Материал: Композиционные материалы. Обработка композиционных материалов давлением

По достижении температуры 200^oС отключают натекатель 18 и увеличивают скорость контролируемой нагрузки траверсой 2 до заданных значений 110^-3-110^-2 с^-1, а вакуум поддерживают на уровне 510^-3-110^-3 мм рт.ст.

При достижении температуры 700^oС и окончании выдержки отключают нагреватели 14, 15, снимают нагрузку траверсой 2, подают через вентиль 19 в проставки 12,13 охлаждающую водовоздушную смесь и заполняют штамповый блок через вентиль 17 инертным газом.

По достижении температуры 400^oС поднимают подвижной траверсой 2 верхний штамп 6, выкатывают из рабочей зоны пресса 1 нижний штамп 3 и выгружают полуфабрикат изделия 20 с помощью выталкивателя 22.

Проводилась технологическая обработка полуфабриката имитатора (днища) 20 (см. фиг. 2) из С-С КМ в полупромышленной установке, включающей модернизированный гидравлический пресс ДГ 2432 с усилием 1600 кН и элементами конструкции, представленными на фиг.1.

График режима обработки полуфабриката имитатора 20 представлен на фиг.4.

Пример выполнения способа приведен в табл. 1.

Ожидаемые результаты: 1) повышение производительности процесса за счет сокращения количества пропиток и карбонизаций композиционного материала; 2) повышение прочности на изгиб и модуля упругости за счет снижения уровня остаточной пористости композиционного материала.

В табл. 2 приведены режимы обработки и физико-механические свойства С-С КМ (см. фиг. 3) после его карбонизации, обработанного в полупромышленной установке на базе пресса ДГ 2432 по режиму, представленному на фиг.4 и в табл. 1, в сравнении с физико-механическими свойствами С-С КМ полуфабриката имитатора, обработанного по существующей технологии, включающей прессование полуфабриката имитатора на гидравлическом прессе и карбонизацию в камерной электропечи без применения контролируемой нагрузки к поверхности полуфабриката имитатора. Как видно из табл. 2, значение временного сопротивления на изгиб (G^изг) КМ возросло в 2...3 раза при однократной пропитке, отверждении и карбонизации полуфабриката С-С КМ.

Формула изобретения

. Способ горячего прессования изделий из композиционного материала, характеризующийся тем, что предварительно формируют полуфабрикат изделия путем последовательной укладки монослоев углеродной ткани, связующей полимерной углеродсодержащей прокладки и углеродного волокна, далее связующей полимерной углеродсодержащей прокладки и углеродной ткани, затем ведут непрерывный нагрев полуфабриката изделия в безокислительной среде путем создания предварительного разрежения 110^-3 мм рт. ст., а в интервале температур до 200^oС разрежение поддерживают в пределах 110^-1-110^-2 мм рт. ст. за счет искусственного натекания инертного газа, а в интервале температур 200-700^oС разрежение поддерживают на уровне 510^-3-110^-3 мм рт. ст. с одновременным приложением контролируемой нагрузки по всей поверхности полуфабриката изделия до полного расплавления связующей прокладки, причем скорость нагрузки регулируют в пределах 110^-4-110^-3 с^-1до температуры 200^oС, а в интервале температур 200-700^oС в пределах 110^-3-110^-2 с^-1, пропитки ткани и углеродного волокна полимерным связующим и его отвердения, а также последующей карбонизации связующей составляющей.

. Способ горячего прессования по п. 1, отличающийся тем, что полуфабрикат изделия выполнен в виде днища.

. Устройство горячего прессования изделий из композиционного материала по пп. 1 и 2, включающее пресс изотермической штамповки со штамповым блоком, содержащим два штампа, тепловыравнивающие подштамповые плиты с замкнутыми лабиринтными полостями, которые заполнены расплавленным литием, и нагреватели, отличающееся тем, что каждый штамп снабжен герметичным корпусом, корпус верхнего штампа включает сильфоновое уплотняемое соединение, а корпус нижнего соединен с вакуумной откачной системой и системой напуска инертного газа, кроме того, тепловыравнивающие подштамповые плиты снабжены водоохлаждающими поставками.

3. Анализ современного состояния и перспектив развития технологии композиционных материалов

Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов композиционных материалов (матрицы и наполнителя, их соотношения, ориентации наполнителя) можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Традиционные материалы (главным образом, металлы) не всегда отвечают потребностям современной инженерной практики. Например, в особо жестких условиях эксплуатации незаменимость композитов обеспечивается сочетанием таких важнейших характеристик, как высокая механическая прочность, теплостойкость, коррозионная стойкость, малая плотность. Во-вторых, многообразие комбинаций различных исходных материалов и их компонентов, а также технологий их переработки в композитные материалы и изделия практически бесконечны и ограничены только уровнем развития науки и техники. При этом используются такие преимущества композитов, как возможность «бесстружечной» обработки (литье, прессование, экструзия) с получением изделий любой формы, что существенно снижает производственные затраты.

