Метод автоклавного формования. Вакуумно-автоклавное формование Метод автоклавного формования

dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-6-8-8

УСТАНОВЛЕНИЕ ПРИЧИН ОБРАЗОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПКМ

Известно, что пористость в полимерных композиционных материалах (ПКМ) оказывает значительное влияние на прочностные свойства изделий, работающих в условиях изгибающих, сжимающих и сдвиговых нагрузок. В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» работы по созданию беспористых ПКМ, получаемых методами автоклавного и безавтоклавного формования, ведутся в соответствии со «Стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на долгосрочный период вплоть до 2030 года» (13.2. «Конструкционные ПКМ») . Цель данной работы - выявление основных источников образования пористости при изготовлении ПКМ различными методами. На плоских испытанных образцах, собранных из увлажненных препрегов и отформованных в автоклаве или под вакуумом, установлено, что основным источником образования пористости является влага, содержащаяся в связующем и в армирующих наполнителях. Приводятся данные исследования возможности получения углепластиков вакуумным формованием из препрегов, полученных по растворной технологии, с физико-механическими свойствами, равными свойствам препрегов, полученных при автоклавном формовании, в том числе и по пористости. Даны рекомендации и способы избавления от влаги при подготовке и изготовлении изделий.

Введение

Структура полимерных композиционных материалов (ПКМ) состоит из трех составляющих: армирующий наполнитель, связующее (матрица) и поры. Армирующий наполнитель воспринимает действующие на изделие нагрузки, связующее связывает воедино отдельные волокна наполнителя и перераспределяет нагрузки внутри изделия, а поры «вредят» совместной работе двух других составляющих композита, снижая сопротивление сжимающим и сдвиговым нагрузкам и тем самым уменьшая работоспособность конструкции . Изготовление изделий из ПКМ методом вакуумного формования известно давно и применяется широко ввиду простоты и дешевизны процесса - однако только при изготовлении несиловых деталей, при этом изготовители не обращали внимание на соотношение «волокно-связующее» и наличие пористости в готовых изделиях. Использование автоклава при формовании изделий из ПКМ позволило снизить содержание пор до 1-2% за счет давления в 6-7 ат (0,6-0,7 МПа), поэтому изготовители и в данном случае не особо обращали внимание на образующуюся при этом пористость, поскольку свойства изделий соответствовали заданным требованиям. Однако с переходом на безавтоклавные (без использования высокого давления) методы формования для обеспечения такой же пористости (1-2%) необходимо проведение дополнительных исследований и разработок:

Потребовалось разобраться в причинах образования пористости;

Найти решение для получения беспористых композитов.

Существует множество источников образования пор в композитах. Механизм образования пор зависит от используемой технологии. При изготовлении изделий методом автоклавного формования поры, образующиеся в процессе отверждения при формовании под высоким давлением, остаются в материале в незначительном количестве. При вакуумном формовании препрегов при существенно меньшем давлении, чем в автоклаве, получение деталей с низкой пористостью (1-2%) становится непростой задачей. Для ее решения необходимо прежде всего понять механизм образования пор. С точки зрения экономики переход от автоклавного формования к вакуумному позволяет в значительной степени уменьшить капитальные вложения, увеличить энергоэффективность, избавиться от необходимости использования дорогостоящего азота. При этом также снимаются ограничения по размеру изготавливаемых деталей .

С момента создания стеклонаполнителей (с 1946 г.), а затем угле-, боро- и органоволокон (с 1970 г.) во ФГУП «ВИАМ» ведутся работы по разработке и внедрению в авиационную и ракетную технику ПКМ на их основе. В настоящее время работы ведутся в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на долгосрочный период вплоть до 2030 г. .

Разные авторы трактуют причины образования пористости в композитах по-разному: одни считают, что пористость образуется от остатков захваченного при изготовлении препрегов воздуха и летучих продуктов, другие объясняют это наличием влаги, находящейся в связующих и наполнителях, а третьи предполагают, что поры образуются и от того, и от другого .

Данная статья посвящена вопросу рассмотрения причин образования пористости в ПКМ и поиску решений по получению беспористых пластиков.

Материалы и методы

Автоклавное и вакуумное формование препрегов

Для лучшего понимания причин образования пор в препрегах и контроля за образованием дефектов в деталях, изготавливаемых за рубежом из ООА-препрегов (out-of-autoclave), в работе изучали механизм образования пор в зависимости от содержания влаги в связующем. Неотвержденный ООА-препрег на основе эпоксидного связующего марки МТМ 44-1 и углеродного наполнителя марки СF 5804А фирмы Advanced Composites Group (Великобритания) предварительно увлажняли при относительной влажности 70; 80 и 90% и температуре 35°С. Выложенные из данного препрега 16-слойные плиты размером 203×292 мм с квазиизотропной структурой армирования были отформованы: один набор - под вакуумом, а другой - в автоклаве при давлении
5 ат (0,5 МПа). Изготовили также контрольные образцы, выдержанные при той же температуре, но без влагонасыщения для исключения возможности образования пор от нагрева. Один набор этих плит был также отформован в автоклаве под давлением 5 ат (0,5 МПа), а другой - только под вакуумом. Чистые пленки связующего насыщались влагой для последующего исследования на потерю массы при помощи термогравиметрического анализа (скорость отслеживания 15°С/мин). Эта потеря массы связывалась с содержанием влаги в связующем, которое измеряли при кулонометрическом анализе по методу Фишера на установке Mettler Toledo C-20 с сушильным шкафом марки DO308.

Из-за природы препрегов для вакуумного формования влагу в связующем рассматривали как главную причину образования пор. Теоретическая основа модели образования пор следует из предположения, что поры растут посредством диффузии воды из окружающего их связующего. Движущими силами данного процесса являются температура и давление, и диффузия может способствовать как росту пор, так и их растворению в зависимости от растворимости влаги в связующем и градиента концентрации. Рост пор начинается тогда, когда давление внутри поры превосходит гидростатическое давление в окружающем связующем. Поры, содержащие воздух, разрушаются под воздействием давления, но когда в них содержится вода, давление водяных паров при повышении температуры будет возрастать по экспоненте, что вызовет стабилизацию и рост пор. Основные уравнения для выбранной масс-диффузии роста пузырьков определяют диаметр пор d мм и движущую силу роста пор β:

где D - коэффициент диффузии воды в связующем, мм 2 /ч; t - продолжительность процесса, с; C bulk - концентрация воды внутри связующего, г/мм 3 ; C void - концентрация воды на поверхности пор, г/мм 3 ; P g - плотность газа, кг/м 3 .

В работе приводится расчет роста диаметра пор в зависимости от относительной влажности, который возрастает по экспоненте (рис. 1). Видно, что из-за повышенного давления при автоклавном формовании условие С void <С bulk не выполняется и поры не должны формироваться и расти.

Рис. 1. Диаметр пор для вакуумного и автоклавного формования в зависимости от относительной влажности (расчетные значения)

Для того чтобы сравнить данные, полученные с помощью предсказанной модели, с экспериментально определенным содержанием пор, рассчитанные по модели диаметры пор пересчитали в объемное содержание пор. Используя диаметры пор, полученные с помощью модели, и измеренное содержание пор, получили объем связующего, необходимый для образования одной поры заданного диаметра. Он должен оставаться постоянным для заданного связующего:

[% (объемн.)], (3)

где V m - объем единичной матрицы, используемый для масштабирования результатов, полученных с помощью модели, мм 3 .

На рис. 2 показана зависимость измеренного содержания пор от относительной влажности вместе с рассчитанными значениями по диффузионной модели.

Рис. 2. Расчетное и экспериментальное значения объемного содержания пор

Для проверки влажностной модели результаты термогравиметрического анализа сравнивали с содержанием влаги в связующем, измеренным титрованием по методу Фишера. Значения массового содержания влаги в связующем эквивалентны значениям полной потери массы при проведении термогравиметрического анализа. Это подтвердило предположение о том, что в данном случае летучие вещества не оказывают существенного влияния на рост пор, влияет только влага в связующем. Таким образом, любые летучие вещества содержатся в связующем в пренебрежимо малом количестве, и их вкладом в образование пор можно пренебречь. К тому же вакуумные каналы эффективно удаляют воздух из исследованного препрега, и отсутствуют признаки того, что обнаруженные поры можно приписать «запертому» воздуху и летучим веществам. Исключаем эти два потенциальных источника пор, единственным источником оставляем растворенную влагу, что оправдывает использование рассмотренной модели для прогнозирования образования пор.

Хотя количество влаги в препреге кажется относительно малым, когда выражается в массовом содержании, ее мольная доля гораздо выше, а водяной пар потенциально может занимать большой объем. Это указывает на то, что растворенная влага может быть источником образования пор , так как 1 л воды под вакуумом превращается в 1000 л пара. Поэтому, чтобы получить беспористые изделия вакуумным формованием препрегов, необходимо тщательно контролировать влажность помещения в процессе выкладки слоев для предотвращения набирания влаги связующим. В работе показана чувствительность вакуумного метода к содержанию влаги. Относительная влажность 45% соответствует массовому содержанию влаги в связующем ~0,25%. Обычно поставляемое связующее содержит (0,24±0,03)% влаги, что несколько выше, чем количество влаги, которое можно контролировать при формовании при атмосферном давлении.

Если связующее находится в распакованном виде в течение 24 ч в помещении при относительной влажности (50±5)%, то содержание влаги в нем вырастает до (0,30±0,01)%. Производство крупногабаритных деталей часто требует нескольких дней для нарезки и выкладки препрега. Следовательно, для получения качественных деталей безавтоклавным методом необходим контроль за влажностью внутри рабочего помещения. Сборку необходимо проводить в помещении, в котором задается и поддерживается не только температура, но и относительная влажность воздуха.

Авторами проведена работа по исследованию возможности использования вакуумного формования препрегов, полученных по растворной технологии, с целью изготовления ПКМ с содержанием связующего, аналогичным содержанию, получаемому при автоклавном формовании и получения при этом минимальной пористости. Для этого использовали препреги на основе равнопрочной ткани фирмы Porcher (арт. 3692) с поверхностной плотностью 200 г/м 2 , пропитанной растворным эпоксидным связующим ЭДТ-69Н(М) на установке УПСТ-1000М, с содержанием связующего 39-40% и летучих 2±0,3%. Растворителем для связующего являлась смесь спирта с ацетоном в соотношении 2:1. Для достижения поставленной цели необходимо было получить содержание связующего в пластике аналогичное содержанию, получаемому при автоклавном формовании . Собрали по два вида плоских панелей размером 300×300 мм, из которых два образца формовали под вакуумом, а два других - в автоклаве. Каждый образец состоял из 17 слоев, причем первый образец собирали из 17 слоев препрега, а второй - из препрегов, чередующихся с сухими слоями ткани фирмы Porcher (арт. 3692). В качестве впитывающих слоев использовали стеклоткань Т-45(п)-76. Два образца формовали в автоклаве по режиму, рекомендованному разработчиками материала, а два других - под вакуумным мешком в термошкафу по режиму, отличающемуся от автоклавного режима. Для исключения вытекания связующего со стороны торцов, последние защищались слоем герметизирующей ленты.

При этом режим формования должен быть подобран таким образом, чтобы до начала желирования связующего были удалены все паровоздушные включения и летучие продукты, а также излишки связующего в препрегах. При этом для удаления летучих и газовых включений должны быть созданы соответствующие условия, такие как низкая вязкость связующего, температура и наличие перепада давления формуемого пакета, преодолеть которые могли бы выходящие газы, а также связующее. Сюда же относится и величина проницаемости препрега, заполненного вязким связующим. Процесс удаления летучих продуктов должен сопровождаться процессом заполнения связующим пустот, имеющихся и образующихся за счет удаленных летучих. Заполнение пустот связующим будет осуществляться за счет как созданного при вакуумировании давления, так и за счет капиллярных сил. При этом удаление летучих прежде всего начнется с первого верхнего слоя препрега, прилегающего к разделительной пористой воздухопроницаемой пленке. Затем из прилегающего к нему второго слоя и т. д. до последнего слоя.

