1.5. Современные методы и средства выбора рациональных конструкторско-технологических решений при создании ракетно-космических конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

1.6. Теоретические основы и практика применения многомасштабного моделирования для конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

1.7. Новые методы и средства диагностики отказов в конструкциях из углеродсодержащих композиционных материалов с использованием внедренных датчиков

1.8. Формулировка научной концепции, основных направлений исследований диссертационной работы и методология определения параметров конструкций

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МНОГОМАСШТАБНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, РАЗРУШЕНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В КОНСТРУКЦИЯХ

2.1. Структурные особенности углеродсодержащих композиционных материалов и понятие представительного элемента объема

2.2. Микромеханика и механика разрушения углеродных волокон углеродсодержащих композиционных материалов

2.3. Теплофизика углеродных волокон углеродсодержащих композиционных материалов

2.4. Атомно-молекулярный масштаб углеродных волокон и матриц углеродсодержащих композиционных материалов

2.5. Адгезионная прочность углеродных волокон к различным матрицам

2.6. Микроуровень углеродсодержащих композиционных материалов

2.7. Мезоуровень углеродсодержащих композиционных материалов

2.8. Выводы по Главе

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СВЯЗИ ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ МАТРИЦ, СХЕМ АРМИРОВАНИЯ В УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Лабораторные и опытно-промышленные установки для изготовления конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

3.2. Физические и математические модели многомасштабных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред на различных стадиях изготовления конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

3.3. Численное моделирование многомасштабных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред на различных стадиях изготовления конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

3.4. Влияние технологий формирования матриц, доли углеродных волокон, их искривления и схем армирования на характеристики углеродсодержащих композиционных материалов в конструкциях

3.5. Выводы по Главе

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Физико-механические характеристики углеродсодержащих композиционных материалов, верификация и валидация математических моделей

4.2. Термомеханические, теплофизические и оптические характеристики углеродсодержащих композиционных материалов

4.3. Демпфирующие характеристики углеродсодержащих композиционных материалов

4.4. Термостойкость углеродсодержащих композиционных материалов

4.5. Выводы по Главе

Глава 5. СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР, КОНТРОЛЯ ЗА ФОРМИРОВАНИЕМ, НАКОПЛЕНИЕМ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ, ПОЯВЛЕНИЕМ ТРЕЩИН И ИХ РАЗВИТИЕМ В КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Экспериментальные методы измерения остаточных деформаций в конструкциях из углеродсодержащих композиционных материалов на стадии изготовления

5.2. Система измерения деформаций и температур в конструкциях

из углеродсодержащих композиционных материалов

5.3. Результаты контроля появления и развития трещин в конструкциях из углеродсодержащих композиционных материалов

5.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ С ВЫСОКОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ИЗ УГЛЕРОД-СОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МНОГОМАСШТАБНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

6.1. Этапы методологии определения параметров и проектного облика конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

6.2. Определение исходных параметров геометрии и эксплуатационных нагрузок для конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

6.3. Моделирование многомасштабных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред при изготовлении конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов для определения характеристик, остаточных деформаций, напряжений

6.4. Анализ действия эксплуатационных нагрузок на конструкции из углеродсодержащих композиционных материалов с накопленными

остаточными напряжениями и дефектами

6.5. Оценка оптимальных параметров конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов и сравнение с существующими аналогами

6.6. Выводы по Главе

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология определения параметров конструкций с высокой функциональной эффективностью из углеродсодержащих композиционных материалов на основе многомасштабных математических моделей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В России в рамках Федеральной космической программы создаются новые космические аппараты (КА), пилотируемые транспортные корабли и ракеты-носители (РН). Наряду с традиционными для конструкций ракетно-космической техники (РКТ) требованиями весовой эффективности их неотъемлемыми качествами должны стать такие виды функциональной эффективности, как многоразовость, стабильность формы и размеров в широком диапазоне тепловых и механических воздействий. Острую конкуренцию отечественным проектам составляют аналогичные, а в ряде случаев опережающие разработки зарубежных компаний, выполняющих задачи национальных космических программ (NASA, ESA, CNSA, JAXA и др.).

Создание конструкций РКТ с высокой функциональной эффективностью, призванных работать в условиях тепловых, силовых, вибрационно-акустических, ударных нагрузок, а также при воздействии факторов космического пространства невозможно без применения композиционных материалов. Во многих случаях предпочтение отдается углеродсодержащим композиционным материалам (УКМ), состоящим из углеродного наполнителя (нити, ленты, ткани, объемные каркасы) и матрицы (полимерные, углерод-карбидокремниевые) с выраженной границей раздела между ними. УКМ в сравнении с металлами и керамикой имеют меньшую плотность, высокие удельные жесткостные и прочностные характеристики, низкие значения температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР), а также высокую термостойкость и стойкость в окислительных средах. Такие особенности, как анизотропия и зависимость характеристик от технологии производства также могут быть использованы для достижения лучших показателей качества конструкций. Кроме того, существует сильное различие механизмов разрушения матриц и наполнителей.

Вместе с тем, полностью реализовать преимущества УКМ для достижения функциональной эффективности конструкций пока не удается из-за наличия

разнообразных структурных дефектов, возникающих при производстве и эксплуатации. Многообразие факторов, вызывающих зарождение и развитие дефектов в УКМ различных видов, свидетельствует о сложности и междисциплинарности рассматриваемой проблемы. Для ее решения нельзя обойтись без применения современных инструментов исследования, включая математические модели, алгоритмы, средства структурной диагностики и контроля температурного и напряженно-деформированного состояния (НДС). Таким образом, актуальна разработка методологии, связывающей проектный облик конструкций из УКМ с появлением и развитием технологических и эксплуатационных дефектов на различных масштабных уровнях. Выявление природы таких дефектов, исследование их влияния на прочность, жесткость, ТКЛР и теплопроводность откроет путь к улучшению функциональных характеристик конструкций из УКМ.

Автор выражает искреннюю благодарность заведующему кафедрой ракетно-космические композитные конструкции МГТУ им. Н.Э. Баумана д.т.н., профессору Резнику Сергею Васильевичу за деятельную помощь и полезные советы, относящиеся к постановке и обсуждению результатов работы.

Степень разработанности темы диссертации. В настоящее время в ряде предприятий России ведутся разработки, производятся конструкции из УКМ: ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева, АО ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, АО РКЦ «Прогресс», АО «РЕШЕТНЁВ», АО «НПО им. С.А. Лавочкина», АО «Композит», АО «ЦНИИСМ», АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина, ООО «СКТБ «Пластик», АО ГНЦ РФ «ВИАМ», АО «НИИ Графит», АО «Аэрокомпозит» и др.

Значительный вклад в исследования УКМ вносят университеты России: МГУ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, ПНИПУ, С-ПбПУ им. Петра Великого, Самарский университет, КНИТУ-КАИ, НГТУ, СибГУ им. М.Ф. Решетнёва, ТПУ и др.

Высокую активность в производстве конструкций из УКМ проявляют зарубежные центры: The Boeing Company, Northrop Grumman, Lockheed Martin,

Honeywell ACI (США); AIRBUS (Европейский союз); Snecma Propulsion Solide, Safran Group (Франция); Toray Industries (Япония) и др.

Ряд крупных исследований, связанных с получением УКМ выполнен в зарубежных университетах: California Institute of Technology, Massachusetts Institute of Technology, The University of Akron, University of Washington (США); Imperial College London, University of Bristol (Великобритания); University of Toulouse (Франция); Politecnico di Torino (Италия); Harbin Institute of Technology, National University of Defense Technology (КНР); Tohuku University, The University of Tokyo (Япония) и др.

Значимые исследования в области теплофизики КМ и тепловых режимов конструкций из КМ принадлежат О.М. Алифанову, Е.А. Артюхину, В.В. Горскому, В.С. Зарубину, К.Б. Исаеву, А.В. Ненарокомову, П.В. Никитину, Ю.В. Полежаеву, П.В. Просунцову, С.В. Резнику, В.Л. Страхову, В.П. Тимошенко, В.С. Финченко, В.Ф. Формалеву, О.Ф. Шленскому, В.М. Юдину и др.

В механику композитных конструкций заметный вклад внесли А.В. Азаров, Н.А. Алфутов, Н.С. Бахвалов, Г.А. Болотин, В.В. Васильев, В.Э. Вильдеман, Ю.И. Димитриенко, А.А. Дудченко, А.М. Думанский, В.Н. Зимин, П.А. Зиновьев, В.А. Комаров, В.А. Костин, С.А. Лурье, В.Е. Панин, Б.Е. Победря, А.Б. Миткевич, Ю.В. Немировский, Ю.Н. Работнов, А.Ф. Разин, А.А. Смердов, Ю.М. Тарнопольский, В.И. Усюкин, Е.Ф. Харченко и др.

