Физико-механические свойства технических нитей из СВМ

На основании выполненных исследований и опыта изготовления органопластиковых изделий установлено, что наиболее эффективными из текстильных структур, с учетом их переработки в изделие, являются нить СВМ линейной плотностью 29,4 текс, с круткой 100 кр/метр, со­стоящая из 200 волокон диаметром 12 мкм, и жгут - ровинг линейной плотностью 1000 текс из волокон диаметром 12 мкм. Текс - это масса одного метра нити в миллиграммах или одного километра - в граммах.

Нужно сразу отметить, что органические волокна хорошо под­даются технологической переработке, особенно при изготовлении пластиков на эпоксидных матрицах.

Методы формования органопластиков такие же, как и для пла­стиков с другими армирующими волокнами, применяется то же обо­рудование.

Большое значение при переработке волокон имеют продолжи­тельность пребывания органического наполнителя в контакте с не- отвержденным связующим при пропитке и хранении препрегов, температура и длительность процесса отверждения или термообра­ботки композита при формовании изделий.

Наиболее высокие прочностные свойства проявляют однонаправ­ленные органопластики, армированные арамидными волокнами типа Кевлар и СВМ. Им присуща выраженная анизотропия свойств.

Технология изготовления изделий из органопластиков методом на­мотки будет рассмотрена в специальной главе на примере корпуса РДТТ.

Опыт показывает, что повышенные механические свойства органи­ческих волокон при изготовлении изделий используются далеко не полностью. Ниже рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы.

1. Органические волокна нетеплостойки, прочность их падает с повышением температуры, причем, чем больше выдержка даже при полимеризации, тем больше падение прочности. Оно иногда дости­гает 25 %. Отсюда следует, что требуются такое связующее и такой режим полимеризации (поликонденсации), при которых потери проч­ности были бы минимальными.

2. Степень полимеризации никогда не достигает 100 % и оста­навливается на каком-то определенном значении, выше которого практически не подымается. Здесь могут быть предложены методы дополнительного радиационного отверждения или радиационной обработки при отверждении. Например, применение электронной бомбардировки с энергией электронов около 1 МэВ повышает проч­ность на 10... 15 %. Известны также опыты по повышению стабиль­ности волокна путем нанесения на него специальных олигомеров с последующим отверждением их и одновременным облучением элек­тронами с энергией около 700 кэВ.

3. Известно также, что кристаллизация полимеров, а с ней и полная полимеризация наступают лишь при температурах, при которых уже начинается деструкция матрицы и органического наполнителя. При­менение магнитных полей и радиационной обработки способствует внутренней перестройке макромолекул и комплексов в композите. Некоторое повышение прочности и диэлектрической постоянной несом­ненно говорит об этом. Имеются сведения о волокнах, созданных на основе жидкокристаллических полимеров. Возможно, что и эпоксид­ные связующие при размягчении ведут себя как жидкие кристаллы и в магнитном поле образуют волокнистую структуру в самой матрице.

4. Показано также, что полимеризация связующего с помощью инф­ракрасного излучения в процессе непрерывной намотки ускоряет про­цесс отверждения и способствует повышению прочности. Энергия акти­вации полимеризации при этом воспринимается молекулами не­посредственно, а не через теплопроводность отверждаемой системы.

Кроме того, при послойной полимеризации с помощью ИК-излу- чения в процессе намотки последующие слои наносятся на «твердую» основу, что способствует лучшему натяжению волокна. При этом связующее в полимере распределяется более равномерно, что также способствует повышению прочности.

5. Много внимания уделяется вопросу повышения адгезии на гра­нице матрица-наполнитель - прежде всего, за счет применения аппре­тов (силанов, полидиметилсилоксанов), замасливателей; используют­ся также обработка волокна сжатым воздухом, плазменным разрядом в газовых средах (NH₃, NH₃ + N₂), электрохимическая обработка и т. п.

6. Очень интересными являются сообщения о получении арамидных волокон с пористой наружной оболочкой, содержащей игловидные пустоты, ориентированные параллельно оси волокна, т. е. с направленной ориентацией полимерных цепей. Прочность таких волокон составляет 3...3,5 ГПа, но, главное, они будут иметь высокую адгезию к матрице.

