|
|
В процессе разработки конструкции
и эксплуатации тех или иных изделий у потребителя или конструктора
периодически возникает неудовлетворенность материалами, используемыми для
изготовления этих изделий- Это особенно характерно для конструкций самолетов,
различных видов оружия и гоночных машин, которые, независимо от их стоимости,
должны быть достаточно эффективными и надежными в самых сложных условиях
работы.
Разработка новых конструкционных материалов — дело
дорогостоящее, рискованное и требующее значительных затрат времени, поскольку
даже после того, как, согласно результатам лабораторных испытаний, свойства
нового материала оказались довольно заманчивыми, его внедрение в
промышленность для использования в изготовлении крупных конструкций весьма
затруднительно, особенно, если это влечет необходимость перехода к новым
методам производства.
Пожалуй, наиболее интересными и многообещающими из числа
новых материалов, разрабатываемых в настоящее время, являются армированные
пластмассы, и цель настоящей главы состоит в ознакомлении с ними
судостроителей, в частности всех тех, кого интересуют материалы, применяемые
при постройке катеров.
Можно лишь выразить сожаление по поводу того, что с
упомянутыми новыми материалами стали ассоциировать слово «(пластмассы», так
как некоторые конструкторы при этом нередко представляют себе пепельницы и
другие не менее полезные, но хрупкие предметы, изготовленные под высоким
давлением из формовочных порошков, а поэтому и не считают армированные
пластмассы серьезными конкурентами металлам и древесине.
Основными компонентами материалов, которые мы
рассматриваем в этой главе, являются высокопрочные волокна, которые для повышения
износостойкости обычно пропитывают смолой.
В настоящее время широко применяются различные волокна
органического, неорганического и синтетического происхождения, однако ни одна
из органических или синтетических разновидностей этих волокон не обладает устойчивостью
формы в условиях неременной влажности, что делает их непригодными для
использования в морских условиях. Наилучшими из волокон неорганического
происхождения следует считать стекло и асбест, которые могут иметь,
соответственно, предел прочности на разрыв 39400 и 15 700 кг/с.иа и модуль
Юнга 0,7- 10е и 1,85-10"' кг/см1. Поскольку удельные веса стекла и
асбеста составляют всего 2,4, то их физические характеристики, отнесенные к
единице веса, превосходны.
Прежде чем перейти к рассмотрению формовочных материалов,
приготовляемых на основе этих волокон, необходимо пояснить, что основой всех
разновидностей применения армирующего стекла служит использование тончайших
нитей диаметром 0,005 мм, получаемых скоростной протяжкой расплавленного
стекла из платинового тигля. Из стеклянного волокна может быть изготовлена
ткань с любым направлением (или комбинацией нескольких напраалений) волокон в
зависимости от предполагаемых условий нагрузки. С другой стороны, волокна
хризолитового асбеста, который считается наиболее высококачественным из числа
добываемых асбестов, имеют длину всего около 13 мм и изменение их направления весьма затруднительно; самое большее, что может быть достигнуто на
данном этапе в заводских условиях, — это изготовление асбестового войлока, имеющего
отношение предела прочности на растяжение вдоль волокон к пределу прочности
на растяжение в поперечном направлении, равное —.
Как отмечалось выше, с целью повышения физико-механических
свойств волокно пропитывают различными смолами горячего отверждения или
самоотверждающимися смолами и принимают меры по созданию между волокном и
смолой как можно более прочной саязи.
При протяжке вся стеклянная нить обрабатывается клеящим
составом (шлихтой), назначение которого состоит в защите нити от механических
повреждений и создании на поверхности ннти при ее переработке в ткань или
какой-либо иной обработке смазочного слоя. Однако, ввиду того, что клеящий
состав препятствует образованию прочной связи, были разработаны различные
способы его удаления и изменения характера поверхности стекла с тем, чтобы
она более способствовала адгезии.
