Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЛОКНИСТЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Содержание

• Введение
• 1. Стеклопластики
• 2. Углепластики
• 3. Органопластики
• 4. Базальтопластики
• 5. Термопластичные композиционные материалы
• 6. Методы формования изделий из армированных пластиков
• 6.1 Контактное формование и напыление
• 6.2 Формование под давлением
• 6.3 Формование прессованием и пропиткой в замкнутой форме
• 6.4 Формование намоткой
• 6.5 Пултрузия

Введение

Композиционными (от лат. compositio - составление) называются материалы, образованные путем сочетания двух химически разнородных компонентов (фаз), каждый из которых имеет конкретное функциональное назначение. При этом совместная работа разнородных материалов позволяет получить эффект равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств составляющих компонентов.

Среди большого разнообразия полимерных композиционных материалов особое место по перспективности применения и разнообразию свойств занимают армированные пластики (АП), состоящие из двух фаз - полимерной матрицы и армирующего (усиливающего) волокнистого наполнителя.

Матрица (от лат. matrix - матка, источник, начало) характеризует непрерывную фазу, которая часто (но не всегда) имеет более высокую долю по объему материала. Матрица обеспечивает монолитность материала и сохранение конфигурации изделия, передачу и распределение эксплуатационных нагрузок на армирующий компонент, сопротивление действию внешних факторов, защищает наполнитель от воздействия окружающей среды, определяет многие функциональные свойства и формирует межфазный слой при контакте с наполнителем. В качестве матриц используют термореактивные и термопластичные полимеры, природа которых определяет уровень рабочих температур композиционного материала, характер изменения эксплуатационных свойств, а также технологические приемы и режимы получения и переработки композитов в изделия. В производстве АП обычно используют термореактивные связующие на основе смесей линейных или разветвленных олигомеров с молекулярной массой 400 - 2000, а также термопластичные линейные или разветвленные аморфные или частично кристаллические полимеры. В состав полимерных матриц кроме армирующих элементов вводятся различные целевые добавки в виде отвердителей, катализаторов, ускорителей, стабилизаторов и др., обеспечивающие реализацию в композиционных материалах требуемых технологических и эксплуатационных свойств.

Армирующая фаза (от лат. armo - укрепляю, вооружаю) образуется совокупностью непрерывных волокнистых армирующих элементов в виде элементарных волокон, комплексных нитей, жгутов, лент и тканей с различной текстурой, а также коротких волокон со сравнительно небольшим отношением длины к диаметру в составе штапельных тканей, матов, бумаги и т.п. Короткие волокна могут быть расположены хаотически или иметь преимущественное направление ориентации. В большинстве случаев наполнитель имеет более высокую прочность по сравнению с матрицей, и основная роль армирующей фазы состоит в увеличении механических свойств композиционного материала.

Межфазный слой в композитах формируется за счет физического или химического взаимодействия полимерной матрицы с поверхностью наполнителя и оказывает существенное влияние на изменение свойств.

Вариацией числа, природы, объемного соотношения компонентов и схемы армирования можно в широких пределах изменять свойства и создавать материалы с уникальным сочетанием эксплуатационных свойств.

Свое название армированные пластики приобретают, как правило, по армирующему элементу: стеклопластики, углепластики, органопластики и др.

По направленности свойств различают изотропные и анизотропные композиционные материалы (табл.1). Изотропия, т.е. идентичность свойств во всех направлениях, достигается хаотичным распределением непрерывных или дискретных армирующих волокон. Анизотропия АП в зависимости от схемы армирования достигается в двух (однонаправленное, трансверсально-изотропное армирование), трех (двухмерное армирование) и большем числе направлений.

Таблица.1 Типичные классификационные модели АП

Схема армирования	Виды армирующих элементов
	Непрерывные волокна *	Пленки	Дискретные волокна ***
Одномерная
Двумерная
Трехмерная		-	-
Хаотическая		-
Примечание: * - в том числе лент и тканей; ** - направление ориентации пленок; *** - также в виде монокристаллов (усов) и нетканых материалов

Сочетание различных вариантов армирования позволяет получать композиты, армированные комбинированно путем чередования двух и более разновидностей армирующих элементов, например, тканей и волокон, волокон и нитевидных монокристаллов и т.п.

Отдельную группу образуют гибридные композиты, получаемые путем сочетания различных типов волокон, например, органических и углеродных, углеродных и стеклянных и т.п. Смешение различных волокон может производиться как на уровне одного слоя, так и путем чередования слоев на основе различных волокон. Некоторые гибридные композиты наполняют одновременно волокнами и частицами.

По объему армирования АП подразделяются на низкоармированные, армированные, высокоармированные и предельноармированные.

По эксплуатационному назначению АП подразделяются на конструкционные и функциональные (электротехнические, оптические, фрикционные, антифрикционные, тепло -, звуко -, газоизоляционные и т.п.).

