Установление причин образования пористости при изготовлении пкм. Автоклавное формование Режим автоклавного формования

Для повышения качества изделий используют способ ваку-умно-автоклавного формования. Процесс формования осу­ществляется под действием высоких давлений сжатых газов или жидкости на формуемое изделие, вакуумируемое на форме

Рис. 2.13. Схема формования в автоклавах и гидроклавах:

/ - автоклав; 2 - резиновый чехол; 3 - формуемое изделие; 4 - форма; 5 -

плита; 6 - прижимное устройство; 7 - тележка; 8 - винтовой зажим

Ластичным мешком и помещенное в автоклав. Схема вакуум -по-автоклавного формования показана на рис. 2.13.

Автоклавы являются наиболее универсальным оборудова­нием при изготовлении изделий из композитов. Автоклав - герметичный сосуд большого объема, в котором можно созда­вать значительные избыточные давления рабочего тела (возду­ха, инертного газа, азота) в диапазоне от 1 до 3,0 МПа при температурах 150...380 °С. Характеристики автоклавов, приме­няемых в отечественной промышленности, представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4 Технические характеристики автоклавов

Автоклав включает в себя системы подачи рабочего тела в камеру, разогрева до требуемой температуры, регулирования рабочего давления, вакуумную, аварийную для сброса давле­ния, систему автоматизированной записи параметров, а также противопожарную систему (рис. 2.14).

Наличие теплоизоляции корпуса позволяет в процессе ра­боты избежать его разогрева, обеспечивает необходимый запас прочности стенок и нормальную температуру производствен­ных помещений. Температуру в автоклаве повышают после откачки воздуха и заполнения его рабочим телом. Давление в автоклаве снижают только при охлаждении изделия до темпе­ратуры 60...70 °С. Автоклав охлаждается за счет принудитель­ного теплообмена рабочего тела и водяного теплообменника. Температуру отверждаемого изделия измеряют в необходимых точках с помощью хромель-копелевых термопар. Для равно­мерной передачи необходимого давления на формуемый пакет

2.4. Формование с эластичной диафрагмой

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

материала используют вакуумные мешки, герметично закры­вающие формуемое изделие на оправке и соединенные ваку­умной системой автоклава.

Рис. 2.14. Схема автоклава:

/ - теплоизолирующий тепловой корпус; 2 - электронагреватель; 3 - крышка загрузочного люка; 4 - рельсовый путь; 5 - формуемое изделие; 6 - вакуумный мешок; 7 - вакуумная система; 8 - ресивер с азотом; 9 - азотная станция; 10 - вентилятор системы теплообмена; 11 - теплообменник

Процесс вакуумно-автоклавного формования (схема подго­товки формы, порядок укладки слоев пакета заготовки, герме­тизация формы) во многом сходен с вакуумным формованием.

Автоклавный способ формования применяют для изготов­ления конструкций любой формы и габаритов (если позволяют размеры автоклава и не происходит разрушения эластичной диафрагмы под действием внешнего давления).

Вакуумно-пресс-камерное формование

Этот способ основан на передаче давления прессования воздуха через эластичную диафрагму к заготовке, уложенной на жесткую матрицу-форму. Внутренняя поверхность изделия оформляется матрицей, а внешняя - резиновым мешком и цулагой (рис. 2.15). Укладку пакета из ПКМ на форму осу­ществляют вручную с помощью приемов, описанных выше.

Эластичный мешок закрепляют на основании формы, при этом образуется герметично замкнутый объем. Цулагу жестко скрепляют с формой накидными прижимами. Прессование

осуществляется при подаче в мешок сжатого воздуха. Под давлением мешок растягивает­ся в камере и плотно прижи­мается с одной стороны к уло­женной на форме заготовке, а с другой стороны - к поверх­ности цулаги. После чего мат­рицу подвергают нагреву, и изделие отверждается. Режи­мы термообработки и прессо­вания определяются свойства­ми компонентов ПКМ, кон­струкцией и габаритами изде­лия. Обычно давление прессо­вания в камере не превышает 0,5 МПа. Во избежание изме­нения формы готовое изделие охлаждают под давлением, а затем снимают с формы.

Из-за разности давлений внутри эластичного мешка и ок­ружающего воздуха форма испытывает значительные нагрузки. Поэтому формы для пневматического формования делают более прочными и жесткими, чем при вакуумном формовании.

Этим способом можно формовать практически любые во­локнистые и слоистые материалы.

2.5. Особенности конструирования деталей с учетом

технологии контактного формования и формования

с эластичной диафрагмой

Может показаться, что изменить конфигурацию или тол­щину нового изделия достаточно просто. Однако при формо­вании деталей в открытой форме эти изменения необходимо осуществлять с учетом всех возможных последствий.

1. Перед формованием детали материал необходимо уло­жить в форму строго в соответствии с ее очертанием. При наличии острых углов (угол 90° без закруглений) маты не закрывают всю поверхность формы, и за наружным смоляным слоем около углов образуются пузырьки воздуха. При наличии

2.5. Особенности конструирования деталей

внутренних прямых углов, выполненных без закруглений, ма­териал не будет прилегать к поверхности формы. Если же форма имеет наружные прямые углы, КМ также не сможет их плотно охватить.

Для предотвращения этих явлений рекомендуется закруг­лять внутренние и наружные углы по радиусу 3,00... 10,00 мм. В этом случае КМ будет полнее следовать очертанию формы, т.е. драпируемость будет лучше. Места резких переходов по­верхности являются зонами концентрации высоких напряже­ний, где может происходить расслоение и растрескивание ма­териала. Очевидно, что в конструкциях следует избегать таких мест и предусматривать самоупрочняющиеся переходные участки умеренного изгиба.

2. Для изменения толщины изделия, формуемого в откры­той форме, следует увеличить (или уменьшить) число слоев материала. При необходимости резких изменений слои следует тщательно укладывать точно в соответствии с очертанием формы, что, однако, увеличивает затраты на ручной труд. В местах утолщений происходит концентрация напряжений и, как следствие, расслоение материала. Поэтому надо избегать появления таких высоконапряженных зон. С этой целью реко­мендуется толщину изделия изменять постепенно, укладывая слои материала ступенчато или как кровельную черепицу.

3. Наиболее удобным для формования следует считать круг­лое отверстие; самым неудобным - отверстие с острыми неза­кругленными углами. Для предотвращения роста напряжений рекомендуется увеличивать радиусы закруглений в углах, а толщину изделия в острых углах увеличивать постепенно или предусматривать фланцы вокруг отверстий.

