Навигация

Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 29

отверждении слоистого пластика они разрушаются. Полимерные пленки даже при осторожном обращении с ними в процессе работы легко рвутся. Кроме того, уплотнения диафрагмы могут оказаться недостаточно надежными, что приводит к утечкам. Необходимое уплотнение достигается сжатием герметика между полимерной пленкой и поверхностью формы. Перед подачей давления для отверждения материала при формовании с эластичной диафрагмой следует выявить и ликвидировать все места утечек. Даже при термическом отверждении не исключена возможность того, что ослабленные полимерные пленки могут лопнуть при подаче повышенного давления. При этом часто наблюдается, что дорогая деталь из композиционного материала отформовывается неправильно, потому что пакет листов не был достаточно отвержден или уплотнен. Использование толстых поверхностных слоев из силоксанового каучука и самоуплотняющихся диафрагм многократного применения и других чехлов снижает стоимость изготовления КМ и количество образующихся бракованных изделий благодаря упрощению технологического цикла и более надежному контролю за соблюдением условий отверждения [1].

Рис. 14.2 и 14.3 иллюстрируют применение механически закрепленных обычных и армированных стекловолокном диафрагм ( чехлов ) из силоксанового каучука. Диафрагмы уплотняют, зажимая силоксановый каучук между двумя плоскими и достаточно гладкими металлическими поверхностями. При этом дополнительная уплотнительная прокладка не требуется.

Другое, более дешевое торцовое уплотнение обеспечивает перекрытие полости внутри диафрагмы затвором вакуумного типа, который соединен с отдельной вакуумной линией (диафрагму следует располагать над пакетом слоев в форме). Затем подготавливают соединительные детали для вакуумного затвора и уплотняют диафрагму относительно формы за счет отсоса. После этого удаляют воздух из-под диафрагмы или соединяют эту полость с атмосферой в зависимости от того, как это предусмотрено условиями формования.

Штуцера для подсоединения к вакуумной линии могут быть вплавлены внутрь диафрагмы из силоксанового каучука при ее изготовлении. На рис. 14.7, а и б показаны приспособления для быстрого отключения вакуумных линий, которые вплавлены внутрь диафрагм, сделанных из силоксанового каучука, армированного стекловолокном, а на рис. 14.7, в - вид снизу изображенной на рис. 14.7, б диафрагмы, который поясняет, как вспомогательные металлические детали могут быть вплавлены внутрь каучуковых диафрагм. В этом случае используется приведенный на рисунке перфорированный трубчатый коллектор, через который удаляется воздух из диафрагмы. Аналогично вплавляют упрочняющие рамы для больших диафрагм, изготовленные за одно целое нагревательные элементы и термопары для контроля температуры. На рис. 14.8 изображены два варианта наиболее 96



Рис. 14.7. Форма с диафрагмой различных типов:

а - форма с резиновым колпачком н диафрагмой; бив - соответственно вид сверху снизу диафрагмы нз силоксанового каучука о отлитой в ней вакуумной линией




Рис. 14.9. Наружная уплотняющая рама:

; - вакуумная линия; 2 - вннт; 3 - верхняя рама; 4 - нижняя рама; 5 - диафрагма из армированного стекловолокном силоксанового каучука; 6 - компенсационный сальник; 7 - оснастка; 8- литые резиновые уплотнении


Рис. 14.8. Типы многоканавочных уплотнений:

а - основной тнп; б - модифицированный вариант; / - взаимосвязанные канавки; 2 - компенсационный сальник; 3 - диафрагма из армированного стекловолокном силокса-иового каучука; 4 - оснастка; 5 - вакуумная линия: 6 - вкладыши из мягкого силоксанового каучука

легко собираемых затворов, где а - затвор для диафрагмы из армированного стекловолокном силоксанового каучука, отлитый из PTV 92-048, и видоизмененный вариант, в котором использован предварительно отлитый вкладыш из силоксанового каучука с низкой твердостью по Шору. Уплотнение с предварительно отлитым вкладышем лучше облегает поверхность формы. Все уплотняемые поверхности должны быть чистыми, не иметь царапин и вмятин. На рис. 14.9 показан более надежный затвор в виде металлической рамы с резиновыми уплотнениями.