Стоит отметить работы по механики разрушения: АА. Гриффитса, Дж.Р. Ирвина, Дж.Ф. Кнотта, Х. Лейбовитса, Дж.Р. Райса, Г.П. Черепанова и др.

Передовые технические решения в области производства авиационных и ракетно-космических конструкций из УКМ связаны с именами В.А. Барынина, А.А. Берлина, Г.М. Гуняева, Е.Н. Каблова, О.Н. Комиссара, В.И. Костикова,

A.А. Кулькова, В.Д. Протасова, А.Г. Ромашина, М.И. Соколовского, П.А. Стороженко, А.Н. Тимофеева, Е.Б. Тростянской, В.И. Халимановича,

B.И. Халиулина, Г.И. Шайдуровой и др.

Заслуживают внимание программные продукты многомасштабного моделирования, такие как: Digimat, Multiscale.Sim, GENOA, Simcenter Multimech, Manipula, GCD и др.

Вместе с тем, ряд научных проблем не получил корректного решения, а исследования носят, в силу сложности, разрозненный характер, что отражено в главе 1 [1 - 350].

Первая научная проблема - отсутствие корректных данных по степени анизотропии углеродных волокон в УКМ (зависимость характеристик в широком диапазоне температур) и адгезионной прочности на границах раздела. Общепринято определять свойства углеродных волокон вдоль главной оси, что регламентировано соответствующими стандартами и методиками, но степень анизотропии и уровень характеристик в перпендикулярном направлении остаются не известными и изучаются на основе наноиндентирования, а также алгоритмов молекулярной динамики. Можно отметить работы К. Бэнзарти, К. Ванга, С. Джаффари, Т. Зэнга, С.А. Лурье, А. Макеева, Р.А. Турусова, П. Шеурса, Д.Дж. Эйскенса и др. в части оценки адгезионного слоя на границе раздела «волокно-матрица» [80 - 87, 89 - 91, 312 - 314]. Однако, не получила должного решения задача оценки влияния дефектов на прочность границы раздела «волокно-матрица» и на физико-механические, теплофизические характеристики УКМ на их основе. В связи с чем, даже развитие методов многомасштабного моделирования и оценка эффективных характеристик УКМ не позволяет прогнозировать свойства с достаточной степенью точности. Кроме того, разрабатываются модели поведения УКМ на наноуровне с применением подходов молекулярной динамики, но без привязки к другим масштабным уровням [80, 82, 306, 315, 316].

Вторая научная проблема заключается в несовершенстве моделирования механизмов образования структурных дефектов и их эволюции в конструкциях из УКМ при действии эксплуатационных нагрузок. Расчет термопрочности конструкций из УКМ выполняется на моделях «идеального» многослойного материала без наличия структурных дефектов, учета деформаций и напряжений

в направлении перпендикулярном монослоям [269, 295 - 300, 302, 351], а используемые эффективные характеристики не учитывают действительные структурные особенности [295 - 298, 303 - 305]. Данные допущения закладываются в критерии прочности многослойных УКМ [268 - 271], а также используются для прогнозирования поведения при многоцикловой усталости [309 - 311]. Основы механики разрушения и условия для раскрытия трещин в упругих хрупких материалах в зависимости от вида нагружения заложены в работах АА. Гриффитса, Дж.Р. Ирвина, Э. Орована [317, 318], Дж.Д. Эшелби, Дж.Ф. Кнотта, А.Дж. МакЭвали, А.С. Тэтэльмана, Х. Лейбовитса [319 - 322] и развиты Г.П. Черепановым, Дж.Р. Райсом с использованием J-интеграла. Физический смысл которого заключается в оценки интенсивности высвобождения энергии при раскрытии трещины в сплошных деформируемых материалах [323 - 325]. Однако, эти теории и зачастую модели разрабатываются без учета анизотропии характеристик волокна, адгезионной прочности границы раздела, развитой микроструктуры материала, возможности прогнозирования эволюции трещины [326 - 328].

Третья научная проблема обусловлена отсутствием общей теории, связывающей параметры технологических режимов производства конструкций из УКМ с их физико-механическими, термомеханическими и теплофизическими характеристиками, разбросом с учетом структурных особенностей, дефектов на разных масштабных уровнях (нано-, микро-, мезо-, макро-). Технологии изготовления зависят от типа армирующего каркаса, матрицы. Экспериментальные исследования проводятся на образцах, макетах из УКМ для минимизирование финансовых и временных затрат, но полученные результаты трудно перенести на конструкции.

Попытки численного моделирования процессов пропитки полимерными связующими начались в конце 1950-х годов; позже с 1960-х годов стали развиваться алгоритмы прогнозирования газофазного осаждения углеродной и карбидокремниевой матрицы [277 - 286]. С увеличением производительности ЭВМ и появлением суперкомпьютеров моделирование стало осуществляться в

нестационарной трехмерной постановке для всего объема рабочего пространства установки с заготовкой конструкции из УКМ [287, 288]. Отдельные группы исследователей сосредоточились на изучение процессов, происходящих в пористых каркасах и оценке эволюции пористой структуры при получении УКМ [289 - 294]. В рассматриваемых моделях вводился ряд ограничений, не учитывались реальные структурные особенности пор, процессы массообмена с учетом эволюции пористого пространства, распределения матричного материала, что увеличивало погрешность получаемых результатов и зависимостей.

Четвертая научная проблема заключается в недостаточном контроле и учете остаточных деформаций, напряжений в конструкциях из УКМ, формирующихся на стадии изготовления и при эксплуатации. Исследования в данной области ведутся более 40 лет с применением оптоволоконных датчиков (ОВД) с нанесенными решетками Брэгга [331 - 340]. Внедрение таких ОВД позволяет измерять деформации на стадиях изготовления, но требует оценки адгезионной прочности на границе размещения оптоволокна и матрицы [331 - 334]. Установлено, что с помощью внедренных ОВД с решетками Брэгга возможно определить появление трещин в структуре УКМ [339 - 344].

Из-за сложности изложенных научных проблем их решение должно опираться на применение специализированных программных комплексов, таких как: Abaqus, ANSYS, Autodyn, CFX, Comsol Multiphysics, Digimat, FlowVision, Fluent, LS-DYNA, Marc, Nastran, NX, ЛОГОС и др.

Из проведенного анализа следует необходимость создания методологии определения параметров и обеспечения термопрочности конструкций из УКМ на основе многомасштабных математических моделей, учитывающей иерархию структурных уровней, закономерности формирования и развития внутренних остаточных напряжений, появление и эволюцию структурных дефектов при действии эксплуатационных нагрузок, а также технологические особенности изготовления с разными схемами армирования и матрицами.

Решаемая в работе научная проблема - термопрочность, функциональная эффективность конструкций из УКМ с прогнозируемыми характеристиками.

Объекты исследования - разнотипные УКМ и многоразовые, формо-размеростабильные конструкции ракетно-космической техники из таких материалов на стадиях изготовления и эксплуатации, в которых отсутствуют процессы термодеструкции и уноса.

Предмет исследования - взаимосвязанные нестационарные процессы тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред и молекулярной динамики, порождающие дефекты разного масштабного уровня в конструкциях из УКМ.

Цель диссертационной работы - повышение функциональной эффективности, снижение продолжительности разработки конструкций ракетно-космической техники из углеродсодержащих композиционных материалов с прогнозируемым уровнем физико-механических и теплофизических характеристик на основе многомасштабного математического моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе намечено решение следующих задач:

1. Проанализировать современное состояние работ в области создания термопрочных конструкций РКТ из УКМ.

2. Разработать методы многомасштабного математического моделирования для определения геометрических, функциональных параметров конструкций из УКМ с учетом внутренней структуры и накопленных в ней остаточных деформаций, напряжений с прогнозированием областей появления и развития дефектов при изготовлении и эксплуатации.

3. Выявить закономерности образования структурных дефектов с атомно-молекулярного до макроуровня и их эволюции в представительных элементах объема и конструкциях из УКМ при действии различного рода нагрузок.

4. Разработать физические и математические модели многомасштабных, нестационарных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред при изготовлении разнотипных конструкций из УКМ для

прогнозирования их физико-механических, теплофизических характеристик и выполнить верификацию, валидацию.

5. Построить систему измерения температур и контроля за формированием, накоплением остаточных деформаций, появлением трещин и их развитием в конструкциях из УКМ при изготовлении и эксплуатации.

6. Провести апробацию на натурных конструкциях из УКМ с учетом внутренней структуры, физико-химических процессов формирования матриц, образования и эволюции дефектов, остаточных деформаций, напряжений при изготовлении и эксплуатации для достижения высокой функциональной эффективности.

