Разработка методов, технологий и оборудования для непрерывного формования длинномерных изделий из композиционных материалов

• Автор: Красновский, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.07, 05.02.09
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 267 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Виды длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов и области их применения
1.2. Область применения длинномерных изделий из металлических порошковых материалов и композиций
1.3. Технологии и оборудование для производства длинномерных изделий из ПКМ
1.4. Сравнительный анализ способов формования длинномерных изделий из порошковых материалов
1.4.1. Прерывистые методы формования
1.4.2. Непрерывные методы формования
1.4.3. Экструзия порошковых материалов
ГЛАВА 2. ТЕРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ
ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ
2.1. Исследование процесса подачи наполнителя при изготовлении высоконаполненных пултрузионных изделий
2.2. Исследование процесса пропитки волокнистых материалов
2.3. Математическое моделирование механики процесса пултрузии
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ
3.1. Исследование процесса подачи волокнистых материалов
3.2. Исследование процесса пропитки волокнистых материалов
3.3. Исследование температурно-скоростных параметров процесса пултрузии
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЛИННОМЕРНЫХ ПУЛТРУЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ

4.1. Общая постановка задачи определения напряженно-деформированного состояния цилиндрического пултрузионного стержня
3.2. Механика композитного пултрузионного квазиортотропного стержня круглого поперечного сечения
4.3. Оптимальное проектирование сплошного пултрузионного стержня
4.4. Оптимальное проектирование многослойных пултрузионных труб
4.5. Оптимизация характеристик жесткости пултрузионного стержня сложного профиля

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМОВАНИЯ
ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
5.1. Состояние теории экструзии порошковых материалов
5.2. Состояние и особенности методики исследования
5.3. Теоретическое исследование процесса экструзии композиционных порошковых материалов
5.3.1. Классификация порошковых материалов в зависимости от соотношения коэффициентов внешнего и межчастичного трения
5.3.2. Основные допущения

5.3.3. Гипотеза о сходстве напряженного состояния в сжимаемых и несжимаемых материалах в канале инструмента
5.3.4. Движение материала в канале инструмента
5.4. Энергосиловые параметры процесса непрерывного формования порошковых материалов
5.5. Распределение плотности материала вдоль канала инструмента
5.6. Оптимизация геометрических параметров инструмента
ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО
ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
6.1. Методика исследования триботехнических характеристик и напряжения текучести порошковых материалов
6.2. Методика исследования коэффициента окружного проскальзывания порошковых материалов
6.3. Методика исследования силовых параметров непрерывного формования порошковых материалов
6.4. Исследование коэффициентов внешнего и межчастичного трения
6.5. Исследование напряжения текучести порошковых материалов
6.6. Исследование коэффициента окружного проскальзывания
6.7. Исследование силовых параметров процесса
6.7.1. Влияние геометрических параметров инструмента на силовые параметры
6.7.2. Влияние геометрических параметров матрицы на силовые параметры
6.8. Исследование распределения напряжения и плотности материала по длине канала инструмента
6.9. Исследование мощности и производительности шнекового пресса
6.10. Технология непрерывного формования порошковых материалов
6.10.1. Приготовление шихты
6.10.2. Формование
6.10.3. Спекание
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Отличительной особенностью современного научно-технического прогресса является тенденция к устойчивому развитию производства и применения изделий из композиционных материалов. Мировой рынок полимерных композиционных материалов (ПКМ) в настоящий момент оценивается в сумму более 70 млрд. долларов. Средние темпы роста рынка ПКМ составляют 4 - 5% (по отраслям: в ветряной энергетике - более 20% в год, в аэрокосмической отрасли - 9%, в автомобилестроении - 7%, в кораблестроении - 7%). Рост применения ПКМ обгоняет сталь, алюминий и пластмассы в таких перспективных отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность. Подавляющее количество (около 95 %) ПКМ производится и находит применение в Соединенных Штатах Америки, Европе и Азии. США является абсолютным лидером по производству исходного сырья и изделий из композиционных материалов, и в том числе по разработке технологий и производству оборудования. Собственное производство ПКМ развивают европейские страны: Франция, Германия, Великобритания, Италия. Активно наращивают объемы выпуска продукции из ПКМ страны Юго-Восточной Азии. Даже сравнительно небольшие компании стремятся занять устойчивую нишу в этом секторе экономики. Например, финские компании специализируются на производстве маломерного флота.
В США уровень потребления стекловолокна в 2007г. составил 7 млрд. долларов. В это время российский рынок стекловолокна в 2007г. составил около 180 млн. долларов. Годовое производство стекловолокна в Китае приближается к 1 млн. тонн. Китайские производители сырья активно конкурируют с отечественными компаниями на российском рынке, предлагая относительно недорогое и качественное сырье для ПКМ. На территории этой страны действует более 150 заводов по производству композиционных материалов. В России производство стекловолокна осуществляют 24 предприятия [1-3].
Существует несколько гипотез, объясняющих механизм создания композиционных материалов с точки зрения современных представлений механики и физики твердого тела, межатомного взаимодействия, процессов диффузии, адсорбции, химического взаимодействия и др. Существующие к настоящему времени гипотезы подробно рассмотрены в работах [44-48].
Типовой процесс получения изделий способом пултрузии можно представить в виде трех стадий (рис. 1.1). На первой стадии пултрузии происходит пропитка армирующего наполнителя материалом матрицы. Армирующий наполнитель в виде волокон, лент или жгутов сматывается с бобин шпулярника и пропускается через пропиточную ванну, где он пропитывается полимерной композицией. Основой полимерной композиции являются полиэфиры, виниловые эфиры, эпоксидные смолы, к которым добавляются отвердители, ускорители, модификаторы и другие компоненты. Время пребывания волокон в пропиточной ванне должно обеспечивать полное пропитывание волокон связующим. В процессе пултрузии могут использоваться все известные виды армирующих волокон. Избыток связующего и воздушные включения отжимаются из волокон отжимными валками, установленными на выходе ванны.
Рис. 1.1. Схема процесса пултрузии
На второй стадии пултрузии происходит деформирование волокон и формообразование изделия. Пропитанные смолой волокна пропускаются через преформовочное устройство, которое придает волоконно-полимерному