|
|
|
Навигация
|
Главная » Мануалы Рентгенография является одним из наиболее распространенных вариантов МН, использующих проникающее излучение. Существующий дефект изменяет условия прохождения рентгеновского излучения, поскольку изменилась плотность материала и толщина изделия. Участки, в которых плотность ниже, будут иначе поглощать излучение, что и будет регистрироваться детектором - фотопленкой или фотопластинкой. Так как плотность пластиков существенно ниже плотности металла, посторонние металлические включения будут очень хорошо видны. Радиографические методы используются и для регистрации больших пор, расслоений и трещин в изделиях из армированных пластиков. Дефект должен быть достаточно большим (больше длины волны). Дефекты малой толщины и расположенные перпендикулярно к потоку излучения детектируются с большими погрешностями. Для контрастирования поверхностных дефектов при рентгенографии образцы обрабатывают тетрабромэтаном (ТБЭ) [23]. Надежность этого метода определяется тем, что непрозрачный для рентгеновского излучения ТБЭ проникает в поврежденные области. С помощью этого метода оценивают ударные повреждения в эпоксиграфитовых композитах. Обработав образцы ТБЭ и используя рентгенографию, Ч. Бейли [24] смог и определять раз-1 меры дефектов, и наблюдать разрывы волокон при условии, что трещины имели выход на поверхность образца. Военные технические условия MIL-T-271 описывают оборудование и методы проведения радиографических испытаний. Следующие стандарты регламентируют условия контроля радиографическими методаш: ASTM Е94-68. Радиографический контроль; ASTM EJ42-77. Контроль качества радиографическим мете дом; ASTM Е568-76. Методы гамма-радиографии и рентгенографир, Для получения рентгеновских пучков с энергией более высо- кой, нежели дают обычные рентгеновские трубки, используют! метод бомбардировки мишени из тяжелых металлов пучками электронов, ускоренных в линейных ускорителях и бетатронах. Такое излучение имеет более высокую проникающую способность. Кроме того, оно слабо рассеивается и может быть сфокусировано в очень узкий пучок. Линейные ускорители более совершенны, чем бетатроны. В университете штата Огайо разработаны оборудование и метод для преобразования данных рентгеноскопии в телевизионное изображение. Это оборудование было использовано для обнаружения разнообразных дефектов в стеклопластиках [25]. При, флюороскопии картина, даваемая рентгеновским излуче-: нием, выводится на флуоресцирующий экран. Чувствительность 476 этого метода несколько ниже, чем у лучших радиографических методов [26]. На выведенной на экран картине можно детектировать поры и трещины, соответствующие изменению толщины образца на 2-3 %. Кроме того, этот метод чувствителен к содержанию связующего и к неоднородности в ориентации волокна в композите. Методы сканирующей радиографии используют рентгеновскую дефектоскопию для обнаружения таких дефектов, как непараллельность, обрывы, утонение пряжи и качество соединения ее с полимерной матрицей [27]. Технически этот метод осуществляется стационарными детекторами, установленными в створе со стандартным источником рентгеновского излучения, в то время как материал движется в зазоре между источником и датчиком. Результирующая картина несет информацию как о центральных, так и о периферийных участках пряжи. Все виды испытаний, использующие радиографические методы, основаны на принципе изменения поглощения излучения дефектами внутри материала. В качестве примера можно привести ксерорадиографию, метод изотопной метки [28] и изотопную радиографию. Бета-радиоактивность (электроны больших энергий) может быть использована для определения содержания связующего в стеклопластиках с точностью ±2 %. Метод базируется на явлении обратного рассеяния (отражения) электронов от материала с более высокой плотностью (средний атомный номер стекла выше, чем у связующего) [29]. Чувствительность метода ограничена относительно тонкими структурами, позволяющими радиа ции проникать лишь на 0,5 мм. Техника измерений с использованием быстрых электронов исследовалась для применения при непрерывном измерении массы единицы длины (линейной плотности) и содержания связующего в препрегах на основе лент из стеклоровинга [30]. Большие трудности возникли из-за необходимости точного юстирования ровинга в поле бета-излучения. Размеры оборудования и его цена также являются большой проблемой на этапе внедрения метода в производство. Однако точность определения технологических параметров этим методом ниже, чем это было бы необходимо. Поглощение тепловых нейтронов ядрами бора, присутствующими в f-стеклах, служит основой еще одного метода неразрушающего контроля толщины ламината (числа слоев) и содержания компонентов в материале [31 ]. Гамма-радиационный метод основан на использовании источ НИКОВ кобальта-60, кадмия-109 и цезия-137, имеющих узкий энер гетический спектр. Техника просвечивания гамма-лучами, которая может быть использована для определения изменения плотности материалов, основана на соотношении [41 где / - энергия излучения, проходящего через образец в единицу времени; /о - энергия источника (гамма-излучения), рассчитанная в единицу времени; р - объемная плотность материала, {i - линейный коэффициент поглощения; d - толщина образца. 25.6. Методы неразрушающего контроля на основе электрических свойств Диэлектрическая постоянная и фактор рассеяния (тангенс угла диэлектрических потерь) могут быть использованы как параметры при определении свойств армированных материалов методами неразрушающего контроля. При заданных толщине образца и составе композита величина диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь будет зависеть от степени отверждения связующего. Значение этих параметров уменьшается с ростом степени отверждения связующих. Аналогично может быть определено и содержание- влаги, при этом точность может быть достигнута ±1 %. AVCO [32] определяет диэлектрические характеристики материалов в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц. Для изучения термического разложения эпоксистеклопласти-ков и эффектов отверждения был использован анализатор Дел-сен D/Ki> [33, 34]. Возрастание тангенса угла диэлектрических потерь обусловлено началом термического разложения (падение прочности при изгибе) уже при температуре 150 ... 