В настоящее время в английской промышленности пластмасс
используют два основных типа пропиточных смол, и прежде чем перейти к
рассмотрению их применения в технологии изготовления слоистых конструкций,
кратко остановимся на каждом из них.
Полиэфирные смолы, отверждаемые под малым давлением,
относятся к термореактивным материалам. Самоотверждение этих смол может быть
осуществлено при комнатной температуре путем добавления катализатора и
ускорителя или с помощью одного катализатора при температурах около 120° С;
саыоотверждение продолжается не дольше одного часа (в зависимости от объема
или толщины формованного изделия) Время, необходимое для самоотверждения,
может регулироваться изменением количества до бавляемого ускорителя, однако
следует иметь в виду, что период отверждения в значительной степени зависит
от колебаний окружающей температуры, на что должна быть сделана
соответствующая поправка (при определении количества добавляемого к смолам
ускорителя). Готовая смола представляет собой пастообразную жидкость, которая
наносится иа армирующие волокна с помощью кисти или распылителя. Такой метод
дает возможность получить вполне качественные формованные изделия без
приложения какого-либо давления извне.
Первые модификации смолы не отверждались в присутствии
воздуха, но в настоящее время этот недостаток устранен, хотя и следует
соблюдать предосторожности, выбирая такие наполнители и составы для смазки
формы, которые не замедляют отверждение. Слоистый пластик, полученный при
использовании этих материалов, хорошо горит, однако в результате добавления
таких наполнителей, как окись сурьмы, указанный недостаток может быть
исправлен. Вообще говоря, свойства полиэфирных смол при температурах свыше 80°С
быстро ухудшаются, хотя в настоящее время ведутся исследования, направленные
на повышение теплостойкости указанных смол.
Фенольные смолы также относятся к терморевктив- ным
материалам, хотя, в общем, при их применении необходимо горячее отверждение
под определенным давлением. Для формования крупных изделий (которые нас
интересуют!) наиболее удобным средством приложения давления является
вакуумный мешок, делающий возможным применение различных циклов отверждения
от 18043 в течение 30 мин. до 10043 в течение 32 часов. Иначе говоря, при
уменьшении выбранной температуры отверждения на каждые 10° время отверждения
удваивается.
Фенольные смолы растворимы в воде или в спиртах и обычно
применяются для пропитки волокон самими заводами-изготовителями стеклянной ткани;
готовая стеклоткань поставляется потребителю в виде рулона мягкого и
несколько липкого материала. Непосредственно после нропитки этот материал
выдерживает хранение до трех месяцев при температуре 2043, однако в случае
хранения при 0:С этот период может быть значительно увеличен. В отвержденном
состоянии асбесто- и стеклофенольные пластики не горят и медленно разлагаются
при воздействии температуры 200"С.
Подводя итог сказанному выше, следует отметить, что
основные преимущества полиэфирных смол заключаются в возможности получения
формованных изделий при малом давлении или без приложения давления и в
холодном отверждении. Фенольные смолы позволяют применять предварительно
пропитанный усиливающий агент, гораздо дешевле в производстве и обеспечивают
изготовление изделий с более высокой теплостойкостью. Таким образом, каждая
из указанных смол имеет свои преимущества.
В настоящее время разрабатывается ряд других материалов
аналогичного назначения, включая эпоксидные смолы.
Стеклянное волокно может использоваться в различных вида
включая ткань с постоянными или неодинаковыми свойствами в разных
направлениях, стекломаты с ромбоидальным или беспо-. рядочным расположением
волокон, обладающие пониженной прочностью, и, наконец, стеклянную ровницу,
состоящую из довольно большого количества нитей. Количество смолы,
необходимое для получения доброкачественного лишенного пористости слоистого
пластика, зависит от типа армирующего материала и давления формования, однако
важно обеспечить максимальную величину отношения содержания стекла к смоле,
поскольку предел прочности лучших смол не превышает 3,50 кг/см2.