При автоклавном формовании остатки летучих, не удаленные вакуумированием, будут заформованы в пластике в виде пузырьков с помощью созданного давления и будут тем меньше, чем больше давление формования. Если же формование проводить только за счет вакуумного давления, то те летучие, которые останутся в препрегах, увеличат свой объем и тем больше, чем выше разрежение и температура. Поэтому для получения материала с минимальной пористостью необходимо добиться полного удаления летучих с помощью соответствующих технологических приемов. При этом летучие, находящиеся в верхних слоях пакета препрега, удаляются первыми и достаточно легко, так как для них мало́ сопротивление небольшой толщины вязкого связующего. Летучие же, находящиеся в нижних слоях пакета, должны преодолеть значительное сопротивление, во-первых, давления, созданного вакуумом, и, во-вторых, связующего, обладающего вязкостью во много раз большей вязкости газообразных летучих.

Результаты

Согласно закона Дарси, для пористых материалов, к которым относятся армирующие материалы, скорость фильтрации v прямо пропорциональна проницаемости и перепаду давления и обратно пропорциональна вязкости жидкости или газа и толщине пакета:

где K - коэффициент проницаемости структуры, Д (Дарси); η - вязкость жидкости или газа, Па·с; DР - перепад давления, МПа; Н - толщина пакета, см.

Для удаления излишков связующего и летучих продуктов из пакета препрега использовали сухую (непропитанную) ткань той же марки, которую закладывали между слоями препрега и обеспечивали дренаж летучих продуктов при вакуумировании. При создании давления и температуры сухая ткань в момент формования заполнялась связующим из близлежащих слоев препрега. Готовые панели углепластика разрезали на образцы для определения физико-механических характеристик. Из той же партии препрегов собрали аналогичные панели, отформованные в автоклаве, образцы из которых также испытали.

Из формулы (4) видно, что чем больше вязкость и толщина пакета, тем меньше скорость фильтрации, а также чем меньше проницаемость, тем меньше скорость.

Удаление летучих производится при повышенной температуре, когда вязкость связующего уменьшается, а летучие (такие как остатки ацетона и спиртов) переходят в газообразное состояние. Вязкость ацетона при температуре 75°С составляет 0,228 мПа·с, спирта: 0,471 мПа·с, а воздуха при 20°С: 0,018 мПа·с. Вязкость же связующего при температуре 80-90°С составляет 0,4-0,6 мПа·с, что естественно будет тормозить движение выходящих газовых включений.

Из вышесказанного следует, что чем больше толщина изделия и чем меньше коэффициент проницаемости, тем труднее удалить летучие из нижних слоев препрега. Одним из технологических приемов является так называемая поэтапная сборка пакета препрегов с вакуумированием при температуре после выкладки нескольких слоев, что позволяет удалить основную часть летучих до окончательного формования. Таким методом фирма «Боинг» изготовила панель стабилизатора из углеродных препрегов на связующем Сycom 5320, получив при этом пористость материала ˂1%. Однако этот способ предполагает равное содержание связующего в препреге и изделии, а этого можно достичь на установках, обеспечивающих дозированный нанос расплава связующего. При изготовлении ПКМ на основе препрегов, получаемых по растворной технологии, весовое содержание связующего в препреге, как правило, больше, чем должно быть в изделии. Поэтому для удаления излишков связующего при автоклавном формовании используют пористые впитывающие слои. При изготовлении толстостенных конструкций иногда в структуру собираемого пакета препрегов вводят сухие слои ткани, чередуя с несколькими слоями препрега в зависимости от исходного содержания связующего в препреге и требуемого содержания связующего в готовом изделии. Такие слои, являясь хорошим дренажным материалом, обеспечивают удаление летучих из близлежащих слоев препрегов и впитывают излишки связующего из них.

Из готовых пластин углепластика вырезали образцы для определения плотности методом гидростатического взвешивания, а также прочности при изгибе и сдвиге, водопоглощения кипячением и прочности после кипячения. По результатам гидростатического определения плотности и расчета теоретической плотности, исходя из толщины монослоя пластика, рассчитывали пористость полученных образцов по формуле:

где γ ис и γ т - истинная и теоретическая плотность пластика соответственно, г/см 3 .

По толщине монослоя, содержанию связующего, плотности пластика, пористости и водопоглощению (см. таблицу) показатели образцов без сухих и с сухими слоями ткани при вакуумном формовании близки между собой. Из этого следует, что формование под вакуумом возможно как из препрегов, так и в комбинации с сухими слоями. При автоклавном формовании разницы между образцами из препрегов и препрегов с сухими слоями ткани также практически не наблюдается.

Особо следует отметить, что использование впитывающих слоев и особенно сухих слоев позволило обеспечить получение ПКМ с низкой пористостью, близкой к пористости, полученной при автоклавном формовании (см. таблицу).

Свойства углепластиков на основе ткани фирмы Porcher (арт. 3692) и связующего

ЭДТ-69Н(М), изготовленных вакуумным формованием и в автоклаве

Прочность при изгибе, содержание связующего и плотность углепластиков, изготовленных в автоклаве, близки, но следует отметить, что введение сухих слоев привело к незначительному увеличению прочности и плотности и снижению содержания связующего. Это указывает на то, что введение сухих слоев способствует более интенсивному удалению излишков связующего в сухие слои.

Изготовленные вакуумным формованием образцы показали высокую прочность при изгибе пластика с сухими слоями. Однако плотность этого пластика немного ниже, чем у таких же образцов, изготовленных автоклавным формованием. Что касается прочности при изгибе, плотности и содержания связующего образцов, состоящих из одних препрегов, то можно предположить, что наличие впитывающих слоев, обладающих высокой проницаемостью и впитыванием, привело к удалению излишков связующего в эти слои больше чем требуется, а образованные пустоты в пластике не были заполнены связующим, что подтверждается большей пористостью в них. Поэтому при изготовлении изделий методом вакуумного формования необходимо строго подбирать количество впитывающих слоев, в которые впитывается часть излишков, а остальная часть пойдет на заполнение пустот, образованных при удалении паровоздушных и летучих продуктов. Но в этом случае лучше использовать введение сухих слоев, строго рассчитав их количество.

Инфузионное формование сухих преформ

Переход на безавтоклавные методы формования посредством пропитки пакета сухого армирующего наполнителя, находящегося в герметично закрытой форме, жидкими связующими под давлением потребовал, также как и формование препрегов под вакуумом, проведения исследований механизма образования пор в получаемых пластиках. При автоклавном или вакуумном формовании препрегов зарождение и рост пор происходит во время цикла отверждения, а в методах жидкого формования основным источником пористости считается «запертый» воздух . Микроструктура текстильных форм содержит два вида пор с сильно отличающимися размерами: микропоры (внутри пучков волокон) между отдельными волокнами наполнителя и макропоры, представляющие собой пустое пространство между отдельными нитями.

Гетерогенность структуры обуславливает неравномерность течения связующего при пропитке: по крупным порам связующее движется в соответствии с законом Дарси под действием градиента давления, а по мелким порам (капиллярам) - под действием капиллярных сил. Неравномерность скорости движения связующего по двум разным каналам приводит к образованию двойного течения и двух видов пор в структуре полученных пластиков. Быстрое течение связующего по крупным порам приводит к образованию пористости внутри пучков волокон, где скорость движения за счет капиллярного давления отстает от скорости движения внутри крупных пор. Если скорость движения связующего мала, то пузырек воздуха «запирается» в макропорах, откуда связующее после их заполнения отводится за счет капиллярных сил в микропоры внутри волокон .

В работах экспериментально установлено, что формирование пор во фронте течения коррелирует с безразмерной величиной, называемой капиллярным числом (С а), которое является отношением вязкости связующего к его поверхностному натяжению:

где μ - вязкость связующего; u - скорость течения связующего; γ - поверхностное натяжение связующего; Q - угол смачивания; m - пористость армирующего наполнителя.

В работе исследовали влияние скорости подачи связующего на порообразование, связывая их с получаемым капиллярным числом. Исследованы три вида армирующих наполнителей на основе стеклянного волокна: маты из рубленных волокон, двунаправленная и однонаправленная ткани. Работу проводили на образцах размером 350×250×3 мм при инжекции эпоксидного связующего с поверхностным натяжением, равным 35 мН/м и вязкостью 0,1 Па·с. Скорость инжекции варьировали в пределах от 6 до 18 мл/с. Обнаружили, что при низких скоростях подачи связующего капиллярные силы становятся доминирующими, затягивая поток жидкости через пучки волокон ткани, в которых, если и образуется, то минимальное количество пустот. При этом макропустоты образуются в местах переплетения пучков волокон ткани основы с утком. При больших скоростях потока связующее проходит в основном через пересечения основы с утком, образуя большое количество микропустот в межволоконных зазорах.

На образование пор в полимерных материалах, изготавливаемых инфузионными методами или пропиткой под давлением, влияет не только воздух, оставшийся в наполнителе, но и влага, содержащаяся в них и в связующих, о чем упоминалось ранее, при вакуумном формовании из препрегов. Ткани, используемые для изготовления изделий по технологии жидкого формования, если они находятся в обычных цеховых условиях, всегда содержат так называемую капиллярную влагу в зонах переплетения моноволокон в жгутах, где радиус поры ˂10 -5 см. Удалить капиллярную влагу, удерживаемую тканью, тем труднее, чем меньше радиус капилляра. На удаление ее требуется дополнительный расход энергии, поэтому необходимо от нее избавиться до процесса пропитки с помощью сушки при повышенной температуре . Воздух, находящийся в тканях, удаляется вакуумом, а для удаления капиллярной влаги требуется нагрев до 70°С для превращения ее в пар под вакуумом. Поэтому перед проведением процесса пропитки ткань должна быть просушена до сборки пакета, а затем подвергнута вакуумированию под герметизирующей пленкой. Дегазировать связующее для удаления влаги и летучих веществ необходимо до начала пропитки.

На метод вакуумной инфузии имеется большое количество патентов, направленных на повышение качества получаемых изделий . Известен способ изготовления изделий по технологии вакуумной инфузии, разработанной фирмой EADS, согласно которому рабочая полость, куда помещена преформа, сообщается с емкостью для связующего и вакуумным насосом. Рабочая полость образована полупроницаемой мембраной, прикрепленной к оснастке с помощью герметичных уплотнителей. Поверх мембраны расположена газонепроницаемая пленка, также прикрепленная к оснастке при помощи герметизирующих уплотнителей, в результате чего между мембраной и герметичной пленкой образуется герметично отделенная от внешнего пространства вторая полость, также как и первая (рабочая) полость, связанная с вакуумным насосом. При этом за счет полупроницаемой мембраны создается воздушное сообщение между первой и второй полостями. Во второй полости между мембраной и газонепроницаемой пленкой находится вентиляционная ткань, предназначенная для направленного перемещения воздуха и других летучих компонентов, проходящих из рабочей полости через мембрану во вторую полость к вакуумному насосу.