Многократно используемые чехлы с вентиляционными отверстиями и диафрагмы из силоксанового каучука выдерживали до 1600 циклов формования. Известны случаи, когда стоимость потребляемых материалов для систем с вертикальными выпускными отверстиями снижалась более чем на 90 %, а связанные с заменой материала затраты на рабочую силу уменьшались более чем на 80 %.

К материалу для получения литых диафрагм из силоксанового каучука предъявляются следующие требования:

текучесть, достаточная для получения мембран сложной конфигурации;

способность пропитывать стекловолокно;

способность вулканизоваться при комнатной температуре;

мягкость, достаточная для точного прилегания к уплотняемой поверхности;

долговечность, обеспечивающая работоспособность после многократных длительных выдержек при температурах до 179 °С без снижения прочности и упругости;

стабильность размеров;

возможность ремонта.

В число материалов, рекомендованных разработчиками диафрагм многократного использования для фирмы Груммэн эароус-пейс , входят:

латекс силоксанового каучука RTV 92-048 фирмы Дау Кернинг ;

дисперсияДС 92-009ГУ фирмы Дау Корнинг , разбавленная тяжелым бензином в соотношении 1 : 1 для смачивания стекловолокна;

RTV 630 фирмы Дженерал электрик ;

стеклоткань артикула 1000 с нейтральным рН, очищенная от аппретуры нагреванием;

стеклоткань с трикотажным переплетением фирмы Ютайтед мэрчент для изделий, имеющих форму свернутой спирали;

вулканизованный и невулканизованный каучук и листы из него марок Мосайтс и D фирмы Эаркрафт продактс .

Диафрагму обычно устанавливают над формуемым собранным пакетом листов с выпускными отверстиями и поверхностными слоями с отверстиями. На этот пакет кладут разделительную пленку, после чего устанавливают диафрагму из силоксанового каучука и вакуумом подтягивают всю сборку как можно плотнее к форме. Вакуум поддерживают все время, пока крепят диафрагму. По периметру форму обкладывают полосками парафина для образования зубцов, между которыми будут уложены вакуумные уплотнения. Затем форму по периметру обматывают также экструдированными полосками мягкой резины.

14.6. Составы композиций

Для улучшения свойств слабо нагруженных конструкций мокрое формование слоистых пластиков иногда сочетают с формованием с эластичной диафрагмой. Поскольку сухое волокно трудно пропитать небольшим количеством смолы, исходное объемное соотношение смолы и армирующих материалов обычно берут не менее 2:1. Массовое соотношение этих компонентов х1 : I. При контактном формовании заготовок для компенсации высокого содержания смолы приходится увеличивать толщину композиционного материала. К таким изделиям относятся архитектурные панели и ограждения, арматура и облицовка ванных комнат, а также составные конструкции в легковых и грузовых aBjoMo6H-лях. Однако при получении ответственных опорных деталей иногда встречаются пространственные ограничения. Для уменьшения содержания смолы и улучшения конструкционных свойств можно использовать различные способы удаления излишка связующего.



в зависимости от размеров и конфигурации пакета листов, применяя некоторые приемы, удается снизить объемную долю смолы до 5 %. В изделиях большого размера или свернутых спирально можно удалить не более 1 % излишка смолы. При избыточном содержании смолы в слоистых пластиках наблюдаются размыв волокна, сморщивание слоев, большая разнотолщинность материала и его неполное отверждение вследствие чрезмерных потерь химически активных летучих веществ. Эти явления приводят к ухудшению эксплуатационных свойств готовых изделий. При правильном проведении процесса отверждения объемное содержание пор в слоистых пластиках не превышает 2 %.

Технологические приемы укладки в пакет сухих армирующих материалов со смесью смолы и катализатора аналогичны применяемым при ручной укладке для контактного формования. При использовании в пакете отверждаемых при комнатной температуре смол их композицию подбирают с таким расчетом, чтобы жизнеспособность была максимальной. Смесь смолы с катализатором наносят валиками, щетками или другими подходящими приспособлениями, а для обеспечения пропитки армирующих материалов и вытеснения захваченного воздуха смолу вручную втирают в волокна.