260 °С. Для этих экспериментов диэлектрическая постоянная является не такой чувствительной характеристикой, как тангенс угла диэлектрических потерь. Изменение диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь в процессе отверждения может служить для определения оптимальных температурных и временных условий отверждения и контроля полноты отверждения. Измерения емкости могут быть также применены для определения содержания влаги в ламинатах в сандвичевых конструкциях. Объемное электрическое сопротивление также может служить для определения оптимального состава и для измерений содержания влаги [35, 36, 37]. Измерение сопротивления может служить методом непрерывного контроля режима отверждения в композитах. Поскольку электрическое сопротивление пластиков весьма чувствительно к температуре (сопротивление растет экспоненциально с ростом температуры), во время измерений должен осуществляться тщательный температурный контроль. При измерении объемного сопротивления электроды должны располагаться с обеих сторон образца. Для обнаружения пор (пузырей) в ламинатах может быть использован и коронный разряд. При приложении высокого электрического потенциала происходит ионизация газа (воздуха, влаги и других выделений из связующего), который находится в закрытых порах. Свободные электроны мо-478 гут проникать через стенки пор. Определение пористости композитов может осуществляться по току утечки (падение напряжения), свечению или по методу акустоэмиссии, улавливающей шум разряда. Воздействие высокого напряжения, создающего коронный разряд, должно быть коротким, чтобы избежать повреждения образцов. 25.7. Микроволновая техника (СВЧ-методы) К микроволновому диапазону принято относить электромагнитное излучение очень высокой частоты в пределах 0,5 ... 1000 ГГц. Эти частоты широко используются в радарных установках. СВЧ-методы могут быть использованы для обнаружения и локации дефектов, измерения толщины изделия, определения содержания в нем влаги, а также для изучения диэлектрических свойств неметаллических материалов. Дефекты, которые могут быть обнаружены этими методами, включают пузыри, расслоения, пористость, посторонние включения, области с избытком или недостатком связующего, изменения в степени отверждения и ненормативное содержание влаги [38, 39, 40]. Так как на высоких частотах электромагнитное излучение подчиняется законам лучевой оптики, оно может быть сфокусировано в малой области, что позволяет получить большое раз-реше.чие при локализации дефектов. СВЧ-источник (антенна) направляет излучение на испытуемый объект. Отраженная или прошедшая через образец волна может быть использована для энергетической оценки. Кристаллический детектор преобразовывает результирующую волну в электрический сигнал. Затухание такого излучения в пластических массах незначительно. Пустоты (закрытые поры) могут определяться даже в закрытых сотовых конструкциях и в абляционных материалах, адгезионно связанных с металлическими структурами [4]. Рассеяние СВЧ-излучения на пустотах уменьшает амплитуду сигнала, выводимого на экран ЭЛТ. Используя сигнал частотой 30 ... 40 ГГц, можно различить дефекты на площади 1,6x1,6 мм для композитов в сотовых сандвичевых конструкциях. СВЧ-техника может быть использована и для непрерывного контроля процесса отверждения связующего, и для определения степени отверждения. Изменение диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь при отверждении связующего соответствует изменению отражения микроволнового излучения при том же процессе. Поскольку диэлектрические свойства армированных пластиков зависят от химического состава, содержания компонентов и В советской литературе употребляется термин СВЧ (сверхвысокочастртная). - Прим. пер, от чистоты материала, эти параметры также могут контролироваться СВЧ-методами. Так как микроволновое излучение очень сильно взаимодействует с молекулами воды, оно может служить для определения содержания влаги в пластиках. При наличии свободных молекул воды абсорбированной влаги в образце, облучаемом СВЧ, происходит поглощение энергии, что приводит к изменению как амплитуды, так и фазы проходящего и отраженного СВЧ-луча [42]. В случае, если армированные пластики используются в качестве обтекателей радаров, СВЧ-излучение служит методом неразрушающего контроля при определении совершенства их структуры. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла потерь могут быть измерены прямым методом. Кроме того, определяются изменение толщины, соотношение связующее/стекловолокно, а также несплошности материала [42]. Затухание сигнала вследствие потерь СВЧ-энергии в материале и изменение фазы по сравнению с исходной волной могут быть использованы для создания новых МНК. Сдвиг фазы может происходить в случае изменения диэлектрических свойств материалов. Изменения толщины и геометрии образцов могут влиять на результаты измерений МНК, как уменьшая сигнал, так и сдвигая фазу. 25.8. Инфракрасные (термические) методы неразрушающего контроля Метод неразрушающего контроля для обнаружения дефектов в структуре материала использует и различия в распространении тепловых потоков [43]. Материал сначала подвергают нагреву. Как при нагревании, так и при охлаждении регистрируется температура поверхности, для чего применяют чувствительную инфракрасную аппаратуру (радиометры). Серийно выпускаемые радиометры позволяют измерять температуру с очень высокой точностью: их погрешность менее 0,1 °С. Если предварительному нагреву подвергнут армированный пластик, то перенос (рассеяние) тепла происходит существенно быстрее, если отсутствуют дефекты, в частности не связанные участки. При наличии таких дефектов температура поверхности в их окрестности выше [44]. Простые точечные измерения, построение температурных профилей и определение температуры площадей являются наиболее распространенными термическими МНК. Для контроля сотовых сандвичевых конструкций часто применяют метод малярной кисти , основанный на измерении температуры поверхности материала. После кратковременного нагрева температура поверхности измеряется радиометром. Температура поверхности может непрерывно регистрироваться [45]. При этом методе нет необходимости контакта прибора с образцом. 