По уровню прочностных свойств АП подразделяются на низкопрочные, прочные, высокопрочные и сверхвысокопрочные.

По способу переработки АП подразделяются на литьевые, экструзионные, прессовочные, штамповочные, намоточные и пултрузионные.

1. Стеклопластики

Стеклопластики (СП) - материалы на основе полимерных матриц, упрочненных стеклянными волокнами. Отличительной особенностью СП является уникальное сочетание технических свойств: высокой прочности и демпфирующей способности, коррозионной и химической стойкости, низкой теплопроводности и плотности.

Стеклянные волокна (СВ) получаются из расплавленных стекломасс различного состава (температура 1200 - 1450С) быстрым вытягиванием струи из фильер до получения волокон диаметром 3 - 100 мкм и длиной несколько десятков километров. Фильерная пластина имеет обычно несколько сотен отверстий. После вытягивания волокна собирают в пучок и обрабатывают замасливателем, который соединяет элементарные волокна в первичную нить, предотвращает склеивание нитей, облегчает размотку и кручение нитей, защищает их от истирания и разрушения во время текстильной переработки. Кроме замасливателей на поверхность волокон наносят составы (органосилоксаны и др.), увеличивающие смачивание волокон и повышающие их адгезию к полимерной матрице (аппреты). После этого нить с высокой скоростью наматывают на катушку. В производстве АП используются в основном волокна круглого сечения, но могут применяться также профильные волокна: квадратные, треугольные, полые и т.п.

Стеклянные волокна отличаются негорючестью, стойкостью к коррозии, высокой прочностью, сравнительно малой плотностью, высокими оптическими, диэлектрическими и теплофизическими свойствами. Для получения волокон используют стекла различных составов. Наиболее широкое применение для производства волокон находят стекла алюмоборосиликатного (Е-волокна) и магнийалюмосиликатного (S-волокна) состава. Е-волокна нестойки к действию сильных кислотных и щелочных сред и поэтому разработаны химически стойкие стекла: С-стекло; ЕCR - стекло (электрокоррозионностойкое) и AR-стекло (щелочностойкое). S-волокна по сравнению с E-волокнами, отличаются более высокой прочностью, жесткостью и теплостойкостью.

Наибольшее распространение получили стеклопластики на основе высокопрочных тонких стеклянных волокон, которые подразделяются на материалы с ориентированным и неориентированным расположением волокон. Ориентированное расположение волокон позволяет максимально реализовать в материалах прочность и модуль упругости волокон. Материалы с ориентированным расположением волокон (стекловолокниты) изготавливаются с использованием стеклонити, стеклоровинга (жгута), стеклошпона и термореактивных связующих методами намотки, протяжки или послойной выкладки.

Пластики, в которых в качестве наполнителя применяют стеклоткани, называются стеклотекстолитами, для которых используют ткани из алюмоборосиликатных волокон, обладающих высокой прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами.

Широкое применение для производства изделий находят технологичные полуфабрикаты в виде премиксов, в которых связующие находятся на стадии олигомеров, либо представляют собой смесь олигомеров с мономером или раствор полимера в мономере. Оптимальная длина волокон в премиксах составляет 20 - 25 мм, а для изделий сложной конфигурации используют премиксы с длиной волокон 5 - 6 мм.

В производстве изделий используются также листовые пресс - материалы близкие по составу к премиксам и представляющие собой маты из рубленых волокон длиной 50 мм, пропитанные связующими.

Для производства стеклопластиков из непрерывных и дискретных волокон используются вторичные структуры в виде нитей, жгутов, лент и тканей разнообразных текстур (тканевые, вязанные, плетеные, нетканые).

Комплексные нити являются первичными нитями, полученными в результате вытягивания пряди элементарных нитей (волокон) из фильер. Они применяются для текстильной переработки в крученые комплексные нити, ровинги и тканые материалы.

Крученые комплексные нити получают круткой и сложением непрерывных комплексных нитей (содержат до четырех комплексных нитей). Для одиночной нити число кручений на каждый метр составляет 30 - 90 (кратное 10), а для крученой комплексной 50 - 180.

Ровинги (жгуты) представляют собой непрерывную прядь, состоящую из определенного числа приблизительно параллельных первичных комплексных нитей.

Стеклянные ткани и сетки вырабатываются из крученых комплексных нитей или из ровингов методом ткачества и различаются составом стекла, видом переплетения (полотняные, сатиновые и саржевые), толщиной, массой и другими параметрами.

Ленты стеклянные конструкционного назначения изготавливают как тканые, так и нетканые.

Полотна нитепрошивные и вязальнопрошивны представляют собой непрерывные материалы, состоящие из основы в виде продольной системы ровинга, скрепляемые тонкими нитями с системой поперечного ровинга.

Полотна ориентированные представляют собой рулонные материалы, состоящие из продольной и поперечной системы ровингов или нитей, соединенные между собой с помощью термопластичных нитей.