Стеклянное волокно и смолы поставляются
заводами-изготовителями раздельно, причем введение смолы производят
непосредственно в процессе формования. При постройке катеров из армированной
пластмассы это нежелательно, так как смола стремится стекать вниз по любой
вертикальной или наклонной поверхности. Если для быстрого отверждения смола
перемешивается, то экзотермическая реакция первоначально нанесенных слоев,
стремищаяся воспрепятствовать перемешиванию, вызывает отверждение последующих
слоев прежде, чем удается завершить их надлежащую укладку и разглаживание,
что вынуждает производить укладку стеклянной ткани отдельными стадиями.
Другой рекомендуемый метод состоит в применении тиксотроп-
ной смолы, т. е. такой смолы, вязкость которой может быть уменьшена путем
перемешивания. Иначе говоря, тиксотропная смола, нанесенная на армирующее
стеклянное волокно с помощью кисти» не будет стекать с него.
Ряд английских фирм производит опыты по созданию
предварительно пропитанных стеклотканей и стекломатов, которые при надлежащей
клейкости и мягкости будут пригодны для выкладки крупных форм.
Предполагается, что в результате применения смеси катализаторов отверждение
начнется при температуре около 80° С, после чего экзотермическая реакция
обеспечит полное отверждение при 100° С и выше, однако пока еще не выяснено,
удастся ли получить доброкачественные изделия без приложения давления. При
пропитке полиэфирной смолой стеклоткань атласного переплетения будет иметь
предел прочности на разрыв 35 кг/мм2, модуль Юнга 1970 кг!ммя и удельный вес 1,8.
Панели, отформованные под вакуумом из высокосортных асбе-
стофенольных матов и отвержденные при 140° С в течение 2 часов, имеют предел
прочности на разрыв 14 кг/мм* и модуль Юига 1690 кг/мМ2 при удельном весе
1,24, но отличаются пористостью. Указанные маты можно формовать и без
давления с помощью метода, который применяется в авиационной промышленности и
обеспечивает получение материала с пределом прочности на разрыв 7 кг/ям* при
удельном весе 1,08; это позволяет использовать маты для изготовления панелей,
обладающих низкой упругостью, однако технологический процесс слишком сильно
зависит от субъективных факторов, а формованные изделия часто отрываются от матриц
при отверждении, которое производится в течение 10 часов при температуре 75°
С.
Сделав краткий обзор технологических характеристик и
свойств армированных пластмасс, рассмотрим их использование при постройке
малых судов, в частности, быстроходных катеров, экономия в весе которых имеет
большое значение.
Вообще говоря, надежность работы конструкции зависит от
физико-механических свойств материалов, из которых она изготовлена, и
качества соединений ее различных элементов. Корпус обычного быстроходного катера
изготовляется, как правило, из древесины, сочетающей высокую прочность с
низким удельным весом, чего, однако, нельзя сказать о соединениях. Остается
лишь удивляться, каким образом стыки между бортовой обшивкой, привальным и
скуловым брусьями могут выдерживать высокие срезывающие усилия, действующие
между этими элементами остро- скулого корпуса.
Армированные пластмассы, безусловно, более выгодный
конструкционный материал, чем древесные породы, склонные к вещо- поглощению.
Если в дальнейшем воспользоваться возможностью изготовления бортов,
привального и скулового брусьев, днища и палубы как одного целого с
надлежащими утолщениями в местах крепления элементов набора, то монолитная
конструкция, созданная подобным образом, будет наиболее надежной. При проектировании
конструкций из армированных пластмасс возникает ряд неизбежных вопросов, в
частности, вопрос о том, следует ли подкреплять борта и какие элементы набора
должны в таком случае выполнять эту функцию: шпангоуты, стрингеры, или те и
другие. Если для этой цели выбрать стрингеры, то осложняется установка
переборок и шпангоутов.
При движении с большой скоростью на встречном волнении
днище остроскулого катера может подвергнуться воздействию местных даалений
воды до 3,5 кг/си8, что вынуждает судостроителей заниматься изысканиями новых
материалов для этой части конструкции корпуса.