4. Изделия из ПКМ часто получают соединением несколь­ких отдельных деталей. Поэтому в зависимости от прочности (от большей к меньшей) следует различать соединения: нахлес-точные, работающие на сдвиг; стыковые; косые нахлесточные, работающие на раздир (на расслаивание).

Нахлесточные соединения являются самыми легкими и ши­роко используемыми при изготовлении деталей из ПКМ (рис. 2.16, а). Их форма и особенности нагружения (на сдвиг) предполагают применение клеев, что обеспечивает максималь­ную прочность соединения. Разрушение нахлесточного соеди-

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

нения под действием напряжений сдвига происходит тогда, когда при возрастании нагрузки оно начинает работать на раздир.

При увеличении нагрузки происходит поворот места соеди­нения, при этом действующие силы располагаются на одной оси (см. рис. 2.16, а). Этот поворот приводит к изгибанию материала и расслаиванию его на концах нахлеста. Если нагрузки продолжают расти, расслаивающие напряжения могут превысить адгезионную прочность, и соединение быстро разрушится. Од­нако если края нахлеста скошены, жесткость конструкции умень­шается и в результате повышается прочность соединения без увеличения площади его поверхности. Более того, при надлежа­щей подготовке материалов можно получить еще более высокие значения прочности при той же поверхности сдвига, выполнив соединение деталей вскос ("в ус") (см. рис.2.16, б).

Рис. 2.16. Примеры технологических соединений при склеивании

материалов:

а - нахлестанное; б - вскос (в "ус"); в - стыковое: 1 - слой клея;

2, 3 - жесткие материалы; 4 - промежуточный слой

Стыковое соединение со слоем клея и промежуточными слоями используют при склеивании жестких материалов, оно работает только на растяжение (рис. 2.16, в). Прочность его обычно колеблется от низких до средних значений, и ее легко

Соединение, работающее на раздир, представляет собой конструкцию, в которой напряжения концентрируются вдоль линии, по которой один склеиваемый материал отгибается от другого, в результате чего в материалах возникают неуравно­вешенные растягивающие напряжения (см. рис. 2.16, в). В таком соединении под нагрузкой оказывается только тот учас­ток клеевого шва, который находится в точке расслаивания, а остальные участки шва остаются ненагруженными до тех пор, пока до них не дойдет зона расслаивания.

5. Минимальный угол технологического уклона должен со­ставлять 2° (нулевой уклон - только в разъемных формах). Поднутрения не желательны, допускаются только в разъемных и резиновых формах.

6. Минимальную реальную толщину изделий при формова­нии ручной укладкой слоев следует задавать 0,8 мм, при на­пылении - 1,5 мм. Максимальная реальная толщина, в прин­ципе, не ограничивается, но с учетом отверждения должна составлять 8... 10 мм. Стандартная разнотолщинность: при фор­мовании ручной укладкой слоев - от +0,8 до -0,4 мм и при напылении - от +0,64 до -0,64 мм. Максимальное увеличение толщины не ограничивается.

2.6. Формообразование да

1. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Пропитка под давлением

Сущность этого метода формования заключается в том, что связующее подают под давлением к нижнему отверстию формы и постепенно оно заполняет пространство между матрицей и пуансоном, вытесняя воздух из материала, уложенного на мат­рицу (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Схема пропитки пакета материала под давлением:

/ - пуансон; 2 - пакет материала; 3 - матрица; 4 ~ бачок со связующим;

5 - установка для подогрева органического теплоносителя; 6 - компрессор

Способность смолы растекаться в замкнутом объеме формы под действием давления используют для изготовления изделий с простой симметричной формой. Этот способ формообразо­вания позволяет получать конструкции с высокой точностью геометрических размеров, постоянной плотностью по объему материала стенки, при этом стенка драктически не будет иметь пустот или местных расслоений. Такие требования необходимо выполнять, например, при изготовлении различных типов об­текателей ЛА. В этой области метод и получил наиболее ши­рокое применение.

Способ изготовления форм для пропитки отличается от способа изготовления форм для контактного формования, он более трудоемкий, поскольку требуется обеспечить с высокой точностью зазор между матрицей и пуансоном, равный толщи­не стенки изделия. Поэтому для изготовления металлических и неметаллических форм, применяют модель из того же мате­риала и с такой же толщиной стенок, как и у изделия. Эту модель обычно формуют на гипсовой оправке, и она является точным объемным макетом поверхности изделия. Одновремен­но модель служит технологической оснасткой для изготовления нижней части формы (матрицы) и верхней части (пуансона).

2.6. Формообразование давлением

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Толщины стенок матрицы и пуансона для конкретного изделия определяют экспериментальным путем.

Подготока поверхностей матрицы и пуансона заключается в нанесении антиадгезивных смазок или разделительных пле­нок так же, как и в случае контактного формования. Сухой армирующий материал выкладывают на матрицу до закрытия ее верхней частью формы и свинчивания.

Перед пропиткой материал, уложенный между позитивной и негативной формами, следует высушить. Для сушки через форму пропускают поток горячего воздуха, подаваемый от ка­лорифера. В некоторых случаях для малогабаритных изделий осуществляют "промывку" армирующего материала той же смолой, которая входит в состав связующего. Таким образом удаляют пузырьки воздуха из материала и тем самым устраняют опасность образования в изделии незаполненных смолой участ­ков. Однако для крупногабаритных изделий операция "про­мывки" экономически не выгодна.

Давление связующего в процессе пропитки, воздействуя на стенки матрицы и пуансона, расширяет зазор между ними и способствует равномерному заполнению связующим армирую­щего материала. Поэтому в данном случае небольшая нерав­номерность при укладке материала на матрицу не имеет суще­ственного значения. Скорость подъема связующего по форме ограничена условиями качественной пропитки. Если эту ско­рость превысить, то связующее зальет воздушные пузырьки до того, как они отделятся от волокна. Тогда пузырьки можно удалить только путем "промывки" новой порцией чистой смолы; такая промывка настолька длительна, что полностью обесценивает все другие преимущества процесса.

Для качественной пропитки следует регулировать и контро­лировать температуру, вязкость и скорость, с которой подни­мается связующее.

После того, как связующее появляется в выводных отверс­тиях в верхней части формы, подачу связующего прекращают, и с целью ускорения процесса отверждения форму начинают обогревать. В некоторых случаях пропитку материала осущест­вляют в уже разогретой форме, для чего используют соответ­ствующие обогревательные устройства. Иногда в качестве на­гревателя используют медную проволоку, обмотанную вокруг

формы. В ряде случаев отверждение изделий проводят в печах, в которые помещают форму. Параметры отверждения опреде­ляются типом применяемого связующего.