Если объемное содержание смолы меньше 60 % (менее 43 % массы смолы в готовом стеклопластике), пропитать волокнистый армирующий материал становится трудно. Часто приходится с усилием прикатывать смолу валиком через толстую пленку, помещенную сверху на собранный пакет. Иногда при этом прикладывается такое большое усилие, что разрушаются волокна и нарушается их ориентация. В этих случаях приходится выбирать наименьшее из зол: увеличенное содержание смолы, разрушение армирующего материала или большое количество пор в композите.

Однородность распределения смолы в толще армирующих материалов зависит от квалификации рабочего, вязкости смолы, адекватной ее жизнеспособности, и ориентации армирующей компоненты. Трудности, встречающиеся при получении изделий сложной формы,заключаются в скапливании смолы в углублениях и провисании уложенных слоев армирующих материалов вблизи наклонных стенок.

Основное отличие от контактного формования связано с использованием приемов для удаления избытка связующего и закладки пакета в эластичную диафрагму. Дешевое стекловолокно почти всегда используются при мокром формовании композиционных материалов. Как правило, снижение массы или увеличение прочности или жесткости конструкции - недостаточно однозначные факторы, чтобы они могли служить основанием для применения более дорогих армирующих материалов. Однако достижение большей жесткости и усталостной прочности часто оправдывает использование углеродных волокон. 100

14.6.1. Модификаторы композиций смол

Композиции жидких смол, применяемые для мокрого формования слоистых пластиков и получения препрегов намоткой одиночными нитями, содержат все необходимые компоненты для перехода в отвержденное состояние. Композиция подбирается таким образом, чтобы она обладала жизнеспособностью, достаточной для завершения процесса формования с эластичной диафрагмой. Добавками служат обычно антипирены, светостабилиза-торы и загустители. Инертные растворители, как правило, при этом варианте технологии не применяют. Известны случаи, когда при использовании растворителей для уменьшения вязкости смолы предпринимались попытки их испарения до начала стадии отверждения.

Применение загустителей в, жидких смолах дает ряд следующих преимуществ:

1) увеличение структурной монолитности отвержденных слоистых пластиков и соотвержденных клеевых соединений;

2) удержание армирующего материала на наклонных поверхностях формы во время технологических операций;

3) удержание смолы армирующими материалами во время технологических операций;

4) контролирование соотношения компонентов и размеров отвержденного материала.

Обычно желаемые результаты достигаются при введении загустителей с массовой долей менее 10 %.

14.6.2. Композиции смол с растворителем для намотки препрегов

Иногда инертные растворители используются для сохранения смол в состоянии, достаточно жидком для пропитки армирующих материалов в процессе намотки препрегов. При употреблении таких систем требуется дополнительное оборудование. Помимо приборов, измеряющих количество смолы, оставшейся на волокне, необходимо устройство для испарения растворителей на стадии образования препрегов. Применяют усовершенствованные тоннельные сушилки и ступенчатые колонны. Это позволяет наматывать многослойные препреги, не содержащие такого избытка растворителя, которое может вызвать образование пор.

14.6.3. Препреги, получаемые намоткой одиночными нитями

Процессы намотки одиночными нитями описаны в гл. 16. В отдельных случаях, с экономической или конструкционной точки зрения целесообразно наматывать многослойные препреги. После намотки их снимают с оправки для последующего формования с эластичной диафрагмой.

Оправки предварительно обматывают мягкими полимерными пленками, которые в дальнейшем служат подложкой для препре-



roB. Препреги, получаемые намоткой волокном, должны иметь определенный порядок чередования слоев под заданными углами, необходимый для данного пакета листов. Когда волокна сведены в параллельный пучок, объемное их содержание сохраняется на уровне 60 ... 65 %.

Число слоев в препреге ограничивается его толщиной, при которой он может быть выложен на поверхности формы без нарушения ориентации волокна или сморщивания отдельных слоев. Оптимальные толщины препрега определяются диаметрами оправки, возможностями подгонки их под конфигурацию поверхности формы и площадью поверхности, которая должна быть покрыта препрегом.