7. Необходимым является наличие прибора, контролирующего сте­пень отверждения связующего в процессе термической обработки по­лимерных органопластиков. Он может быть построен на принципе не­прерывного измерения диэлектрической постоянной.

Некоторые предложения будут высказаны также в главе, посвя­щенной материалам и технологии изготовления корпуса твердотоп­ливного двигателя, имеющего форму кокона.

4.3. МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Уникальные свойства неметаллических композиционных матери­алов позволили не только существенно повысить качество конструк­ций РДТТ, уменьшив их массу, но и снизить трудоемкость и стоимость их изготовления. Сегодня даже трудно представить как можно создать современный РДТТ без применения стеклопластиков, органопласти­ков, эрозионностойких и теплозащитных неметаллических материалов.

Еще недавно стеклопластиковый цилиндрический корпус с продольно-поперечной намоткой (ППН) считался вершиной материаловедческой и технологической мысли. Но недостатком этой конструкции было то, что к цилиндру нужно крепить днище, а к нему - сопловой блок. Такое решение потребовало дополнительной массы двигателя на крепежные элементы, защиты их от высокотемператур­ного газового потока и т. п. В итоге - снижение общей удельной проч­ности конструкции и недостаточная надежность. Достоинств в этой конструкции и технологии, конечно, много: хотя бы то, что металли­ческая оправка для намотки используется многократно.

В связи с созданием высокопрочных органических волокон, отличающихся от стекловолокна повышенной удельной прочностью, появилась возможность проектирования и изготовления новых, бо­лее совершенных «коконных» конструкций, в которых боковая ци­линдрическая часть и днище корпуса образуются при самой намот­ке и составляют единое целое. О более высокой удельной прочнос­ти органоволокна говорят следующие цифры: прочность при растя­жении для обоих волокон примерно одинакова и находится в преде­лах от 2 500 МПа до 3 500 МПа. Правда, в последние годы появля­ются органические волокна с прочностью до 5 000 МПа.

В то же время плотность органических волокон в среднем со­ставляет 1 430 кг/м³, стеклянных - 2 600 кг/м³. Отсюда - более высо­кая удельная прочность органических волокон.

где σ_в - прочность при растяжении; у- удельный вес.

где ρ - плотность; g - ускорение силы тяжести.

Кроме того, переработка органических волокон в изделия бо­лее технологична. В такой конструкции сопловой блок крепится не к пластику, а к так называемым закладным элементам, которые обыч­но изготавливаются из титановых сплавов. Как правило, в кокон­ных конструкциях двигателей предусмотрено одно центральное со­пло. Управление ракетой в таком случае осуществляется путем вдува горячего или «холодного» газа в закритичную часть сопла или качанием центрального сопла, т. е. отклонением газовой струи от продольной оси ракеты.

В настоящей главе не будут рассматриваться стальные корпуса, которые применяются, например, на американском носителе «Шаттл»

и на некоторых отечественных ракетах, а также стеклопластиковые

корпуса, полученные методом продольно-поперечной намотки (ППН). На рис. 16 приведена контурная схема коконной конструкции корпуса.

На передней крышке крепятся элементы воспламенения и изме­рения рабочих параметров двигателя. Материал обечайки корпуса («кокона») представляет собой органопластик, полученный методом намотки жгутом органических нитей из материалов ЖСВМ, Армос и др. Они имеют прочность 3,5...4,5 ГПа; в конструкции реализуется примерно 65 % этой прочности. Если учесть, что плотность органи­ческих волокон равна примерно 1 430 кг/м³, то удельная прочность их превышает 200 км.

Как было сказано, органические волокна имеют высокую проч­ность при растяжении, но конструкции на их основе обладают недо­статочной жесткостью и прочностью на сжатие и смятие, поэтому узлы стыковки корпуса изготовливаются из комбинированного пластика, т. е. армированного стеклянными и органическими волокнами.