Обсуждение и заключения

На основании многочисленных использованных научных литературных источников установлены причины образования пористости при формовании изделий из ПКМ как автоклавным, так и безавтоклавным методами. Основным источником образования пористости является влага, содержащаяся в связующих и армирующих наполнителях, превращающаяся в пар при нагреве. Образующиеся поры при автоклавном формовании за счет избыточного давления уменьшаются в размере и, как правило, пористость не превышает 2-3% (объемн.). При вакуумном формовании препрегов для получения беспористых пластиков требуется тщательный контроль влажности помещений хранения и сборки пакетов сухих армирующих наполнителей и препрегов, а также использование препрегов с односторонним нанесением связующего. При инфузионных методах формования на пористость пластиков также влияет влага и летучие вещества в связующих, которые в обязательном порядке должны быть тщательно дегазированы до пропитки, а также влага, содержащаяся в наполнителях. Поэтому перед сборкой пакета наполнители должны быть просушены, а сборка пакета должна проводиться в помещениях с влажностью не более 45-50%, в процессе пропитки должен использоваться более глубокий вакуум для отведения газообразных продуктов, оставшихся в собранных преформах, с использованием полупроницаемых мембран. Кроме того, для получения беспористых пластиков необходимо обеспечить равномерность течения связующего как по крупным каналам между нитями, так и по зазорам-капиллярам между волокнами нитей для исключения образования так называемого «двойного течения».

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33
2. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. СПб.: Научные основы и технологи. 2008. 822 с.
3. Браутман Л. Разрушение и усталость. М.: Мир, 1978. 153 с.





9. Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Перспективы использования углеродсодержащих наночастиц в связующих для полимерных композиционных материалов // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. №3–4. С. 24–42.
10. Донецкий К.И., Коган Д.И., Хрульков А.В. Свойства полимерных композиционных материалов, изготовленных на основе плетеных преформ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №3. Ст. 05. URL: http://www..01.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-3-2-2.
11. Донецкий К.И., Хрульков А.В., Коган Д.И., Белинис П.Г., Лукьяненко Ю.В. Применение объемно-армирующих преформ при изготовлении изделий из ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 35–39.
12. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
13. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Ерасов В.С., Анчевский И.Э., Ильин В.В., Вальтер Р.С. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докл. IX Междунар. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». 2012. С. 122–123.
14. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
15. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20–26.











27. Душин М.И., Хрульков А.В., Платонов А.А., Ахмадиева К.Р. Безавтоклавное формование углепластиков на основе препрегов, полученных по растворной технологии // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 43–48.










38. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.



42. Способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией и устройство для осуществления способа: пат. 2480335 PU; опубл. 27.04.13.

1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
2. Mihajlin Yu.A. Konstrukcionnye polimernye kompozicionnye materialy . SPb.: Nauchnye osnovy i tehnologi. 2008. 822 s.
3. Brautman L. Razrushenie i ustalost . M.: Mir, 1978. 153 s.
4. Void Content of Reinforced Plastic: ASTM D 2734-09. Standard by ASTM International. 2009. 3 p.
5. Tavares S.S., Michaud V., Manson J.A.E. Through thickness air permeability of prepregs during cure // Composites: Part A. 2009. V. 40. P. 1587–1596.
6. Thomas S., Nutt S.R. In situ estimation of though-thickness resin flow using ultrasound // Compos. Sci. Technol. 2008. 68:3093-8.
7. Tavares S.S., Michaud V., Manson J.A.E. Assessment of semi-impregnated fabrics in honeycomb sandwich structures // Composites: Part A. 2010. V. 41. P. 8–15.
8. Jackson K., Crabtree M. Autoclave guality composites tooling for composite from vacuum bag only processing // 47th International SAMPLE symposium. 2002. P. 800–807.
9. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. Perspektivy ispolzovaniya uglerodsoderzhashhih nanochastic v svyazuyushhih dlya polimernyh kompozicionnyh materialov // Rossijskie nanotehnologii. 2013. T. 8. №3–4. S. 24–42.
10. Donetskij K.I., Kogan D.I., Hrulkov A.V. Svojstva polimernyh kompozicionnyh materialov, izgotovlennyh na osnove pletenyh preform // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №3. St. 05. Available at: http://www.. DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-3-5-5.
11. Donetskij K.I., Hrulkov A.V., Kogan D.I., Belinis P.G., Lukyanenko Yu.V. Primenenie obemno-armiruyushhih preform pri izgotovlenii izdelij iz PKM // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №1. S. 35–39.
12. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlya aviacionnoj tehniki // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
13. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Erasov V.S., Anchevskij I.Je., Ilin V.V., Valter R.S. Stend dlya ispytaniya na klimaticheskoj stancii GCKI krupnogabaritnyh konstrukcij iz PKM // Sb. dokl. IX Mezhdunar. nauch. konf. po gidroaviacii «Gidroaviasalon-2012». 2012. S. 122–123.
14. Hrulkov A.V., Dushin M.I., Popov Yu.O., Kogan D.I. Issledovaniya i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovaniya PKM //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
15. Dushin M.I., Hrulkov A.V., Muhametov R.R. Vybor tehnologicheskih parametrov avtoklavnogo formovaniya detalej iz polimernyh kompozicionnyh materialov // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №3. S. 20–26.
16. Wood J.R., Bader M.G. Void control for polymer-matrix composites (1) theoretical and experimental methods for determining the growth and collapse of gas bubbles // Compos. Manuf. 1994. V. 5 (3). P. 139–147.
17. Wood J.R., Bader M.G. Void control for polymer-matrix composites (1) theoretical and experimental evaluation of a diffusion model for the growth and collapse of gas bubbles // Compos. Manuf. 1994. V. 5 (3). P. 149–158.
18. Liu L., Zhang B., Wang D., Wu Z. Effects of cure cycle on void content and mechanical properties of composite laminates // Compos. Struct. 2006. V. 73. P. 303–309.
19. Liu L., Zhang B., Wu Z., Wang D. Effects of cure pressure induced voids on the mechanical strength of carbon/epoxy laminates // J. Mater. Sci. Technol. 2005. V. 21 (1). P. 87–91.
20. Olivier P., Cottu J.P., Ferret B. Effects of cure cycle pressure and voids on some mechanical properties of carbon/epoxy laminates // Composites. 1995. V. 26 (7). P. 509–515.
21. Huang H., Talreja R. Effects of void geometry on elastic properties of unidirectional fiber reinforced composites // Composites Science and Technology. 2005. V. 65. P. 1964–1981.
22. Costa M.L., Almeida S.F.M., Rezende M.C. The influence of porosity on the interlaminar shear strength of carbon/epoxy and carbon/bismaleimide fabric laminates // Composites Science and Technology. 2001. V. 61. P. 2101–2108.
23. Grunenfelder L.K., Nutt S.R. Void formation in composite prepregs – effect of dissolved moisture // Composites Science and Technology. 2010. V. 70. Р. 2304–2309.
24. Kardos J.L., Dudukovic M.P., Dave R. Void growth and resin transport during processing of thermosetting-matrix composites // Adv. Polym. Sci. 1986. V. 80. P. 102–123.
25. Boey F.Y.C., Lye S.W. Void reduction in autoclave processing of thermoset composites part 1: high pressure effects on void reduction // Composites. 1992. V. 23 (4). P. 261–265.
26. Hayward J.S., Harris B. Effect of process variables on the quality of RTM mouldings // SAMPE J. 1990. V. 26 (3). P. 39–46.
27. Dushin M.I., Hrulkov A.V., Platonov A.A., Ahmadieva K.R. Bezavtoklavnoe formovanie ugleplastikov na osnove prepregov, poluchennyh po rastvornoj tehnologii // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 43–48.
28. Lundstrom T.S., Gebart B.R., Lundemo C.Y. Void formation in RTM // The 49th annual conference. Session 16-F. Composite Institute of the Society of the Plastics Industry. 1992.
29. Patel N., Lee L.J. Effect of fiber mat architecture on void formation and removal in liquid composite molding // Polym. Compos. 1995. V. 16 (5). P. 386–399.
30. Patel N., Rohatgi V., Lee L.J. Modeling of void formation and removal in liquid composite molding. Part II. Model development // Polym. Compos. 1996. V. 17 (1). P. 104–114.
31. Chen Y.T., Davis H.T., Macosko C.W. Wetting of fiber mats for composite manufacturing: I. Visualization experiments. AlChE // J. Polym. Compos. 1995. V. 41 (10). P. 2261–2273.
32. Patel N., Rohatgi V., Lee L.J. Micro scale flow behavior and void formation mechanism during impregnation through a unidirectional stitched fiberglass mat // Polym. Eng. Sci. 1995. V. 35 (10). P. 837–851.
33. Rohatgi V., Patel N., Lee L.J. Experimental investigation of flow induced microvoids during impregnation of unidirectional stitched fiberglass mat // Polym. Compos. 1996. V. 17 (2). P. 161–170.
34. Ruiz E., Achim V., Bread J., Chatel S., Trouchu F. A fast numerical approach to reduce voud formation in liquid composite molding // The 8th International Conference on Flow Processes in Composite Materials (FPCM8). Douai. 2006. P. 251–260.
35. Bread J., Henzel Y., Trouch F., Gauvin R. Analysis of dynamic flow through porous media. Part I: Comparison between saturated and unsaturated flows in fibrous reinforcements // Polymer Composites. 2003. V. 24. №3. P. 409–421.
36. Lee G.W., Lee K.J. Mechanism of void formation in composite processing with woven fabrics // Polymer and Polymer Composites. 2003. V. 11. №7. P. 563–570.
37. Hayward J.S., Harris B. Effect of vacuum assistance in resin transfer moulding // Compos. Manuf. 1990. V. 1 (33). P. 161–166.
38. Lykov A.V. Teoriya sushki . M.: Energiya, 1968. 472 s.
39. High-performance infusion system for VARTM fabrication: pat. 6964561 США; publ. 15.11.05.
40. Method for making composite structures: pat. 6630095 US; publ. 07.10.03.
41. Method and device for producing fibre-reinforced components using an injection method: пат. 1181149 EU; publ. 10.12.03.
42. Sposob izgotovleniya voloknistyh kompozitov vakuumnoj infuziej i ustrojstvo dlya osushhestvleniya sposoba: pat. 2480335 PU ; opubl. 27.04.13.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.

Ульяновский научно-технологический центр Всероссийского института авиационных материалов

С середины ХХ века идет активный рост производства полимерных композиционных материалов (ПКМ), согласно прогнозам данная тенденция будет сохраняться и в дальнейшем. Детали из ПКМ широко применяются в различных отраслях деятельности человека, но наибольшее внимание на развитие ПКМ оказывает авиационно-космическая отрасль, где тенденция замены металлов ПКМ в конструкциях ЛА различного назначения актуальна. Это обусловлено свойствами ПКМ: высокой прочностью и жёстокостью, минимальной массой, высокими эксплуатационными свойствами, длительным ресурсом и т.д. . Как в мире, так и в нашей стране накоплен большой опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной техники , что позволяет применять изделия из ПКМ в новых узлах и агрегатах проектируемых самолётов. Так, в самолёте Airbus A-380 центроплан, силовой набор крыла, хвостовое оперение, рули направления и высоты, задний гермошпангоут выполнены из углепластиков . Общая доля полимерных композиционных материалов в данном самолёте составляет около 30% (масс.). У перспективных лайнеров Airbus A350XWB и Boeing 787 Dreamliner помимо вышеперечисленных деталей из ПКМ изготовлены панели крыла, элементы фюзеляжа и другие особо ответственные конструкции, при этом общая доля применения ПКМ составляет более 50% (масс.)

В российской авиационной техники также идёт активное внедрение деталей из ПКМ в таких перспективных разработках как МС-21, МТА и др. В связи с тем, что детали из ПКМ применяемы в ЛА имеют различную геометрию поверхности, габаритные размеры, структуру и назначение, для их производства приходится применять специфические виды переработки.

Для авиационной отрасли наиболее распространённое формование с эластичной диафрагмой вакуум-автоклавное и вакуумное. Вакуум-автоклавное формование схематично изображено на рис. 1.