Днище состоит из ряда листов, которые в условиях
эксплуатации подвергаются воздействию поперечных и сжимающих продольных
нагрузок, причем способность этих листов выдерживать нагрузки является
функцией жесткости материала, из которого они изготовлены, и, до некоторой
степени, зависит от их толщины.
Несмотря на отмеченные выше преимущества, надежность
конструкций из пластмассы полностью зависит от изобретательности и
творческого воображения конструктора, который датжен быть хорошо
осведомленным о физико-механических свойствах применяемого им материала. •
При разработке проекта конструктор должен искать новые пути и средства
решения стоящих перед иим задач, избегая пользования обычными методами,
пригодными для L совершенно иных материалов. Учитывая условия формования
пласт- Г масс и возможность получения из них изделий сложной конфигурации,
конструктор должен представлять себе проектируемую конструкцию отформованной
как одно целое, помня в то же время, ! что подобные конструкции имеют
относительно слабые места в направлении, нормальном к расположению их слоев,
и необходимо принимать меры по предупреждению воздействия в этих участках
сосредоточенных нагрузок. Следует избегать соединения пласт- 1 масс с другими
материалами, за исключением случаев крайней необходимости.
Рассмотрим далее наиболее эффективные методы изготовления
корпусов из пластмасс. Небольшие беспалубные шлюпки могут быть отформованы на
перевернутых пуансонах, однако вполне очевидно, что при постройке более
крупных судов целесообразно использовать для этой цели не пуансоны, а
матрицы, в частности по той причине, что применение подобной формы позволит
получить корпус с хорошей отделкой наружной поверхности.
Выбор материала, из которого должна быть изготовлена
форма, в значительной степени определяется оборудованием, имеющимся на данном
заводе. При этом всегда следует иметь в виду, что предварительно пропитанные
стекло или асбестофенольные материалы должны без сколько-нибудь значительной
деформации выдерживать температуру до 100°С. Пластмассовые формы должны иметь
гладкую рабочую поверхность, но высокая прочность их не обязательна,
поскольку даже при формовании под вакуумом нагрузки изнутри от вакуумного
мешка компенсируются атмосферным давлением снаружи.
Говоря о формовании остроскулого корпуса, можно
представить себе тележку с установленным на нее набором образующих матрицу
шаблонов, которые удаляются по частям после отверждения отформованного в них
корпуса; катер спускают на воду на этой же тележке.
Рабочий, выполняющий производственные операции внутри
формы, должен находиться на подвижной платформе, передвигая которую (путем
соответствующей регулировки), он может занять положение, наиболее удобное для
работы, выполняемой в данный момент.
Целесообразность затрат на изготовление формы зависит,
очевидно, от количества однотипных катеров, подлежащих формованию в ней,
хотя, вообще говоря, форма, изготовленная с учетом всех технологических
требований и имеющая гладкую рабочую поверхность, вполне окупит себя уже тем,
что ее применение позволит саести к минимуму дорогостоящие работы по ручной
отделке поверхности корпуса.
Перед началом формования поверхность формы должна быть
смазана специвльным разделительным составом, который может представлять собой
густое маслянистое вещество или жидкую воскообразную пасту. Разделительные
агенты первого типа стремятся оказать на полиэфирные смолы вредное
противоокислитель-л ное действие и впитывают пыль и грязь, попадающие в
формуемое изделие. Разделительные вещества второго типа, наносимые в виде
тонких пленок, также мало пригодны, так как обладают низкой механической
прочностью, и. имея тенденцию к усадке, не держатся на вогнутых поверхностях.
Наилучшее решение вопроса заключается, вероятно, в нанесении на поверхность
формы методом распыления сначала нескольких слоев воска, а затем двух-трех
слоев смолы, которые выполнят двойную функцию защиты слоя разделяющего
вещества от механических повреждений и обеспечения гладкой наружной
поверхности готового корпуса.
|