480 Другой термический МНК основан на использовании высокой чувствительности жидких кристаллов к температуре. Особенно чувствительны к температуре структуры, содержащие холестерин. Бесцветные в изотропном состоянии вещества, содержащие холестерин, проходят через ряд ярко окрашенных состояний, пока при охлаждении не достигнут жидкокристаллической фазы. Подбирая смеси эфиров холестерина, исследователи из фирмы Боинг смогли детектировать температуру материалов с большой точностью. Изменения цвета от красного до синего происходят в интервале температур всего 2 ... 4 °С [46, 47]. В случае применения водных растворов покрытия могут быть сняты простым промыванием после окончания температурных измерений. Жидкокристаллическое покрытие нагревается одновременно и равномерно вместе с образцом. Дефекты могут быть выявлены по изменению цвета покрытия, так как вблизи дефекта цвет поверхности (покрытия) изменится из-за более высокой или более низкой температуры окрестности дефекта. Поскольку метод основан не на равновесном нагреве, а на тепловых потоках, он может быть применен как при нагревании, так и при охлаждении образца. Области, содержащие дефекты, или соседние с ними окрашены обычно в более теплые цвета, так как эти области хуже передают теплоту. Простота применения и низкая стоимость метода делает МНК на основе жидкокристаллических покрытий весьма привлекательным. Исследования [48] показали практическую возможность применения фотохромных картин как недорогого метода локации дефектов в композиционных материалах. Изученные покрытия могут быть удалены механически или смыты слабыми растворителями. Покрытия этого типа активируются ультрафиолетовым облучением. Образец с активированным покрытием нагревают и наблюдают изменение цвета, связанное с уменьшением теплопроводности в областях, лежащих вблизи несплошностей. Необходимо заметить, что инфракрасные (термические) МНК не могут определять участки с низкими физико-механическими свойствами. Идентифицируются только такие дефекты, как поры, пузыри, несплошности и несвязанные (непроклеенные) участки. Дефекты, лежащие близко к поверхности образцов, определяются легче. Чувствительность метода падает с ростом толщины исследуемого материала. 25.9. Другие методы неразрушающего контроля Кроме описанных выше, существует еще ряд методов неразрушающего контроля армированных пластиков, которые могут быть использованы при исследованиях. Часть этих методов достаточно распространена для исследований пластиков и поэтому обсуждается в данном тексте кратко. Техника голографии может быть применена для неразрушающего 16 п/р Дж. Любии 481 контроля как композитов, так и других структур. Материал в этом случае располагается на очень жесткой платформе и подвергается деформированию - механическому или тепловому. Голограмма позволяет очень точно фиксировать изменение размеров относительно исходной конфигурации, так что легко могут быть выявлены аномалии деформации материала. Существуют также методы обнаружения поверхностных дефектов, основанные на проникновении контрастирующих жидкостей (используются белые или черные) в эти дефекты. Измерение деформаций при изменении размеров или при искривлении образцов под нагрузкой также относится к МНК. Для определения предельных деформаций могут быть использованы хрупкие покрытия, а также могут применяться методы, основанные на измерении фотоупругости. В последних методах применяется пленочное покрытие, обладающее свойствами двойного лучепреломления. Покрытие должно быть нанесено на исследуемый материал. Когда к образцу приложена нагрузка, деформация может быть легко определена по изменению показателя преломления (по изменению цвета) в поляризованном свете. Техника фотоупругости [49] может быть применена и для определения дефектов, связанных с факторами потери прочности при испытаниях сосудов высокого давления. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ballard d. W., NDT Testing*, Industrial Resarch, October 1965. 2. Baldanza N. Т., Plastec Report 22, A Review of Nondestructive Testing for Plastics: Methods and Applications*, August 1965. 3. McGonnagle W. and Park F., Nondestructive Testing*, International Science and Technology, July 1964. 4. Zurbrick J. R., The Mystery of Reinforced Plastics Variability: Nondestructive Testing Holds the Key*, AVCO Space Systems Division, Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers, Detroit, Michigan, May 1967. 5. Werren P. and Heebink B. G., Effects of Defects on the Tensile and Compressive Properties of Glass-Fabric-Base Plastic Lamminate*, U. S. Forest Products Laboratory Report 1814. 6. McGonnagle W. J., Nondestructive Testing, McGraw-Hill, New York, 1961. 7. Hitt W. C, Automation Industries, Inc., Santa Clara, California. 8. Kramer J. M., Nuzzo A. P. and Epstein G., Large Plastic Moldings OKd by Ultrasonic Inspection*, Materials in Design Engineering, February 1961. 9. Hand W., Testing Reinforced Plastics with Ultrasonics*, Plastics Technology February 1962. 10. Zubrick J. R., fDevelopment of Nondestructive Methods for the Quantitative Evaluation of Glass-Reinforced Plastics*, AFML Technical Report TR-66-269, June 1966. 11. Lockyer G. £., Evaluation of a Resin-Ceramic Heat Shield Material by Ultrasonic Techniques*, Materials Evaluation 23, No. 3, March 1965. 12. cProperties Determination and Process Control of Boron Filament Composites Using Nondestructive Test Methods*, SAMPE Symposium on Advanced Fibrous Reinforced Composites, San Diego, California, 1966. 13. Adams C. J., Radtke N. H. and Klein J. d., Ultrasonic Techniques and Standards for Testing Filament-Wound Structures*. AFML Rept. TDR-64-117, May 1964. 15. 16; 17. 21, 22 23 24 27. 28. 29. 30. 32. 33. 