Тема диссертации соответствует программам научно-технического и технологического развития России, таким как: «Федеральная космическая программа России на 2006 - 2015 годы»; «Федеральная космическая программа России на 2016 - 2025 годы».

Научная новизна диссертации:

1. Впервые разработана методология гарантированного совершенства многоразовых конструкций из УКМ на основе многомасштабного математического моделирования взаимосвязанных нестационарных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред и молекулярной динамики, которая учитывает связи структурных уровней, характеристики наполнителей, матриц, схемы армирования, накопленные остаточные деформации и напряжения, области появления и развития дефектов при изготовлении и эксплуатации.

2. Определена степень анизотропии углеродных волокон разных марок (УКН-М-6К, UMT42S-3K, UMT49S-12K, UMT430-12K, ГЖ-23), сформулированы критерии прочности и феноменологические модели их разрушения под нагрузкой, установлены величины адгезионной прочности на границах раздела с различными типами матриц (эпоксидные, цианат-эфирная, полиэфирэфиркетон, углерод-карбидокремниевая) и влияния дефектов с помощью многомасштабного математического моделирования компонентов и

УКМ. Выявлены закономерности влияния на характеристики УКМ структурных дефектов с атомно-молекулярного до макроуровня и их эволюции при действии различного рода нагрузок.

3. Впервые определены взаимосвязи технологических режимов, компоновок в опытно-промышленных установках при изготовлении конструкций из УКМ с их функциональными характеристиками на основе многомасштабного математического моделирования процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред с учетом реальной структуры, эволюции пористого пространства, остаточных деформаций, напряжений и дефектов разного уровня.

4. Предложено новое семейство многомасштабных математических моделей, совокупность технических и технологических решений для повышения функциональной эффективности конструкций РКТ из УКМ с контролем температур, остаточных деформаций и напряжений, фиксацией образования и развития трещин при изготовлении и эксплуатации.

Практическая значимость диссертации:

1. Созданы цифровые двойники разнотипных конструкций РКТ из УКМ с учетом накопленных остаточных деформаций, напряжений, вероятных дефектов внутренней структуры при изготовлении, которые являются основой для достижения функциональной эффективности, способствуют снижению продолжительности этапов проектирования и производства.

2. Установлена возможность повышения функциональных характеристик разнотипных конструкций РКТ из УКМ по сравнению с существующими аналогами:

- для жестких рефлекторов бортовых космических антенн диаметром до 2 м может быть достигнуто снижение веса на 27,9 % и среднеквадратичного отклонения (СКО) отражающей поверхности на 4,1 %;

- для элементов размеростабильных космических платформ с габаритными размерами до 1,4х1,0 м2 возможно снижение веса на 10,3 % и снижение СКО фронтальной поверхности на 13,6 %;

- для конструктивно-силовой схемы крыла с габаритными размерами 3,4х1,2 м2 можно уменьшить вес на 13,5 % и повысить жесткость на 9,0 % при кратности применения 34;

- для неохлаждаемых сопловых насадков с диаметром на срезе до 1 м может быть достигнуто снижение веса на 5,3 %, а СКО на 9,9 % при кратности применения 13.

3. Предложена и апробирована в ходе натурных испытаний система измерения температур, контроля за формированием, накоплением остаточных деформаций, появлением трещин и их развитием в конструкциях из УКМ при изготовлении и эксплуатации. Благодаря включению в состав системы датчиков с решетками Брэгга достигнута возможность контроля деформаций с точностью 10-6, температур - 0,01 град.

4. Разработаны алгоритмы выбора и построения представительных элементов объема УКМ с разной технологической завершенностью на основе многомасштабного моделирования физико-химических процессов изготовления и экспериментальных исследований внутренней структуры разнотипных конструкций.

5. По результатам расчетно-теоретических исследований определены физико-механические, динамические, термомеханические, теплофизические, оптические характеристики и термостойкость УКМ в диапазоне температур эксплуатации конструкций РКТ.

Отдельные результаты получены в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы»: соглашения о предоставлении субсидии №14.577.21.0099, №14.577.21.0114, №14.574.21.0146; по гранту Президента РФ МК-6573.2013.3.

Внедрение результатов. Результаты работы внедрены в АО «Решетнев» (акт внедрения от 18.09.2024 г.), АО «РКЦ «Прогресс» (акт внедрения от 01.10.2024 г.), АО «НПО Энергомаш» (акт внедрения от 02.09.2024 г.) при проектировании и создании конструкций из УКМ.

Результаты работы, также могут представлять интерес для таких предприятий ракетно-космической отрасли, как: АО ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, АО «НПО им. С.А. Лавочкина», АО «ЦНИИСМ», АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина», ООО «СКТБ «Пластик» и других.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методология гарантированного совершенства многоразовых конструкций из УКМ на основе многомасштабного математического моделирования взаимосвязанных нестационарных процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред и молекулярной динамики, которая учитывает связи структурных уровней, характеристики наполнителей, матриц, схемы армирования, накопленные остаточные деформации и напряжения, области появления и развития дефектов при изготовлении и эксплуатации.

2. Степень анизотропии углеродных волокон разных марок (УКН-М-6К, UMT42S-3K, UMT49S-12K, UMT430-12K, ГЖ-23), критерии прочности и феноменологические модели их разрушения под нагрузкой, величины адгезионной прочности на границах раздела с различными типами матриц (эпоксидные, цианат-эфирная, полиэфирэфиркетон, углерод-карбидокремниевая) и влияния дефектов, которые определены с помощью многомасштабного математического моделирования компонентов и УКМ. Закономерности влияния на характеристики УКМ структурных дефектов с атомно-молекулярного до макроуровня и их эволюции при действии различного рода нагрузок.

3. Взаимосвязи технологических режимов, компоновок в опытно-промышленных установках при изготовлении конструкций из УКМ с их функциональными характеристиками на основе многомасштабного математического моделирования процессов тепломассообмена, химической кинетики, механики композитных сред с учетом реальной структуры, эволюции пористого пространства, остаточных деформаций, напряжений и дефектов разного уровня.

4. Семейство многомасштабных математических моделей, совокупность технических и технологических решений для повышения функциональной эффективности конструкций РКТ из УКМ с контролем температур, остаточных деформаций и напряжений, фиксацией образования и развития трещин при изготовлении и эксплуатации. Благодаря включению в состав системы датчиков с решетками Брэгга достигнута возможность контроля деформаций с точностью 10-6, температур - 0,01 град.

5. Цифровые двойники разнотипных конструкций РКТ из УКМ с учетом накопленных остаточных деформаций, напряжений, вероятных дефектов внутренней структуры при изготовлении, которые являются основой для достижения функциональной эффективности, способствуют снижению продолжительности этапов проектирования и производства.

Методы исследования. Разработанная методология опирается на фундаментальные физические законы, модели взаимосвязанных процессов тепломассообмена в нестационарной постановке, молекулярной динамики, химической кинетики, механики композитных сред и теории эволюции структурных дефектов, трещин в гетерогенных средах, методы оценки интенсивности высвобождения энергии при раскрытии трещин в деформируемых материалах, теории адгезионного слоя, численные методы математического моделирования и метод определения деформаций с помощью решеток Брэгга.

Достоверность и обоснованность результатов гарантируется корректностью выбора исходных математических моделей, допущений и ограничений при постановке задач на четырех масштабных уровнях, применением современного математического аппарата численного моделирования, хорошим согласием теоретических данных с результатами экспериментальных исследований, использованием высокоточных поверенных средств контроля и измерения параметров технологического процесса, проведением испытаний и исследований на сертифицированных испытательных машинах и приборах, использованием высокоточных ОВД с решетками Брэгга.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на ряде всероссийских и международных конференций: III, V Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Москва, 2009, 2011; XXXIV, XXXIX, XL, XLIII - XLVII Академических чтениях по космонавтике, посвященных памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых - пионеров освоения космического пространства. Москва, 2010, 2015, 2016, 2019 - 2023; VI Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике». Москва, 2011; XVIII, XIX Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Алушта, 2013, 2015; 1-ой Международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций». Москва, 2014; 4-ой Международной конференции Advanced Composites and Materials Technologies for Arduous Applications. United Kingdom, Wrexham, 2015; Международной конференции Thermophysical Basis of Energy Technologies. Томск, 2016; XI Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях. Алушта, 2016; VII Международной конференции с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». Суздаль, 2018; XII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли. Алушта, 2018; Международной конференции Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment. Томск, 2018; Международной научно-технической конференции «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении». Севастополь, 2018; XXII Международной научно-технической конференции «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск, 2019; I - III, V, VI Международном научном симпозиуме «Технологии аэрокосмической техники». Севастополь, 2019 - 2021, 2023, 2024; Международной конференции Advanced Materials and Demanding Applications. United Kingdom, Wrexham, 2020 и др.