Полотна холстопрошивные - многослойные холсты из отходов стекловолокон, пронизанные стеклянными кручеными комплексными нитями.

Материалы (полотна) трикотажные из стекловолокна вырабатываются в виде полотен, рукавов, заготовок.

Стекломаты представляют собой рулонные материалы, состоящие из хаотически расположенных штапельных стеклянных волокон или отрезков комплексных нитей, скрепленных связующими или без них.

В производстве СП наиболее широко применяют термореактивные смолы: фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиимидные, кремнийорганические и др., а также их композиции.

Термопластичные полимеры, применяемые в производстве СП, обладают высокой вязкостью, что затрудняет пропитку стеклянных наполнителей и получение композиций с высоким их содержанием. В качестве наполнителей используют короткие волокна длиной 0,1 - 1,0 или 3 - 12 мм и диаметром 9 - 19 мкм. Термопластичные материалы выпускают преимущественно в виде гранул, которые перерабатываются в изделия литьем под давлением, экструзией и др. методами.

2. Углепластики

Углепластики (УП) содержат в качестве наполнителя углеродные волокна.

В зависимости от вида армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров УП подразделяются на три группы: углеволокниты на основе непрерывных ориентированных нитей, жгутов; углетекстолиты на основе тканых лент и тканей различных текстурных форм; углепрессволокниты на основе дискретных волокон.

УП обладают высокой прочностью и жесткостью, низкой плотностью, химической инертностью, тепло - и электропроводностью, высокой усталостной прочностью, низким коэффициентом линейного термического расширения.

Углеродные волокна (УВ) получают термической деструкцией в инертной среде или вакууме органических волокон, волокон нефтяных и каменноугольных пеков, фенольных смол и других углеродсодержащих исходных веществ. УВ получают только из волокнистых полимеров, не плавящихся при термообработке, обеспечивающих высокий выход углерода и необходимые механические и другие свойства.

Для получения УВ используются полиакрилонитрильные (ПАН-В) и гидратцеллюлозные (вискозные ГЦ-В) волокна. Преимуществами ПАН-В по сравнению с ГЦ-В являются большой выход углерода (около 40 % массы полимера) и менее сложная технология. ГЦ-В значительно дешевле и доступнее ПАН-В.

Процесс получения волокон включает высокотемпературную обработку (карбонизацию и графитизацию) органических волокон.

Карбонизация осуществляется в интервале температур 900 - 2000С (содержание углерода 80 - 99 %), а графитизация проводится при температурах до 3000С (содержание углерода выше 99 %). Для получения УВ высокого качества карбонизация и графитизация проводятся с одновременным вытягиванием волокон на выходе из фильер, что способствует совершенствованию структуры и повышению их механических свойств.

Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных сред, УП применяются для изготовления реакторов, трубопроводов, лопастей насосов, выхлопных труб и т.п.

Перспективным направлением является применение углепластиков в автомобилестроении. Углепластики гораздо легче сталей и алюминиевых сплавов, имеют высокие аэродинамические свойства (блестящую гладкую поверхность), их использование позволяет уменьшить мощность двигателей и расход топлива. Сдерживающим фактором широкого использования углепластиков в серийном производстве является способность деталей при ударных нагрузках рассыпаться на осколки с острыми краями. К настоящему времени применение углепластиков ограничивается конструкциями суперкаров и гоночных автомобилей.

3. Органопластики

Органопластики (ОП) - композиционные материалы на основе полимерных матриц, армированных химическими волокнами. ОП отличаются от типичных армированных пластиков полимерной природой обоих компонентов - волокна и матрицы.

В зависимости от природы, структуры и уровня свойств волокнистого армирующего наполнителя ОП делятся на две группы:

- органопластики на основе волокон, характеризующихся сравнительно невысокими прочностными свойствами (полиамидные, полиакрилонитрильные, полипропиленовые и др.);

- органопластики на основе высокопрочных, высокомодульных, теплостойких и огнестойких волокон из ароматических полиамидов (арамидных).

В качестве армирующих наполнителей в производстве ОП наиболее широко применяются арамидные волокна марки: СВМ, ВМН- 88, Армос, Кевлар, Номекс, Фенилон, Русар, Терлон и др. Основные направления практического использования арамидных волокон: шинный корд - 27 %, тормозные колодки - 24 %, транспортные ленты, приводные ремни - 8 %, органопластики - 10 % и 30 % прочее. Применение арамидных волокон в качестве шинного корда позволяет получить ряд преимуществ: снижение веса, повышение устойчивости при высоких скоростях качения, меньшее выделение тепла при пробеге, обеспечение надежности и долговечности. Например, прочность корда из волокон типа Кевлар в два раза выше стеклянного и в пять раз - стального. Арамидные волокна перспективны в качестве армирующих компонентов для материалов триботехнического назначения, особенно для замены асбеста во фрикционных материалах (тормозные колодки грузовых автомобилей).