Для изготовления изделий из ПКМ методом вакуум-автоклавного формования в настоящее время в основном применяют препреговые технологии заключающиеся в следующем :
- предварительно пропитанный армирующий наполнитель (препрег) раскраивают на заготовки;
- выкладывают послойно заготовки препрега на оснастку;
- собирают технологический пакет с применением вспомогательных материалов (плёнка для вакуумного мешка, разделительные плёнки, герметизирующие жгуты, дренажные материалы и др.);
- формование детали в автоклаве.

Процесс автоклавного формования (рис 2) осуществляется под действием давления сжатых газов или жидкостей на формуемое изделие, что обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств и низкую пористость получаемых пластиков.

Однако данный процесс обладает рядом недостатков: является очень энергоёмким; оборудование для формования (автоклав) имеет высокую стоимость; необходимо применение дорогостоящей оснастки и технологических материалов, которые должны быть работоспособны при температурах до 180 С и давлениях до 0,7 МПа. Кроме того, ввиду увеличения количества деталей из ПКМ в объёме конструкции ЛА до 50% и выше, а также увеличение количества выпускаемых самолётов, возникает необходимость массового производства деталей из ПКМ, что требует применения большого количества автоклавов. В связи с этим всё более распространенным способом изготовления слабонагруженных изделий из ПКМ становиться вакуумное формование (рис 2).

Получаемые таким образом изделия, в виду приложения меньшего внешнего давления формования, проигрывают по эксплуатационным характеристикам пластикам, получаемым автоклавным методом.

Для повышения качества изделий из ПКМ наряду с препреговым методом используют «прямые» процессы пропитки наполнителя: «VARTM» (vacuum assisted resin transfer molding) – технология пропитки наполнителя связующим с последующим отверждением под вакуумным мешком. Заложенный в зазор между оснасткой и вакуумным мешком наполнитель, за счёт созданного под мешком разряжения, пропитывается жидким связующим поступающим под мешок из ёмкости по литьевым трубкам с последующим формованием композиции .

«RFI» (Resin Film Infusion) – процесс формования с использованием плёночного связующего, разработан для изготовления крупногабаритных конструкций из ПКМ. При использовании метода RFI для пропитки наполнителя применяется расплав связующего в виде плёнки. Толщина плёнки зависит от массы смолы требующейся для пропитки заданного объёма наполнителя. На плёнку уложенную на оснастку помещается наполнитель. Заложенный между пуансоном и матрицей пакет помещают в вакуумный мешок для пропитки и отверждения с приложением давления. Пропитка наполнителя происходит в процессе нагрева за счёт снижения вязкости связующего и воздействия вакуумного давления .

Но следует отметить, что указанные технологии изготовления деталей из ПКМ не гарантируют получение низкопористых ПКМ, это связано с состоянием связующего, наполнителя, протеканием режима отверждения и т.д. в процессе их формования. Одним из важнейших условий получения качественных пластиков с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств является уменьшение их пористости за счёт снижения факторов влияющих на пористость деталей из ПКМ на всех этапах их изготовления.

Рассмотрим пути повышения качества деталей из ПКМ полученных методом вакуумного формования, при:
_ изготовлении связующего;
_ пропитке наполнителя;
_ отверждении детали.

Изготовление связующих
Технические связующие (смолы) содержат примеси низкомолекулярных веществ – не прореагировавших или побочных продуктов синтеза. Помимо летучих веществ от низкомолекулярных продуктов растворителей смолы содержат воздух, растворенные инертные газы и частицы влаги, ухудшающие качество отвержденных материалов, в следствии нарушения монолитности полимерной матрицы. Для уменьшения содержания данных веществ используют термовакуумирование смол в термокамере, что способствует дегазация и удалению примесей летучих веществ из смол . Более эффективным является метод очистки смол от низкомолекулярных веществ в плёночном дистилляторе, при этом процесс дегазации и очистки смол от летучих веществ, происходит в тонких плёнках, при повышенных температурах под вакуумом, что способствует интенсификации процесса, удаляется 76-96 % примесей летучих веществ, в зависимости от количества раз их перегонки .

В зарубежной литературе описана также система непрерывной дегазации связующего непосредственно перед пропиткой наполнителя. Данная система встроена в канал подачи связующего .

Существует так же метод ультразвуковой обработки эпоксидных связующих для интенсификации удаления летучих веществ присутствующих в них. Кроме того, вибровоздействие на связующее в процессе обработки приводит к повышению адгезии связующего к арамидному волокну и к возрастанию прочности ПКМ .

Для большей эффективности дегазации (деаэрации) применяют различные добавки типа BYK способствующие удалении газов из связующих. Применение таких добавок также способствует диспергации отвердителя в связующем, что улучшает свойства отверждённых пластиков. Стоит отметить, что встречаются связующие которые и после длительного термовакуумирования и форполимеризации продолжают выделять летучие вещества (продукты реакции отверждения), для их переработки приемлем только метод вакуум-автоклавного формования.

Пропитка наполнителя
Как отмечалось ранее в большинстве случаев изготовление ПКМ ведётся с использованием препрегов, поэтому снижение содержания летучих веществ в препреге на стадии его изготовления тоже немаловажная задача. Изготовление препрегов путём пропитки наполнителя окунанием в ванну с жидким пропитывающим составом (раствором или расплавом) широко распространенная технологическая схема. Однако с повышением вязкости связующего (особенно в расплаве) число воздушных включений, т.е. непропитанных каналов, возрастает. При некотором критическом значении воздушные каналы становятся непрерывными, т.е. сердцевина жгута остается непропитанной - сухой жгут оказывается в полимерной «рубашке». Для борьбы с данной проблемой применяются различные технологические решения: перегибы наполнителя в пропиточной ванне; некапиллярная пропитка (расширение жгута); отжим связующего через валы и др. .

Для оптимизации процессов пропитки необходимо применение связующих с определёнными реологическими свойствами, обеспечивающие наилучшее смачивание волокон наполнителя. За счёт варьирования составов композиций, их молекулярных характеристик (молекулярной массы-ММ, молекулярно-массового распределения ММР, фракционного состава, средней молекулярной массы - ММср) осуществляется изменение реологических (вязкостных) свойств связующих, что также даёт возможность регулировать процесс отверждения, усадку, структуру полимерной матрицы и свойства ПКМ на их основе .

Для получения препрега с минимальным содержанием летучих веществ известен способ вакуумной пропитки наполнителя расплавным методом. При этом весь процесс пропитки происходит в вакуумной камере, что обеспечивает удаление летучих веществ из препрега и сводит на нет риск захлопывания воздуха в жгуте наполнителя .

Применение ультразвукового воздействия на препрег обеспечивает более качественная пропитку наполнителя и интенсифицирует процесс удаления летучих веществ и воздуха из препрега . Это происходит в результате разогрева связующего энергией, переносимой УЗК, при этом уменьшается его вязкость, оно прогоняется через слой материала на противоположную сторону.

Так же описан метод с дозированным посыпанием на поверхность армирующего наполнителя связующего в виде порошка, в котором минимальное количество летучих веществ, с последующей выкладкой слоёв в пакет и его формованием под прессом.

Известен метод двухстадийного изготовления препрега с использованием расплава связующего в виде плёнки, с пониженным содержанием летучих веществ. На первой стадии изготавливается плёночное связующее на разделительной бумаге. На второй - изготовленное плёночное связующее прикатывается к армирующему наполнителю но не пропитывает его (семипреги), что улучшает деаэрацию на стадии вакуумировании технологического пакета.

Известен способ обработки препрега высоким давлением (0,8-3,5 тыс. атм.), что позволяет повысить прочность композиционного материала и уровень реализации прочности армирующего волокна .

В свою очередь наполнители различных типов также имеют на поверхности включения веществ (замасливатели, примеси, сорбированную влагу), которые влияют на качестве пластика. Для их удаления с поверхности волокон используется метод термообработки наполнителя перед пропиткой их связующим . Этот процесс можно сочетать с действием ультразвука на волокно, что интенсифицирует процесс и активирует поверхность волокон .

Так же для большей эффективности применяют термовакуумирование наполнителя, то есть сушка в вакуумной камере. Цель вакуумирования и сушки заключается в удалении летучих веществ и влаги из микротрещин и межволоконного пространства в нитях наполнителя для свободного проникновения в них связующего.

Очистка стекловолокнистого наполнителя тлеющим разрядом, что позволяет получать высококачественные и водостойкие пластики из-за повышения адгезии на границе волокно-матрица .

Отверждение детали
Наиболее ответственной и важной в технологическом процессе изготовления изделий из ПКМ является операция отверждения, так как на этой стадии формируются основные физико-механические свойства, состав, структура и геометрические характеристики изделия .

Совместная работа полимерной матрицы и армирующих элементов в стеклопластиках обеспечивается наличием качественной (без пор) границей раздела фаз. Взаимодействие полимерной матрицы с поверхностью стекловолокна определяет особенности структуры граничного слоя, расположение макромолекул в граничных слоях, а также подвижность молекулярных цепей, их релаксационные и другие свойства, что в целом влияет на эксплуатационные свойства изделий из ПКМ. При изучении поверхностных явлений в макромолекулярных системах необходимо использование теоретических моделей, которые позволяют давать априорные оценки поведения молекулярных цепей в граничном слое и возможных способах управления процессами, происходящими на границах раздела в полимерных композитах с целью создания ПКМ с комплексом требуемых свойств .

Для выбора температурного режима отверждения изделий из ПКМ учёные активно исследуют кинетику отверждения связующих различными методами : электрическим, вискозиметрией, ИК-спектроскопией, ультразвуковым, термическим анализом. Данные исследования позволяют подобрать оптимальные температурно-временные ступеньки отверждения, для реализации свойств пластиков. Также некоторые из этих методов используют для контроля полноты процесса отверждения деталей из ПКМ .

Известны также технологичесие приемы для улучшения свойств пластиков на стадии отверждения. Процесс формования ПКМ под двойным вакуумным мешком представляет собой следующее: на традиционно изготовленный вакуумный мешок ставится жёсткий короб, а поверх него делается еще один вакуумный мешок. На начальном этапе формования в обоих мешках создаётся разряжение. Это даёт возможность создать разряжение под нижним мешком, не прилагая давления на заготовку из ПКМ, что обеспечивает лучшую дегазацию полимерного связующего на первоначальной стадии формования.

Так же для более эффективной дегазации выложенного технологического пакета на стадии вакуумного формования ПКМ применяют «подформовки» , когда выложенный пакет слоёв препрега уплотняетcя под вакуумным мешком, с разряжением 0,04-0,01 МПа не менее 2 ч, при 15-30 С. В процессе выдержки дополнительно предлагается периодически 1-2 раза в час соединять полость под вакуумным мешком на несколько минут с атмосферой и повторно создавать разряжение. Далее проводится процесс отверждения.

Повысить качество пластиков получаемых вакуумным формованием, позволяет применение изменение давления формования на режиме "пульсирующий вакуум". При этом значение разряжения под мешком меняется в определённом интервале в течении всего процесса формования. Применение данной схемы позволяет снизить пористость в деталях из ПКМ формуемых вакуумным способом.