34, 35 36 Bar-Cohen Y., Arnon U. and Meron M., tDefect Detection and Characterization in Composite Sandwich Structure by Ultrasonics*, SAMPE Journal 14, No. 1, January-February 1978. New York Naval Shipyard, Laboratory Project 6188, Project No. SR007-03-04, Identification No. 18-1010-1. Miller N. B. and Boruff V. H., cAdhesive Bonds Tested Ultrasonicallyi, Adhesives Age, June 1963. Arvin M. J. and Howell W. D., Development of General Specification for a Device for Inspecting Helicopter Bonding*, FAA, Bureau of R&D, Test and Experiment Division, November 1969. North American Aviation Sonic Test System, NA-67-491 and STS 2-3, 1967. Hribar V. F., NDT Challenged-Proving the Structural Integrity of Ablative Exten.sions by Sonic Resonance*, Aerospace Corp., October !967. Steele R. K., Green A. T. and Lockman C. S., Use of Acoustic Techniques for Verification of Structural Integrity of Polaris Filament-Wound Chambers*, 20th Annual Technical Conference, Society of Plastics Engineers, Atlantic City, New Jersey, January 1964. Mehan R. L. and Mullin J. V., Analysis of Composite Failure Mechanisms Using Acoustic Emissions*, J. Composite Materials, 5, April 1971. Bailey C. D., Hamilton J. M. and Plcss W. M., AE , Aonitoring of Rapid Crack Growth in a Production-Size Wing Faligue Test Article*, NDT International, December 1976. Rose J. L. and Shelton W., Damage Analysis in Composite Materials*, Composite Reliability, ASTM STR 580, 1975, p. 215-f. , Bailey C. D., Freeman S. M. and Hamilton J. M., Detection and Evaluation of Impact Damage in Graphite/Epoxy Composites*, 9th National SAMPE Conference, 9, October 4--6, 1977. . Mitchell J. P., Rhoton M. L. and McMaster R. C, Nondestructive System for Inspection of Fiber Glass Reinforced Mi.ssile Cases and Other Structural Materials*, Report No. WAL-TR-142,5/2-9, December 1963. . Hand F. C, Fluoroscopy of Filament Wound Fiberglass Missile Motor Case Feasibility Study*, Report No. QE/CD-AGC-!39, Naval Weapons Station, Concord, California, September 19G!. . Littleton H. E., Collimated Scanning Radiography*, SAMPE Journal 14, No. 3, May-June 1978. Perry H. A., Тгасег-Radiography of Glass Fiber Reinforced Plastics*, Naval Ordnance Laboratory, 17th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, February 1962. Baldanza N. Т., PLASTEC Report 22, A Review of Nondestructive Testing for Plastics; Methods and Applications*, Picatinny Arsenal, August 1965. Brown G. and Novkov R. L., Development of Nondestructive Dynamic Monitoring Instrumentation for Resin Impregnated Glass Roving*, 22nd Annual Technical Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Washington, D. C, February 1967. Kalinsky J. L. and DiLauro S., tApplication of Radioisotopes to Nondestructive Testing of Fiber Glass Reinforced Plastics*, 12th Annual Technical and Management Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois, February 1957. Lynnworlh L. С ((Nondestructive Testing ot Plastics for Aerospace Applications*, presented at Society of Nondestructive Testing, New York, January 1962. Delomonte, Julian, ((Prediction of Mechanical Properties Through Determination of Electrical Properties of Plastics*, SPE Regional Technical Conference on Plastics for Airborne Applications, November 1957. Knudsen J. J., ((Electrical Properties during Cure*, SPE Regional Technical Conference on Plastics for Airborne Applications, November 1957. Warfield R. W., ((Studying the Electrical Properties of Casting Resins*, SPE Journal, November 1958. Warfield R. W. and Petree M. C. A Study of the Polymerization of Epoxide Polymers by Electrical Resistivity Techniques*, American Chemical Society, 16 483 Division of Paint, Plastics, and Printing Ink Chemistry, Atlantic City, New Jersey, September 1959. 37. Warfield R. W. and Petree M. C. New Curing Techniques for Resins , U. S. Patent 3, 049, 410, August 14, 1962. 38. Hendron J. A. et. al., Согопа and Microwave Methods for the Detection of Voids in Glass-Epoxy Structures*, Materials Evaluation, July 1964. 39. Lindsay E. W. and Works C. N., Согопа Detection Techniques as a Nondestructive Method lor Locating Voids in Filament-Wound Structures , Joint ASTM-Na-vy Symposium on Standards for Filament Wound Reinforced Plastics, June 1962. 40. Hochschild R., Microwave Nondestructive Testing in One (Not-So-Easy) Lessons, Materials Evaluation 26, No. 1, January 1968. 41. Rockowitz M. and McGuire L. J., A Microwave Technique for the Detection of Voids in Honeycombed Ablative Materials , Society of Nondestructive Testing Convention, October 1964. 42. Botsco R. J., tMicrowave Applications in Moisture Measurement and Nondestructive Testingii, presented at Instrument Society of America, San Francisco, California. December 11, 1967. 43. Martin B. G., Infrared Technology and Nondestructive Testings, Redstone Arsenal, February 1963 (available as AD402-888, from Office of Technical Services, U. S. Department of Commerce, Washington, D. C. 20230). 44. Gericke 0. R. and Vogel P. E. J., Infrared Bond Defect Detection System*, Materials Evaluation, 22, February 1964. 45. BIrks A. S. and Apple R., Temp Test Sheds New Light on Nondestructive Tests of Aerospace Materialss, Automation Industries, Inc., Boulder, Colorado, February 1967. 46. Sabourin L., Nondestructive Testing of Bonded Structures with Liquid Crys-talss, presented at Structural Adhesives Bonding Conference, NASA-Marshall Space Flight Center, March 15-16, 1966. 47. Woodmansee W. E., Cholesteric Liquid Crystals and their Application to Thermal Nondestructive Testings, Materials Evaluation, October 1966. 48. Allinikov S., Application of Photochromic Coatings for Nondestructive Inspections, Air Force Materials Laboratory Technical Report, AFML-TR-70-245, December 1970. 49. Eshbaugh R. W., Photoelastic Stress Analysis of Filament Wound Internal Pressure Vessels*, 18th Annual Technical and Management Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois, February 1963. IV. практическое применение композитов 26. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ М. Мартин, Дж. Ф. Докум 26.1. Введение В производстве легковых и грузовых автомобилей, включая фургоны, городские автобусы и междугородные автобусы-экспрессы, а также при изготовлении железнодорожных вагонов используется огромное количество разнообразных материалов. Разработка составов материалов и процессов изготовления деталей из них должна обеспечить низкую себестоимость, малую энергоемкость, высокие эксплуатационные качества и красивый внешний вид изделий. Появление новых технологий и их быстрая смена из соображений наличия источников энергии, защиты прав потребителя, ответственности изготовителя за качество выпускаемой продукции, гарантийных обязательств и охраны окружающей среды потребовали пересмотра традиционной методики отбора материалов. Перед применением в промышленности, выпускающей наземные транспортные средства, любой потенциальный материал или технологический процесс должен быть оценен в свете указанных требований, а в автомобилестроении, кроме того, - и с учетом общего экономического состояния отрасли . Автомобильная промышленность выросла в гигантскую отрасль под влиянием растущего спроса на продукцию и в условиях сильной конкуренции. Тратятся огромные денежные средства и время на разработку новых конструкций, отбор материалов и технологической оснастки, прежде чем задуманный автомобиль поступит в продажу. Новые материалы и нетрадиционные применения старых материалов способствуют росту промышленности, однако их внедрение не всегда протекает гладко и одновременно во всей отрасли. Автомобильные фирмы часто рискуют своей репутацией и возможностью роста прибылей, внедряя новшества, Возможности реализации конструкторских разработок от выбора исходных материалов до проектирования и создания готовых изделий, которые предоставляют композиты, открывают широчайшие возможности для развития различных отраслей техники и технологии. Их применение в машинах, оборудовании, сооружениях позволяет снизить массу конструкций в 1,3-1,5 раза, материалоемкость в 1,6-3,5 раза, энергоемкость производства в 8-10 раз и трудоемкость изготовления в 1,5-3 раза. Использование композитов позволяет резко уменьшить потери от коррозии, а также в 1,5-3 раза увеличить ресурс техники. Весьма существенным преимуществом композитов при их применении в транспортной технике является возможность снижения расхода топлива. - Прим. ред. пер. однако они требуют от поставщиков, чтобы новые материалы и комплектующие изделия соответствовали своему назначению, были высокого качества, а объем их поставок отвечал потребностям. Спрос рынка, кроме того, требует соблюдения строгой дисциплины поставок по срокам. Таковы критерии отбора и армированных пластиков как новых конструкционных материалов. 26.2. Экономика и объем рынка Ранее применение армированных пластиков (АП) строилось на основе принципа безубыточности. Естественно, требовалось инженерное подтверждение того, что изготовленная из АП деталь будет выполнять свою функцию. Кроме того, общая стоимость технологической оснастки ие должна была превышать расходов при изготовлении деталей из традиционных материалов; при этом число сборочных единиц в изделии не должно было увеличиваться. Так как технологический процесс и оснастку можно было выбрать с учетом объема выпуска продукции, то АП быстро завоевали признание в серийном производстве. Стоимость самых сложных форм для прямого прессования АП составила всего лишь долю расходов на штампы, применявшиеся при изготовлении деталей из листовой стали. При производственной серии 20-- 40 тыс. деталей и в зависимости от сложности конструкции детали более высокая стоимость АП по сравнению со стоимостью листовой стали оказывалась экономически оправданной. Столь малый размер рентабельной партии изделий позволяет конструировать автомобили и другие транспортные средства, точнее отвечающие специфическим запросам потребителей, и быстро изменять конструкцию, как того требует конъюнктура рынка. Помимо снижения расходов на технологическую оснастку, сокращение времени подготовки производства также снижает общий риск внедрения АП. Подтверждением ощутимых выгод могут служить автомобили Корвет , выпускавшиеся фирмой Шевроле в период с 1953 по 1970 гг. По мере совершенствования самих АП и технологии их переработки в изделия изменялось изготовление основных деталей автомобилей Корвет . Прежде всего отказались от получения деталей в формах открытого типа и из предварительно сформованных заготовок и перешли к прямому прессованию листового формовочного материала, обеспечивающему существенное повышение производительности труда. В 1970 г. в массовое производство легковых автомобилей была внедрена передняя панель с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся из листового формовочного материала. Помимо снижения массы на 50 % было достигнуто значительное сокращение расходов за счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная панель исключила множество операций листовой штамповки, механиче-486 26.1. Экономия энергии и автомобильного топлива при замене металлической передней панелн иа пластмассовую Показатель Общая масса отливок под давлением нз цинка и сталь- 9,07 ных штамповок, кг Расход энергии на деталь, кВт-ч И7,2 Снижение удельного расхода топлива, % - Экономия топлива, гл - 4,08 58,6 0,2 492 ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними штампы, формы и станочные зажимные приспособления. Она объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением деталей в одну деталь из АП. В 1979 г. на более чем 35 моделях легковых автомобилей стали применять передние панели из АП, включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-сигналов, сигналов поворота и габаритных огней. Задолго до того, как энергетический кризис потребовал генерального уменьшения габаритов автомобиля, конструкторы поняли, что облегчение одной какой-либо части транспортного средства может уменьшить размеры, а следовательно, и стоимость многих других деталей и узлов с несущими, удерживающими, тормозными и другими функциями. Снижение массы легкового автомобиля, которое является, по сути, одной из основных целей конструкторов, позволяет платить за каждый килограмм легких материалов на 1,1 долл. дороже, чем за листовую сталь. Для грузовых автомобилей за 1 кг легких материалов можно платить дороже на И долл., так как каждый сэкономленный килограмм собственной массы автомобиля дает соответствующее повышение его полезной нагрузки. Если для сравнения взять за основу сталь, то АП-композиты дают снижение массы автомобиля на 40 ... 