Чтобы в дальнейшем ясно представлять технологию изготовления кокона, особенно порядок технологических операций, необходимо рас­смотреть обечайку корпуса и днищ в поперечном разрезе (рис. 17).

Рис. 16. Схема коконной конструк­ции корпуса:

1 - цилиндрическая стенка кокона;

2 - узлы стыковки двигателя; 3 - узел крепления соплового блока; 4 - узел крепления передней крышки; 5-днище; 6 - эластичный клин

Рис. 17. Стенка цилиндрической части корпуса:1 - силовая оболочка; 2 - теплозащитное покрытие (ТЗП); 3 - защитно-крепящий слой (ЗКС); 4 - герметизирующий слой

выполнена из органопластика, свой­ства которого были описаны выше. Изготовляется она путем намот­ки на песчаную оправку органических нитей или жгутов со связкой из эпоксидной смолы и несет основную нагрузку при внутреннем, про­дольном и поперечном нагружениях. Внутреннее нагружение имеет место при работе двигателя, оболочка при этом сильно деформирует­ся и материал работает на растяжение. Продольной нагрузке оболоч­ка подвергается в предстартовом положении и при полете ракеты, поперечной - при транспортировке. На дежурстве ракета находится обычно в «подвешенном» состоянии в специальном транспортно-пус­ковом контейнере, или (при подвижном старте) на ложементах.

Теплозащитное покрытие (поз. 2) защищает силовую оболочку от высоких температур при горении твердого топлива внутри кор­пуса, который выполняет роль и камеры сгорания. Так как при внут­реннем нагружении «кокон» испытывает большие деформации, то ТЗП должно обладать достаточным относительным удлинением, чтобы следовать за оболочкой корпуса двигателя. Оно представляет собой армированную тканью ТС резину, плотно наполненную угле­родом и изготовленную на специальном каучуке Р-51-2058.

Защитно-крепящий слой (поз. 3) служит для крепления заливного заряда и при работе двигателя является компенсатором между ТЗП и зарядом. Ту же роль ЗКС выполняет и при транспортировке снаря­женного двигателя. Он изготовлен из ткани (ТКЭТ), скрепленной эластичным каучуком (ткань капроновая эластичная техническая).

Герметизирующий слой (поз. 4) создает дополнительную герме­тичность корпуса, а главное, защищает от проникновения масел, кото­рые применяются при заливке заряда. Узлы крепления сопла и пере­дней крышки изготовлены из титанового сплава ВТ-3 и заделываются в органопластик по специальной схеме, как показано на рис. 18.

Некоторые свойства материалов вынесены нами в отдельные параграфы, поэтому здесь не приводятся.

Добавим только, что на передней крышке, которая крепится к закладному элементу (рис. 19), располагаются элементы иницииро­вания горения и всевозможные первичные средства измерений (тер­мопары, датчики).

К заднему закладному элементу крепится сопловой блок и сило­вые конструкции органов управления ракетой или ее ступенью. Кон­струкции закладных элементов испытывают самые большие меха­нические нагрузки, поэтому с одной стороны должны быть прочны­ми, а с другой - по возможности, легкими. Получают закладные эле­менты путем механической обработки тяжелой литой заготовки из титанового сплава. Достаточно сказать, что для одного из двигателей первоначальная масса заготовки равнялась почти пяти тоннам, а полученный из нее силовой элемент сопла - 450 кг.

Рис. 18. Схематический разрез задне­го днища:

1 - силовая оболочка; 2 - ТЗП; 3 - ЗКС;

4 - закладной металлический элемент; 5 - манжета; 6 - ТЗП на закладном элементе.

Рис. 19. Закладной силовой элемент:

1 - титановый сплав; 2 - легкий заполнитель

Манжета (рис. 18) изготовляется из прорезиненной ткани и от­личается от ТЗП тем, что в ней больше армирующего материала и меньше резины. Она служит как бы компенсатором между твердо­топливным зарядом и днищем двигателя, а также выполняет роль ТЗП в первые секунды горения топлива, «смягчая» тепловой удар на выходные элементы сопла; ее толщина составляет примерно 4 мм.