Технічні науки / Машинобудування

УДК 661.666:66.067

ПРО ФОРМУВАННЯ ВУГЛЕЦЬ-ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ

ІЗ ВОДЯНИХ СУСПЕНЗІЙ

В.О.Скачков, Г.В.Карпенко, В.І.Іванов, С.В.Болюк, Ю.В.Моісейко

Запорізька державна інженерна академія

Углерод-углеродниє композити знаходять все більш широке застосування в авіаційній, аерокосмічній і інших галузях промисловості. При виробництві таких матеріалів початковими є заготовки з углепластиков, отриманих методами пресування, намотування і розливання водних суспензій. Класичні методи виробництва углепластиков пресуванням і намотуванням достатньо досліджені і мають широке розповсюдження. Метод формування заготовок висадкою з водних суспензій є більш обмеженим і недостатньо дослідженим.

Загальна технологічна схема даного методу передбачає приготування водної суспензії заданого складу, формування углепластиковой заготівки, розлив водної суспензії на фільтрах, сушку висадженої заготівки з подальшою реалізацією високотемпературної обробки – карбонізують, графитации і ущільнення пористої структури

Водна суспензія формується з порошку смоли феноло-формальдегидной, рубаних вуглецевих волокон і порошку повернень. Дані компоненти мають значний розкид характеристичного розміру - ефективного діаметру частинок. При активному перемішуванні в об'ємі рідини з низькою концентрацією компонентів розкид розмірів частинок не робить істотного впливу на їх розподіл. Проте в процесі розливу суспензії починають виявлятися седиментаційні явища. При перебігу суспензії по зливних трактах відбувається початковий перерозподіл частинок за об'ємом рідини залежно від їх ефективного діаметру. В процесі формування стовпа суспензії на розливному фільтрі-ситі швидкості перебігу суспензії значно знижуються. Режим вільної течії переходить в режим фільтрації, при цьому гравітаційна седиментація прискорюється паралельним перебігом фільтруючої рідини. Відбувається подальший перерозподіл частинок за об'ємом суспензії, що приводить до зміни концентрації частинок.

Безпосередньо на фильтр-сите і в зоні гранично високих концентрацій частинок протікають процеси формування структури заготовки, які визначаються швидкістю фільтрації рідини через фільтр-сито і структуровану масу частинок, величиной гідростатичного натиску стовпа суспензії, градієнтом в'язкості суспензії по висоті стовпа, процесами седиментації і структуризації заготівки.

Дослідження процесу розливу проводили по наступній методиці. Водну суспензію з рівномірно розподіленими за об'ємом частинками різних фракцій за об'ємом заливали в ємність, що має дно у вигляді фильтр-сита. З початку заспокоєння розлитої суспензії починається седиментація частинок. Швидкість осадження частинок однієї фракції не залежить від їх розташування по висоті стовпа суспензії, але приводить до порушення однорідності суспензії за рахунок появи в нижніх шарах стовпа крупніших частинок, при цьому на фильтр-сите утворюється стовп обложених упакованих частинок.

З включенням вакуумного насоса з'являється різниця тиску над шаром розливаної суспензії і під нею, яка є основною рушійною силою. Другою складовою рушійних сил процесу розливу є гідростатичний натиск, обумовлений тиском стовпа суспензії. Дані рушійні сили забезпечують закінчення води через фільтр-сито і шар обложених упакований частинок. Швидкість потоку води складається із швидкістю осадження частинок, збільшуючи швидкість наростання шару упакованих частинок.

Математичну модель процесу представляли у вигляді системи двох кінетичних рівнянь. Одне рівняння описує швидкість закінчення води, друге – швидкість росту шару упакованих частинок:

(1)

(2)

де Q – об'єктивна витрата води; S – площа фильтр-сита; t – час процесу; Рн – глибина вакуумирвоания; Rф – ефективний опір фильтр-сита; до – ефективний коефіцієнт об'ємного опору шару упакованих частинок; h - висота шару упакованих частинок; C – загальна концентрація всіх частинок у воді; Cn – концентрація упакованих частинок; Vi – швидкість осадження i-той фракції при седиментації; Ci – концентрація частинок i-той фракції у воді; - концентрація упакованих частинок i-той фракції.

В результаті сумісного розгляду рівнянь (1) і (2) отримано трансцендентне рівняння

(3)

де ; ; ;

; ;

; ,

з використанням якого розраховують витрату води через фільтр-сито залежно від часу процесу з урахуванням наростаючого шару упакованих частинок.