60 %, а экономия энергии (от затрат на производство сырья до расхода топлива) за весь срок службы автомобиля составляет 50 %. В табл. 26.1 приведены сведения об общей экономии энергии и снижении расхода топлива, по данным фирмы Форд, мотор , при замене одной цельной передней панелью, изготовленной из листового формовочного материала, узла, состоящего из множества металлических деталей, на массово выпускаемой модели легкового автомобиля. В расчет взят срок службы автомобиля 9,2 года. В 1978 г. в легковом автомобиле США применялось в среднем 81,6 кг пластмассовых деталей, из которых 13,6 кг составляли детали из армированных стеклопластиков (АСП). Ныне общее число пластмассовых деталей различных размеров в одном автомобиле превышает 350 шт. При ежегодном выпуске 9 млн. автомобилей потребление АСП составило 127 кт, в том числе термореактивных смол - 75 кт и термопластов 52 кт. 28.2. Сбыт АП заводам, язготовляющми автомобнлн н другие наземные транспортные qjeflciea
т Динамика роста поставок АП заводам, выпускающим названные транспортные средства, представлена в табл. 26.2 [по данным Института армированных пластиков и композитов Общества промышленности пластмасс (США)]. В таблице приведены совокупные данные по реактопластам, термопластам и наполнителям, при этом данные за 1980 и 1981 гг. даны как результаты экспертной оценки. 26.3. Композиционные материалы, их свойства и применение Простота переработки и разнообразие свойств АП в сочетании с различными технологическими процессами изготовления деталей из них предоставляют конструкторам широкие возможности в сравнении с металлами. Хотя АП, как правило, менее жесткие, детали и узлы из них можно легко спроектировать так, что они по своим функциональным качествам не будут уступать штампованным из листовой стали. Ими можно заменить отливки, поковки и прессованные металлические профили. При этом снижается масса, повышается коррозионная стойкость, а зачастую также ударопрочность и выносливость. Эти свойства крайне важны для капотов и крыльев грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, при изготовлении которых традиционную листовую сталь уже успешно заменили полиэфирной смолой, армированной стекловолокном. Так как эти синтетические материалы показали высокие эксплуатационные качества и были одобрены потребителем, теперь из них заказывают крыши, нижние боковины и двери кабин и даже целые кабины для большегрузных автомобилей. Сравнительная характеристика основных механических свойств АП и металлов приведена в табл. 26.3, по данным фирмы Форд мотор . Показатели усталости весьма общие из-за недостаточного объема испытаний, множества составов АП, различия методов испытаний и критериев оценки усталостного разрушения. Разработка малоусадочных полиэфирных смол, прессуемых в массе и в виде листовых формовочных материалов, обеспечила 488
Листовой формовочный материал (ЛФМ) автомобильной марки ЛФМ с большим количеством неориентированных рубленых стекловолокон ЛМФ с непрерывными ориентированными волокнами Алюминий Сталь Эпоксиуглепластнк 30 45 80 12,4 13,8 37,2 68,9 414 1380 1242 * Независимые исследования Хаймбуха н Сандерса (фирма Дженерал моторе ) показали, что образцы из этих композитов после 10 циклов нагружения сохраняют соответственно 40 и 25 % статической прочности на нзгиб. Уровень напряжений, вызывающих усталость материала, выше при растягивающих напряжениях. возможность применения АП для изготовления полунесущих наружных и облицовочных деталей массово выпускаемых легковых автомобилей, например кузовных панелей автомобиля Корвет , надставок крыльев, панелей-обрамлений облицовок радиаторов, боковин передка кузова, обрамлений окон и брызговиков колес. Кроме того, из листового формовочного материала изготовляют спойлеры спортивных автомобилей, панели крыш автофургонов для спортивных поездок, а также цельные передние и задние панели автомобилей-домиков (дач). Капоты, склеенные из двух панелей, применяли на спортивных автомобилях в ограниченном количестве, достигая определенных конструкционных преимуществ. Для ремонта кузовов автомобилей Корвет стали поставлять цельный капот с отформованными вместе с панелью ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Возможность изготовления с высокой точностью крупных деталей сложной конфигурации за одну формовочную операцию с последующей ручной зачисткой и окрашиванием на существующих поточных линиях делает АП наиболее выгодным материалом. Термореактивную полиэфирную смолу используют в основном как связующее при формовании наружных кузовных панелей, которые затем окрашивают в тон окраски металлических деталей. Армирование термопластов коротким рубленым стекловолокном для повышения прочности и других механических свойств позволяет уменьшить толщину деталей и ведет к стабильности размеров деталей (особенно при повышенной температуре), сохраняя при этом их диэлектрические характеристики и высокую коррозионную стойкость. Эти детали изготовляют литьем под дав- лением и обычно располагают в двигательном отделении под капотом. Армируют в основном такие смолы, как полистирол, полипропилен, полиамиды, термопластичные полиэфиры, поликарбонаты и полиацеталн, из которых изготовляют следующие детали: держатели панели приборов и напольные консоли, кожухи вентиляторов, накладки крыльев и корпуса-гнезда задних фонарей, омыватель (опрыскиватель) ветрового стекла и детали подъемных механизмов, защелки, дверные ручки, крыльчатки вентиляторов, тормозные резервуары, крышки маслоналивных горловин и корпуса систем зажигания, декоративные вентиляционные решетки, держатели щеток стеклоочистителей, ламповые патроны, разъемы, корпуса компьютерных модулей, крышки и роторы распределителей зажигания, корпуса фар; детали топливных электронасосов. Кроме того, из листового полипропилена, армированного стекловолокном, штампуют держатели передней панели кузова, панели пола багажника, ящики для аккумуляторных батарей и откидные основания сидений для автомобиля Корвет . Длительное время практически все рефрижераторные и многие сухогрузные прицепы облицовывают изнутри панелями из армированных стекловолокном полиэфирных смол. Эти панели могут быть плоскими и гофрированными. Их