В том случае, когда требуется обеспечить высокую произ­водительность процесса, применяют короткие рубленые волок­на (50...70 мм), предварительно отформованные по форме из­делия. Однако в этом случае невозможно получить высоко­прочный материал.

Пропитка в вакууме

Процесс формования изделий пропиткой в вакууме (техно­логия подготовки формы, укладки материала заготовки) ана­логичен процессу формования пропиткой под давлением. Схема вакуумной пропитки показана на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Схема формования:

/ - связующее; 2 - запорное устройство; 3 - пуансон; 4 - смотровое стекло; 5 - вакуумная система; 6 - бачок для излишков связующего; 7 - заготовка; 8 - матрица; 9 - канал для прохождения связующего; 10 - эластичная прокладка

При использовании вакуума элементы формы должны быть достаточно жесткими для предотвращения сдавливания арми­рующего материала и нарушения свободного протекания смолы при возможном сплющивании матрицы или пуансона. Если

материал *по форме расположен неравномерно, то через неко­торые уплотненные участки смола проходить не будет, и эти участки останутся непропитанными. По мере приближения смолы к верхнему выводному отверстию необходимо для обес­печения дальнейшего ее движения увеличивать вакуум.

2.7. Формообразование прессованием в формах

В общем случае метод формования изделий прессованием -это процесс, при котором материал в пресс-форме принимает заданную конфигурацию, определяемую матрицей и пуансо­ном, причем отверждение его происходит в форме.

В настоящее время около 50 % всех изделий из армирован­ных пластмасс получают этим методом. Его применяют в том случае, когда требуются высокая производительность, точность и воспроизводимость деталей. При этом достигается высокое качество изделий при минимальной стоимости. Но даже если объем производства невелик, например при получении деталей аэрокосмических аппаратов и других изделий с высокими экс­плуатационными свойствами, требования к точности и воспро­изводимости деталей заставляют использовать методы формо­вания в пресс-формах.

Для всех случаев формования используют пресс-формы. Форма или комплект формующих деталей обычно состоит из двух основных частей: матрицы и пуансона, причем одна из них входит в другую при смыкании формы с соблюдением заданного зазора между ними, равного толщине формуемой детали.

В зависимости от применяемого армирующего материала, конструкции формы, способа загрузки материала в форму раз­личают три основных метода формообразования изделий из ПКМ: прямое прессование; литьевое прессование; термоком­прессионное прессование. Особенности технологии изготовле­ния деталей этими методами описаны ниже.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Прямое прессование

Этот метод прессования является одним из наиболее рас­пространенных в производстве изделий прессованием. Метод прямого прессования армированных композиций несуществен­но отличается от формования пластмасс. Главное различие заключается в природе самого материала, из которого прессу­ется деталь. Вместо свободно текущих смол или порошков на формование поступает липкая волокнистая масса, таблетиро-ванные ПКМ, пропитанные маты, ткани или предварительно отформованные заготовки из ПКМ либо премиксы.

Премикс - армированная волокном термореактивная ком­позиция, которая после получения не нуждается в дальнейшем отверждении и может быть отформована при приложении дав­ления, достаточного только для те­чения и уплотнения материала.

Для прессования изделий из ПКМ в большинстве случаев при­меняют гидравлические прессы, так как они обеспечивают постоянное давление на прессуемую деталь в те­чение всего времени прессования и, кроме того, они проще и надежней в эксплуатации, чем механические прессы. Гидравлические прессы приводятся в действие давлением жидкости (воды или масла), пода­ваемой насосом в цилиндр пресса.

Обычно используют гидравли­ческие прессы с одним рабочим цилиндром (с нижним или верх­ним расположением) или с двумя рабочими цилиндрами (вертикаль­ные и угловые).

На рис. 2.19 показана схема устройства гидравлического пресса с нижним расположением рабочего цилиндра.

Верхняя плита и станина прес­са, связанные между собой колон-

2.7. Формообразование прессованием в формах

нами, воспринимают усилие пресса, развиваемое плунжером рабочего цилиндра. Установленная на нижнюю подвижную плиту пресс-форма с загруженным в нее материалом при подъ­еме плунжера прижимается к верхней неподвижной плите, и материал в пресс-форме подвергается прессованию. При пре­кращении подачи воды в рабочий цилиндр и сообщении его со сливной магистралью плунжер пресса и подвижная плита силой своего веса вытесняют жидкость из рабочего цилиндра и опускаются.

Прессы с нижним давлением чаще всего используют для прессования изделий в съемных пресс-формах. Такие прессы иногда имеют промежуточные подвижные плиты, которые на­зывают этажными.

Для нагревания съемных пресс-форм на нижней подвижной плите и верхней неподвижной плите пресса закрепляют обо­гревательные плиты, изолированные с опорной поверхности теплоизоляционными прокладками. Промежуточные подвиж­ные плиты этажных прессов также имеют обогрев.

Прессы с верхним расположением рабочего цилиндра, т.е. прессы с верхним давлением (рис. 2.20), применяют главным образом для прямого прессования деталей из ПКМ в стацио­нарных пресс-формах. Отличие этих прессов от прессов с нижним рабочим давлением состоит в том, что они имеют вспомогательные цилиндры обратного хода (ретурные цилинд­ры) и цилиндр выталкивателя, закрепленные на нижней непо­движной плите. Ретурные цилиндры служат для подъема по­движных рабочих частей пресса - верхней подвижной плиты и плунжера. Цилиндр выталкивателя обеспечивает извлечение отпрессованных деталей из пресс-формы. Прессы с верхним расположением рабочего цилиндра, как правило, бывают толь­ко одноэтажные.

Основным элементом технологического оснащения процес­са прессования является пресс-форма, сложность и стоимость которой определяют качество и себестоимость изделий.

Пресс-формы в соответствии с методом прессования под­разделяют на пресс-формы для обычного прессования (ком­прессионные) и литьевые для литьевого прессования; согласно характеру эксплуатации - на съемные, полусъемные и стаци­онарные в зависимости от числа оформляющих гнезд (числа

одновременно прессуемых деталей) - на одногнездовые и многогнездовые.

В соответствии с принципом устройства оформляющего гнезда пресс-формы для прямого прессования подразделяют на открытые, полузакрытые и закрытые пресс-формы.

