Материал: Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

Преимущества метода пултрузии:

- высокая скорость производства;

возможность автоматизации процесса;

низкая себестоимость исходного сырья;

соблюдение всех допусков по размерам;

высокие физико-химические, тепловые и электрические свойства изделий;

возможность изготовления непрерывных листовых и пластинчатых полуфабрикатов.

Недостатки метода пултрузии:

- существенное влияние на скорость производства температуры и времени отверждения;

сложности в обеспечении строго постоянного сечения изделий по всей длине, кроме изделий с простой формой сечения (круг, квадрат, двутавр);

использование узкого спектра стекловолоконных материалов (жгуты и нити).

Современные разработки позволяют устранять вышеперечисленные недостатки метода пултрузии и расширять его применение. Новейшие полимерные матрицы на основе эпоксидных смол с поливиниловыми эфирами, а также применение при формовании изделий полиэфирсульфона, полисульфона и пластифицированного полиимида позволяет значительно увеличивать скорость формования профильных стеклопластиков.

Для производства профильных изделий, имеющих сложную схему армирования, используют способ протягивания слоистых стекловолоконных материалов на основе тканей или матов.

Разрабатываются и внедряются способы изготовления трубчатых стеклопластиковых изделий, в которых сочетается наматывание спирального слоя и протягивание через фильеру.

3.7 Прямое прессование

Процесс заключается в непосредственном придании необходимой формы изделию под действием высокого давления, что образуется в пресс-форме при температуре быстрого отверждения материала. Вследствие внешнего давления в прессуемом материале, происходит его уплотнение, частичное разрушение предыдущей структуры, Во время уплотнения и деформации в результате трения между частичками материала происходит выделение тепловой энергии, которая совместно с внешним обогревом формующих элементов приводит к плавлению связующего. После того как материал перешел в вязкопластичное состояние, он под действием давления распределяется в пресс-форме образуя монолитную и уплотненную структуру.

В полость матрицы 3 (рис. 3.7.1, а) загружают предварительно гранулированный или порошкообразный материал 2. При замыкании пресс-формы под действием силы пресса пуансон 1 создает давление на материал (рис. 3.7.1, б).Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс- формы материал размягчается и заполняет формообразующую полость. После определенной выдержки, необходимой для отверждения материала, пресс-форму раскрывают и с помощью выталкивателя 5 извлекают готовую деталь 4 (рис. 3.7.1, в).

Рисунок - 3.7.1 Схемы прямого прессования а - засыпка в пресс-форму материала; б - момент прессования; в - момент распрессовки; 1 - пуансон; 2 - гранулированный материал; 3 - матрица; 4 - готовая деталь; 5 - выталкиватель.

Процесс отверждения заключается в протекании реакции сшивки макромолекул вследствие поликонденсации между свободными функциональными группами связующего или отвердителя и связующего (двухкомпонентные системы). Реакция происходит под действием тепла, с выделением низкомолекулярных, летучих веществ: вода, формальдегид, аммиак, метанол и др.

Технологические параметры компрессионного прессования:

§  Температура предварительного подогрева;

§  Температура прессования;

§  Давление прессования;

§  Параметры подпрессовок;

§  Время выдержки под давлением.

Серьезной и не решенной до конца проблемой в переработке полиэфирных пресс-материалов остается недостаточно высокое качество поверхности получаемых деталей, препятствующие их лакированию. Проблема частично решается: покрытие наносится непосредственно в форме - In-Mould-Coating (IMC), для этого пресс-форму после отверждения связующего приоткрывают на 3-5 мм и через зазор впрыскивают лак (обычно полиуретановый); затем форму закрывают для распределения и отверждения лака, который очень текуч и отверждается в течение 30 с. В большинстве прессов новых конструкций эта операция предусмотрена.

3.8 Сравнение методов формообразования композиционных материалов

В зависимости от серийности производства, степени ответственности изделия, его формы и габаритов, используемых материалов, области применения изделия, требований к его механическим, технологическим, эстетическим и др. характеристикам могут применяться различные методы формообразования. Ниже представлена сравнительная таблица.

Таблица 3.9.1 - сравнение методов формообразования КМ [3]

3.9 Патентная литература

Способ горячего прессования изделий из композиционного материала и устройство для его осуществления (RU 2212341).

Авторы патента:

Полетаев А.В.

Анисимов И.В.