Личный вклад состоит в разработке методологии, методов многомасштабного математического моделирования температурного и напряженно-деформированного состояния конструкций из УКМ, разрушения компонентов и УКМ, в определении рациональных технологических режимов изготовления конструкций из УКМ с заданным уровнем характеристик в опытно-промышленных установках, внедрением в практику производства расчетно-экспериментальных методов повышения функциональных характеристик конструкций из УКМ с контролем температур и накоплением остаточных деформаций, напряжений, образованием трещин и их развитием при изготовлении и эксплуатации с помощью новых средств диагностики. Разработан алгоритм выбора и построения представительных элементов объема (ПЭО) УКМ, созданы цифровые двойники и установлена возможность повышения функциональных характеристик разнотипных конструкций РКТ из УКМ. Все основные результаты получены лично автором.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Михайловский Константин Валерьевич, 2025 год

- - Н2У

4H2 к6 чН2 к7

Газофазное осаждение пироуглерода на поверхности и в объеме открытых пор в заготовке УКМ

Рисунок 3.4.

Многостадийное осаждение из метана углеродной матрицы УКМ

Кинетика химических реакций и образования углеродной и углерод-карбидокремниевой матрицы из разных реагентов достаточно подробно изучены в работах [110, 111, 113, 145, 153, 279, 286, 288, 292, 294, 382, 392], а также рассмотрены в Главе 1. Так, детальная модель распада метана с образованием побочных продуктов реакций при температурах от 1173 К до 1373 К и давлении от 10 кПа до 100 кПа включала 318 реакций [294], что требовало значительных временных вычислительных затрат и экспериментальных исследований при реализации в рамках многомасштабного моделирования. В настоящей работе применена упрощенная модель распада метана с образованием углеродной матрицы УКМ, которая согласована с экспериментальными исследованиями и включала 29 реакций (Таблице 15). При моделировании получения углерод-

карбидокремниевой матрицы из метилтрихлорсилана общее количество реакций составляло 74 [292], но в работе выбраны основные 33 реакции и 9 реакций в случае использования в качестве реагента монометилсилана [393] (Таблица 16).

Таблица 15.

Параметры реакций распада метана с образованием углеродной матрицы

№ Реакция Пред-экспоненциальный множитель kfQ, с Показатель степени Энергия активации Еа, кДж/моль

1 С Н4 + М^С Н3 + Н + М 1,001017 0,0 359,23

2 С Нз + С2Н4^С Н4 + С2Нз 5,001012 0,0 54,43

3 С Н3+Н2^ С Н4 + Н 2,75-104 2,5 39,43

4 2С Н3 + М ^ С2Н6 + М 3,08 1 041 -7,0 11,57

5 С Н3 + СН4^С2Н6 + Н 8,001013 2,0 167,47

6 С2Н4 + М ^ С2Н3 +Н + М 3,981017 0,0 411,14

7 С2Н4 + Н ^ С2Н3 + Н2 13,20-106 2,5 47,17

8 2Н + М ^Н2+М 1,00-10° 0,0 0

9 С2Н5 + М + С2Н4 + М 2,04-1015 0,0 130,09

10 С2Н6 ^ С2Н5 + Н 2,08 1 038 - 7,1 445,93

11 2С Н3 ^ С2Н5 + Н 3,011013 0,0 56,58

12 С Нз + СН4 ^ С2Н5 + Н2 1,001013 0,0 96,30

13 С2Н5 +Н ^ С2Н4 + Н2 2,001012 0,0 0

14 2 С2Н4 ^ С2Н5 + С2Н3 1,821014 0,0 270,18

15 С2Н6 + С2Н3 ^ С2Н5 + С2Н4 1,08 10-3 4,5 14,65

16 С2Н6 + Н ^ С2Н5 + Н2 5,40 102 3,5 21,81

17 С Нз + С2Нб^С2Н5 + С Н4 5,5010-1 4,0 37,76

18 СзНб + Н^С Н3 + С2Н4 3,401013 0,0 14,30

19 С3Н6 ^ С Н3 + С2Н3 2,501014 0,0 368,44

20 С2Н6 + С2Н3 ^ Н + Н2 + СбНб 3,981010 0,0 0

21 С4Н6 + Н ^ С2Н3 + С2Н4 5,01 ■ 1011 0,0 0

22 С4Н6 ^ 2С2Н3 4,07-1016 0,0 391,05

23 С3Н6 + С2Н3 +М ^ СН3 + С4Н6 + М 1,00 100 0,0 0

24 С2Н4 + М ^ С2Н2 +Н2 + М 8,001012 0,4 371,64

25 Н + С2Н3 ^ С2Н4 + Н2 3,001013 0,0 0

№ Реакция Пред-экспоненциальный множитель кг0, с Показатель степени Энергия активации Еа, кДж/моль

26 С3Н6 ^ С2Н2 + С Н4 1,801012 0,0 293,08

27 С2Н3 + м ^ С2Н2 + н +м 7,94-1014 0,0 130,09

28 С4Н6 + С2Н2 + С2Н3 + Н2 3,161014 0,0 60,71

29 С4н6 ^ С2Н2 + с2н4 8,401014 0,0 355,88

Таблица 16.

Параметры реакций распада метилтрихлорсилана с образованием

карбидокремниевой матрицы

№ Реакция Пред- Показатель Энергия

экспонен- степени активации

циальный Еа,

множитель кДж/моль

кг0, с

1 С Н3Б1С13 ^С Н3+ Б1С13 1,72-1014 0 342

2 С Н3Б1С13+С1^С Н2Б1С13 + НС1 1,32-10-8 4,704 - 7,4

3 С Н351С13+Б1С13 ^ С Н3Б1С12 + Б1С14 3,34105 0,811 113

4 С Н351С12+Б1С13 ^ С Н3Б1С13 + Б1С12 3,00107 0 189

5 С Н351С12+Б1С13 ^ С Н3Б1С1 + Б1С14 1,30108 0 209

6 С Н3Б1С13 ^ С Н3Б1С12 + С1 3,51018 - 0,96 435,7

7 С Н3Б1С13 ^С Н2+ Б1С13 9,39-1011 1,18 435,6

8 С Н3Б1С13 ^ С Н2Б1С13 + Н 2,429-1026 - 3,11 467,6

9 Б1С13 + СН3Б1С13 ^ БШ С13 + СН2Б1С13 1,634-10-13 5,9 43,3

10 Б1С13 + СН4 ^ СН3Б1С13 + Н 3,14106 0,41 209,3

11 С1 + Н2^ НС1 + Н 7,52-10-4 3,39 - 4,9

12 Б1С13 + СН3 ^ БШС13 + СН2 0,001 3,49 88,4

13 Б1С12 + СН4 ^ БШС13 + СН3 7,238-10-9 4,5 211,8

№ Реакция Пред-экспоненциальный множитель кг0, с Показатель степени Энергия активации Еа, кДж/моль

14 Н + Б1С12 ^НС1 +Б1С1 2,45-108 0 78,9

15 БШ3С1 ^Н2+БШС1 3,891014 0 272

16 Б1С12 + НС1 ^ БШС12 + С1 0,0012 2,95 243,9

17 БШ2С12 ^ Б1С12 + Н2 2,1411018 - 1,2 326,3

18 БШ2С12 ^ БШС1 +НС1 6,918-1014 0 317

19 Б1С13 + Н2 ^ БШС12 + НС1 3,99 10-8 4,097 174,4

20 Б1С1 +Н2 ^ БШС1 + Н 3,981-108 0 136

21 Б1С12 + Н2 ^ БШС1 + НС1 8,503-10-19 6,968 80,2

22 Б1С12 + Н2 ^ БШС12 + Н 0,0011 3,211 205,8

23 Б1Н С13 + Н2 ^ БШ2С12 + НС1 3,28 10-8 4,217 233,3

24 Б1С14 ^ Б1С13 + С1 4,79-1015 0 464,6

25 Б1Н С13 + НС1^ Б1С14 + Н2 2,2-10-3 2,67 178,2

26 БШ2С12 + НС1 ^ БШ2С12 + С1 1,307-10-3 3,03 26,8

27 Б1Н С1 +НС1^БШ С12 + Н 0,1009 2,219 92,2

28 Б1С14 + Б1С12 ^ 2Б1С13 2,662-10-9 4,483 162,4

29 Б1Н С12 + НС1^Б1Н С13 + Н 2,4-10-4 3 50,2

30 СН2 + НС1 ^ СН3 + С1 183,417 1,71 8,9

31 СН3 +С1^ СН2 + НС1 2,2-107 0 34,5

32 СН3 + НС1 ^ СН4 + С1 70,106 1,412 15,7

33 СН4 ^СН3 + Н 8,31013 0 434,4

Для полимерных матриц УКМ характерны, как показано выше, процессы химической кинетики с учетом тепловых эффектов, предварительной сшивки, отверждения с разной степенью конверсии; кристаллизации аморфной фазы; усадки; возникновение остаточных деформаций и напряжений. Помимо зависимостей и уравнений (3.11), (3.12) и (3.16) - (3.22) система дополнена уравнением, учитывающем степень сшивки термореактивных полимерных связующих [394]:

) = (К кд + К'к_2 • (в°)тт) • (1 - в°)Тп, (3.24)

где: в0 - степень сшивки; К'к,2 - константы скоростей реакций; Тт,Тп -константы, зависящие от температуры.

