Влияние технических требований к качеству изделия

Задача по обеспечению эксплуатационных характеристик изделия, заданных соответственно его назначению, сводится к поиску технологических решений для соответствующего изменения свойств ПМ в изделии. Объективная необходимость решения задачи именно таким путем обусловлена тем, что в отличии от металлов, выбираемых для изготовления изделия в готовом виде, ПМ с необходимым комплексом свойств изготавливаются одновременно с изделиями в одном процессе формования. Иными словами, переработка ПМ не означает только придание им формы в соответствии с рабочим чертежом изделия, но и преследует цель обеспечить номенклатуру и уровень свойств, обозначенных заказчиком в технических требованиях к изделию.

Практика показывает, что вариабельность свойств различных ПМ может достигать достаточно широких пределов, меняясь под влиянием технологических условий переработки таких, например, как температура формования и скорость охлаждения, величина давления формования и усилие натяжение препрега при намотке заготовок изделий, продолжительность (скорость) реализации ТО и др. Распространенные примеры регулирования вариабельных признаков различных ПМ и, следовательно, обусловленных ими свойств, с помощью типовых технологических решений приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Типовые проектные решения ТП для достижения в изделиях заданных структурных и других признаков ПМ

Технологическое варьирование уровня механических свойств кристаллизующихся термопластичных ПМ широко применяется в производстве различных изделий, прежде всего, конструкционного назначения. Подбирая температурно-временной режим формования или последующего отжига готового изделия достигают необходимого показателя заданного эксплуатационного свойства, причем диапазон изменений может измеряться порядком и более (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Зависимость модуля упругости при изгибе (Еи) и ударной вязкости с надрезом (Ак) от степени кристалличности (Vк) полиэтилена

Еще больший диапазон изменений механических и ряда других технических свойств ПМ на основе линейных полимеров достигается варьированием ориентационной структуры полимеров. При этом корректируют ТП, исходя из того, что увеличение, например, прочности ориентируемых ПМ обусловливается действием трех факторов:

- переходом от разрушения полимеров по межмолекулярным ван-дер-ваальсовым связям к разрушению ковалентных связей в самих макромолекулах;

- выравниванием и залечиванием неоднородностей в процессе ориентационной вытяжки;

- возникновением анизотропии упругих свойств, что может затруднять прорастание трещин поперек направления макромолекулярной ориентации, так как вдоль ориентации полимер приобретает наибольший модуль упругости.

Известно, что в наиболее полной мере технологические возможности улучшать свойства ПМ макромолекулярной ориентацией реализуются при их переработке в синтетические волокна (СВ). Не случайно многие из них в дальнейшем используются для усиления (армирования) других ПМ. Достигаемые показатели прочности и модуля упругости СВ, как правило, в 50 – 100 и в 10 – 40 раз (иногда свыше 1000 раз) превышают соответствующие характеристики литых образцов из тех же ПМ (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Сравнительные показатели механических свойств при разрыве термопластов в неориентированном и высокоориентированном состоянии

Вместе с тем, возможности достигать заданных уровней механических свойств ПМ необходимо корректировать с учетом объема технологической пористости, возникающей при переработке ПМ в изделия. Например, при формовании изделий из армированных пластиков пористость может достигать 10% и более, что влечет за собой неравномерное перераспределение напряжений от внешнего нагружения, потерю устойчивости армирующих волокон, образование концентраторов напряжений и поэтому ускоренное прорастание трещин в местах скопления пор. В результате снижение прочности при разрыве происходит согласно расчетам по формуле:

Gп = Gо (1- Vп),

где Gп, Gо – прочность ПМ в пористом и беспористом состоянии;

Vп -- относительное объемное содержание пор.

Следовательно, проблема монолитизации конструкционных ПМ должна постоянно остается актуальной технологической задачей, первоначально решаемой при разработке ТП изготовления заданного объекта производства.

Для изделий, формуемых из армированных пластиков не менее важное значение имеет точность реализации расчетной схемы армирования. Технологические возможности для этого зависят от метода и технических средств формирования заготовки изделия (выкладки, намотки, пултрузии, напыления). Значение прецизионной укладки армирующих волокон можно проиллюстрировать на диаграмме изменения прочности ортотропных армированных пластиков при отклонении от осей анизотропии свойств (рис. 1.5). На примере, обозначенном штриховой линией, видно, что ошибка при укладке армирующих волокон всего на 5 градусов предопределила бы потерю прочности изделия из стеклопластика в среднем на 20%, а из углепластика на 35%.

Рис. 1.5. Диаграмма распределения прочности при растяжении по схеме (а) образцов (б)

ортотропно армированных (1:1) пластиков: 1- стеклопластика; 2- углепластика.

Наконец , при переработке в изделия практически любых типов ПМ приходится сталкиваться с проблемой остаточных напряжений, под которыми понимают напряжения (механического, термического, усадочного, диффузионного и иного происхождения), взаимно уравновешенные и остающиеся в объеме изделия после воздействия соответствующих факторов, проявляющихся на различных этапах ТП изготовления изделия. При выборе наиболее эффективного способа регулирования остаточных напряжений исходят из того, что они проявляются как результат превышения в отдельных частях объема изделия предела текучести ПМ, обусловливая возникновение необратимых при нормальных температурах пластических и эластических деформаций, а также вследствие неоднородного структурирования (отверждения, кристаллизации) отдельных микрообъемов ПМ, приобретающих в результате различные термоупругие свойства. Самопроизвольно достигаемые уровни остаточных напряжений, например /3/, в композиционных ПМ могут превышать величину разрушающего напряжения матриц (рис.1.6).

Рис. 1.6. Изменение уровня напряжений в смоляной пленке в процессе отверждения и последующего охлаждения на поверхности стекла: 1 – фенолоформальдегидная смола;

2 – фенолоформальдегидобутварная смола; 3 – эпоксидная смола, отвержденная триэтаноламинотитанатом (ЭДТ – 10).

Наличие остаточных растягивающих напряжений является одной из основных причин разрушения изделий. При этом возникновение и развитие трещин происходит как при приложении внешних нагрузок, так и вследствие действия самих остаточных напряжений. В таких случаях для регулирования остаточных напряжений после анализа их характера и распределения могут применяться те или иные возможности, предусмотренные в таблице 1.6.

Наиболее успешно добиваться релаксации остаточных напряжений, реализуя заданный уровень физико-механических свойств изделий удается при переработке термопластичных ПМ. Для этого необходим подбор оптимального температурно-временного режима воздействия на готовые изделия. Например, при быстром охлаждении, то есть при закалке (от температур выше Тс до температур ниже Тс), возникают максимальные остаточные напряжения, поскольку ПМ не успевает релаксировать даже при сохраняющемся избыточном свободном объеме. Зато другой вид термообработки – отжиг (выдержка длительное время при температуре Т ≈ Тс, а затем медленное охлаждение) приводит к значительной релаксации остаточных напряжений и исчезновению избыточного свободного объема.

* * *

Подводя общий итог рассмотрению основных закономерностей влияния конструктивно-технологической специфики изделий из ПМ на проектирование ТП, следует подчеркнуть, что многообразие постоянно меняющихся и обновляющихся факторов в данной области инженерно-технологической деятельности позволяет постоянно изыскивать резервы повышения качества выпускаемой продукции не только при разработке новых (более совершенных) ТП, но и при совершенствовании действующих на производстве ТП.