В мировой практике в зависимости от материала матрицы композиционные материалы подразделяются на полимерные, керамические, металлические, а также углерод-углеродные композиты. В настоящее время на международном и российском рынке наибольшее распространение получили полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые, в свою очередь, делятся по типу используемого волокна: углепластики создаются на основе углеродных волокон, стеклопластики - стеклянных, органопластики - органических, базальтопластики - базальтовых волокон и т.п. ПКМ также делятся на непрерывно армированные (в качестве наполнителя выступают текстильные материалы на основе непрерывных волокон: нити, жгуты, ленты, ткани, объемноплетеные формы), дискретно армированные (упрочненные дискретными - рубленными или штапельными волокнами), наполненные (упрочненные различного рода дисперсными частицами). В современной технике наибольший интерес представляет класс непрерывно армированных ПКМ. Такие материалы, по праву относящиеся к классу конструкционных, способны обеспечить максимальную реализацию прочностных характеристик при создании уникальных изделий и конструкций нового поколения применительно к ответственным сооружениям и сложным техническим системам.

3.1 Рынок композиционных материалов

Объем производства композиционных материалов в России оценивается десятками тысяч тонн и составляет всего лишь 0,3-0,5% от мирового рынка. Резкое падение спроса в последние двадцать лет на авиационную и оборонную продукцию практически заморозили развитие разработок в области полимерных связующих и армирующих волокон, щедро финансируемые в 80-е годы. В то же время в Европе, США и странах Азиатско-Тихоокеанского региона наблюдается бум в развитии композитной отрасли. Мировой рынок композиционных материалов на сегодняшний день оценивается в 12 млн тонн в год и составляет около 30 трлн рублей. При этом потребление только мирового авиастроительного сектора составляет порядка 340 млрд. рублей (около 1%). Ежегодно авиастроительные компании перерабатывают около 530 тонн (7% от мирового производства) углеродных волокон в виде препрегов и углеродных тканей и 330 тонн стеклянных волокон. Наиболее передовые достижения у нас есть в области авиастроения, где организованы новые композитные производства. Например, это заводы «Объединенной авиастроительной корпорации» "КАПО Композит" (Казань) и «АэроКомпозит-Ульяновск». [9]

3.2 Перспективы применения композитов в России

Министерство промышленности и торговли РФ на конкурсной основе выделяет субсидии на поддержку развития производства композиционных материалов и изделий из них в рамках реализации программы «Разработка технологий получения комплекса композиционных материалов (композитов) нового поколения, изделий и конструкций из них» и подпрограммы «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Главная цель - стимулирование развития отрасли конструкционных и композиционных материалов нового поколения.

В ходе реализации подпрограммы будет создана современная нормативно-правовая и нормативная техническая база, регламентирующая разработку, производство и широкое внедрение композиционных материалов и изделий из них в ключевых секторах экономики. Будут разработаны и реализованы пилотные масштабируемые инновационные проекты на основе первоочередных отраслевых проблемно-ориентированных НИОКР, а также сформирована национальная база интеллектуальной собственности в области производства современных композиционных материалов и изделий из них гражданского назначения.

Основной ожидаемый результат заключается в росте объема внутреннего производства продукции композитной отрасли, который к 2020 году составит 120 млрд руб., а объем потребления продукции отрасли на душу населения к 2020 году составит не менее 1,5 кг. Количество разработанных технологий мирового уровня, прошедших опытную отработку и готовых к коммерциализации или переданных в производство, к 2016 году составит не менее 65 единиц, а количество полученных патентов, ноу-хау и других правоохранных документов, удостоверяющих новизну технологических решений, - не менее 58 единиц. [9]

Заключение

Композиционные материалы являются одним из наиболее востребованных материальных ресурсов современного промышленного производства. Особенно широко и эффективно они используются в высокотехнологичных отраслях. В настоящее время нет ни одного летательного аппарата, в конструкции которого не были бы использованы композиты. В некоторых конструкциях планера современных летательных аппаратов объем использования ПКМ достигает 60%. Подсчитано, что, например, благодаря композитным составляющим вес Ту-204 удалось снизить на 1200 кг по сравнению с аналогичной металлической конструкцией. А поскольку каждый сэкономленный килограмм веса воздушного судна снижает потребление топлива на 2-3 кг в год, то при цене авиационного керосина 30-40 руб./кг ежегодная экономия доходит до 144 тыс. руб.[9]

В России общепризнанным лидером в разработке состава и технологии производства композитов является Всероссийский институт авиационных материалов. Новые поколения композитов, разработанных ВИАМом, находят свое применение в создании новых образцов авиационной и ракетной техники и не уступают, а по ряду показателей превосходят зарубежные аналоги.

Полимерные композиционные материалы обеспечивают в силовых конструкциях высокую эксплуатационную надежность и долговечность, что помимо традиционных отраслей применения (авиация, космонавтика, судостроение) весьма актуально в строительной индустрии, энергетике, машиностроении, конструкциях дорожной инфраструктуры (в частности, мостовые сооружения) и других отраслях.

Список литературы

1.      В.Н. Сафин Композиционные материалы [Текст лекций] - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010.

.        Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. - М.: Техносфера, 2004.

.        Ставров, В. П. Формообразование изделий из композиционных материалов: учеб. пособие / В. П. Ставров. - Минск: БГТУ, 2006.

.        Справочник по композиционным материалам. В 2-х т./ Под ред. Дж.Любина. - М.: Машиностроение, 1988.

.        Композиционные материалы: Справочник /В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. - М.: Машиностроение, 1990.

.        Сайт - http://www.composite.ru

.        Сайт - http://minpromtorg.gov.ru

.        Сайт - <http://composites.owenscorning.com>