Тепловые эффекты при отверждении вычислялись по следующей зависимости (для ПЭО УКМ на мезоуровне для оценки тепловых эффектов в углеродных нитях (тканых структур армирования) числитель в (3.25) умножался на (1 — Увол), где увол - объемная доля углеродного волокна в нити):

= (3.25)

где: (ЗтагЮ - общая теплота реакции; р - плотность полимерного связующего; - максимальная степень сшивки. Для термопластичных полимерных связующих оценивалась степень кристаллизации:

(£) = кгосг • ехр (— • ехр (— • (а0)1 • « — а0), (З.26)

где: а0 - степень кристаллизации полимерной матрицы; кг0сг -предэкспоненциальный множитель; Еасг - энергия активации при переходе аморфной фазы в кристаллическую; ф- кинетическая константа; Тто1 -температура плавления; а^ - полная степень кристаллизации.

3.3. Численное моделирование многомасштабных процессов тепломассообмена,

химической кинетики, механики композитных сред на различных стадиях изготовления конструкций из углеродсодержащих композиционных материалов

Технологические параметры влияют на окончательный уровень характеристик УКМ в конструкциях, особенности формирования остаточной пористости, напряжений, а также дефекты структуры. Для апробации определены конструкции из УКМ с разными связующими и технологическими схемами изготовления: рефлектор космической антенны, элемент размеростабильной космической платформы, КСС крыла, НСН.

В Главе 2 приведены отдельные результаты исследований по прогнозированию характеристик, как углеродных волокон, так и разнотипных матриц УКМ. Полученные результаты использованы далее на микроуровне, мезоуровне, где моделировался процесс пропитки полимерными связующими углеродных волокон и тканых структур, газофазного осаждения углерод-карбидокремниевой матрицы.

Изучалась равномерность пропитки полимерными связующими ПЭО с действительной формой сечения углеродных волокон, а также время пропитки, температурные градиенты и возможные области формирования пор. Далее на стадии отверждения рассматривались особенности химической кинетики с учетом тепловых эффектов, сшивки, усадки, возникновения остаточных деформаций и напряжений. Для проведения моделирования и получения исходных свойств и зависимостей выполнены исследования полимерных связующих УКМ. Использованы следующие приборы и параметры измерений:

- дифференциальный сканирующий калориметр Discovery DSC 25 (TA Instruments), предназначенный для измерения термодинамических характеристик (температуры, удельной теплоты фазовых переходов, удельной теплоемкости). Диапазон измерений от 188 К до 670 К и применялся калориметр с приставкой двухступенчатого холодильника на фреоне RCS 90. Скорость нагрева в сканирующем режиме для определения температуры стеклования составляла от 2 К/мин до 5 К/мин. Все испытания проводились в атмосфере азота особой чистоты 99,999 % со скоростью потока 50 мл/мин. Масса образцов составляла от 10 мг до 15 мг. Для анализа параметров и характеристик использовано программное обеспечение TA Instruments TRIOS;

- реометр модели HR-1 серии Discovery, предназначенный для анализа реокинетики процесса отверждения, также определялись время гелеобразования и вязкость в диапазоне температур от 290 К до 500 К;

- термомеханический анализатор ТМА Q-400 EM необходим для вычисления модуля упругости, коэффициента механических потерь. Скорость нагрева была от 2 К/мин до 5 К/мин, частота колебаний 1 Гц.

Результаты определения термодинамических характеристик связующих ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т, цианат-эфирного и термопластичного ПЭЭК приведены на Рисунках 3.5 - 3.9.

Рисунок 3.5.

Термодинамические характеристики связующего ЭНФБ УКМ: 1 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 538 К; 2 - нагрев со скоростью 3 К/мин до 513 К; 3, 4 - теплоемкость отвержденного и не отвержденного связующего

X 25226ч:

-т-

3 / ^^

'— ----'кирши |урв На« >»**« / X \ „>" ОтЛ г 157 87 'С / / V Егк|« 19947 "С [/ Мйро« 178 57 4; Л 1

-_ / \ *\.-'Е'пта1ру(с<»та(с«)| 31666ЛдЛ \ Рва* |втрва1игв 18172 43 // \ —<¿1. ОпМк 13560'С // '

170

270

.170

570

Температура, К

Рисунок 3.6.

Термодинамические характеристики связующего ЭХД-МД УКМ: 1 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 485 К; 2 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 530 К; 3, 4 -теплоемкость не отвержденного и отвержденного связующего

Рисунок 3.7.

Термодинамические характеристики связующего Этал-Инжект-Т УКМ: 1 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 485 К; 2 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 535 К; 3 ,4 - теплоемкость не отвержденного и отвержденного связующего

Рисунок 3.8.

Термодинамическая характеристика цианат-эфирного связующего УКМ, нагрев

со скоростью 5 К/мин до 530 К

Рисунок 3.9.

Термодинамические характеристики термопластичного связующего ПЭЭК УКМ: 1 - нагрев со скоростью 5 К/мин до 645 К; 2 - теплоемкость связующего

Отдельные результаты осцилляционной реометрии для связующих приведены на Рисунках 3.10, 3.11, где показаны зависимости вязкости, модуля упругости, модуля потерь и тангенса угла механических потерь.

Время, мин

Рисунок 3.10.

Результаты термомеханического анализа связующего ЭХД-МД УКМ при

нагреве со скоростью 2 К/мин до 390 К с последующей выдержкой: 1 - вязкость; 2 - тангенс угла механических потерь; 3 - модуль упругости;

4 - модуль потерь; 5 - температура

Время, мин

Рисунок 3.11.

Результаты термомеханического анализа связующего Этал-Инжект-Т УКМ при нагреве со скоростью 2 К/мин до 435 К с последующей выдержкой: 1 -вязкость; 2 - тангенс угла механических потерь; 3 - модуль упругости; 4 -модуль потерь; 5 - температура

Для моделирования процессов вакуумной пропитки, пропитки в установках по изготовлению препрега исследовано изменение вязкости. Так, при температуре 330 К в течение 5 ч вязкость ЭХД-МД меняется от 0,12 Пас до 0,69 Пас, а для Этал-Инжект-Т - от 0,12 Пас до 13,18 Пас (Рисунок 3.12).

9 20

- ==¡==1 • | ■ |-1-1-•-1-■-1-1—

0 50 100 150 200 250 300

Время, мин

Рисунок 3.12.

Изменение вязкости от времени при температуре 330 К: 1 - ЭХД-МД; 2 - Этал-

Инжект-Т

Результаты исследования гелеобразования, степени сшивки термореактивных связующих приведены на Рисунках 3.13, 3.14 и в Таблице 17. Нагрев проводился со скоростью 10 К/мин до изотермической выдержки. Отверждение проходило с разной интенсивностью, а конечная степень сшивки

составляла до 0,98. Для полного отверждения необходим ступенчатый режим.

Таблица 17.

Расчет степени сшивки и полупериода реакции

Марка Температура, К Полуп. реакции, мин Время гелеобразования, мин. в0 при гелеобразовании, %

ЭХД-МД 373 647 116 68

393 136 72 67

413 33 26 51

Этал-Инжект-Т 353 178 160 76

373 41 62 70

393 11 21 41

Время, мин Время, мин

а б

Рисунок 3.13.

Степень сшивки термореактивных связующих в зависимости от температуры изотермической выдержки и времени: а - ЭХД-МД: 1 - при температуре 373 К; 2 - при температуре 393 К; 3 - при температуре 413 К; б - Этал-Инжект-Т: 1 - при температуре 353 К; 2 - при температуре 373 К;

3 - при температуре 393 К

Показано, что для эпоксидного связующего Этал-Инжект-Т характерен ранний механизм ускорения полимеризации и неравномерное отверждение. Для минимизации внутренних напряжений необходим ступенчатый нагрев.

а

б

Рисунок 3.14.