Анализ методов повышения качества деталей из ПКМ получаемых методом вакуумного формования, показал, что широко изучены стадии изготовления препрегов, отверждения связующих, контроля процесса отверждения, в меньшей степени изучены стадии подготовки связующих: их очистки и регулирования технологических для дальнейшей переработки. В связи с тем, что именно состояние связующих оказывает огромное влияние на пористость деталей из ПКМ, необходимо разработать процесс его подготовки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ имени Н. Э. Баумана, 1998
2. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
3. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. М.: НОТ, 2008.
4. Лахтин Ю.М., Лонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение. 1990. 528 с
5. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники // Конструкции из композиционных материалов. 2011. № 4.
6. On The Wire: Resin Infusion Gains Speed in Aircraft Structures // Advanced Composite Keys Issue 6. Abaris training, 2005.
7. Didier LANG, Aerospace structures: current trends //Composites RTM infusion 2009
8. Bob Griffiths. Innovative use of international supplier base to revolutionize aircraft manufacture // High-Performance Composites. 2005.
9. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. Пермь, 1974.
10. HexPly 8552. Product DataSheet, Hexcel Corporation. Publication No. FTA 072c, 2008.
11. Cycom 977_2. Product DataSheet, Cytec Engineered Materials. Publication11/15/95 (Rev.E) 012102, 1995.
12. Advanced Fibre_Reinforced Matrix Products for Direct Processes. Hexcel Corporation. Publication No. ITA 272a, 2007.
13. Loos A.C. Low cost fabrication of advanced polymeric composites by resin nfusion process // Сomposite Mater. 2001. №10.
14. Karen Fisher Mason. Autoclave Quality Outside the Autjclave // Composites High_Performance, March 2006.
15. Schindler Guy. High quality, cost effective, high-temperature molds utilizing the vacuum assisted, resin transfer molding process (VARTM), Airtech International, Inc.
16. HexPly М36. Product DataSheet, Hexcel Corporation. Publication No. FTU 116b, 2002.
17. Крель Э. Руководство по лабораторной перегонке. Пер. с нем. [под ред. В.М. Олевского]. М.:Химия. 1980.
18. Бондаренко А.А., Харахаш В.Г., Скринник Н.И. Очистка эпоксидных смол и отвердителей от летучих веществ на пленочном дистилляторе // Пласт. массы. 1986. №1.
19. Md Afendi, W.M. Banks, D. Kirkwood. Bubble free resin for infusion process // Composites. A. 2005 36. №6, Pp739_746.
20. Кудряченко В.В., Федоткин И.М., Колосов А.Е., Сивецкий В.И. Использование ультразвука в технологии формования тканых полимерных композитов // Эко-технологии и ресурсосбережение. 2001. № 6
21. Сайт www.BYK.com. URL: www.BYK.com/additives. (дата обращения 12.09.2012).
22. Грушко В.Е., Гримайловская Т.П., Берези Н.М. Реологичесие свойства связующих // Авиационные материалы 1990. №2.
23. Влияние молекулярных характеристик эпоксидных олигомеров и их смесей на реологические свойства/ П.В. Суриков, А.Н. Трофимов, Е. И. Кохан, И.Д. Симонов_Емельянов, Л.К. Щеулова, Л.Б. Кандырин //Пласт. массы. 2009. №9.
24. Постнов В.И., Залевский Н.Г., Сатдинов А.И. Способ пропитки длинномерного наполнителя и установка для его осуществления. Пат. РФ № 2145922. 2000. Бюл. №6
25. Применение ультразвука при пропитке стеклопластиковых деталей // Е.А. Курочкин, Р.П. Орлова, А.Ю. Филимонов, А.Б. Лебедев, М.В. Слисков // Авиационная промышленность. 1990. №5.
26. Aruderuto Shimon Bueruhoisu, Furanshisukusu Petorusu Maria, Yan Buan Tsurunhouto. Manufacture of composite material, composite material, and molded article made therefrom // JP2255838, 1990_10_16
27. Prepreg technology, Hexcel Registered Trademark, Hexcel Corporation Publication No. FGU 017b, March 2005
28. Гуняев Г.М., Ильченко С.И., Румянцев А.Ф., Петров И.В., Ильиченко А.А., Филиппова Е.Ю., Садкова Т.И., Деев И.С., Михайлов В.В. и др. Способ получения композиционного материала, патент SU 1676187 А1.
29. Трофимов Н.Н., Кузнецов А.А., Натрусов В.В., Гильман А.Б., Драчёв А.И. и др., патент RU 2270207 С2, Способ подготовки стекловолокнистого наполнителя к нанесению полимерного связующего.
30. Козлов В.Н., Акимов А.И., Фатыхов М.А. Зависимость механических свойств композиционных материалов от температкрного режима полимеризации // Инженерная физика. 2009. №9.
31. Фатыхов М.А., Еникеев Т.И., Акимов И.А. Механические свойства композиционных материалов в зависимости от температурного режима их отверждения // Вестник ОГУ. Естественные и технические науки февраль 2006. Т.2. №2. С 87-92
32. Дмитриев О.С., Кириллов В.Н., Зуев А.В. Черепахина А.А. Влияние типа наполнителя на оптимальные режимы отверждения толстостенных ПКМ // Клеи, герметики, технологии 2011. №11
33. Формирование граничных слоёв в стеклопластиках/ А.Н. Трофимов, В.С. Копытин, В.М. Комаров, Г.А. Симакова, И.Д. Симонов-Емельянов // Пластические массы. 2009. №4.
34. Чубарова М.А., Гуняев Г.М., Селикова М.Г. Формирование поверхности раздела в углепластиках // Авиа_ ционная промышленность 1987. №7.
35. Кудинов В.В., Корнеева Н.В., Крылов И.К. Армированные пластики // Технология металлов. 2006. №7.
36. Горбаткина Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер - волокно. М.: Химия 1987.
37. Диэлектрические исследования низкотемпературного отверждения эпоксидной смолы ЭД_20 / И.А. Чернов, Т.Р. Дебердеев, Г.Ф. Новиков, Р.М. Гарипов, В.И. Иржак //Пластические массы. 2003. №8.
38. Оптимизация режимов отверждения связующего СП97ВК и получение стеклопластика на его основе //Т.П. Гримайловская, Н.Б. Белякова, Б.А. Киселёв, В.Н. Шелгаев // Авиационные материалы. 1986. №2.
39. Никитин К.Е. Новые микропроцессорные средства для неразрушающего контроля структуры, состава и свойств полимерных композитов на различных стадиях их производства // Заводская лаборатория. 1993. Т.59. №3. С 31-34
40. Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд./ Н.И. Авакумова, Л.А. Бударина, С.М. Двигун, А.Е. Заикин, Е.В. Кузнецов, В.Ф. Куренков. М.: Химия, 1990. 304 с.
41. Изучение процесса отверждения реакционноспособныхолигомеров методом вискоземетрии / С.О. Солин, А.Л. Тринисова, И.А. Крючков, С.И. Казаков, М.Л. Кербер, И.Ю. Горбунова // Пластические массы. 2008. №5.
42. Цопа В.А., Зубаткин В.А., Рябовол А.А. Способ изготовления изделий из пластиков горячего отверждения, патент, SU 1781070
А1ММ 1.595_УНТЦ_437_2011 «Контроль процесса отверждения полимерной матрицы в полимерных композиционных материалах (ПКМ)». ВИАМ, 2011
43. Лебедев А.Б. Электрические методы контроля степени отверждения полимерных связующих // Неразрущающие методы контроля. Выпуск 2, М: ВИАМ.
44. Hou Tan_Hung, Jensen Brian J. Double vacuum bag process for resin matrix composite manufacturing // US7186367, 2007_06_03.
45. Попов А.Г., Аминов И.А., Лебедев С.А., Ривин Г.Л. Патент RU 95109951 А1, Способ изготовления многослойной панели из композиционного материала.
46. Jack A Woods, Andrew E. Modin, Robert D. Hawkins. Controlled atmospheric pressure resin infusion process. Patent No.: US 7,334,782 B2. Feb. 2008. Eugene Veshki

Технологии

Автоклавное формование препрега

Автоклавное формование применяется для получения максимальных значений прочности и жёсткости. Волокнистый материал (препрег и др.) предварительно пропитывается при нагреве и под давлением или без растворителя с применением предускоренной смолы. Катализатор не активен при температуре окружающей среды, поэтому срок жизни материала после размораживания может составлять несколько недель или месяцев. Однако при длительном хранении материал должен быть заморожен. Препрег выкладывается на поверхность оснастки вручную или с помощью специального оборудования. Затем заготовку изделия на оснастке помещают в герметичный вакуумный мешок, размещают в автоклаве, подключают к вакуумной линии и датчику уровня вакуума. Препрег нагревается в автоклаве до 120-180°С, что способствует размягчению и окончательному отверждению смолы. В автоклаве может создаваться дополнительное давление до 5 атмосфер.

Применяемые материалы:

• Смолы: обычно эпоксидные, полиэфирные, фенольные или высокотемпературные (например, полиимидные, цианат эфирные, бисмалиимиды).
• Волокна: любые. Используются либо напрямую с бобины, либо в виде ткани.
• Срединный материал: используется специальный тип вспененных материалов из-за повышенной температуры и давления, применяемых в данном процессе.

Основные преимущества:

• Точно контролируется уровень смолы / катализатора и содержание смолы в волокне. Можно легко получить высокое содержание волокна при малом количестве воздушных пустот.
• Стоимость волокна минимизируется при использовании однонаправленных лент, так как нет необходимости переделывать волокна в ткань перед применением.
• Смола может быть оптимизирована по механическим тепловым свойствам. Можно использовать смолы с высокой вязкостью.
• Длительное рабочее время (до нескольких месяцев при комнатной температуре) позволяет получить оптимизированную сложную выкладку.
• Автоматизация и экономия трудозатрат.
• Любые детали, изготовленные в автоклаве, имеют более высокое качество поверхности, меньшую пористость и механические свойства, более равноценные по всему объёму изделия.

Основные недостатки:

• Стоимость материалов для предварительно пропитанных волокон выше, для данных применений обычно требуются дорогостоящие улучшенные смолы.
• Высокая стоимость и низкая производительность автоклава. Процесс нагрева и охлаждения медленный. Рабочее пространство автоклава ограничено, поэтому за одно формование обычно изготавливают небольшое количество изделий, что значительно увеличивает себестоимость изделия.
• Оснастка должна выдерживать рабочую температуру, а срединные материалы - рабочую температуру и давление.
• Для более толстых ламинатов слои препрега необходимо выкладывать аккуратно, чтобы не создавать воздух между ними.

Сферы применения:

Авиационные конструкционные компоненты (секции закрылок и хвоста), гоночные машины F1.

Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

Формы для формования деталей

В практике производства изделий из композитов используются два типа форм: негативные и позитивные. Первые обеспечивают получение изделий с гладкой с более точной внешней поверхностью, а позитивные позволяют изготовлять изделия с гладкой и точной внутренней поверх­ностью. В негативных формах изготовляют детали с хорошим внешним видом и аэродинамическими качествами. Зато формы позитивного типа во многих случаях оказываются более удобными для формования.

Оснастка для формования деталей выполняется из стали, сплавов алюминия, дерева, гипса, цемента, стеклопластика или комбинации этих материалов. Формы изготовляют макетным или безмакетным спо­собом. При макетном используется специальная модель, поверхности которой воспроизводятся при изготовлении формы контактным спосо­бом. Формообразование рабочих поверхностей формы при безмакет­ном методе осуществляется либо с помощью специальных шаблонов, либо механической обработкой.

Металлические формы применяют, главным образом, при исполь­зовании высоких давлений формования, например, при автоклавном и пресс-камерном методах формования. Металлические формы дорогие, имеют большой вес и очень трудоемки в изготовлении, поэтому они применяются в исключительных случаях. Следует отметить, что сталь­ные рабочие поверхности имеют лучшие эксплуатационные качества, более износостойки и долговечны, имеют меньшее температурное рас­ширение, чем из легких сплавов алюминия.