применяют также для наружной облицовки. Они могут выполнять важную конструкционную функцию кузова прицепа. Панели способны противостоять тяжелым условиям износа и ударных нагрузок, за исключением лобовых ударов вилочных автопогрузчиков, и допускают очистку горячим паром. Железнодорожные вагоны-хопперы, предназначенные для перевозки пищевого зерна и других сыпучих грузов, включая соль и вызывающие коррозию удобрения, комплектуют герметично закрывающимися крышками-люками из АП, отличающимися высокой долговечностью, малой массой (для удобства открывания) и низкой стоимостью. В железнодорожных вагонах применяют (нли рассматривают возможность применения) также изготовленные из АП двери, раздвижные перегородки и различные погрузочные приспособления, а также цельнопластиковые хопперы. Согласно федеральным предписаниям Национального управления по безопасности движения автомобильного транспорта (США) в 1985 г. каждая автомобильная фирма обязана была выдерживать средний по выпуску автомобилей удельный пробег 11,7 км/л (соответствуют среднему удельному расходу топлива 8,5 л/100 км). Для грузовых автомобилей малой грузоподъемности и автофургонов в 1981 г. он составлял 7,3 км/л (13,6 л/100 км). Кроме того, министерство транспорта США требует создания социально приемлемого легкового автомобиля, который был бы безопаснее, меньше загрязнял атмосферу, меньше потреблял топлива и был бы удобен в эксплуатации. К 2000 г. поставлена задача увеличить средний по автомобилям каждой фирмы удель-490 ный пробег до 17 ... 21,3 км/л (т. е. снизить удельный расход топлива до 4,7 ... 5,9 л/100 км), чему должна способствовать политика по разработке конструкции рационального автомобиля. Путь к успешному решению поставленной задачи лежит через уменьшение массы транспортного средства, что требует как уменьшения размеров легковых автомобилей, так и применения в них более легких материалов по сравнению с традиционными. Если предположить, что мощность двигателя будет уменьшаться по мере снижения массы автомобиля при сохранении КПД силовой передачи, то для увеличения удельного пробега на 0,43 км/л потребуется облегчить автомобиль на 83 кг. Снижение массы через уменьшение размеров автомобиля на данном этапе служит исходным решением. Одновременно проводятся тщательные исследования легких материалов. Происходит переоценка сталей повышенной прочности (детали из них будут легче), более легких металлов и всех пластиков с соотнесением массы и физико-механических свойств. Во многих случаях стоимость играет второстепенную роль. По сравнению с 1979 г. предполагалось к 1985 г. снизить количество черных металлов в обычном легковом автомобиле на 25 %, хотя модели 1979 г. уже были сильно уменьшены. В то же время за указанный период количество алюминиевых сплавов и пластиков должно было увеличиться на 60 %. В табл. 26.4 приведены сведения о применяемых перспективных материалах по данным фирмы Питтсбург плейт гласе (Пи-пи-джи) индастриз: . Во многих случаях пластики следует применять в конструкционных высоконагруженных деталях, требующих использования АП. Капоты, дверцы и крышки багажников в основном изготовляют из АП, так как существующая технология и опыт позволяют предполагать наличие малой степени риска, если вообще таковой имеется, в случае применения для этих деталей. Примером возможности снижения массы при внедрении АП может служить задний откидной борт автомобиля фургонного типа марки В фирмы Дженерал моторе , дающий снижение массы на 9 кг. Компоненты ходовой части, такие как опора системы силовой передачи, панели опоры радиатора, детали бампера, рессоры и колеса также дают существенную возможность снижения массы. Такие конструкционные применения требуют использования новых высокопрочных, содержащих большое количество стекловолокна (или его смеси с углеродным волокном) композитов, свойства которых в сравнении с металлом приведены в табл. 26.5 и на рис. 26.1 и 26.2. При равных жесткости и пределах прочности и текучести при растяжении стальные детали будут весить соответственно в 2,4,8 и 14 раз больше, чем детали из высокопрочного композита марки ХМС при определении параметров в направлении непрерывного армирования стекловолокном. Другими словами, деталь, сформированная из композита ХМС, обладает восьмикратной прочностью 2в.4. Масса в доля материалов в легковом автомобиле выпуска 1979 в 1985 гг.
Легкш материалы Пластики Сплавы алюминии Высокопрочнаи сталь вваколегироваииав 86 52 86 5,6 3,4 5,6 136 82 211 11.0 6,6 17,1 Итого 14,6 34.7 Традиционные материалы
* Инерционная масса включает массы заправок топливом, маслом и охлаждающей жидкостью, а также массу двух человек. 26.5. Удельиая прочность материалов при растяжении
Формовочная композиция с повышенным содержанием стекловолокна (НМС) и листовой формовочный материал с перекрестно-диагональным располо-жеинем армирующих волокон (ХМС) фирмы Питтсбург плейт гласе индастрнз . Рис. 26.1. Сравнение свойств пластиков с высокими эксплуатационными качествами со свойствами стали SAE 1015 ( - - хуже, - лучше) при равных: А - жесткости; Б - пределе прочности прн растяжении; В - пределе прочности при нзгнбе; Г - пределе текучести; ЛФМ - листовой формовочный материал; ИМС - формовочная композиция с повышенным содержанием стекловолокна и ХМС-ЛФМ с перекрестно-диагональным расположением армирующих волоков -3 -г 1 2 3 * 5 6 7 ~г-т Масса А 6 А Б С Г Стоимость А В Г п-I I I д го п 12 /J /< 15 -\-\-!