Изменение вязкости в зависимости от температуры изотермической выдержки и времени: а - ЭХД-МД: 1 - при температуре 373 К; 2 - при температуре 393 К; 3 - при температуре 413 К; б - Этал-Инжект-Т: 1 - при температуре 353 К; 2 -при температуре 373 К; 3 - при температуре 393 К

Данные термомеханического анализа по определению ТКЛР неотвержденных термореактивных связующих представлены на Рисунках 3.15, 3.16, а на Рисунке 3.17 для термопластичного ПЭЭК.

Рисунок 3.15.

Температурная зависимость ТКЛР эпоксидного связующего ЭХД-МД УКМ

I I I I I I I I I

370 470

Температура, К

Рисунок 3.16.

Температурная зависимость ТКЛР эпоксидного связующего Этал-Инжект-Т

УКМ

270 310 350 390 430

Температура, К

Рисунок 3.17. Температурная зависимость ТКЛР ПЭЭК УКМ

Расчет параметров полимерной сетки проводился по термомеханическим зависимостям, снятым с консистометра. Плотность сшивки ^ определялась как:

Л = (3.27)

где Мр5 - молекулярная масса кинетического сегмента цепи; рр5 - плотность образца полимерного связующего.

Определение параметров сетки выполнялось для выбора рациональных технологических режимов отверждения термореактивных связующих и минимизации внутренних напряжений в полимерных матрицах. Изучены, как базовые режимы отверждения, так и предложены новые. Отдельные результаты исследований параметров сетки приведены на Рисунке 3.18 и в Таблице 18. Показано, что новые технологические режимы отверждения, в частности для Этал-Инжект-Т (нагрев 5 К/мин до 350 К, выдержка 3 ч при температуре 350 К, нагрев 3 К/мин до 370 К, выдержка 1 ч при температуре 370 К, нагрев 3 К/мин до 390 К и выдержка 0,5 ч, после охлаждение до температуры 290 К) позволили снизить внутренние напряжения.

Таблица 18.

Параметры сетки для отвержденных термореактивных связующих

Марка Температура стеклования, К Модуль высоко-эластичности (1-ое измерение / 2-ое измерение), МПа Мр5, г/моль Р5, моль/м3

ЭХД-МД 451 6,9 / 12,0 1890 / 1085 610 / 1070

(базовый режим)

ЭХД-МД 443 9,2 / 9,3 1318 / 1400 830 / 840

(новый режим)

Этал- 422 4,9 / 6,3 2404 / 1868 460 / 600

Инжект-Т

(базовый режим)

Этал- 403 3,8 / 3,9 3166 / 3130 370 / 380

Инжект-Т

(новый режим)

3 0,6 я

CS

о H-'-1-'-1-1-1-'-1-'-1-'

270 370 470 Температура, К

0 H-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

270 370 470 570

Температура, К

б

Рисунок 3.18.

Результаты термомеханических исследований термореактивных связующих УКМ: а - Этал-Инжект-Т (1 - новый режим отверждения; 2 - базовый режим отверждения); б - ЭХД-МД (1 - новый режим отверждения;

2 - базовый режим отверждения)

Таким образом, можно сделать вывод, что полученные образцы по новым технологическим режимам отверждения термореактивных связующих УКМ обладали равномерно сшитой структурой по объему с минимальными внутренними напряжениями. Базовый режим отверждения приводил к значительным внутренним напряжениям в образцах материалов, что видно при повторных измерениях и существенному разбросу выявленных и расчетных величин (Таблица 18).

Результаты экспериментальных исследований термореактивных связующих применялись для математического моделирования процесса пропитки на разных масштабных уровнях. Использован ряд условий и допущений, основные из которых: учитывалась действительная форма сечения углеродных волокон разных марок и их расположение в ПЭО; не учитывалась шероховатость углеродных волокон и нитей в ПЭО (Рисунок 2.4); исключалось возможное газовыделение летучих компонентов в объем при пропитке; положения углеродных волокон при пропитке считалось неизменным; теплофизические, оптические и реологические характеристики связующих, параметры остаточной атмосферы воздуха зависели от температуры; учитывались тепловые эффекты в связующем, теплообмен теплопроводностью, излучением с нагретых поверхностей в геометрической модели и конвекцией с изменяемой термограммой по температуре.

Для математического моделирования процессов пропитки, тепломассообмена в трехмерной, нестационарной постановке использовался программный комплекс ANSYS CFX. В программный комплекс вводились дополнительные установленные зависимости и результаты экспериментальных исследований для корректного моделирования. После пропитки моделировался процесс отверждения термореактивных полимерных связующих УКМ для оценки внутренних напряжений, пористости и степени сшивки по новым предложенным режимам (отверждение происходило в лабораторных и промышленных автоклавах или в электропечах сопротивления с размещением в вакуумном мешке).

Результаты математического моделирования отдельных стадий пропитки во времени ПЭО третьего вида УКМ приведены на Рисунках 3.19 - 3.26. Установлено, что на микроуровне при пропитке термореактивными полимерными связующими межволоконного пространства формировался неравномерный фронт в объеме, который менялся во времени. Неоднородная по сечению структура углеродных волокон УКН-М-6К, UMT42S-3K, UMT49S-12K, ГЖ-23, UMT430-12K и их расположение в ПЭО приводили к возникновению локальных завихрений при движении полимерных связующих с образованием остаточной атмосферы воздуха в объеме. Максимальная остаточная пористость ПЭО УКМ с термореактивными матрицами составила, в зависимости от марки углеродных волокон: УКН-М-6К: матрица ЭНФБ - 6,6 %; матрица ЭХД-МД -5,0 %; UMT42S-3K: матрица Этал-Инжект-Т - 4,8 %; UMT49S-12K: матрица Этал-Инжект-Т - 4,9 %; ЭХД-МД - 5,3 %; ГЖ-23: матрица ЭНФБ - 6,1 %; UMT430-12K: матрица ЭХД-МД - 5,9 %; матрица ЭНФБ - 6,2 %.

Полученные результаты математического моделирования по прогнозированию остаточной пористости, особенностей распределения пор в объеме различных структур армирования УКМ с термореактивными полимерными матрицами верифицированы на образцах материала каждого типа объемом от 160 мм3 до 440 мм3. Выполнены исследования с использованием промышленного томографа Phoenix V|TOME|X M 300 и программы для анализа и обработки myVGL 3.5.1 Volume Graphics. В пространстве между волокнами подтверждена неравномерность пропитки по объему термореактивными связующими и наличие областей с остаточной пористостью. Причем подтверждено наличие локальных продольных агломератов пор. Томография выявляла открытую и закрытую пористую структуру в образцах материала каждого типа. Выявленная пористость образцов отличалась от итоговых расчетных значений не более, чем на 4,8 %. Отдельные результаты анализа приведены на Рисунках 3.27, 3.28 для образцов УКМ на основе углеродных волокон марки UMT49S-12K и матрицы ЭХД-МД, углеродных волокон марки UMT430-12K и матрицы ЭХД-МД.

а

б

Рисунок 3.19.

Изменение объемной доли ЭХД-МД при пропитке межволоконного пространства углеродных волокон УКН-М-6К в ПЭО УКМ вдоль длины в различные моменты времени: а - 2,2 мс; б - 6,1 мс

а

б

Рисунок 3.20.

Изменение объемной доли ЭХД-МД при пропитке межволоконного пространства углеродных волокон УКН-М-6К в ПЭО УКМ вдоль длины в различные моменты времени: а - 9 мс; б - 10,5 мс

а

б

Рисунок 3.21.

Объемная доля связующего ЭНФБ при моделировании пропитки межволоконного пространства волокон УКН-М-6К в моменты времени:

а - 1,4 мс; б - 2,8 мс

а

б

Рисунок 3.22.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) после пропитки в межволоконном пространстве волокон УКН-М-6К связующем: а - ЭНФБ; б - ЭХД-МД

а

б

Рисунок 3.23.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) после пропитки в межволоконном пространстве: а - углеродных волокон UMT42S-3K с связующем Этал-Инжект-Т; б - углеродных волокон ГЖ-23 с связующем ЭНФБ

а

б

Рисунок 3.24.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) после пропитки в межволоконном пространстве UMT49S-12K связующем: а - Этал-Инжект-Т; б - ЭХД-МД

а

б

Рисунок 3.25.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) после пропитки в межволоконном пространстве волокон ЦМТ430-12К связующем: а - ЭХД-МД; б - ЭНФБ

Рисунок 3.26.

Изменение во времени объемной доли связующего ЭХД-МД (в точках вдоль длины ПЭО) при моделировании пропитки межволоконного пространства

углеродных волокон УКН-М-6К

Рисунок 3.27.

Распределение пор по объему образца УКМ на основе углеродных волокон марки ЦМТ430-12К и матрицы ЭХД-МД

таДИР [ШШ1]

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Эквивалентный диаметр поры, мм

б

Рисунок 3.28.