Изобретение относится к области изготовления изделий из композиционных углерод-углеродных материалов. Способ осуществляют предварительным формированием полуфабриката изделия из композиционного материала, наружные слои которого выполнены из металлического листа. Затем проводят нагрев в безокислительной среде полуфабриката изделия с одновременным приложением контролируемой нагрузки по всей поверхности полуфабриката до полного расплавления связующей прокладки и пропитки этим расплавом ткани и углеродного волокна. Скорость нагрузки регулируют в пределах 110^-4-110^-3 с^-1 до температуры 200^oС, а в интервале температур 200-700^oС в пределах 110^-3-110^-2 с^-1. Безокислительную среду создают путем предварительного вакуумирования за счет искуcственного натекания инертного газа. Для осуществления способа используют устройство, включающее пресс изотермической штамповки со штамповым блоком, содержащим два штампа, тепловыравнивающие подштамповые плиты с замкнутыми лабиринтньми полостями и нагреватели. Способ позволяет повысить производительность процесса, уменьшить количество пропиток и карбонизаций композиционного материала. Повышается прочность на изгиб и модуль упругости. Снижается уровень пористости, исключается образование трещин композиционного материала. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области изготовления изделий из композиционных углерод-углеродных материалов (С-С КМ).

Известен следующий способ получения С-С КМ. Каркас из углеродных волокон пропитывают полимерным связующим с последующим его отверждением карбонизацией, в процессе которой формируется углеродная матрица (Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, -М.: Химия, 1974 г.) Известный способ имеет ряд недостатков, снижающих прочностные характеристики композиционного материала и производительность процесса вследствие наличия остаточной пористости и трещин, а также необходимости многократной пропитки и карбонизации матрицы.

Известен способ и устройство изготовления изделия из композиционного материала с чередующимися монослоями углеродных волокон, полимерных связующих прослоек и тканей, которые подвергают прессованию при температуре 140^oС и давлении 30 МПа. Далее проводят карбонизацию матрицы при 1200^oС в камерной печи без нагрузки (Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки, -М.: Металлургия, 1986, стр.189-200).

Недостатками известного способа являются остаточная пористость и образование трещин в процессе карбонизации, снижение производительности при раздельном проведении процессов пропитки и карбонизации композиционного материала.

Для обеспечения процесса пропитки углеродной ткани и волокна углеродсодержащим связующим, а также непрерывности контролируемого нагружения по всей поверхности полуфабриката изделия при последующей карбонизации используют пресс изотермической штамповки с тепловыравнивающими подштамповыми плитами (Фиглин С. З. и др. Изотермическое деформирование металлов, -М.: Машиностроение, 1978 г., стр.50-56). Подштамповые плиты таких прессов имеют замкнутые лабиринтные сетчатые полости с циркулирующим жидким натрием или калием.

Недостатком известной конструкции является отсутствие средств защиты от окисления прессуемого материала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение производительности и уровня физико-механических свойств композиционного углерод-углеродного материала в процессе формирования из него изделия типа днища.

Поставленная задача решается применением способа горячего прессования, включающего предварительное формирование полуфабриката изделия из композиционного материала путем последовательной укладки монослоев углеродной ткани, связующей полимерной углеродсодержащей прокладки и углеродного волокна, связующей прокладки, углеродной ткани, непрерывный нагрев полуфабриката изделия с одновременным приложением контролируемой нагрузки по всей поверхности полуфабриката изделия до полного расплавления связующей прокладки, пропитки ткани и углеродного волокна полимерным связующим и его отверждения, а также последующей карбонизации связующей составляющей, причем процесс ведут в безокислительной среде.

Такой способ позволяет обеспечить снижение пористости, исключает образование трещин и повышает производительность процесса.

Для обеспечения полноты пропитки углеродной ткани и углеродного волокна полимерным углеродсодержащим связующим скорость нагрузки регулируют в пределах 110^-4-110^-3 с^-1 до температуры 200^oС, а в интервале температур 200...700^oС увеличивают до значений 110^-3-110^-2 с^-1 для ускорения процесса карбонизации связующей составляющей.

Для уменьшения испарения (сублимации) углеродсодержащих компонентов связующего в интервале температур до 200^oС разрежение поддерживают в пределах 110^-1-110^-2 мм рт.ст. за счет искусственного натекания инертного газа. В интервале температур 200...700^oС разрежение поддерживают на уровне 510^-3-110^-3 мм рт.ст. для обеспечения безокислительных условий нагрева.