Для изготовления ОП применяют волокнистые армирующие наполнители различных структур: однонаправленные наполнители в виде комплексных нитей, жгутов, лент; слоистые наполнители тканой структуры; нетканые материалы из нитей и жгутов; объемные структуры (тканые соты, многослойные ткани); изотропные объемные структуры (холсты, маты). Эффективно также применение различных комбинированных тканей, получаемых путем сочетания арамидных нитей со стеклянными или углеродными волокнами в различных соотношениях.

В таблице 2. в качестве примера приведены сравнительные свойства некоторых видов волокон.

Таблица 2. Свойства элементарных волокон

Тип волокна	Плотность, Мг/м3	Предел прочности при растяжении, ГПа	Модуль упругости, ГПа	Относительное удлинение, %
СВМ	1,44	3,8-4,2	120-130	2-4
АРМОС	1,44	4,5-5,0	145-170	4,0
ВМН-88	1,46	3,7-4,5	157-167	2,9
Кевлар-149	1,47	3,8-4,2	150-180	2-4
Углеродное высокопрочное	1,7-2,0	2,0-3,5	200-400	0,5-0,8
Стеклянное высокомодульное	2,6	4,6-5,0	95	4,5-5,0

Гибридные композиционные материалы, получаемые путем сочетания органических волокон с углеродными, стеклянными и другими, расширяют диапазон их свойств и области практического применения.

Высокие прочностные свойства при растяжении органопластиков позволяют использовать их при изготовлении изделий, испытывающих значительные растягивающие напряжения от воздействия высокого внутреннего давления (баллоны высокого давления и т.п.) или центробежные нагрузки (роторы, лопасти, маховики и т.п.).

Низкая плотность в сочетании с высокой прочностью и жесткостью при растяжении и сдвиге, а также высокая стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам позволяют использовать ОП в качестве тонких обшивок при изготовлении сотовых панелей, конструкций интерьера транспортных средств (панели пола, перегородки, потолочные панели и др.).

4. Базальтопластики

Базальтопластики (БП) - материалы, содержащие в качестве упрочняющего компонента базальтовые волокна в виде коротких ультратонких (d = 0,4 мкм), коротких тонких (d = 3 - 4 мкм) и длинномерных волокон (d = 9 - 12мкм) в виде крученых нитей, лент и тканей.

Базальт относится к числу аморфных неорганических полимеров с различным составом звеньев в полимере (SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃, CaO, MgO и др.). композиционный армированный пластик прессование

По показателям теплостойкости, химической стойкости и модуля упругости базальтовые волокна можно рассматривать в качестве заменителей асбестовых волокон, к тому же они имеют более высокие показатели по водостойкости и диэлектрическим свойствам, а также удобнее в производстве изделий. Базальтовые волокна применяют вместо стеклянных в производстве высокопрочных изделий, эксплуатируемых при температурах выше 250С.

5. Термопластичные композиционные материалы

Непрерывноармированные термопласты. Армирование термопластов предполагает принципиально иной характер изменения их технических свойств, благодаря возможности обеспечения объема армирования не только на традиционном для отверждающихся композиционных материалов уровне, равном 50 - 60 %, но и существенном превышении данного показателя в высоко - и предельноармированных (до 100 %) термопластах.

Непрерывно армированные термопласты с содержанием армирующей фазы до 50 - 70 % объемных обладают рядом технологических и конструкторских преимуществ перед армированными реактопластами.

Технологическими преимуществами являются: неограниченная жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, резкое сокращение циклов формования изделий из-за ненадобности отвержения связующего, возможность применения прогрессивных технологических способов производства (гибка, штамповка, химическая и диффузионная сварка), высокая ремонтопригодность, возможность утилизации отходов.

К конструкторским преимуществам относятся: низкий уровень остаточных напряжений, лучшие демпфирующие свойства и ударная вязкость, высокие электроизоляционные свойства, повышенные водо-, крио-, огнестойкость и т.д.

Основными недостатками в технологии производства непрерывно армированных термопластов является сложность пропитки волокнистых армирующих элементов (нитей, жгутов, тканей) высокомолекулярными термопластичными связующими. Для снижения вязкости используют такие технологические приемы, как пропитка растворами полимеров, повышение температуры расплава и снижение молекулярной массы полимеров. Проблему пропитки наполнителей решают повышением их смачивающей способности модификацией поверхности волокон (окисление, аппретирование и т.п.).

Решение проблемы пропитки достигается также твердофазным совмещением волокон (нитей) с термопластами в виде порошка, пленки или волокон. Недостатками твердофазного совмещения в случае использования порошков являются неравномерность их распределения и плохая дислокация в объеме полуфабрикатов. Недостатком пленочного варианта является неплотное прилегание матричной пленки к армирующей подложке при отсутствии адгезионного взаимодействия между ними.