Распределение пор по объему образца УКМ на основе углеродных волокон иМТ49Б-12К и ЭХД-МД: а - пористая структура; б - функция вероятности распределения пор в зависимости от эквивалентного диаметра, %

Определены закономерности, времена пропитки термореактивными связующими межволоконного пространства углеродных нитей и особенности формирования остаточной пористости. Минимальный размер пор сопоставим с дискретностью разбиения и варьировался от 0,05 мкм до 0,5 мкм. Далее изучено

влияние на полученные результаты искривления углеродных волокон в нити, что характерно для тканых, плетеных структур армирования. Использовались геометрические модели ПЭО четвертого вида для микроуровня (Рисунок 2.65). Результаты математического моделирования отдельных стадий пропитки по времени ПЭО четвертого вида УКМ приведены на Рисунках 3.29 - 3.31. Видно,

что также при пропитке термореактивными полимерными связующими межволоконного пространства формировался неравномерный фронт в объеме, который менялся по времени. Неоднородная по сечению структура углеродных волокон, их искривление, вдоль ПЭО становились причиной формирования остаточной атмосферы воздуха в объеме с уровнем пористости близким к установленным ранее (Рисунок 3.31).

Тетрега1иге _ 3.128е+02 П 3.114е+02 3.099е+02 3.085е+02 3 070е+02 3.056е+02 3.041е+02 3.027е+02 3.012е+02 2.998е+02 2 9838+02 2.969е+02 2.954е+02 2.939е+02 [К]

ТетрегаШге щ 3.104е+02 Р1 3.104е+02 3.104е+02 . 3.103е+02

|3.103е+02 3.103е+02 3.102В+02 3.102е+02 3.102е+02 3.101 е+02 3.101 е+02 3.101 е+02 3.100е+02 3.100е+02

[К]

б

Рисунок 3.29.

Изменение температурного поля в ПЭО при пропитке связующем ЭНФБ межволоконного пространства углеродной нити УКН-М-6К в ткани в различные моменты времени: а - 0,6 мс; б - 18 мс

а

ЕоохуЛ/о1игпе ргэс[юп 1.00061-00 9.754е-01 9.507е-01 9.261е-01 9.015е-01 8.769е-01 8.522е-01 8.276е-01 8.030е-01 7.784е-01 7.5376-01 7.291е-01 7.045е-01 6.799е-01

■ Г

б

Рисунок 3.30.

Изменение объемной доли термореактивного связующего ЭНФБ при пропитке межволоконного пространства углеродной нити УКН-М-6К в ткани в различные моменты времени: а - 12 мс; б - 55 мс

Рисунок 3.31.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) при пропитке межволоконного пространства углеродной нити УКН-М-6К в ткани термореактивным связующем ЭНФБ в момент времени 60 мс

Закономерности пропитки межволоконного пространства термореактивными связующими для разных марок углеродных нитей позволили перейти к дальнейшим исследованиям мезоуровня. Как правило, на мезоуровне можно учитывать типы армирования УКМ, но нет выраженной границы раздела между углеродными нитями и матрицей, потому что в действительности взаимодействие происходит с волокнами. Для моделирования пропитки на мезоуровне УКМ введен ряд условий и допущений, основные из которых: углеродные нити считались пористым материалом с анизотропной проницаемостью (коэффициенты проницаемости в трех направлениях определены на микроуровне для каждой марки углеродного волокна); не рассматривалось возможное газовыделение летучих компонентов в объем при пропитке; положение углеродных нитей при пропитке считалось неизменным; теплофизические, оптические и реологические характеристики связующих, параметры остаточной атмосферы воздуха зависели от температуры; учитывались тепловые эффекты в связующем, теплообмен теплопроводностью, излучением с нагретых поверхностей в геометрической модели и конвекцией с изменяемой термограммой по температуре.

Аналогично использовался программный комплекс ANSYS CFX. Результаты математического моделирования отдельных стадий пропитки по времени ПЭО УКМ на мезоуровне представлены на Рисунках 3.32 - 3.37.

а б

Рисунок 3.32.

Объемная доля термореактивного связующего ЭНФБ при пропитке углеродной ткани полотняного плетения из нити УКН-М-6К в различные моменты времени (сечение в плоскости армирования): а - 0,28 с; б - 0,6 с

а

б

Рисунок 3.33.

Объемная доля термореактивного связующего ЭНФБ (а) и остаточного воздуха (пор) (б) при пропитке углеродной ткани полотняного плетения из нити

УКН-М-6К в момент времени 0,8 с

а

Epoxv. Volume Fraction

б

Рисунок 3.34.

Объемная доля термореактивного связующего Этал-Инжект-Т при пропитке углеродной ткани саржевого плетения из нити иМТ42Б-3К в различные моменты времени (сечение в плоскости армирования): а - 0,5 с; б - 1,0 с

б

Рисунок 3.35.

Объемная доля термореактивного связующего Этал-Инжект-Т (а) и остаточного воздуха (пор) (б) при пропитке углеродной ткани саржевого плетения из нити

UMT42S-3K в момент времени 2,0 с

а

б

Рисунок 3.36.

Объемная доля термореактивного связующего Этал-Инжект-Т при пропитке углеродной ткани объемного плетения из нити UMT42S-3K в различные моменты времени (сечения в плоскости армирования и перпендикулярно ему):

а - 1,0 с; б - 1,6 с

Edoxv. Volume Fraction Air.Volume Fraction

а б

Рисунок 3.37.

Объемная доля термореактивного связующего Этал-Инжект-Т (а) и остаточного воздуха (пор) (б) при пропитке углеродной ткани объемного плетения из нити иМТ42Б-3К в моменты времени 1,0 с и 1,6 с, соответственно

Установлено, что на мезоуровне пропитка термореактивными полимерными связующими происходила неравномерно в объеме (Рисунки 3.38, 3.39). Полимерные связующие заполняли свободное пространство между углеродными нитями в разных структурах армирования с образованием локальных завихрений потока, областей с остаточной атмосферой воздуха, причем процесс пропитки самих нитей происходил неоднородно по объему и медленнее, запаздывание фронта составляло от 0,62 с до 1,26 с (Рисунок 3.38). Пористое пространство углеродных нитей заполнялось связующими не только вдоль фронта пропитки, но и по объему из-за более быстрого движения в самой структуре армирования. Показано, что учет анизотропии проницаемости углеродных нитей в разных структурах армирования позволял более корректно спрогнозировать остаточную пористость УКМ с термореактивными матрицами, время пропитки и установлены неравномерности заполнения с использованием разработанных математических моделей.

а

Epoxv.Volume Fraction

у

I

1.000e+00

9.231e-01

8.462e-01

7.692e-01

6.923e-01

6.154e-01

5.385e-01

4.615e-01

3.846e-01

3.077e-01

2.308e-01

1.538e-01

7.692e-02

1 255e-08

б

Epoxy.Volume Fraction

н 1.000e+00 | : 9.2316-01 8.462e-01 7.692e-01 6.923e-01 6.154e-01 5.385e-01 4.615e-01 3.846e-01 3.077e-01 2.308e-01 - 1.539e-01 7.693e-02 1,080e-05

в

Рисунок 3.38.

Объемная доля эпоксидного связующего ЭНФБ при пропитке углеродной ткани полотняного плетения из нити УКН-М-6К в различные моменты времени (сечения перпендикулярные плоскости армирования): а - 0,042 с; б - 0,14 с;

в - 0,308 с

Рисунок 3.39.