С целью исключения приваривания к рабочей поверхности штампа углеродной ткани и повышения технологической жесткости конструкции полуфабриката изделия при последующей транспортировке и обработке наружные слои композиционного материала выполнены из металлического листа.

Для обеспечения предложенного способа и безокислительных условий нагрева применяется устройство горячего прессования композиционного материала, включающее пресс изотермической штамповки со штамповым блоком, содержащим два штампа, тепловыравнивающие подштамповые плиты с замкнутыми лабиринтными полостями и нагреватели, в котором каждый штамп снабжен герметичным корпусом, корпус верхнего штампа снабжен сильфоном, а корпус нижнего соединен с вакуумной откачной системой и системой напуска инертного газа.

С целью обеспечения равномерного и взрывобезопасного нагрева рабочей поверхности штампов в интервале температур до 700^oС лабиринтные полости тепловыравнивающих подштамповых плит заполнены расплавленным металлическим литием.

Для уменьшения испарения углеродсодержащих компонентов в интервале температур до 200^oС, поддерживания необходимого уровня разрежения за счет натекания инертного газа корпус нижнего штампа сообщен с вакуумной откачной системой и системой напуска инертного газа.

Для сокращения времени охлаждения подштамповых плит последние снабжены водоохлаждаемыми проставками.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства;

на фиг.2 - конструкция обрабатываемого изделия;

на фиг.3 - композиционный материал;

на фиг.4 - график технологического процесса, осуществляющего способ.

Устройство включает пресс 1 изотермической штамповки с подвижной траверсой 2.

Штамповый блок состоит из двух штампов: нижнего штампа 3 с герметичным водоохлаждаемым корпусом 4 и уплотнительной прокладкой 5 и верхнего штампа 6 с герметичным водоохлаждаемым корпусом 7.

Корпус 7 штампа 6 снабжен сильфонным уплотняющим соединением 8.

В подштамповых тепловыравнивающих плитах 9, 10 выполнены замкнутые сетчатые лабиринтные полости 11, сообщенные между собой.

Подштамповая тепловыравнивающая плита 9 расположена над штампом 6, а плита 10 - под штампом 3.

Водоохлаждаемые проставки 12,13 размещены соответственно над и под подштамповыми плитами 9 и 10.

Верхний нагреватель 14 установлен вокруг торца верхней подштамповой плиты 9, а нижний нагреватель 15 вокруг штампа 3 и торца нижней плиты 10.

Откачной вакуумный трубопровод 16 сообщен с полостью корпуса 4 нижнего штампа 3, к которому также подведен трубопровод с вентилем 17 напуска инертного газа и натекателем 18.

Трубопроводы подачи водовоздушной смеси с вентилями 19 подведены к водоохлаждаемым проставкам 12, 13.

Обрабатываемый полуфабрикат изделия типа усеченной сферы (днища) 20 расположен на рабочей поверхности штампа 3.

Для исключения нагрева металлических частей пресса 1 используются теплоизолирующие проставки 21.

В нижнем штампе 3 расположен выталкиватель 22.

Процесс осуществляется следующим образом.

В нижний штамп 3 последовательно укладывают (см. фиг.3) металлический лист, углеродную ткань, углеродную полимерную связующую прокладку, углеродное волокно в виде сетки, далее снова связующую прокладку, углеродную ткань, металлический лист.

Штамп 3 с полуфабрикатом изделия 20 вводят в рабочую зону пресса 1. Включают ход подвижной траверсы 2 и корпус 7 верхнего штампа 6 через сильфон 8 и прокладку 5 соединяют с корпусом 4 нижнего штампа 3.

Затем включают вакуумные насосы (не показаны) и через трубопровод 16 откачивают до заданного разрежения 110³ мм рт.ст внутреннюю полость штампового блока с полуфабрикатом 20 (см. фиг.4).

По достижении заданного разрежения 110^-3 мм рт.ст. включают нагреватели 14, 15 и через натекатель 18 подают инертный газ в полость штампового блока, понижая в нем разрежение до 110^-1-110^-2мм рт.ст., т.е. до значения, исключающего испарение углеродсодержащей составляющей в связующей прокладке.

Одновременно включают рабочий ход траверсы 2 и прессуют полуфабрикат 20 с заданной скоростью нагрузки 110^-4-110^-3 с^-1, обеспечивающей заполнение каркаса, пропитку ткани и волокна углеродсодержащим связующим.