Рис. 2.20. Схема устройства гидрав­лического пресса с верхним располо­жением рабочего цилиндра: 1 - станина (нижняя подвижная плита или рабочий стол); 2 - колон­на; 3 - верхняя неподвижная плита (головка); 4 - рабочий цилиндр; 5-плунжер; 6 - верхняя подвижная плита; 7- упоры; 8 - пазы в верхней подвижной и нижней неподвижной плитах для закрепления пресс-формы; 9 - выталкиватель; 10 - ци­линдры обратного хода (ретурные цилиндры); // -опорные рамы; 12- цилиндр выталкивателя

Пресс-формы открытого типа (рис. 2.21). Такие пресс-формы не имеют загрузочной камеры, уплотнение прессуемого в них материала достигается за счет трения, которое возникает при вытекании материала из оформляющего гнезда через зазор между пуансоном и матрицей. Поэтому для прессования в открытой пресс-форме необходим значительный избыток ма­териала (до 10...15 %).

2.7. Формообразование прессованием в формах

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

изменяется по мере уменьше­ния зазора между пуансоном и матрицей и зависит от свойств материала, то применение от­крытых пресс-форм для прес­сования изделий из термореак­тивных пластических масс воз­можно только в случае прессо­вания несложных изделий с не­большой высотой вертикаль­ных стенок. Детали, отпрессованные в открытых пресс-формах, имеют низкую точность по высоте.

Пресс-формы полузакрытого типа, или пресс-формы с пере­теканием (рис. 2.22). В них, как и в пресс-формах открытого типа, необходимое уплотнение достигается за счет трения, возникающего при вытекании материала из оформляющего гнезда. Однако зазор, через который вытекает материал, рег­ламентирован и остается практически постоянным в течение всего процесса формования. Такие пресс-формы обеспечивают большую степень уплотнения прессуемого материала, чем пресс-формы открытого типа, что позволяет оформлять в них сложные детали. В полузакрытых пресс-формах матрицы имеют

надпрессовочное пространство - загрузочную камеру, являю­щуюся продолжением оформляющего гнезда.

Загрузочная камера служит для того, чтобы поместить в нее навеску пресс-материала. Для прессования в полузакрытых пресс-формах необходим меньший избыток материала, чем при прессовании в открытых пресс-формах.

Полузакрытые пресс-формы применяют главным образом для прессования изделий из пластических масс.

Закрытые (поршневые) пресс-формы (рис. 2.23). Характерно, что во время прессования материал прак­тически не вытекает из оформляющего гнезда. Очертания пуансона таких пресс-форм в плане точно соответству­ют очертаниям изделия. Это услож­няет изготовление пресс-форм и обу­словливает их сравнительно низкую эксплуатационную стойкость. Одна­ко в таких пресс-формах достигается большее уплотнение ма­териала при постоянном давлении на него со стороны пуансона в течение всего времени прессования. При прессовании в закрытых пресс-формах необходимо точно выбрать навеску прессуемого материала. Для промышленного производства в основном применяют металлические пресс-формы, изготов­ленные из износостойкой закаленной стали типа 4X13, У8А, ХВГ, 12ХНЗА, У10А и других.

Качество поверхности пресс-форм для изготовления арми­рованных композиций необязательно должно быть высоким. Наличие наполнителей накладывает определенные ограниче­ния на шероховатость и глянец прессованного изделия неза­висимо от качества полированной поверхности формы. Тем не менее для защиты формы от коррозии, лучшего отделения готовых изделий, удаления следов инструментов от механичес­кой обработки ее поверхность желательно хромировать (тол­щина покрытия 10...25 мкм).

Для проведения опытных запрессовок или для прессования нескольких изделий возможно использование деревянных, пластмассовых или гипсовых форм. При небольших давлениях прессования формы можно изготавливать из цветных сплавов

2.7. Формообразование прессованием в формах

методом литья, но они имеют короткий срок службы, хотя и более дешевы, чем стальные.

Стадия извлечения изделий из формы является самой кри­тической в процессе формования. Для облегчения этой опера­ции, во-первых, необходимо на этапе разработки конструкции учитывать технологию ее изготовления, а во-вторых, применять антиадгезионные смазки или разделительные материалы, кото­рые препятствуют прилипанию изделия к поверхности формы.

Материалы, употребляемые в качестве антиадгезивов, можно подразделить на два типа:

пленочные материалы или растворы, образующие защитную пленку;

жидкие или твердые вещества, размягчающиеся при темпе­ратуре прессования и не образующие непрерывной пленки.

К первой группе относятся растворы поливинилового спир­та в воде, растворы альгината натрия, целлофан, лавсан, фто­ропласт и другие материалы. Во всех случаях пленка оказывает влияние на образование дефектов поверхности отформованно­го изделия.

Вторую группу составляют смазывающие пленки, более удобные для нанесения на оснастку: воск, парафин, кремний-органические смазки (типа К-21), нефтяные остатки и т.п.

При выборе антиадгезивов необходимо учитывать темпера­туру формования и воздействие их на связующее формуемого изделия.

Основными параметрами процессов прессования являются температура, давление, время.

Полуфабрикат в процессе формования необходимо нагре­вать до определенной температуры, чтобы придать ему требуе­мую пластичность, т.е. способность к формообразованию. Для термореактивных ПКМ нагревание необходимо также и для отверждения. Однако возможность повышения температуры формования всегда ограничена температурой деструкции и раз­ложением связующих. Нагрев и охлаждение крупногабаритных изделий осуществляется нагревателями, расположенными в пресс-формах. В других случаях нагревательные устройства могут быть расположены как в самих пресс-формах, так и вне - в верхней и нижней плитах пресса. Время отверждения изделий

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

должно быть всегда больше времени, необходимого для запол­нения материалом данной пресс-формы.

В процессе формования давление необходимо для уплотне­ния разогретого пластичного материала и придания ему кон­фигурации изделия. Давление на материал должно оказываться в течение всего времени, пока отформованное изделие не по­теряет пластичность и не станет твердым в результате нагрева (для термореактивных композиций) или в результате охлажде­ния (для композиций на основе термопластов).

Время процесса определяется скоростью разогрева материа­ла до пластического состояния и, главным образом, скоростью отверждения или скоростью охлаждения.

Указанные три основные параметра процесса формова­ния - температура, давление, время - взаимосвязаны. Изме­нение одного параметра влечет за собой изменение других. Например, повышение температуры формования термопластов улучшает их пластичность и, сле­довательно, уменьшает необходи­мое давление и длительность формования.

Основные параметры процесса определяют в каждом конкретном случае в зависимости от компо­нентов ПКМ, схемы армирования композита, геометрии и формы из­делия и отрабатывают опытным путем.