Изменение во времени объемной доли эпоксидного связующего ЭНФБ (в

точках вдоль длины в области углеродной нити и матрицы ПЭО) при моделировании пропитки углеродной ткани полотняного плетения из нити

УКН-М-6К

Минимальный размер пор сопоставим с дискретностью разбиения и конечным объемом, варьировался в интервале от 10 мкм до 24 мкм для ПЭО УКМ на мезоуровне. Следующим этапом выполнено моделирование процесса отверждения полимерных термореактивных связующих в ПЭО УКМ на микро и мезоуровнях, где учитывались тепловые эффекты, различные фазовые состояния полимерного связующего, оценивалась степень сшивки и уровень остаточных деформаций и напряжений. Установлено, что:

- в межволоконном пространстве при отверждении полимерных связующих формировалось сложное деформированное состояние, что вызвано анизотропией свойств углеродных волокон и отличием характеристик, а также фазовыми переходами и тепловыми эффектами. Напряжения в полимерных матрицах ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т достигали 29 МПа на стадии

окончательной выдержки и сшивки в областях на границах раздела «волокно -матрица» и до 18 МПа в объеме, а остаточные напряжения составляли: в углеродной нити марки УКН-М-6К с матрицей ЭНФБ - 0,39 МПа на границах раздела и 0,24 МПа в объеме, с матрицей ЭХД-МД, соответственно, 0,44 МПа и 0,26 МПа (Рисунок 3.40, а); в углеродной нити марки UMT42S-3K с матрицей Этал-Инжект-Т - 0,56 МПа на границах раздела и 0,32 МПа в объеме (Рисунок 3.40, б); в углеродной нити марки UMГ49S-12K с матрицей Этал-Инжект-Т -0,61 МПа на границах раздела и 0,33 МПа в объеме, с матрицей ЭХД-МД, соответственно, 0,52 МПа и 0,31 МПа (Рисунок 3.40, в); в углеродной нити марки ГЖ-23 с матрицей ЭНФБ - 0,47 МПа на границах раздела и 0,29 МПа в объеме (Рисунок 3.40, д); в углеродной нити марки ЦМГ430-12К с матрицей ЭНФБ -0,42 МПа на границах раздела и 0,29 МПа в объеме, с матрицей ЭХД-МД, соответственно, 0,47 МПа и 0,30 МПа (Рисунок 3.40, е);

- при искривлении углеродных нитей тканых и объемных структур армирования в межволоконном пространстве при отверждении полимерных связующих также формировалось сложное деформированное состояние (Рисунок 3.40, г). Величины остаточных деформаций, напряжений и характер их распределения аналогичен, а значения для матриц ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т не превышали 0,65 МПа (Рисунок 3.41);

- в пространстве между углеродными нитями тканых и объемных структур армирования УКМ на мезоуровне наблюдались аналогичные закономерности при отверждении полимерных связующих (Рисунок 3.42, а, б). Напряжения в полимерных матрицах ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т достигали 41 МПа на стадии окончательной выдержки и сшивки в областях у углеродных нитей и до 23 МПа в объеме, а остаточные напряжения составляли: для тканей полотняного плетения с углеродными нитями УКН-М-6К, UMT42S-3K и связующими ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т до 2,3 МПа в областях у нитей и до 0,74 МПа в объеме (Рисунок 3.43, а); для тканей саржевого плетения с углеродными нитями УКН-М-6К, ЦШ^-3К и связующими ЭНФБ, ЭХД-МД, Этал-Инжект-Т до 2,1 МПа в областях у нитей и до 0,72 МПа в объеме (Рисунок 3.43, б); для тканей

объемного плетения с углеродными нитями УКН-М-6К, UMT42S-3K и связующим Этал-Инжект-Т составляли до 2,6 МПа в областях у нитей и до 0,9 МПа в объеме.

Е

| I

9.13 69с 5

8.485 бе 5

7.8343е5

7.183е5

6.5318«5

5.8805е5

5.2292е5

4.5779«5

3.9267е5

3.2754е5

2.6241е5

1.9729е5

1.3216«5

67030

1903

8.3994е5 7.801 е5 7.2026е5 б.6043е5 б.0059е5 5.4075 е 5 4.8091е5 4.2108е5 3.6124е5 3.014е5 2.4156е5 1.8173е5 1.2189е5 62051 2213.2

а

в

д

Рисунок 3.40.

Остаточные напряжения в полимерных матрицах в межволоконном пространстве углеродных нитей УКМ после отверждения, Па: а - УКН-М-6К с матрицей ЭХД-МД; б - UMT42S-3K с матрицей Этал-Инжект-Т; в, г -UMT49S-12K с матрицей ЭХД-МД; д - ГЖ-23 с матрицей ЭНФБ; е - UMT430-12K с матрицей ЭХД-МД

г

е

Рисунок 3.41.

Остаточные деформации в матрице ЭХД-МД углеродной нити UMT49S-12K

после отверждения

б

Рисунок 3.42.

Распределение температур в ПЭО УКМ на мезоуровне при отверждении полимерных связующих, К: а - углеродная ткань полотняного плетения на основе нити УКН-М-6К и связующее ЭХД-МД (начало выдержки для сшивки (19900 с)); б - углеродная ткань саржевого плетения на основе нити UMT42S-3K и связующее Этал-Инжект-Т (начало выдержки для сшивки

(16500 с))

У

1.5424е6 1.4Э27е6 1.3229еб 1.2131 еб 1.103 3 е 6 9.9353е5 8.8375е5 7.7397е5 6.6419е5 5.5441 е5 4.4463е5 3.3485е5 2.2507е5 1.1529е5 5506.9

а

б

Рисунок 3.43.

Остаточные напряжения в ПЭО УКМ на мезоуровне после отверждения полимерных связующих, Па: а - углеродная ткань полотняного плетения на основе нити УКН-М-6К и связующее ЭХД-МД; б - углеродная ткань саржевого плетения на основе углеродной нити UMT42S-3K и связующее Этал-Инжект-Т

Полученные результаты математического моделирования по прогнозированию остаточной пористости, особенностей распределения пор в объеме различных структур армирования УКМ с термореактивными полимерными матрицами верифицированы на 3-х образцах материала каждого типа объемом 100 мм3. Выполнены исследования с использованием промышленного томографа Phoenix V|TOME|X M 300 и программы для анализа и обработки myVGL 3.5.1 Volume Graphics. Подтверждена неравномерность пропитки по объему термореактивными связующими тканых схем армирования УКМ и наличие областей с остаточной пористостью. Образование остаточной пористости характерно и для межволоконного пространства углеродных нитей в

тканях. Установлено, что среднее число пор в образцах 14740, а объемное содержание зависит от схемы армирования и связующего. Выявленная пористость образцов отличалась от расчетных значений не более, чем на 6,3 %. Отдельные результаты анализа приведены на Рисунках 3.44, 3.45 для образцов УКМ на основе углеродной ткани полотняного плетения из нити UMT42S-3K и связующего Этал-Инжект-Т, а также углеродной ткани полотняного плетения из нити УКН-М-6К и связующего ЭНФБ.

б

Рисунок 3.44.

Микроструктура УКМ на основе углеродной ткани полотняного плетения из нити UMT42S-3K и связующего Этал-Инжект-Т: а - фронтальная область; б -

распределение пор в объеме

б

Рисунок 3.45.

Микроструктура УКМ на основе углеродной ткани полотняного плетения из нити УКН-М-6К и связующего ЭНФБ: а - фронтальная область; б - распределение пор в объеме

В отличие от термореактивных процесс пропитки термопластичным связующем ПЭЭК (и аналогичными термопластичными связующими) углеродных нитей, тканей осложнен следующими особенностями:

- высокая температура плавления ПЭЭК от 610 К до 640 К в зависимости от марки;

- высокая вязкость расплава от 60 Пас до 580 Пас, которая меняется от скорости сдвига (до 104 с-1), показателя текучести расплава и температуры;

- низкая адгезия к базовым аппретам углеродных волокон, что требует применения специализированного состава;

- высокие требования по степени кристалличности материала;

- узкий интервал температур пропитки до начала деструкции полимера;

- остаточные деформации и напряжения в материале.

Изучалась равномерность пропитки ПЭЭК ПЭО УКМ, а также время, температурные градиенты, возможные области формирования пор, окончательная степень кристалличности и величины остаточных деформаций и напряжений.

Для математического моделирования использован ряд условий и допущений, основные из которых:

- учитывалась действительная форма сечения углеродных волокон разных марок и их расположение в ПЭО;

- отдельно исследовано время плавления ПЭЭК в зависимости от технологических параметров установки для получения препрега и считалось, что углеродные волокна пропитывались уже расплавом с высокой вязкостью, зависящей от скорости сдвига;

- из-за высокой вязкости расплава учитывалась шероховатость углеродных волокон и нитей в ПЭО (Рисунок 2.4);

- принималось, что положение углеродных волокон при пропитке не меняется;

- скорость протягивания углеродной ленты из углеродной нити UMT49S-12K через расплав выбиралась от 1 м/мин до 20 м/мин в зависимости от

установленных технологических параметров в узле пропитки установки для получения препрега;

- узел каландрирования считался неподвижным с заданным температурным полем;

- теплофизические, оптические и реологические характеристики ПЭЭК, параметры остаточной атмосферы воздуха зависели от температуры;

- учитывались тепловые эффекты в ПЭЭК, теплопроводность, излучение с нагретых поверхностей в геометрической модели.

Для математического моделирования процесса пропитки, тепломассообмена в трехмерной, нестационарной постановке использовался программный комплекс ANSYS CFX. Результаты моделирования во времени процесса пропитки ПЭЭК ПЭО третьего вида УКМ приведены на Рисунках 3.46 - 3.48.

Рисунок 3.46.

Объемная доля остаточного воздуха (пор) при пропитке межволоконного пространства углеродной нити UMT49S-12K ленты термопластичным связующем ПЭЭК в момент времени 8 мс

б