На стальных поверхностях легче получить высокую чистоту обра­ботки. Поэтому целесообразно формы изготовлять из гипса или цемен­та, а рабочие поверхности облицовывать листовым металлом. В еди­ничном и опытном производстве формы часто изготовляют из дерева. Несмотря на экономичность такого использования, применение дерева ограничивается зависимостью геометрии и размеров деревянных форм от влажности и температуры атмосферы. Рабочие поверхности деревянной оснастки покрывают нитрошпаклевкой , шлифуют и затем окра­шивают с помощью пульверизатора нитрокраской темного цвета. После сушки в течение 10-12 час. при температуре 18-22 ° С покрашенные по­верхности полируют полировочной пастой. В мелкосерийном и серий­ном производстве для увеличения срока службы деревянных моделей их рабочие поверхности футеруют стеклопластиком. Толщина облицо­вочного стеклопластикового слоя должна быть порядка 5-10 мм. Рас­пространение получили также стеклопластиковые формы, изготовляе­мые по макету (рис. 1).

Рис. 1. Макетный способ изготовления негативной формы:

1 - макет (модель); 2 - стеклопластиковая облицовка; 3 - каркас

Для повышения жесткости стеклопластиковых форм и придания им высоких эксплуатационных качеств применяются металлические карка­сы, сваренные из уголков или труб, пластмассовые каркасы, склеенные из стеклопластиковых труб или швеллеров, и сплошные или полые ос­нования (станины), отливаемые из цемента, смолопесчаной массы и алебастра Особенно широко для изготовления форм применяется гипс, алебастр, например, для производства форм многоразового действия и для изготовления разрушаемых форм одноразового действия. В произ­водстве крупногабаритных деталей сложной геометрии после формова­ ния возникают трудности извлечения или снятия готового изделия с формы. Для того, чтобы сделать возможным демонтаж изделия, форма выполняется разборной или разрушаемой.

Разборные формы являются оснасткой многоразового использова­ния, но технологические возможности ее ограничиваются способностью формования не очень сложных внутренних поверхностей, да и сама разборная оснастка сложна по конструкции, дорога и менее точна.

Для формования сложных замкнутых полостей и внутренних эле­ментов единственно возможными являются разрушаемые формы одно­ разового использования. В практике производства крупногабаритных изделий для этих целей используют гипсовые формы, болванки и оп­равки. В качестве конструкционного материала применяют медицинский гипс.

При сложной конфигурации формующих поверхностей, затрудняю­ щих демонтаж макета без разрушения гипсовой формы, последняя из­готовляется сборной из нескольких простых частей. Для изготовления средних и крупных форм, а также оснований (станин) металлических и стеклопластиковых форм вместо гипса может применяться песчаная формовочная масса. Точность размеров и геометрических форм долж­на быть не ниже точности соответствующих размеров формуемых из­делий.

Цулаги , вакуум-чехлы и дренажи

Чтобы обеспечить высокую точность и качество поверхностей формуемых оболочек, не соприкасающихся с рабочими поверхностями форм, используют легкие оболочки обратного профиля - цулаги . Цулага должна быть жесткой, прочной, не коробиться под действием усилий формования и температурного расширения материала. Вместе с тем, она должна быть легкой и удобной в обращении. Поэтому на практике используются металлические тонкостенные и стеклопластиковые цула­ги . Точность размеров и геометрия рабочей поверхности цулаги опре­деляется точностью соответствующих поверхностей формуемых дета­лей. Толщина стенок металлической оболочки цулаги , изготовленной из алюминиевого сплава, составляет 2,5-5 мм. При очень больших габари­ тах для увеличения жесткости цулага подкрепляется стрингерношпан-гоутным набором. Стеклопластиковые цулаги имеют толщину 2-5 мм и при необходимости усиливаются ребрами жесткости.

Вакуумные чехлы для упругого формования изделий изготовляют из термостойкой резины, а также из прорезиненной баллонной ткани. Лист резины или баллонной ткани раскраивается по форме изделия и склеивается клеем. В полученный таким образом вакуумный чехол мон­ тируется штуцер для подключения к вакуумному насосу. Дренажные слои изготовляют из стеклоткани и полисилоксановой резины. Резину нарезают небольшими кусочками и заливают бензином на 12 часов. Со­ став резиновой смеси: резина - 100, бензин - 400-500 вес.ч . Получен ным раствором пропитывают стеклоткань. После этого прорезиненную дренажную ткань подвергают термообработке при температуре 120- 160 ° С в течение 5-6 час.

Формующий инструмент

Основной инструмент при формовании изделий из композитов - малярные кисти, с помощью которых наносится связующее , катки для уплотнения арматуры и удаления воздуха и избытка связующего(рис. 2) и ножи для раскроя арматуры.

Рис. 2. Катки для уплотнения пропитанного материала

Оправки для намотки

Для получения цилиндрических и конических изделий с открытым торцом можно применять полые и сплошные оправки из стали или алюминия. При намотке изделий заодно с торцовой крышкой, например, сосудов высокого давления, особое внимание должно быть уделено конструкции оправки и выбору материала для нее. При правильно вы­бранной конструкции значительно снижаются повреждения волокон и отклонения размеров детали, уменьшаются остаточные напряжения. Оправка должна сохранять достаточную прочность при отверждении связующего при повышенных температурах и легко удаляться после отверждения. Основные принципы конструирования оправок и выбора материалов для них заключаются в учете следующих факторов:

1. Состоящая из отдельных частей разборная конструкция. Дорогая и не оправдывает себя при получении менее 25 деталей. Оптимальный диаметр 910... 1520 мм. Снятие оправки усложняется при маленьких полюсных отверстиях.

2. Низкоплавкие сплавы. Их применение ограничено небольшими сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый.

3. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластичном состоянии, может стираться по периметру, легко вымыва ется.

4. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осуществляется с трудом и может повредить изделие.

5. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Наиболее пригоден для изделий диаметром до 1500 мм, выпускаемых в небольших количест вах. Он легко растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса формования.

Формирование

Формирование - операция по получению из композиционного ма­териала изделия заданной формы и размеров, состоящая из следую­ щих этапов: распределение на формообразующей поверхности исход­ных компонентов - армирующих материалов и связующего, приложение тепла и давления, сопровождающееся полимеризацией и отверждени­ем материала в готовое изделие.

Реализация операций формирования может осуществляться раз­личными методами: ручной выкладкой, напылением, контактным фор­мированием в прессформах , автоклавным и вакуумным формировани­ем, намоткой, плетением, пултрузией и ролтрузией , комбинированными способами.

Первой стадией при формировании изделия из композиционного материала является нанесение на формообразующую поверхность (матрицу, оправку, пуансон, форму и т.п.) антиадгезионного покрытия, в качестве которого используются: парафин, поливиниловый спирт, сила-ны , силоксаны, антиадгизионные плёнки и т.д. Выбор покрытия зависит от типа формуемой поверхности, связующего, а также от необходимо­сти отделочных операций.

Следующая стадия процесса формования - распределение арми­рующего материала и связующего на обработанную антиадгезивом по­ верхность.

Ручная выкладка

При ручной выкладке армирующий материал - мат, ткань, пряжа, ровинг - разрезают на мерные куски, а при необходимости обрезают по шаблону, пропитывают предварительно подготовленным связующим и укладывают в форму требуемое число слоев для достижения расчётной толщины изделия (рис. 3).

Для уплотнения материала по форме и удаления пузырьков возду­ ха используют прикаточные валики и щетки. Затем форма помещается в тепловой агрегат, где производится процесс отверждения по регла­менту соответствующему используемому связующему. После отвер­ждения изделие извлекают из формы, производят обрезку кромок, зачи­стку и другие финишные операции. Этот метод целесообразно исполь­зовать в мелкосерийном производстве изделий сложной формы, к кото­рым предъявляются невысокие требования по прочности.

Рис. 3. Элементы конструкции формы и изделия

при формовании ручной выкладкой:

1 - форма; 2 - разделительная пленка; 3 - наружный смоляной слой;

4 - стекловолокно; 5 - ручной валик; 6 - смола в смеси с катализатором

Нанесение покрытия напылением

Измельченное волокно и связующее одновременно вводятся в от­крытую форму или на нее. При использовании, например, стекловолок­ на ровинг проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в форму распылительной системой с на­ ружным или внутренним смешением компонентов (рис. 4).

Рис. 4. Безвоздушная система напыления с двумя ёмкостями:

1 - ровинг ; 2 - смола с катализатором; 3 - рубильное устройство;

4 - смола с ускорителем; 5 - уплотненный слой; 6 - валик; 7 – форма

При этом одна распылительная головка впрыскивает смолу, пред­варительно смешанную с катализатором, или только катализатор, в то время как вторая головка впрыскивает заранее полученную смесь смо­лы с ускорителем. Смола и катализатор подаются в смесительную ка­ меру распылителя позади единственной распылительной головки. В обоих случаях полимерная композиция предварительно покрывает стекловолокно, и объединенный поток равномерно распыляется опера­ тором в форме по заданной схеме.

После введения в форму смеси смолы со стекловолокном образо­вавшийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха, уплотне­ ния волокон и получения гладкой поверхности. Технология отверждения и обрезки кромок аналогична применяемой при формовании ручной ук­ ладки.

Процессы упругого формования конструкций

К преимуществам упругого формования крупногабаритных изделий относится технологическая простота методов, возможность производст­ва высокопрочных и герметичных изделий при использовании сравни­тельно простой и дешевой технологической оснастки и оборудования. Методы упругого формования позволяют изготовлять конструкции лю­бого профиля и конфигурации.

Равномерное приложение упругого давления перпендикулярно формуемой стенке в процессе производства позволяет обеспечить вы­сокую объемную плотность структуры и монолитность материала, с по­вышением которых возрастают механические свойства готового мате­риала, прочность и надежность изделий.

В настоящее время нашли применение следующие основные ме­тоды упругого формования: вакуумное, автоклавное, пресскамерное , центробежное. Обычно эти методы применяются в качестве оконча­тельных технологических операций, за исключением центробежного формования, которое часто используется как предварительная техно­логическая операция.

При выборе метода упругого формования следует иметь в виду, что физико-механические свойства материала в значительной степени зависят от типа арматуры, полимерного связующего и параметров тех­нологического процесса (контактного давления формования, технологи­ческого натяжения стеклоарматуры и температуры формования.

Экспериментально установлено, что определяющим технологиче­ским параметром упругого формования является контактное давление.

Температура формования должна подбираться таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная технологическая вязкость свя­зующего. Однако при повышенной вязкости ухудшается качество про­питки арматуры или наполнителя, в результате чего уменьшается плот­ность и механические свойства готовых стеклопластиков. При вязкости меньше оптимальной происходит отжим связующего из структуры мате­риала при формовании изделий на выступающих поверхностях и реб­рах, что приводит к неоднородности механических характеристик изде­лий и снижению их герметичности. Обычно оптимальная температура формования подбирается опытным путем в зависимости от конструк­тивных особенностей изделия, типа арматуры, связующего, оборудова­ния и т.п. с учетом конкретной производственной обстановки.

Метод вакуумного формования

Вакуумное формование применяется обычно в опытном и мелкосе­рийном производстве и состоит из трех технологических операций: 1) получение заготовки; 2) упругое обжатие этой заготовки с помощью резинового мешка под вакуумом; 3) отверждение.

Давление, создаваемое при вакуумном формовании, составляет 0,5-0,8 кГ /см 2 . Технологически операция вакуумного формования вы­полняется в следующем порядке (рис. 5). На форму позитивного или негативного типа, поверхности которой покрыты разделительным слоем смазки или пленки, наносится декоративный слой полимерного связую­щего. Затем после некоторой выдержки наносится второй слой связую­щего, и поверх него выкладывается в соответствии с заданной схемой армирования арматура.

При изготовлении крупногабаритных изделий для увеличения про­изводительности и снижения трудоемкости формования в качестве ар­матуры применяют ткани, а в качестве наполнителя - маты. Нанесенный слой материала прикатывается формующим роликом для качест­венной пропитки и равномерной плотности структуры по всему сечению стенки готового изделия. Далее многократно повторяется нанесение слоя связующего и арматуры с прикаткой до получения заданной тол­щины стенки формуемого изделия, но не более 8-10 мм. Сверху на от­формованную заготовку накладывается слой целлофана, что придает готовому изделию хороший внешний вид. На этом заканчивается пер­вый технологический переход операции упругого вакуумного формова­ния для предварительного получения заготовки изделия. Первый тех­нологический переход целесообразно выделить как самостоятельную операцию предварительного формования. Это позволит вместо трудо­емкого и вредного ручного контактного формования организовать высо­копроизводительное и автоматизированное производство заготовок ме­тодами предварительного формования: обмоткой, центробежным спо­собом, насасыванием, напылением и т.п.

Рис. 5. Схема вакуумного формования:

1 - резиновая диафрагма; 2 - изделие; 3 - форма

Вторым технологическим переходом является вакуумная опрессовка изделия. Для этого полученная заготовка покрывается дренажным слоем прорезиненной стеклоткани, а затем резиновым чехлом, который герметизируется по краям и подсоединяется к шлангу вакуум-насоса. Сборка помещается в термокамеру , после чего под чехлом создается вакуум. Величина вакуума определяется типом связующего, термиче­скими режимами отверждения и, главное, конструктивными формами изделия. Чем больше вакуум, тем при прочих равных условиях плотнее получается структура материала, выше его прочность и герметичность. Однако величина вакуума ограничивается возможностями вакуум-установок . С уменьшением используемого вакуума увеличивается срок службы вакуумных насосов. Обычно величина вакуума, создаваемого под чехлом, должна быть не менее 160 мм рт. ст.

Третий технологический переход - отверждение отформованного изделия. Термический режим отверждения под вакуумом зависит от марки используемого связующего и в каждом отдельном случае уста­навливается соответствующим регламентом технологического процесса.

Достоинством вакуумного формования является его технологиче­ская простота, несложность оснастки и оборудования. Однако недоста­точная плотность и сравнительно невысокая механическая прочность пластиков, получаемых при вакуумном формовании, не позволяют ис­пользовать его для изготовления крупногабаритных деталей с толщи­ной стенок более 8-10 мм. Точность геометрических размеров готовых изделий определяется точностью соответствующих размеров техноло­гической оснастки, ее жесткостью и температурными деформациями.

Метод автоклавного упругого формования

Для получения высокоточных и прочных изделий при формовании глубоких профилей и поверхностей сложной конфигурации недостаточ­но контактного давления упругого формования, создаваемого только за счет вакуума под резиновым чехлом. Однако наличие герметичного уп­ ругого чехла на формуемом изделии позволяет создать дополнитель­ное давление за счет увеличения наружного давления на чехол. При этом сборка для вакуумного формования помещается не в термошкаф , а в автоклав, где, помимо заданного температурного режима, создается высокое давление, которое, прижимая чехол к формуемой заготовке, уплотняет ее (рис. 6). В автоклав, подается пар, вода или сжатый воз­дух, с помощью которых давление доводится до заданной технологиче­ским регламентом величины.

Таким образом, при упругом формовании автоклавным методом должны выполняться следующие технологические этапы (переходы): предварительное формование полуфабриката, вакуумирование , авто­клавная опрессовка , отверждение. Последние два этапа технологически совмещены.

Полученная одним из методов предварительного формования за­готовка надевается на жесткую форму, дренажируется слоем прорези­ненной ткани, покрывается резиновым чехлом, герметизируется и по­ступает в автоклав. Вначале создается вакуум для удаления воздуха из-под герметизированного чехла. Кроме того, вакуум повышает качест­ во пропитки с арматуры, улучшая герметичность и механические свой­ства изделия. Через 20-30 мин. в автоклаве медленно поднимается давление до 1 атм , после чего вакуум снимается и давление повышается до расчетного. Величина автоклавного давления зависит от формы изделия, толщины его стенок, используемой арматуры, связующего и принимается в пределах 5-25 кГ /см 2 . Изделия, отформованные авто­ клавным способом, имеют весьма высокие прочностные характеристики.

Рис. 6. Схема автоклавного формования

Метод упругого формования применяется в том случае, когда к из­ делиям предъявляются повышенные требования в отношении герме­тичности и прочности.

Пленочное формование является разновидностью метода упругого формования. Отличается оно тем, что вместо резинового чехла и дре­нажных слоев прорезиненной ткани применяют прозрачную бесшовную пленку из поливинилового спирта, изготовленную из одного листа и скроенную по форме изделия. При этом внешняя поверхность изделия получается гладкой, блестящей, без складок, морщин и пузырей.

Метод пресс-камерного формования

Этот метод основан на использовании жесткой формы негативного типа (пресс-камеры ) и упругого (надувного) пуансона (рис. 7). Внеш­няя поверхность стеклопластикового изделия оформляется поверхно­стью жесткой формы, а внутренняя - упругим резиновым чехлом.

Рис. 7. Схема пресс-камерного формования:

1 - эластичная диафрагма; 2 - крышка формы; 3 - канал для подачи сжатого

газа; 4 - боковое выпускное отверстие; 5 - канал для соединения с атмосферой

или вакуумом; 6 - композиционный материал; 7 – дренаж

Предварительно отформованное изделие помещается в жесткую пресс-камерную форму, стенки которой способны выдержать большие внутренние давления. Внутрь заготовки вводится резиновый чехол, прикрепленный к верхней плите пресс-камеры и герметично заделан­ный. Плита жестко скрепляется с пресс-камерой, после чего в пресс-камеру подается сжатый воздух пар или вода, которые создают рабочее давление упругого формования от 1,5 до 5 кГ /см 2 . Однако воздух, ос­тавшийся между чехлом и формуемой массой полуфабриката изделия, может скапливаться в застойных зонах и при формовании диффунди­ровать в структуру материала. Это не позволяет получить качественной поверхности, плотности, герметичности и отрицательно сказывается на механической прочности. Поэтому для повышения качества пресс-камерного формования рекомендуется применять вакуумный отсос воздуха из-под резинового чехла.

Таким образом, технологическая структура операции пресс-камер­ного формования выглядит так: предварительное формование полу­фабриката, вакуумирование (при необходимости), нагнетание рабочей среды в упругий пуансон пресс-камеры, отверждение. В условиях се­рийного производства данный способ позволяет получать изделия вы­сокой прочности и герметичности.

Методы жесткого формования

Для получения крупногабаритных изделий с высокой точностью размеров, геометрических форм и взаимного расположения поверхно­стей при высоком качестве и чистоте как наружных, так и внутренних поверхностей рекомендуется применять методы жесткого формования.

При жестком формовании в зависимости от конструктивной сложности геометрии изделия плотность и механические свойства готового мате­риала не всегда получаются одинаковыми, но уровень этих показателей достаточно высок, благодаря чему механическая прочность деталей мало уступает прочности изделий, полученных методом упругого фор­мования. Однако при жестком формовании несколько усложняется и удорожается стоимость технологической оснастки. Поэтому этот метод рекомендуется использовать в серийном и крупносерийном производ­стве.

Структурные критерии и механические свойства пластиков при же­стком формовании изделий зависят от типа используемых арматуры и связующего, конфигурации изделия и технологических параметров про­цесса формования и отверждения. В частности, конфигурация изделия оказывает непосредственное влияние на величину контактного давле­ния (рис. 8).

Рис. 8. Технологическая схема жесткого

формования с помощью цулаги

При рабочем движении жесткого формующего элемента, который, в отличие от пуансона матрицы, принято называть цулагой , создается требуемая величина контактного давления N . При этом, если считать, что вертикальная составляющая этого давления q будет величиной по­стоянной в любом горизонтальном сечении, т.е. q = const по высоте из­делия, то контактное давление, перпендикулярное к формуемой стенке, будет зависеть от угла γ, образуемого нормалью к поверхности цулаги и плоскостью горизонтального сечения:

Таким образом, в силу зависимости N от геометрии детали и непо­стоянства его даже в пределах одной и той же поверхности в качестве технологического параметра следует принять контактное давление же­сткого формования q на горизонтальную проекцию поверхности фор­мования S :

где Р - сила, действующая на цулагу .

С увеличением температуры формования t улучшается формуемость , уменьшается величина усилий Р и контактного давления формо­вания в плане q , поскольку с увеличением температуры уменьшается технологическая вязкость и когезия связующего, но повышается качест­во пропитки и его аутогезия . Однако при повышенных температурах формования вследствие низкой вязкости возможен отжим связующего из структуры материала и уменьшение его процентного содержания в пластике. По этой же причине возможно передавливание арматуры, не­одинаковая плотность и большая неоднородность механических свойств в готовом изделии. Поэтому величина температуры должна быть строго регламентирована в зависимости от типа связующего, ар­матуры, давления формования и геометрии изделия. Большое влияние на плотность и прочность изделий оказывает величина контактного давления жесткого формования.

Компрессионное формование с помощью жесткой цулаги

При компрессионном формовании крупногабаритных изделий ис­пользуются жесткие формы негативного и позитивного типа. Рабочие поверхности формы покрываются слоем антиадгезионной разделитель­ной смазки или пленки. Затем подготовленная таким образом поверх­ность формы покрывается ровным слоем связующего . В связующее при этом могут быть добавлены пигменты, поскольку данный слой является декоративным. Это позволит получить хорошие глянцевые поверхности желаемого цвета. Спустя несколько минут наносят слой связующего, на который выкладывают слой арматуры или наполнителя. Далее контакт­ным или другим методом получают предварительно отформованную заготовку и монтируют ее в форме.

На открытую поверхность массы укладывается целлофановая пленка, а на нее - дренажные разделительные слои в виде прорези­ненной ткани или специально изготовленного чехла. Затем устанавли­вается жесткая металлическая цулага , рабочая поверхность которой повторяет профиль и размеры соответствующих поверхностей готового изделия с учетом температурных деформаций формы, изделия и уса­дочных явлений и т.п. Для окончательного формования изделия извест­ны методы нагружения с помощью вакуумного чехла или автоклавный способ. В обоих случаях поверх цулаги надевается и герметизируется резиновый чехол, изготовленный по внешнему контуру цулаги . В таком виде сборка подается в автоклав, и тогда давление жесткого формова­ния будет равно давлению рабочей среды в автоклаве, т.е. q =q n .

Однако для повышения качества формования, плотности и герме­тичности структуры, улучшения чистоты внешних поверхностей изделия и увеличения его механической прочности целесообразно наряду с ав­токлавным давлением применять вакуумирование объема формы.

Предварительное формование полуфабриката;

Окончательное компрессионное формование изделия;

Отверждение.

При компрессионном формовании вакуумным способом под герме­тизирующим чехлом создается разрежение 400-500 мм.р т.ст . Это по­зволяет изготовлять качественные, прочные и точные изделия только с малой толщиной стенок, ибо благодаря этому удается обеспечить дос­таточно высокую плотность структуры. Такие изделия после компресси­онного вакуумирования и отверждения имеют высокие точность разме­ров и чистоту поверхности.

Для повышения точности изделий, формуемых компрессионным методом, необходимо строго регламентировать критерии предвари­тельного формования (размеры, плотность и т.п.) и технологические параметры окончательного формования, а также применять высокие Давления компрессии, регламентировать рабочее перемещение цулаги при формовании.