Прямое прессование (рис. 2.24) заключается в том, что тот или иной прессовочный материал по­мещают в матрицу, нагретую до температуры формования, на ко­торый действует давление Р верхней половины пресс-формы - пуансона, нагретой до такой же температуры. Под воз­действием температуры материал приобретает необходимую плас­тичность и под давлением рас­пределяется по оформляющей

2.7. Формообразование прессованием в формах

полости, заполняя ее. Полное закрытие формы (замыкание) происходит в момент окончательного оформления детали. Замыкание пресс-формы осуществляется с малой скоростью, чтобы воздушные включения были вытеснены из полости. Отформованное изделие выдерживают в пресс-форме под давлением в течение некоторого времени, необходимого для охлаждения термопластичного композита или нагрева термо­реактивного материала, после чего пресс-форму открывают, и изделие извлекают с помощью выталкивателя с усилием р в.

При неправильном выборе режимов прессования или нека­чественных материалах в изделиях могут появиться следующие дефекты: пузырьки воздуха вокруг выступающих участков на поверхности детали; места, содержащие недостаточное количест­во связующего из-за избытка армирующего наполнителя; рас­трескивание связующего и места, содержащие его избыток; ма­товая поверхность и пятна на изделии.

Каждый дефект имеет свои причины возникновения; реко­мендации по их устранению обычно отражают в таком доку­менте, как технологический регламент.

Рассмотрим особенности прямого прессования.

а. При оформлении детали можно запрессовать в нее раз­
нообразную арматуру (винты, гайки, стержни и т.п.), которая
будет прочно удерживаться в детали.

б. Прогревание материала происходит постепенно от сте­
нок нагретой пресс-формы вглубь, и, следовательно, в про­
цессе формования изделия различные слои материала могут
иметь разную температуру.

в. Разность температуры по толщине изделия приводит к
образованию внутренних напряжений и дефектов в результате
неравномерного протекания процесса отверждения или вулка­
низации.

г. Имеется опасность повреждения тонких и малопроч­
ных оформляющих элементов пресс-формы или впрессо­
вываемой в деталь арматуры, так как материал под давле­
нием начинает заполнять оформляющую полость еще до
того момента, когда он весь прогреется и приобретет до­
статочную пластичность. Для устранения этой опасности в
большинстве случаев программируют режим давления и
применяют несколько предварительных подпрессовок.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Кроме того, с помощью подпрессовки удаляют летучие и пары Влаги за короткий промежуток времени начальной стадии от-перждения материала.

д. На отформованных изделиях всегда образуются заусенцы (грат) в плоскости разъема пресс-формы.

Методом прямого прессования можно изготавливать изде­лия из любых материалов, как термопластичных, так и термо­реактивных. Практически этот метод применяют главным об­разом для изготовления деталей из термореактивных КМ. Ис­пользование его для формования деталей из термопластов не­целесообразно, так как в этом случае необходимо попеременно нагревать и охлаждать пресс-форму в течение каждого цикла формования, а это в значительной степени увеличивает дли­тельность процесса.

Примерные режимы прямого прессования деталей, на ко­торые ориентируются при отработке процесса формования, приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Примерные режимы прямого прессования

Различные методы пропитки армирующего материала и ре­жимы прессования позволяют получить содержание наполни­теля в композите от 20 до 50 %.

Литьевое прессование

Литьевое прессование заключается в том, что прессуемый материал загружают в загрузочную камеру предварительно зам­кнутой пресс-формы (рис. 2.25). Нагреваясь от стенок загру­зочной камеры и приобретая при этом необходимую пластич­ность, материал под давлением литьевого пуансона поступает через литниковый канал в оформляющую полость пресс-формы

2.7. Формообразование прессованием в формах

и заполняет ее. После выдержки, необходимой для затвердева­ния, пресс-форму раскрывают и извлекают готовое изделие вместе с литниковым остатком.

Рис. 2.25. Схема пресс-формы для литьевого прессования на прессах с одним рабочим цилиндром:

1 - коническая обойма матрицы; 2 - клиновая матрица; 3 - загру­зочная камера; 4- литьевой пуансон; 5 - отформованное изделие; 6- выталкиватель; 7 - литниковый канал

Особенности литьевого прессования состоят в следующем:

а) можно изготавливать детали с малопрочной или сквозной
арматурой и детали с глубокими отверстиями малого диаметра,
так как материал поступает в оформляющую полость пресс-
формы уже в пластичном состоянии и не в состоянии оказать
на оформляющие элементы пресс-формы и впрессовываемую
арматуру значительных сил деформации;

б) процесс формования материала протекает быстрее, чем
при обычном прессовании;

в) в деталях, полученных литьевым прессованием, не воз­
никают большие внутренние напряжения вследствие меньшего
перепада температур по толщине стенок детали;

г) на деталях, изготовленных литьевым прессованием, прак­
тически не остается фата, так как оформляющая полость
пресс-формы, образуемая пуансоном и матрицей, плотно за­
мыкается еще до заполнения ее материалом. Точность соблю­
дения размеров деталей при этом методе высокая, а механи-

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

ческая доработка деталей сводится только к отрезке литников и зачистке мест сраза;

д) при литьевом прессовании расходуется больше материа­
ла, чем при прямом прессовании, так как материал заполняет
литниковые каналы и в зафузочной камере запрессовывается
его остаток;

е) пресс-формы для литьевого прессования сложнее и до­
роже пресс-форм для прямого прессования.

Методом литьевого прессования можно изготавливать из­делия из резиновых смесей и порошкообразных пластических масс. Пластмассы с волокнистыми наполнителями теряют до 50 % своей прочности. Слоистые пластики перерабатывать ли­тьевым методом нельзя, так как материал не в состоянии пройти из загрузочной камеры пресс-формы в ее оформляю­щую полость через узкие литниковые каналы.

Пресс-формы для литьевого прессования отличаются от пресс-форм прямого прессования тем, что они имеют зафу-зочную камеру для прессуемого материала, отделенную от оформляющего гнезда и связанную с ним литниковыми кана­лами. Оформляющее гнездо литьевой пресс-формы перед прес­сованием закрывают, а материал в него поступает уже в плас­тичном состоянии из зафузочной камеры по литникам.

Существует два принципиально различных конструктивных варианта литьевых пресс-форм - литьевые пресс-формы для прессования на специальных прессах с двумя рабочими цилинд­рами (рис. 2.26) и литьевые пресс-формы для прессования на обычных прессах с одним рабочим цилиндром (см. рис. 2.25).

Для прессования детали в пресс-форме материал зафужают в загрузочную камеру, затем верхнюю половину пресс-формы опускают на нижнюю и удерживают под давлением плунжера верхнего рабочего цилиндра пресса, чтобы пресс-форма не раскрылась при заполнении материалом. Под действием дав­ления нижнего рабочего плунжера пресса поднимается литье­вой пуансон и выдавливает материал из загрузочной камеры по литникам в оформляющую полость. После окончания прес­сования пресс-форму открывают и изделия выталкивают до­полнительным ходом литьевого пуансона.

Метод позволяет развивать давления прессования до 35... 150 МПа для деталей из термопластов и термореактоплас-

Усилие замыкания

Рис. 2.26. Схема пресс-формы для литьевого прессования на прессах с двумя рабочими ци­линдрами:

/ - литьевой пуансон; 2 - загру­зочная камера; 3 - плоскость разъема; 4 - изделие; 5 - литни­ковые каналы; 6, 7 - верхняя и нижняя части матрицы

тов соответственно и получать более сложные и точные по кон­фигурации детали. Этому способ­ствует и более высокая, по срав­нению с прямым прессованием, температура нагрева, снижающая вязкость материала и ускоряющая время формования.

Режим течения размягченного материала через литниковый канал матрицы не только прибли­жает этот процесс к литью, но и способствует более однородному прогреву материала и снижению тем самым уровня остаточных внутренних напряжений в стенках детали. К недостаткам метода можно отнести небольшие разме­ры формуемых деталей, сложность изготовления матриц и меньший коэффициент использования ма­териала, чем при прямом прессо­вании.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

этим причинам большой интерес представляет термокомпрес­сионный метод формования изделий из ТКМ.

Технологическая оснастка для осуществления этого метода (рис. 2.27) состоит из ограничительной части, изготавливаемой, например, из металлов и эластичного формующего элемента (ЭФЭ),

характеризуемого КЛТР в диапазоне (250...500) 10~ 6 °С -1 . Собра­нный пакет формуется в ограничительной части оснастки за счет температурного расширения ЭФЭ при нагревании. Вслед­ствие значительного различия КЛТР материалов ограничитель­ной части оснастки (10...25) 10 °С -1 и ЭФЭ возникает дав­ление формования, под действием которого пакет из ТКМ уплотняется. Если ЭФЭ вставлен в ограничительную часть оснастки с некоторым начальным зазором 5, то нагревание оснастки до определенной температуры сопровождается нарас­танием давления р, которое можно рассчитать, используя фор­мулу

Р = k p ∆T.

Здесь k - коэффициент термокомпрессии материала ЭФЭ, характеризующий прирост давления внутри замкнутого объема, в котором находится ЭФЭ, при его нагреве на 1 °С, МПа/°С:

k p =αE/(1-2μ)

где а, Е , ц - КЛТР, модуль упругости и коэффициент Пуас­сона материала ЭФЭ; ∆ T - разность между текущей темпера­турой Т и температурой T δ , при которой исчезает зазор между

ЭФЭ и ограничительной частью оснастки.

Если считать ограничительную часть оснастки абсолютно жесткой, то для резин к - 0,5...0,7 МПа/°С. Поэтому при нагреве до температуры 300 °С и выше можно создать практи­чески любое давление формования, необходимое для изготов­ления изделий из ТКМ.

Метод термокомпрессионного прессования можно осуще­ствить с использованием двух основных типов технологической оснастки: с постоянным (рис. 2.27, а) и переменным (рис. 2.27, б) объемами формования.

Рис. 2.27. Оснастка для термокомпрессионного формования с постоян­ным (а) и переменным (б) объемом:

/ - металлический пуансон; 2 - металлическая матрица; 3 - эластичный формующий элемент; 4 - уплотняемый пакет; 5 - опорные планки; 6 - фиксирующие элементы; 7 - датчик давления; 8 - направляющие колонки-фиксаторы; 9 - упругие тарированные элементы

В первом случае объем оформляющей полости в течение всего цикла формования остается постоянным. Регулируя зазор между ЭФЭ и пакетом ТКМ, можно в широких пределах изменять температуру начала воздействия и конечного уров­ня давления формования.

В оснастке с переменным объемом один из элементов ог­раничительной части выполнен подвижным, но подкреплен упругими тарированными элементами. При повышении давле­ния, заданного упругими тарированными элементами, проис­ходит некоторое перемещение пуансона по колонкам, при этом давление формования сохраняется на заданном уровне.

В оснастке с ЭФЭ можно одновременно формовать и собирать изделия интегральной конструкции, например па­нели различной конфигурации с внутренним силовым набо­ром. Вследствие эластичности материала ЭФЭ и высоких значений КЛТР извлечение ЭФЭ из различных поднутрений осуществляется без особых затруднений. Одновременно обес­печивается качественное уплотнение всех поверхностей, включая поверхности с малым радиусом перехода.

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Повышение температуры переработки конструкционных ТКМ сужает круг выбора материалов ЭФЭ. Особенность экс­плуатации заключается в том, что ЭФЭ находятся в условиях всестороннего сжатия в замкнутом объеме при повышенных температурах. Таким образом, материалы ЭФЭ для переработки ТКМ должны обладать следующими свойствами:

высокой эластичностью, необходимой для передачи давле­ния равномерно по всем направлениям;

стабильностью свойств при длительном нахождении в ус­ловиях замкнутого объема при температурах эксплутации;

значениями КЛТР не ниже 250 Ю -6 °С -1 , постоянными в процессе эксплуатации.

Установлено, что из серийно выпускаемых отечественной промышленностью эластомеров только резины на основе си-локсановых каучуков обладают свойствами, удовлетворяющи­ми предъявляемым требованиям. Составы на их основе обес­печивают различные значения КЛТР, обладают хорошей теп­лопроводностью, высокой стабильностью размеров при много­кратном использовании. При температурах до 200 °С матери­алом ЭФЭ может быть резина на основе силиконового каучука СКТВ-1.

При использовании термокомпрессионного метода прессо­вания можно получать равнотолщинные изделия с качественно отформованными стенками. При этом трудоемкость изготов­ления технологической оснастки снижается, а уровень физи­ко-механических характеристик повышается за счет более рав­номерного распределения давления 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.

Автоклавное формование. Препрег или многослойный пакет из пре-прега на основе углеродных волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием. Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.

Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов: 1) на форму накладывают необходимое число слоев препрега; 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение; 3) осуществляют отделку (зачистку) от-вержденных изделий. Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является

периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д.

Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования: 1) возможность получения изделий равномерной толщины; 2) возможность формования крупногабаритных изделий; 3) высокое качество поверхности изделий; 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.

Недостаток метода автоклавного формования заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. Тем не менее он весьма эффективен для изготовления изделий из таких высококачественных и легких материалов, как углепластики. Перспектива снижения стоимости процесса (соответственно и изделий) связана с механизацией и автоматизацией ряда операций, сокращением благодаря этому трудовых затрат и подбором лучших материалов для вакуумных мешков. Исследуется возможность применения для этого метода термостойких и долговечных мешков из силиконового каучука, которые можно использовать многократно. В частности, важно выбирать температуру и давление с учетом характеристик процесса отверждения, так как эти параметры оказывают значительное влияние на свойства формуемого изделия.

Надо отметить пожароопасность использования вакуумных мешков в методе автоклавного формования. Некоторые примеры возгорания и взрывов при использовании этого метода приведены в работе. Поэтому необходимо применять инертную газовую среду (например, азот) и принимать другие меры безопасности при автоклавном формовании.

Отверждение заготовок происходит в печи или непосредствен­но в автоклаве. Температура и продолжительность процесса отверждеиия определяются типом связующего и геометрией детали.

Охлаждение детали происходит под давлением совместно со всей оснасткой. После охлаждения деталь извлекается из формы и при необходимости проходит дальнейшую обработку.

Пултрузия. В последние годы широкое применение находят профили, прутки, трубы и другие конструктивные элементы, изго­товляемые из волокнистых композитов на полимерной матрице путем непрерывного протягивания армирующего материала, про­питанного связующим отверждаемого в профилирующей форме специальной установки. Такои процесс называют пул трузией (по аналогии с зкструзией, при которой материал выходит через фильеру под действием давления). При пултрузин он протягива­ется под действием внешнего усилия. Схема установки для полу­чения конструктивных элементов пултрузией показана на рис1.13.

Рис. 1.13. Схема упаковки для изготовлении элементов пултрузией:

а - схема процеса пултрузии. б - вид продукции(сечение профилей).

1 - армирующий материал. 2 - ванночка со связующим. 3 - напровляюшие роли­ки. 4 - матрица. 5 - обогреваемоя пресс форма. 6 - печь для термообработки. 7 - тянущее устройство. 8 - устройство для резки профиля. 9 - накопитель для заготовок.

Армирующий материал (жгуты, холсты или тканые ленты) по­следовательно проходит через ванну с жидким связующим 2, про­питывается, сжимается и идет далее в матрицу предварительного формования 4, а затем в обогреваемую пресс-форму 5, 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. Окон­чательно сечение формируется в профилирующей матрице 5, где в результате нагрева происходит частичное отверждение. Для за­вершения отверждения, элемент после формования дополнительно гермообрабатывают в печи 6.

Материал протягивается по всему тракту формообразования с помощью какого-либо тянущего устройства, например фрикцион­ной роликовой передачи, гусеничного механизма и т. п. Получен­ный профиль, труба или пруток разрезается на части определен­ной длины к далее может использоваться при сборке конструкций.

При производстве изделий из полимерных композиционных материалов необходимо уделить особое внимание выбору технологии производства. От данного решения зависит не только экономическая составляющая, но и качество конечного изделия.

Специалисты нашей компании помогут Вам с выбором технологии производства, а также подберут необходимые материалы и оборудование.

Позвоните нам, и у Вас не останется сомнений в правильности Вашего решения!

РУЧНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Производство изделий методом ручного (контактного) формования является базовым процессом производства изделий из полимерных композиционных материалов. К плюсам данного метода можно отнести простоту технологии и минимальные затраты на подготовку и проведение процесса формования (нет необходимости в закупке дорогостоящего оборудования). Минусом данного метода является низкое качество конечного изделия — высокое содержание смолы, а, как следствие, высокий вес и низкие прочностные характеристики. Данный метод получил широкое распространение в производстве крупногабаритных изделий, к которым не предъявляются высокие требования по физико-механическим свойствам. В основном технология применима к единичным изделиям или мелкосерийному производству.

При данном процессе формования предварительно раскроенный армирующий материал укладывается в форму, обработанную разделительным агентом и покрытую гелькоутом для создания защитного слоя конечного изделия. После этого армирующий материал пропитывается подготовленным эпоксидным составом (смола и отвердитель) вручную — при помощи кисти или валиков. До момента отверждения необходимо уплотнительным валиком «прокатать» всю поверхность изделия. Если этого не сделать, то в конечном изделии возможно наличие пузырьков воздуха, негативно влияющих на его качество. После отверждения происходит съем изделия из формы и дальнейшая механическая обработка.

ВАКУУМНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Производство по технологии вакуумного формования обеспечивает более высокое качество конечно изделия по сравнению с классическим ручным методом.Основное отличие от контактного метода состоит в том, что после пропитки армирующего материала эпоксидной системой, на оснастку, при помощи герметизирующего жгута, крепится вакуумный мешок. За счет создаваемого вакуумным насосом разряжения из ламината удаляются пузырьки воздуха и излишки смолы. В остальном процесс идентичен методу ручного формования.К плюсам данного метода можно отнести простоту технологии и минимальные затраты на подготовку и проведение процесса формования (нет необходимости в закупке дорогостоящего оборудования). Более высокое качество конечного изделия, по сравнению с контактным методом.Минусом данной технологии является ограниченное время на создание вакуумного мешка и, как следствие, высокие требования к квалификации персонала.

ВАКУУМНАЯ ИНФУЗИЯ

Технология производства изделий методом вакуумной инфузии получила широкое распространение среди производителей изделий из полимерных композиционных материалов. Основными причинами популяризации данной технологии является низкая стоимость оборудования (в сравнении с автоклавным методом и RTM-технологией), а также высокое качество конечного изделия и возможность формования крупногабаритных изделий при относительно небольших временных затратах.Вакуумная инфузия — закрытый процесс формования.На подготовленную оснастку укладывается предварительно раскроенный армирующий материал. Набор толщины конечного изделия осуществляется сразу, на этапе укладки армирующих тканей, путем выкладки требуемого количества слоев ткани или с использованием сэндвич-структур — пенопласта или сотовых панелей. Вместе с армирующим материалом укладывается набор вспомогательных расходных материалов. Будущее изделие накрывается вакуумной пленкой и крепится к фланцам оснастки при помощи герметизирующего жгута. К вакуумному мешку, через установленный вакуумный порт, подключают вакуумный насос, чтобы убедиться в правильной сборке пакета и отсутствии утечек воздуха. Обнаруженные утечки необходимо устранить на данном этапе, так как после подачи смолы процесс будет необратим.Благодаря созданному разряжению, предварительно дегазированная смола, по вакуумной трубке поступает в вакуумный мешок. При использовании проводящей сетки смола наиболее быстро и равномерно пропитывает слои армирующего материала. После пропитки всех слоев линию подачи смолы перекрывают, при этом вакуум оставляют включенным. Таким образом, исключается наличие воздушных включений в конечном изделии. В зависимости от типа эпоксидной смолы и требуемого конструктива, изделие может быть дополнительно отверждено в печи или в автоклаве. В линейке материалов для вакуумной инфузии, поставляемых нашей компанией, присутствуют высокотемпературные расходные материалы для процессов постотверждения.При использовании данной технологии обеспечивается высокий конструктив конечного изделия за счет качественного соотношения смолы и армирующего материала. Воздушные включения и излишки удаляются из армирующего материала путем постоянно поддерживаемого вакуума. Процесс полностью обратим до момента подачи смолы. Таким образом, нет ограничений по времени при сборке вакуумного мешка.

ИНЖЕКТИРОВАНИЕ В ФОРМУ (RTM-процесс)

RTM-процесс (Resin Transfer Molding) — процесс подачи (инжекции) смолы в закрытую форму. Классический RTM подразумевает использование алюминиевых матрицы (нижняя часть) и пуансона (ответная часть). При производстве по RTM-технологии обеспечивается глянцевая поверхность с обеих сторон.Предварительно раскроенный сухой армирующий материал укладывается в подготовленную форму. Закрытие формы фиксируется либо крепежными болтами, либо смыкание формы происходит в прессе. В последнем варианте целесообразно использование пресса с плитами нагрева, для равномерного прогрева связующего в процессе инжектирования смолы. Для подачи смолы используется специальное инжекционное оборудование, обеспечивающее качественное смешение компонентов, подогрев подающих магистралей и необходимое давление смолы на выходе. После раскрытия формы изделие отправляют на участок механической обработки.Преимуществом данной технологии является возможность производства изделий различной геометрической формы за одну инжекцию, что позволяет исключить необходимость склеивания высоконагруженных элементов, и, как следствие, повысить физико-механические свойства изделия. Данная технология применима при среднесерийном производстве высоконагруженных конструктивных элементов.

АВТОКЛАВНОЕ ФОРМОВАНИЕ

Процесс производства деталей автоклавным методом проходит при высоком давлении и температуре, что позволяет получить изделия высокой прочности. Основное развитие автоклавная технология получила благодаря использованию конструкций из углепластика в аэрокосмическом секторе и авиастроении, за счет низкого веса и высоких физико-механических свойств конечных изделий.Предварительно раскроенный препрег или многослойный пакет из препрега на основе углеродных волокон укладывают в форму, к которой при помощи термостойкого герметизирующего жгута крепят в вакуумный мешок. За счет использования вакуумного насоса в вакуумном мешке создается разряжение и удаление воздушных включений из ламината. Далее, изделие на специальной тележке, перемещающейся по рельсам, загружается в автоклав. Не отключая вакуум, в автоклаве создают избыточное давление и нагрев до температуры отверждения препрега. Использование вакуумного насоса позволяет свести пористость ламината к минимуму, что гарантирует высокое качество конечного изделия.Использование автоклавной технологии позволяет производить крупногабаритные изделия, к которым применяются самые высокие требования по качеству. Данный метод малопригоден для крупносерийного производства и находит большее применение в производстве небольших партий высококачественных изделий. Минусом автоклавного метода является высокая стоимость самого автоклава, а также наличие ручного труда, что требует высокой квалификации персонала.

ФИЛАМЕНТНАЯ НАМОТКА

Технология филаментной намотки заключается в нанесении волокон, пропитанных в ванне со смолой, или намотке препрега на вращающуюся оправку, в точном соответствии заданным требованиям. За правильность намотки волокон отвечает специальное программное обеспечение, при помощи которого создается рабочий цикл.В специальный стеллаж (шпулярник) устанавливаются бобины с ровингом, в соответствии с требованиями к ширине наматываемой ленты. Волокна формируются в ленту и попадают в ванну со смолой, где пропитываются эпоксидным связующим (или любой другой системой смол). На выходе из пропиточной ванны излишки смолы снимаются с пропитанного материала и попадают обратно в ванну. Количество связующего в волокнах, а также натяжение нитей регулируется с высокой точностью, в соответствии с техническими требованиями Заказчика. Пропитанные волока наматываются на вращающуюся оправку под разными углами. Затем происходит набор толщины создаваемого изделия. Возможность полного контроля процесса намотки и задания большого количества параметров гарантирует высокое качество конечного изделия.При помощи технологии филаментной намотки создаются тела вращения различной формы: цилиндрической, конической, оживальной. На станках намотки возможно производство баллонов, емкостей и цистерн для воды и сжиженного газа; производство трубопроводов; изготовление деталей для аэрокосмического и авиационного сектора. При использовании данной технологии для производства баллонов высокого давления используют многошпиндельные версии станков для обеспечения крупносерийного производства.

ПУЛТРУЗИЯ

Пултрузия — процесс, который используется для производства непрерывного армированного композиционного материала с постоянным поперечным сечением.
Стандартно, в качестве армирующего материала используется стеклоровинг (стекломат, стекловуаль), а в качестве связующего — полиэфирная смола. Выбор данных материалов обусловлен их невысокой стоимостью, что имеет принципиальное значение при непрерывном производстве профилей (стержней, труб, пластин, уголков, коробов и т.д.).
Непрерывный стеклоровинг (мат, нить, ткань или вуаль) разматываются со шпулярника и помещаются в ванну со смолой. Конструкция ванны обеспечивает тщательную пропитку армирующего материала. Смола может содержать наполнители или добавки, в зависимости от требований к конечному изделию. Пропитанный армирующий материал проходит через специальные валки на выходе из ванны, для удаления излишков смолы. Далее материал проходит через нагреваемую формообразующую фильеру для получения требуемой геометрии изделия. В фильере происходит полимеризация профиля, благодаря нагреву, осуществляемого электрическими ТЭНами. Тянущее устройство (захваты) обеспечивает непрерывное вытягивание профиля из фильеры. Полученное изделие разрезают с помощью пилы (резака), установленной в конце пултрузионной линии. Скорость процесса, усилие тянущих устройств, нагрев фильеры, а так же длина отрезаемого изделия регулируются и задаются с помощью системы управления.

Пултрузия — высокосерийное производство различных профилей постоянного поперечного сечения. Преимуществами данной технологии являются высокая скорость и непрерывность производства, низкая стоимость связующих, высокая коррозионная стойкость и низкий вес (по сравнению с металлами), низкий тепловой коэффициент линейного расширения и хорошие электроизоляционные свойства. К минусам данной технологии можно отнести высокую стоимость фильеры и, соответственно, высокую себестоимость конечного продукта при небольшой серии, а так же ограниченность производства — для производства изделия другой геометрии или размеров необходима новая фильера.

Компания «Современные полимерные технологии» предлагает полный спектр материалов и оборудования для реализации данных технологий на Вашем производстве.