Применение матричных термопластичных волокон позволяет избежать указанных недостатков при оптимальном чередовании непрерывных армирующих и матричных волокон. Термопласт оказывается еще до плавления равномерно распределенным по сечению полуфабриката и максимально приближенным к поверхности армирующих волокон.

Высокоармированные термопласты (ВАТП) - матричные композиционные материалы, в которых объемное содержание профилированных армирующих волокон составляет от 70 - 75 до 95 - 96 для однонаправленных материалов и от 50 до 80 для ортотропных материалов при коэффициентах реализации механических свойств волокон не ниже 0,88 - 0,92 от исходных значений.

При формировании ВАТП используются значительно меньшие объемы связующего, при этом монолитизация осуществляется вытеснением пор из объема пластика за счет перепрофилирования (смятия) волокон.

Создание ВАТП включает три этапа:

- получение препрега с дозированным (5-30 %) количеством связующего в результате однократной пропитки. Пористость препрега после удаления растворителя должна находиться в интервале от 8 до 15 %;

- формирование из препрега беспористых высокоармированных монослоев. Ликвацию пористости препрега осуществляют перепрофилированием армирующих волокон, при этом волокнообразующий полимер и матрица должны деформироваться совместно;

- формирование под действием температуры и давления ВАТП из беспористых монослоев.

ВАТП многофункциональны и их применение эффективно вследствие высоких механических, теплофизических, диэлектрических и др. свойств компонентов. ВАТП могут получаться с использованием любых армирующих волокон.

Предельноармированные органоволокниты (ПАОВ) - органопластики с объемным содержанием органических волокон, равным 96 - 100 %. Способы получения таких материалов основаны на перепрофилировании (смятии) волокон. Перепрофилирование волокон с исходным (обычно круглым) сечением осуществляется в процессе поперечного сжатия препрега или заготовки изделия, в которой волокна уложены хаотически или в соответствии с заданной схемой армирования.

Монолитность ПАОВ достигается непосредственным соединением контактирующих поверхностей перепрофилированных волокон с помощью сварки, диффузионным взаимодействием или комбинированным соединением.

Отличительной особенностью ПАОВ является полное отсутствие матричной фазы или ее дискретное содержание в зонах неполного прилегания волокон. Другим важным свойством ПАОВ является то, что 96 - 98 % объема материала составляет высокоориентированный линейный полимер.

Материалы применяются для производства изделий, работающих при значительных растягивающих напряжениях (корпуса и емкости, работающие под внутренним давлением), а также в мало - и средненагруженных изделиях различного назначения.

По функциональному назначению можно выделить три группы ПАОВ: материалы на основе высокопрочных арамидных волокон; на основе волокон из нетугоплавких и тугоплавких полимеров (полиамидных и др.); на основе полиэтилентерефталатных, полиэтиленовых, полипропиленовых и др. волокон.

По виду сварочной монолитизации ПАОВ подразделяются на диффузионно- и химически сварные, а также с комплексной матрично-сварочной монолитизацией.

6. Методы формования изделий из армированных пластиков

Формование изделий из АП имеет особенности, связанные с наличием в их составе армирующих наполнителей, совмещение которых со связующими может осуществляться как в процессе формования изделий, так и предварительно, причем самому наполнителю форму будущего изделия можно придавать до совмещения со связующим.

Основные технологические процессы формования делятся на методы открытого и закрытого формования.

При открытом формовании одна из поверхностей изделия оформляется в контакте с жесткой поверхностью формы, другая поверхность обычно остается свободной или формуется с помощью резиновой диафрагмы или других гибких элементов. К открытым способам относятся контактное формование, напыление, намотка и ряд других методов.

При использовании методов закрытого формования обе поверхности изделия формуются жесткими элементами формы таким образом, что толщина стенки изделия может быть выдержана с высокой точностью. К таким способам относятся прессование, пропитка наполнителей в замкнутой форме и др.

6.1 Контактное формование и напыление

Контактное формование (рис. 8.1, а) осуществляют на негативных и позитивных формах с ручной выкладкой рулонного армирующего наполнителя по поверхности формы 1 с одновременной пропиткой его связующим с помощью кистей или распылительного пистолета. Пропитанный материал 2 прикатывается рифленым валком 3 для удаления пузырьков воздуха и уплотнения материала. После уплотнения изделие 4 может покрываться пленкой и дополнительно прикатываться гладким валком для разглаживания неровностей и удаления избытка связующего.

Рис. 1. Схемы получения изделий: а - контактное формование; б - напыление

Недостатком метода контактного формования является относительно большое колебание содержания связующего в получаемых изделиях, что объясняется непостоянным усилием, которое оказывает оператор на прикатывающий валок. Применение валков с пневматической передачей давления позволяет улучшить качество изделий, а при использовании обогреваемых валков - регулировать вязкость связующего и уменьшать время отверждения.

Одним из способов ускорения процесса контактного формования является укладка на форму предварительно пропитанной ткани. Пропитку выполняют на пропиточных машинах или специальных устройствах, состоящих из системы тянущих, отжимных и направляющих валков и пропиточной ванны.

Более совершенным методом контактного формования является симплекс - процесс, сущность которого заключается в том, что пропитка уложенного холста или ткани происходит одновременно с уплотнением формуемого изделия. Связующее подается по шлангу непосредственно в прикатывающие рифленые валки.

Сущность метода напыления (рис. 8.1, б) заключается в одновременном нанесении на поверхность формы рубленого волокна и связующего. Cтекложгут 5 проходит режущее устройство 3 и напыляется на поверхность формы 1. В эту же зону формы распылительным устройством 4 подается связующее. После нанесения слоя заданной толщины композиция 2 уплотняется на поверхности формы прикатывающими валиками.

Отверждение изделий при повышенной температуре может осуществляться с помощью инфракрасных нагревателей или горячего воздуха.

6.2 Формование под давлением

При формовании под давлением дополнительное уплотнение изделий проводится путем опрессовки эластичной диафрагмой, которая прижимается к свободной поверхности изделия с помощью вакуума или давления. Диафрагму обычно выполняют из резины в виде листов или мешков, близких по форме контурам изделий.

Рис. 2. Схема формования изделий с помощью эластичной диафрагмы: а - под давлением; б - под вакуумом

При уплотнении сжатым воздухом формуемое изделие 2 (рис. 8.2, а) на форме 1 покрывают пленкой 3 в качестве разделительного покрытия. Плиту 5 с закрепленной диафрагмой 4 болтами 6 соединяют с формой. При подаче через отверстие в плите сжатого воздуха диафрагма обжимает свободную поверхность изделия.

При уплотнении под вакуумом (рис. 8.2, б) диафрагму 4 струбцинами 5 герметично закрепляют по периметру формы 1. На формуемое изделие 2 накладывают дренажный слой 3 и по канавке (а) через ловушку 6 из полости формы откачивают воздух. При этом диафрагма обжимает поверхность изделия, уплотняя его, а избыток связующего собирается в ловушке.

Вакуумирование облегчает удаление из композиции воздуха, а также летучих составляющих. Наличие дренажного слоя способствует удалению летучих компонентов со всей поверхности изделия.

Максимальное давление при уплотнении под вакуумом не превышает 8 МПа, при уплотнении под давлением 50 МПа, а при использовании автоклава давление может достигать 250 МПа.

Формование изделий с помощью эластичной диафрагмы осуществляют обычно на специальных прессах, верхняя плита которых выполнена в виде полого короба. К плите крепится диафрагма. Нижнюю плиту пресса выполняют перфорированным (для удаления воздуха из пространства между изделием и диафрагмой). Нагревательные элементы устанавливают обычно в верхнем коробе. Под нижним столом пресса расположены вакуум-насос, компрессор и система управления.

6.3 Формование прессованием и пропиткой в замкнутой форме

Методы прессования и пропитки наполнителя в замкнутой форме относятся к закрытым методам формования и позволяют с высокой точностью фиксировать толщину изделия, а также обеспечивают получение высококачественной поверхности.

При прессовании (рис. 8.3, а) на пуансон 2, укрепленный на неподвижной плите 1 пресса, укладывают необходимое число слоев наполнителя 3. Связующее 4 под давлением матрицы 5, укрепленной на подвижной плите 6 пресса, распределяется по всей полости формы, пропитывая наполнитель.

Метод пропитки наполнителя в замкнутой форме (рис. 8.3, б) состоит в том, что непропитанный сухой наполнитель 2 выкладывают послойно на пуансоне 1. После этого пуансон 1 и матрица 3 смыкаются, сжимая наполнитель до окончательных размеров изделия. Герметичность полости формы достигается установкой уплотняющего кольца 4. Благодаря разрежению, создаваемому в полости формы, полимерное связующее засасывается из бака 5 и пропитывает наполнитель. Метод используется при формовании различных оболочек, емкостей и других изделий, для которых требуется высокое качество.

Рис. 3. Схемы формования изделий: а - прессование; б - пропитка

6.4 Формование намоткой

Формование изделий намоткой наиболее современный и перспективный метод формования изделий из АП, так как позволяет создавать ориентируемую структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Высокая прочность изделий, полученных намоткой, достигается благодаря ориентированной укладке наполнителя, и, как следствие этого, реализуются высокие прочностные свойства наполнителя в изделии.

Детали, изготовливаемые методом намотки, как правило, должны иметь форму тел вращения. В сочетании с другими приемами этим методом можно получать детали, не имеющие форму тел вращения, например, детали коробчатой формы, пластины и плиты, заготовки рабочих и статорных лопаток и даже панелей крыла.

Наибольшее применение метод намотки нашел в ракетной технике и авиации для формирования корпусов ракет и ракетных двигателей, а также элементов фюзеляжей самолетов и вертолетов.

Детали формуют с помощью технологической системы, состоящей из намоточного станка, технологической оправки для формования детали, приспособления для раскладки материала, материала из длинномерных армирующих волокон и полимерного связующего.

Давление формования создается в результате технологического натяжения наматываемого материала.

Оборудование для намотки можно разделить на две группы: машины периодического действия, которые предназначены в основном для формования оболочек самых различных форм, и машины непрерывного действия для производства труб.

Рис. 4. Типы намотанных станков: а - с возвратно-поступательным движением раскладчика; б - с вращением раскладчика; в - с неподвижным раскладчиком и оправкой, вращающейся в двух плоскостях

Наиболее просты по устройству станки (рис. 8.4, а) с вращающейся оправкой 1 и возвратно-поступательно движущимся раскладчиком 2, с которого наполнитель подается на оправку.

В станках планетарного типа (рис. 8.4, б) раскладчик вращается в плоскости, составляющей небольшой угол с осью оправки. На таких установках оправки вращаются в основном с малыми скоростями. Наконец, станки третьей группы, применяемые для формования небольших изделий, имеют оправку, вращающуюся в двух плоскостях (рис. 8.4, в). В этом случае раскладчик неподвижен.

Формование деталей методом намотки обладает рядом преимуществ перед другими методами: высокий коэффициент использования прочности и жесткости армирующих волокон, возможность механизации и автоматизации процесса, хорошая воспроизводимость свойств деталей.

В зависимости от способа нанесения полимерного связующего на армирующий наполнитель различаются два способа намотки: мокрый (жидкофазный) и сухой (твердофазный).

Мокрый метод позволяет совместить операцию приготовления АП с техпроцессом изготовления изделия. По этому способу непрерывный волокнистый наполнитель поступает в ванну с жидким связующим, пропитывается им, а потом укладывается на оправку по заданной программе. Достоинством метода является большая степень достигаемой анизотропии. Ограничение - скорость намотки определяется скоростью пропитки, а недостатком является неоднородность распределения наполнителя и связующего по толщине изделия (3-4 %).

Сухой метод предполагает намотку заранее пропитанного полимерным связующим армирующего наполнителя (препрега). Этот метод более прогрессивен и технологичен. Достоинства метода - более однородное распределение связующего и наполнителя по толщине (1 %), возможность применения больших скоростей намотки, использование связующих с высокой вязкостью. Недостатки - повреждение волокон на промежуточных операциях приготовления препрега и ограниченная длина лент препрега.

В зависимости от структуры наматываемого слоя армирующего наполнителя различают поперечную (кольцевую) и спиральную намотки.

Поперечная намотка характеризуется укладкой армирующего наполнителя вокруг оправки с шагом смещения вдоль оси на каждый оборот не свыше ширины наматываемой пряди. Кольцевая намотка является наиболее простым методом и не требует сложного оборудования. Пропитанные нити в виде одинарной пряди или множества прядей накладывают на оправку под углом 90 к оси вращения оправки. Кольцевая намотка применяется для усиления тонкостенных металлических труб или баллонов в тангенциальном направлении. Изделия имеют высокую прочность в тангенциальном (окружном) направлении и низкую в осевом направлении.

Способ спиральной намотки характеризуется шагом смещения траектории укладываемого наполнителя на каждый оборот оправки свыше ширины наматываемой пряди.

Как правило, шаг намотки многократно превышает ширину пряди. Необходимое соотношение прочности изделия в осевом и окружном направлениях обеспечивается назначением соответствующего угла намотки. Способ позволяет изготавливать изделия типа труб, цилиндров с овальными днищами, шаровых оболочек, конусов, торов.

Для намотки изделий из АП используются специальные или модернизированные токарные станки. В зависимости от технологического варианта намотки кинематическое исполнение станков подразделяется на два типа: токарное и планетарное.

Формование и отверждение, а иногда и механическая доработка изделий выполняются на оправках, которые должны удовлетворять конструкторско-технологическим требованиям: точность размеров изделий, прочность оправки, механическая извлекаемость изделия, возможность установки нагревателя в оправке.

Оправки многократного использования выпоняются из стали или сплавов алюминия. Для большинства изделий конструкция оправки разборная. Для фасонных изделий и оболочек крупных размеров экономически оправданным бывает изготовление оправок однократного использования из гипса, алебастра, солей, легкоплавких сплавов. Единственно возможным условием изготовления ряда изделий замкнутого контура является использование расплавляемой или растворяемой внутри него оправки. В некоторых случаях оправка не извлекается и образует совместно с намотанным материалом единое изделие.

6.5 Пултрузия

Пултрузия - технологический процесс формования длинномерных профильных деталей в результате непрерывного протягивания армирующего материала, пропитанного связующим, через формующую нагретую фильеру. Этот процесс аналогичен процессу экструзии, в котором заготовка продавливается через формующую фильеру под действием давления, создаваемого в экструдере. При пултрузии материал протягивается через фильеру под действием внешней силы, создаваемой тянущим устройством.

Рис. 5. Пултрузионный агрегат

На рис. 8.5 представлена схема метода пултрузии. Со шпулярника 1 волокно поступает в пропиточную ванну 2 и затем в формующую матрицу, где отжимается от избытка связующего, сжимается в поперечном направлении и приобретает конфигурацию изделия. В камере термообработки 4 происходит окончательное отверждение полимерной матрицы. Изделие охлаждается по заданному режиму в камере охлаждения 5 и затем поступает на резательное устройство 7. Движение изделия происходит с помощью тянущего (транспортирующего) блока 6.

В методе пултрузии важным конструктивным элементом является матрица (рис. 8.6), которая состоит из распределительной плиты 1, в расположенные по контуру изделия фильеры которой поступают пропитанные волокна 2 и происходит предварительный отжим связующего. Далее волокна через губку охлаждаемой плиты 3 попадают в горячую зону матрицы 5, в которой необходимая температура создается внешними нагревателями 8 и контролируется термопарой 6. Стальные колонны 9 обеспечивают жесткость конструкции формующей матрицы, а теплоизоляционный слой 7 разделяет холодную и горячую зоны. В конструкции матрицы имеется дорн 4, обтекаемый потоком ориентированных пропитанных волокон на холодном участке тракта формообразования.

Рис.6. Формующая матрица пултрузионного агрегата

Многое в свойствах изделия зависит от правильности выбора матричной конструкции. По свойствам пултрузионные изделия превосходят детали, полученные контактным формованием, они более монолитные, более кислото- и щелочестойкие. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность даже при наиболее опасном для пултрузионной технологии межслойном сдвиге. Она на 30 - 35 % превышает аналогичный показатель материалов с войлочной структурой наполнителя, полученных вакуумным формованием.

Армирующий материал (жгуты, нити или тканые ленты) последовательно проходит через ванну с жидким связующим, пропитывается, сжимается и поступает в матрицу предварительного формования, а затем в обогреваемую пресс-форму, где фиксируется требуемая конфигурация и отверждается полимерное связующее. В матрице предварительного формования плоская по форме лента пропитанного материала постепенно преобразуется по сечению к форме получаемого конструктивного элемента. Окончательное формирование сечения происходит в профилирующей матрице, где в результате нагрева происходит частичное отверждение. Для завершения отверждения элемент после формования дополнительно термообрабатывают в печи.

Материал протягивается по всему тракту формообразования с помощью тянущего устройства, например фрикционной роликовой передачи, гусеничного механизма и т.п. Полученный профиль, трубу или пруток разрезают на части определенной длины.

Особенностью метода является: высокая точность получаемых деталей; изготовление деталей любой длины; высокое значение коэффициента использования материала (до 95 %); точное регулирование заданного соотношения наполнитель - связующее; высокая производительность (до 1,5 м/мин).

Важным преимуществом пултрузионной технологии является возможность при изготовлении профилей открытого сечения формовать исходный полуфабрикат вне пултрузионной установки (на ткацком станке или шнуроплетельной машине). Это увеличивает производительность, сокращает габариты пултрудера, поскольку основную длину такой установки составляет узел формирования исходного материала.

В качестве исходного материала в пултрузионной технологии можно использовать препреги, но их применение очень ограничено.

Существует два способа пропитки армирующих материалов при пултрузии:

- пропитка сухих волокон в ванночке с последующим формованием профиля в матрице;

- предварительное формование профиля сухими волокнами с последующей пропиткой непосредственно в формующем фильтре.

Второй способ наиболее предпочтителен при пултрузии пустотелых деталей типа трубы.

В пултрузионных установках применяют три способа отверждения заготовок: в туннельных термокамерах; внешним нагревателем; в формующей фильере в электромагнитном поле СВЧ.

При отверждении внешним нагревом требуется прерывать движение заготовки для проведения процесса полимеризации. Наиболее эффективным является третий способ, при котором полное отверждение композита происходит при непрерывном движении материала в формующей фильере длиной около 500 мм (рис. 8.7).

Рис.7. Схема пултрузионной установки с отверждением заготовки в электромагнитном поле СВЧ: 1 - исходный материал; 2 - магнетрон СВЧ; 3 - предварительная формующая фильера; 4 - тянущее устройство; 5 - отвержденная заготовка; 6 - термокамера с формующей фильерой

Производительность пултрузионного процесса определяется в основном временем отверждения композита и в зависимости от типа связующего и толщины детали скорость пултрузии составляет от 0,6 до 1,5 м/мин.

Тянущие устройства представляют собой простые механизмы трех типов: ременные или гусеничные со сменными траками под каждый типоразмер; непрерывные возвратно-поступательные; прерывистые возвратно-поступательные.

Наиболее эффективны для проведения непрерывного вытягивания заготовок механизмы первого типа.

Размещено на Allbest.ru

...