-1-1-1-1 -3 -2 1 г 3 t 5 s 7 8 9 Ю П П I I i I I I-- т Масса А а 3 В Г Объем Л Od В В Г 1-Г при растяжении по сравнению со стальной деталью равной массы и наоборот, деталь из композита ХМС имеет массу в 8 раз меньшую, чем стальная деталь равного предела прочности при растяжении. Большинство таких будущих областей применения было продемонстрировано в качестве прототипов на модели транспортного средства Феникс фирмы Дженерал моторе . Внутренние панели капота и крышки багажника кузова родстер являются конструкщтонными армированными волокном пластиками (АВП), так же как и мостик вдоль наливных горловин автоцистерн, кронштейн крыла и опора радиатора снижают массу на 5,5 кг и заменяют семь деталей из металла; опора коробки передач - снижение на 2 кг; боковые кронштейны буфера, дверные кронштейны и колеса дают экономию 4,5 кг. Новые разработки, развитие прототипов и техники формования, а также широко проводимые испытания используются в качестве распространенных факторов в производстве моделей* транспортных средств. Поперечная задняя рессора из эпоксидной смолы, армирован-ной стекловолокном, уже ис- пользуется в промышленном варианте автомобиля Корвет . Определенный практический опыт был получен не только в результате применения этих материалов в США, но также Рис. 26.2. Свойства пластиков с высо-Ь гг кими эксплуатационными показателя- на основе промышленного ис- сравнении со свойствами алюми- пользования композитов в за- ииевого сплава 5052 (см. обозначения падно-европейских автомоби- на рис. 26.1) Ш-нмс лях. Жесткая крышка из стеклопластика была использована на автомобиле фирмы Рено , а буферы - на автомобилях фирм Рено и Порше . Некоторые модификации моделей Симка и Лотус имеют стеклопластиковые кузова. У автомобиля фирмы Фольксваген бачок радиатора изготовлен из стеклонаполненного полиамида, так же как и у автомобиля Форд Эскорт . Стеклопластиковые колеса использовались на специальной модели фирмы Ситроен . Аналогичные колеса для автомобилей, выпускаемых в США, подготовлены к продаже. Дополнительные планы развития западно-европейского отделения фирмы Форд дают основания ожидать, что в перспективной модели автомобиля будут использованы многие детали двигательного отделения из АП, работающие под нагрузкой, такие как впускной трубопровод и навесные детали, которые должны выдерживать высокую температуру. Фнрмы-изготовители японских автомобилей рассматривают АП как средство объединения деталей и снижения стоимости. С учетом финансовых правил, гарантирующих в настоящее время пятилетнюю ссуду на покупку новых автомобилей, коррозионная стойкость стеклопластиков становится весьма важной в сравнении со стойкостью стали. 26.4. Процессы и материалы Использование армированных пластиков связано в различной степени с формованием деталей для наземных транспортных средств. Различают процессы открытого (ручная выкладка, напыление и формование панели с использованием непрерывного наполнителя) и процессы закрытого формования, наиболее важным из которых является прямое прессование (компрессионное формование) с использованием композитных полиэфирных формуемых изделий; реже применяют штамповку предварительно отформованных заготовок, литьевое прессование (или литье под давлением) термо- и реактопластов на основе полиэфиров и штамповку армированных термопластичных листов. Пултрузия также используется для изготовления непрерывных профильных изделий и с использованием намотки волокна для изготовления пружин. Армирование полиуретанов для замены некоторых листовых кузовных панелей (например крыльев и дверей) осуществляется методом реакционного литьевого формования армированных пластиков, которое также следует отнести к числу процессов и материалов для получения армированных пластиков. Ручная выкладка, напыление и формование с помощью вакуумного мешка (диафрагмы) хотя и требует высоких затрат ручного труда, но дает некоторые преимущества, заключающиеся в низкой стоимости инструментальной оснастки, малом времени подготовки производства, свободе дизайна и возможности формования очень больших, сложных деталей на основе полиэфиров 494 И стекловолокна. Для мелкосерийного применения в автомобильной промышленности США такие процессы более предпочтительны по сравнению со штамповкой листовых металлов, требующей либо дорогостоящего оборудования, либо дополнительных операций сварки, клепки или пайки. Для стран с менее развитой, чем в США, промышленностью при невысокой стоимости труда технология формования АВП привлекательна даже при среднесерийном производстве. Изготовленные из АВП капоты двигателей, крылья, двери, крыши и некоторые внутренние детали, сформованные по этому методу, использовали преимущественно для автобусов, автомобилей скорой помощи и большегрузных автомобилей. Типичный состав для ручной выкладки представляет собой слой шлифуемого гелькоата, некоторое количество слоев стекломата или тканого ровинга в полимерной матрице на основе ненаполненной полиэфирной смолы, и обеспечивает получение композита толщиной 3,2-4,8 мм. Древесина или другие материалы могут быть также введены в систему путем соответствующего их расположения для механического присоединения к сопряженным деталям. Ребра жесткости формуются путем выкладки поверх неконструкционных материалов основы, таких как часто используемые гофрированный картон и бальсовое дерево. Ограничениями для использования такой технологии, наряду с относительно высокими трудозатратами, являются трудность при выдержке малых отклонений по толщине материала и линии соединения, грубая неотделанная поверхность неформованной стороны и проблемы окончательной окраски, которые могут потребовать доработки. Из-за возникиовения многократных деформаций изгиба и вибрационной усталости толщина слоя гелькоата должна тщательно контролироваться и ограничиваться. Для широкого применения армированных термореактивных полиэфиров, особенно таких, которые обладают критической размерной точностью, обычно используется прямое прессование с нагреваемым штампом для формования изделий из листовых термопластов. Большая экономическая целесообразность использования прямого прессования по сравнению с методом ручной выкладки выявляется при производстве 1-5 тыс. деталей и зависит от многих факторов. В случае прямого прессования нет необходимости в гелькоате. Состав окончательных изделий содержит 15 ... 40 % нетканого стекловолокна, 35 ... 45 % полиэфирной смолы и остальную часть (15 ... 50 %) составляет минеральный наполнитель, что соответствует содержанию компонентов в большинстве обычно применяемых с использованием прямого прессования материалов для промышленности, производящей средства транспорта. Большие, относительно простые детали получают в основном методом мокрого формования с использованием матов из непрерывного ровинга или рубленого стекловолокна при наличии (или 1 ... 21 22 23 24 25 26 27 ... 29 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |