Материал: Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

Основные недостатки:

·        Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.

·        Присутствуют только короткие волокна, которые ограничивают механические свойства ламината.

·        Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.

·        Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла. Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.

.3 Инжекция (RTM)

При изготовлении средних и крупных партий изделий из стеклопластика целесообразно применить метод инжекции полиэфирной смолы в закрытую форму (метод RTM - Resin Transfer Moulding).

Рисунок - 3. 3. 1 Схема метода инжекции (RTM) [9]

Метод RTM (Рис. 3. 3. 1) основывается на пропитке и формовании композитов под давлением, в процессе которого связующее вещество переходит в закрытую матрицу, в которой уже содержится наполнители или преформы. Различные ткани разнообразного переплетения могут выступать как армирующий материал, например, мультиаксиальный или эмульсионный материал, и порошковые стекломаты. Связующим веществом выступает смола, которая гелеобразуется 50-120 мин[3], имеющая низкую динамическую вязкость. ГОСТ 28593-90 определяет вязкость и время гелеобразования смолы.

RTM-classic:

Такой метод отлично подойдет для стандартных объёмов 500 -10000 изделий в год. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм, которые повторяют с двух сторон внешние обводы детали. Конструкции обладают высокотемпературными характеристиками, которые удерживаются точным совмещением закрытых стальных рам, которые поддерживаются в местах зажимов.

RTM-Light:

Рисунок - 3. 3. 1 Схема метода инжекции (RTM-light) [9]

Этот метод идеален для производства матриц 0,2м2 до 100м2. Конструкция матрицы состоит из композиционных или стальных форм. Контур матрица состоит из более легкой и гибкой конструкции. Половинки матрицы соединяются между собой под воздействием вакуума. Метод Light RTM (Рис. 2. 3. 2) отличается тем, что прижим матрицы и пуансона осуществляется с помощью вакуума, а пуансон представляет собой легкий позитивный оттиск матрица. Разрежение создается также и в раочей полости формы, что позволяет добиться оптмаильных характеристик пропитки армирующего материала.

Применяемые материалы:

Смолы: эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные.

Волокна: Любые. Желательно использовать специально предназначенные для этого стекломатериалы с проводящим слоем и механически связанными волокнами.

Наполнители: Любые стойкие к стиролу, кроме материалов в виде сот. Основные преимущества:

Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот. Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ. Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию. Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность. Минимизированы отходы материалов. Основные недостатки: Дорогие и сложные формы. Сложность процесса. Необходимость иметь инжекционное оборудование.

3.4 Вакуумная инфузия

Вакуумная инфузия (Рис. 3. 4. 1.) в настоящее время является наиболее перспективной технологией получения композитов. Использование вакуумной инфузии, как процесса для получения изделий из композиционных материалов обусловлено рядом причин:

.        Получение композита с высоким содержанием армирующего материала;

.        Низкая пористость;

.        Отсутствие материалов с малым сроком жизни (препрегов), время подготовки и сборки вакуумного мешка неограниченно;

.        Отсутствие необходимости в дорогостоящих автоклавах или прессах и инжекционных системах;

.        Возможность изготовления больших деталей целиком без разделения на составные части.

Данные факторы способствовали развитию технологии вакуумной инфузии, а также обусловливают ее широкий потенциал для дальнейшего применения.

Процесс вакуумной инфузии заключается в заполнении жидким связующим пор в предварительно отвакуумированном армирующем материале.

После пропитки происходит отверждение жидкой смолы с образованием жесткой полимерной матрицы, обусловливающей равномерное распределение нагрузки в композитном изделии. Типичными армирующими материалами являются стеклоткань и углеродная ткань. В качестве связующего могут применятся эпоксидные, полиэфирные, эпоксивинилэфирные и др. связующие. При выборе связующего необходимо знать при каком уровне вакуума связующее может закипеть. Например, стирол, содержащийся во всех полиэфирных связующих, закипает при комнатной температуре, если давление в вакуумном пакете составляет менее 50 мм рт. ст. тогда как эпоксидные связующие не закипят даже при 1 мм рт. ст. Также необходимо убедиться, что связующее не содержит растворители, которые также будут закипать в процессе инфузии, способствовать образованию пор и понижению прочности изделия.

Рисунок 3.4.1 - Схема вакуумной инфузии

Технологическими факторами влияющими на качество конечного изделия являются:

Герметичность пакета:

При наличии дырок или неплотного прилегания жгута композит будет пористым, иметь плохую поверхность, а также процесс инфузии может не пройти до конца

Уровень вакуума:

При недостаточном вакууме (более 100 мм рт. ст.) [4] армирующий материал сжимается недостаточно плотно и содержание связующего в изделии может быть завышенным, также может возрастать пористость.

Вязкость смолы:

Высоковязкая смола (с вязкостью выше 500-600 мПа*с) [4] пропитывает материал слишком медленно, и может образовывать незаполненные пустоты (поры), как внутри композита так и на его поверхности

Время гелирования смолы:

Быстрое гелирование смолы может привести к тому, что инфузия не успеет дойти до конца. Вязкость начинает возрастать гораздо раньше гелирования, поэтому связующее необходимо выбирать с большим запасом по времени гелирования. Желательно, что бы время гелирования было не менее 5 часов.

Правильное распределение смолы с помощью проводящих сеток:

При расположении проводящих связующее материалов желательно чтобы от окончания проводящей сетки до вывода вакуума во всех точках было примерно равное расстояние 2-5 см. длина сетки без подвода связующего не более 1 метра. Существует несколько стандартных стратегий для крупногабаритных изделий по распределению подводящих трубок к пропитываемой форме, такие как, рыбий скелет или параллельные последовательно открываемые вводы. Также для крупногабаритных изделий часто применяют моделирование пропитки.

Аккуратная выкладка слоев ткани и вспомогательных материалов:

При получении композита методом вакуумной инфузии большое внимание следует уделять выкладыванию слоев углеродной ткани, вспомогательных материалов и сборке вакуумного мешка.

Углеродная ткань должна быть плотно прилегать к оснастке или гелькоату. При необходимости лучше произвести подклейку ткани к оснастке при помощи клея (спрея) или липкой ленты. Необходимо избегать возникновения натянутостей или точек неполного прилегания ткани к оснастке или гелькоату, так как это может вызывать изменение геометрических размеров внутренней части изделия, а также приводит к увеличению веса конечного изделия в связи с образованием областей с повышенным содержанием связующего. Плотное прилегание материалов по всей поверхности необходимо тщательно контролировать для всех слоев углеродной ткани, а также для всех вспомогательных материалов.

При закреплении дренажной сетки для распределения связующего следует помнить, что при использовании тонкого вакуумного мешка вакуумная сетка может его проткнуть. После сборки вакуумного мешка необходимо убедится в его герметичности, для этого нужно на некоторое время отключить насос и следить за тем, чтобы за 5 минут вакуум не упал более чем на 10 мм рт. Ст. Для удобства работы лучше использовать вакуумные насосы с достаточно высокой производительностью. Это позволит быстро откачивать вакуумный мешок, а также не приведет к существенному падению вакуума при наличии “микродырочек”. При попадании воздуха в вакуумный мешок образуются поры в композите, которые приводят к дефектной поверхности с “рытвинами” в местах переплетения ткани, а также к существенному падению механических характеристик. Композит получается хрупкий и непрочный. 1% пор приводит к падению межслоевой прочности примерно на 10%

Существует большое количество методов, позволяющих тем или иным образом управлять процессом вакуумной инфузии. Такие как, математическое моделирование процесса пропитки, использование полупроницаемых материалов для получения деталей с минимальной пористостью, использование различных проводящих связующее сеток для обеспечения необходимой скорости пропитки, применение двойного вакуумного мешка для уменьшения вероятности разгерметизации. Для понимания параметров, которые могут влиять на процесс вакуумной инфузии можно рассмотреть простейшую модель описывающую данный процесс.

Скорость инфузии приближенно можно описать уравнением [5]

 <#"867303.files/image011.jpg">

Рисунок 3.5.1 - Схема метода намотки [7]

Термореактивная смола служит связующим веществом для армирующего материала. В процессе мокрой намотки смола наносится непосредственно во время самой намотки. Процесс сухой намотки основан на применении ровинга, который предварительно пропитывается смолой в В-стадии. Затвердение осуществляется при увеличенной температуре без лишнего давления. Завершающая стадия процесса основывается на взятии изделия с оправки. По необходимости можно провести отделочные операции: обработку механическим путем или шлифовальный способ. Основной процесс намотки характеризуется множеством вариантов, которые различаются лишь характером намотки, а также особенностями конструкции, сочетанием материалов и разновидностью оборудования. Конструкцию необходимо намотать как на поверхности вращения. Однако существует возможность отформовать изделия и другого вида, например, сжатием еще незатвердевшей намотанной детали внутри закрытой формы.

Конструкция получается похожа на гладкий цилиндр, трубу или тюбинг, диаметр которых получается от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Намотка позволяет формовать изделия конической, сферической и геодезической формы. Чтобы получить сосуды высокого давления и резервуары для хранения, в намотку необходимо ввести торцевую заглушку. Есть возможность сформовать изделия, которые будут работать в нестандартных условиях нагружения, например, наружное или внутреннее давление, нагрузки на сжатие или крутящий момент. Термопластичные трубы и сосуды из металла высокого давления укрепляются при намотке наружными бандажами. Полученным изделиям характерна высокая степень точности. Однако существует и другая сторона процесса намотки, для такого процесса характерны меньшие скорости производства. Плюсом является то, что для намотки сгодится абсолютно любой постоянно армирующий материал.

Для процесса намотки можно использовать машины разных типов: от различных токарных станков и машин на основе цепного привода до более сложных компьютеризованных агрегатов, характеризующимися тремя или четырьмя осями движения. Применяются также машины, которые непрерывно производят трубы. Для удобства намотки больших резервуаров должно быть спроектировано портативное оборудование на месте установки.

Применяемые материалы:

Волокна: Любые, волокна подаются напрямую от рамы для катушек без дополнительного сшивания в ткань.

Наполнители: Любые.

Основные преимущества:

·        Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.

·        Регулируемое соотношение смола/стекло.

·        Высокая прочность при малом собственном весе.

·        Неподверженность коррозии и гниению.

·        Недорогие материалы.

·        Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Основные недостатки:

·        Ограниченная номенклатура изделий.

·        Дорогое оборудование.

·        Волокно трудно точно положить по длине сердечника.

·        Высокие затраты на сердечник для больших изделий.

·        Рельефная лицевая поверхность.

3.6 Пултрузия

Пултрузия представляет собой процесс получения стеклопластиковых профилей путем вытягивания через нагретую до 130 - 150 градусов [5] формообразующую фильеру стекловолокнистых материалов, пропитанных полиэфирной смолой или другой термореактивной смолой.

В результате на выходе получается армированный стеклопластиковый профиль, конфигурация которого повторяет форму фильеры. Методом пултрузии можно получать изделия из стеклопластика с любым профилем (стеклопластиковый стержень, стеклопластиковая труба, уголок, пластина, швеллер, короб и т.д.).

При изготовлении изделий методом пултрузии выделяют два (основных) элемента, формирующих композицию:

·        Армирующий элемент (преимущественно - стекловолокно; реже -углеродное и базальтовое волокно);

·        Матрица (преимущественно - полиэфирные и термореактивные смолы; реже - термопластичные полимеры <#"867303.files/image012.jpg">

Рисунок 3.6.1 - Пултрузия (схема)

Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство, которое придает волоконно-полимерному составу желаемую форму и выравнивает волокна.

После прохождения преформовочных устройств волокна и незатвердевший полимер пропускаются через нагретую прессформу (фильеру). Входная зона фильеры при определенных режимах охлаждается водой, чтобы не допустить преждевременной коагуляции полимера на входе.

Несколько комплектов нагревателей, находящихся в прямом контакте с фильерой, создают несколько зон нагрева (обычно 4...6), и обеспечивают оптимальные для процесса полимеризации температурный профиль. Температурный профиль задает система управления в зависимости от изделия и скорости протяжки. Как и процессе экструзии, во время пултрузии возникают эффекты саморазогрева (экзотермическая реакция в полимере).

Конечный продукт, выходящий из фильеры - это сильно отвержденный продукт, не требующий обработки. Отвержденный продукт вытягивается из фильеры вытяжной машиной и в отрезной машине распиливается на на готовые к использованию сегменты.

Параметры обработки оказывают значительное влияние на целостность композитного изделия. Правильный выбор скорости протяжки, температурный профиль фильеры, оптимальный объем волокна, выбор и совместимость волокон и полимерной матрицы, хорошая упаковка волокон, кинетические свойства полимера и правильная пропитка полимером являются ключевыми факторами, определяющими качество продукта.

На практике существует довольно большое количество вариантов построения технологической линии и осуществления технологического процесса получения изделий методом пултрузии. Подавляющее большинство линий сформировано по горизонтальному принципу, хотя (в значительно меньших объемах) могут применяться и верикально-ориентированные линии. Последние применяются с целью минимизации влияния земного притяжения на деформацию получаемых изделий.