Метод жесткого формования в замкнутых формах

Когда к изделиям предъявляются повышенные требования по точ­ности размеров и геометрических форм, рекомендуется применять ме­тод формования сухого полуфабриката в жесткой разъемной форме с последующей пропиткой материала путем нагнетания или инжекции связующего в замкнутую форму. Технологически это выполняется сле­дующим образом. Изготовляется полуфабрикат из арматуры (или на­полнителя), имеющий форму изделия. Для сохранения формы, приданной полуфабрикату, в структуру добавляют несколько процентов связующего для скрепления волокон арматуры. Просушенный полуфабрикат монти­руется в форме, рабочие поверхности которой предварительно покрыты антиадгезионным составом. После замыкания формы волокнистый по­луфабрикат оказывается заключенным в жестком объеме, имеющем размеры и геометрию высокой точности. Далее из формы удаляют воз­дух и пространство между ее поверхностями и волокнами полуфабри­ката заполняют полимерным связующим (методом нагнетания или вса­сывания).

По схеме пропитки всасыванием с помощью вакуума, требуется соответствующая герметизация формы. Под дей­ствием вакуума из формы сначала удаляется основная масса воздуха. Затем происходит всасывание жидкого связующего до тех пор, пока оно не пропитает всю массу полуфабриката и не начнет перетекать через штуцер слива. Штуцер, к которому подключается вакуум-насос, распо­лагается в самой верхней точке формы, связующее подводится по тру­бопроводу от специальных емкостей к самым нижним ее точкам. После пропитки сборка поступает на термическое отверждение.

На рис. 9 показана схема пропитки полуфабриката методом на­гнетания связующего, которая может применяться для связующих горя­ чего и холодного отверждения.

Рис. 9. Формование в замкнутых жестких

формах методом компрессии

В этом случае под действием сжатого воздуха или другим способом смола с инициатором нагнетается в замкнутую полость формы в самой нижней ее точке. Пропитав волокнистую массу полуфабриката, поли­мерная смола с воздушными включениями (пузырями) перекачивается через сливной штуцер, установленный в самой верхней точке формы, до полного удаления пузырьков воздуха.

После этого в форму подают смесь с ускорителем и инициатором. Связующее вытесняет предыдущую порцию смолы и обеспечивает ка­чественную пропитку материала.

Таким образом, технологическая структура формования в жесткой замкнутой форме крупногабаритных деталей с инжекционной пропиткой связующим может быть представлена следующим образом: предвари­тельное формование полуфабриката; инжекционный метод пропитки полуфабриката связующим в замкнутой форме; отверждение.

Данный метод позволяет изготовлять изделия с высокой точностью размеров и геометрических форм и высокой чистотой поверхности. Од­ нако отформованные этим способом изделия будут иметь неоднород­ные плотность структуры и механические свойства. Прочность таких изделий уступает аналогичным деталям, изготовленным методами ком­ прессионного жесткого или упругого автоклавного и пресс-камерного формования.

Недостатком этого метода является сложность и высокая стои­ мость применяемой технологической оснастки.

Намотка волокном

Намотка волокном - сравнительно простой процесс, в котором ар­мирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгут) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные меха­низмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение арми­рующего материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде при­легающих друг к другу полос или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки. Последовательные слои на­носятся под одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет набрана нужная толщина. Угол намотки может изменяться от очень малого - продольного - до большого - окружного, т.е. около 90° относительно оси оправки. При «мокрой» намотке связующее наносится в процессе самой намотки. «Сухая» намотка основана на использова­нии ровинга , предварительно пропитанного смолой - препрега . Обычно отверждение идет при повышенной температуре без избыточного дав­ления, и завершающей стадией процесса является снятие изделия с оправки.

Основной процесс имеет множество вариантов, различающихся в широких пределах характером намотки, особенностями конструкции, комбинацией материалов и типом оборудования. Конструкции должны быть намотаны в виде поверхностей вращения, хотя в определенных пределах, могут быть отформованы изделия и другой конфигурации сжатием еще неотвержденной намотанной детали внутри закрытой формы. Конструкции могут быть получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, кони­ческой и геодезической формы. Для получения сосудов высокого дав­ления и резервуаров в намотку вводят торцовые заглушки.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирую­щий материал, а основными материалами для матрицы служат эпок­сидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для намотки применяются машины различных типов: от разновидностей токарных станков и машин с цепным приводом до более сложных ком­пьютеризованных агрегатов с тремя или четырьмя осями движения.

Процесс намотки. Методы и схемы намотки

Наибольшее распространение получили два основных вида намот­ки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою характерную схему расположения волокна. При полюсной (плоскостной) намотке оп­равка остается неподвижной, в то время как подающее волокно устрой­ство рычажного типа вращается относительно продольной оси под за­данным углом наклона. После каждого его оборота оправка перемеща­ется вперед на расстояние, соответствующее одной ширине полосы волокон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой (рис. 10). Полосы волокна укладываются впритык одна за другой, го­товый слой состоит из двух сложений, направленных в противополож­ные стороны относительно угла намотки.

Рис. 10. Однослойная полюсная намотка

При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то вре­мя как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно поступа­тельно. Скорость перемещения каретки и частота вращения оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося рисунка требуется несколько витков. Такая схема намотки показана на рисунке 11.

Находят применение и другие методы намотки.

Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают под углом, близким к 90 ° , причем за один оборот подающее устройство про­двигается на ширину полосы. Считается, что слой состоит из одного сложения. Окруженные слои можно наносить для дополнительного уси­ления или увеличения жесткости отдельных, наиболее важных мест цилиндра.

Продольная намотка. Этот термин относится к намотке под малы­ми углами, которая может быть плоскостной или спиральной. При получении закрытых сосудов высокого давления минимальный угол опреде­ляется величиной полюсных отверстий с обоих концов.

Рис. 11. Схема спирально винтовой намотки:

1 - оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - катушка с лентой

На обрабатываемую форму выкладывают волокнистый пропитанный материал (при необходимости может пропитываться и на форме). На него накладывают вакуумный мешок с металлическими патрубками, соединенными с резиновыми шлангами. Вакуум-насосами из герметичной полости, образованной между стеклопластиковой диафрагмой откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме.

Благодаря образующемуся перепаду давления с разных сторон диафрагмы, она прижимается к формуемому изделию, уплотняя материал и придавая необходимую форму.

Затвердевание наблюдается при соединении вместе отдельных слоев стеклопластика. Уплотнение композиции приводит к устранению пустот и удалению избытка смолы.

При отвердевании изделий, получаемых формованием с эластичной диафрагмой, необходимо избегать образования пузырей, а также тщательно контролировать давление, температуру и массовое соотношение между волокном и смолой.

Схема формования:

а) положение до вакуума б) положение после вакуума

1 – форма

2 – вакуумный мешок

3 – пропитанный стеклонаполнитель

4 – металлический патрубок

5 – сальниковая прокладка

6 – зажимы

7 – отформованное изделие
5.4. Автоклавное формование. Компоненты. Операции. Оборудование.

Режимы.

1 – канал для соединения с атмосферой или вакуумом

2 – плита формы

3 – коллектор для отсоса воздуха из пакета

4 – уплотнение диафрагмы

5 – боковое выпускное отверстие

6 – эластичная перегородка

7, 8 – слой с вентиляционным отверстием

9 – диафрагма

10 – промежуточная плита

11 – перфорированный слой

12 – впитывающие слои

13 – разделительная ткань

14 – внешний слой

15 – слоистый армированный пластик

При автоклавном формовании для сжатия слоевого пакета во время отверждения поддерживается давление 0,35 – 0,7 МПа с одновременном нагревом горячими газами. Одновременно производится вакуумирование материала для удаления захваченного воздуха и летучих продуктов.

Вакуум обычно прикладывается на начальных стадиях циклах отверждения, в то время, как давление в автоклаве поддерживается на протяжении всего цикла нагрева и охлаждения. Вентиляционные отверстия, связанные с атмосферой или вакуумом предназна­чены для отвода летучих продуктов и захваченного воздуха из отверждающегося пакета ар­мированного пластика. По сравнения с другими способами формования метод с помощью эластичной диафрагмы, автоклавный, позволяет получить изделия с более точной толщиной и меньшей пористостью.

Лекция 15.

5.5. Намотка. Компоненты. Операции. Оборудование. Режимы .

Намотка - метод переработки КМ в изделия, при которых наполнитель, предварительно

покрытый связующим (сухая намотка) либо пропитывается во время намотки (мокрая на­мотка) непрерывно подается под определенным углом на вращающуюся съемную оправку, которая после намотки помешается в термокамеру для отверждения изделия, после отверждения с помощью кабестана стаскивается с оправки.

Данный метод переработки КМ в изделия включает в себя двуосный способ, при кото­ром каждый следующий спиральный слой накладывается ряд за рядом, перекрещивание волокон исключено.

Косой перекрестный , при котором при прохождении раскладчиком траверсы одного цикла нить укладываются в виде непрерывной спирали с изменением направления, на противоположных концах.

Круговой , при котором намотка происходит перпендикулярно оси вращения.

Одноосный способ, при котором дорожка нити делает полный ход по длине раскладчика, после чего следующий ложиться рядом с предыдущим.

Планетарный , при котором дорожка нити ложится в плоскости пересекающей поверхность намотки.

Предварительно пропитанный связующим волокнистый наполнитель протаскивается со скоростью 0,6 - 6,1 м/мин через формующее отверстие, обогреваемое фильерой определенной формы, где происходит уплотнение пучка волокнистого наполнителя.

Применяется для производства различных цилиндрических изделий из стеклопластика (труб, баков и др.). В настоящее время используют намотку пропитанных стеклотканей и холстов или стекложгутов и лент на оправку. Наиболее простым методом изготовления труб из стеклопластиков считается периодический метод намотки. Трубы изготавливают на специально намоточном или токарном станке, приспособленном для этих целей. Вначале про­цесса жгуты, нити, сетки, ткани или холсты разматывают с рулонов, пропитывают синтетическими связующими, а затем подают при равномерном натяжении на вращающуюся метал­лическую оправку, которая определяет внутренний диаметр изделия и его конфигурацию. Перед намоткой оправку предварительно обезжиривают, смазывают тонким слоем адгезион­ной смазкой, обматывают целлофаном. На рисунке показана схема изготовления цилиндри­ческого изделия большой длины из нитей или жгутов с одновременной пропиткой во время намотки.

1 -подвижный стол

2 -шпули нитей или жгутов

4 - пропиточная ванна

5 - жидкое связующее, не содержащее растворителя

6 - отжимные валики

7 - винт для передвижения стола

8 - оправка

9 - привод на оправку

10 - изделие

11 - шпулярник.

В соответствии с. этой схемой шпули нитей и жгутов вставляются в шпулярник, расположенный на подвижном столе этот стол с помощью винта 7 или тяги во время намот­ки способен передвигаться туда и обратно, вдоль наматываемого изделия. Со шпулярника нити собираются в пучок, этот пучок проходит через пропиточную ванну 4 наполненную жидким связующим без растворителя, затем между отжимными валиками 6, служащих для удаления избытка связующего. Пропитанный пучок, во время хода стола, наматывается под некоторым углом на оправку 8 имеющую привод 9 для вращения. После того, как намотан один слой пропитанного наполнителя на всю длину изделия, ход стола переключается на об­ратный. И под противоположным углом производится намотка следующего слоя, в результа­те получается перекрестное слоевое расположение нитей

После получения изделия с нужной толщиной стенки, оно снимается со станка и помещается в печь для отверждения связующего проникшего в поры наполнителя во время пропитки и намотки. Поскольку связующее проникло в поры наполнителя за счет капилляр­ных сил, то при выборе нитей и их степенью крутки следует учитывать возможные неблаго­приятные влияния усадочных явлений возникающих при отверждении связующего.