После завершения намотки удаляют избыток намотанного материала по краям оправки. Подложку вместе с намотанным препрегом нарезают параллельно оси оправки. Затем ее снимают с оправки и переносят на поверхность формы. Укладывать препрег на поверхность с обратной кривизной не рекомендуется. При работе с позитивной формой подложка должна находиться на ее поверхности. Когда применяется негативная форма, то препрег опускается в ее полость смолой вниз. Если препрег находится достаточно глубоко в форме, подложку можно удалить после завершения укладки слоев в полость или размещения вспомогательной подложки для укладки препрега в позитивной форме. В противном случае подложка должна оставаться на своем месте до отверждения композита.

При ступенчатом получении препрегов они по своим качествам приСлижаются к свойствам материалов, применяемых для аэрокосмических аппаратов. Укладка слоев материала производится в заданной последовательности, отверждение происходит на оправке, удаление излишка связующего почти (или совсем) не требуется, а контроль процесса может осуществляться непрерывно во время намотки.

14.7. Промышленные препреги

Это армирующие материалы, пропитанные заранее определенным количеством равномерно распределенной смолы и переработанные таким образом, что сохраняются оптимальные технологические характеристики и обеспечивается воспроизводимость свойств отвержденного композита. Для пропитки применяют эпоксидные, полиэфирные, фенольные, кремнийорганические, полиимидные и термопластичные (например, полисульфон) смолы. Композиции смол используют в виде жидкостей, горячих расплавов и разбавленных растворителем систем, а также как олигомерные смеси.

В качестве армирующих материалов применяют, помимо стекловолокна, борные, углеродные и высокомодульные арамидные волокна. Они могут быть в виде тканей, лент или тесьмы шириной свыше 457 мм. По сравнению с мокрыми полуфабрикатами эти 102

препреги обладают превосходными конструкционными свойствами и используются, главным образом, для удовлетворения наиболее жестких требований авиационно-космической промышленности.

14.7.1. Стандарты по контролю качества Точный состав большинства препрегов запатентован фирмами. Изготовители препрегов гарантируют их физические и технологические свойства и соответствие нормам на качество композитов, приведенным в приобретаемых у компании спецификациях. Военные и промышленные технические условия устанавливают общие стандарты по контролю качества препрегов. Спецификации компаний на поставку материалов и их переработку вносят в эти стандарты специальные добавления, учитывающие специфику применения изделий или особенности их конструкции. Стандарты, регламентирующие контроль качества композиций и технологические параметры, включают в себя определение следующих показателей.

Массовое соотношение смолы, армирующего материала и летучих:

1. Содержание смолы или армирующих материалов, определенное экстракцией растворителем, пиролизом или методом химической идентификации.

2. Содержание летучих, определенное неполным пиролизом в стандартных условиях испытания.

Технологические параметры:

1. Липкость, т. е. величина, характеризующая качество адгезии.

2. Текучесть, т. е. количество смолы, которое можно выдавить из стандартного образца после его отверждения между плитами пресса при стандартных значениях температуры и давления.

3. Продолжительность желатинизации (время гелеобразоваиия) - отрезок времени, в течение которого стандартный образец должен находиться между нагретыми плитами до полного прекращения прилипания смолы к эталонному материалу.

Для проверки гарантированных изготовителем свойств препрега необходимо провести контроль качества отвержденных панелей. Соответствие материала техническим условиям оценивается по результатам определения предела прочности при растяжении и изгибе и межслоевой прочности на сдвиг по главным направлениям препрега.

14.7.2. Контроль состава композиций

Оптимальные свойства слоистых пластиков конструкционного назначения наиболее воспроизводимо обеспечиваются, когда объемное содержание пор в материале не более 2 %, а среднее объемное содержание армирующего материала Уср соответствует приведенным ниже значениям;

Армирующий материал

cp %

0,50

Борные волокна диаметром 0.1 мм, соответствующие стеклохол-

сту артикула 104 .......................

Тканые в двух направлениях тканн (для авиационно-космических целей)............................



Тканые в одном направлении ткани (для авиацконко-космнческня

целей) объемного переплетения................ 0,60-0,65

Тканые в одном направленнн ткани (для авиационно-космических

целей) с поперечными прядями................ 0,55-0,60

Сведенные в параллельный пучок волокна без канвы...... 0,65

В тех случаях, когда вытекающий на поверхность излишек смолы не должен превышать 2 %, наблюдается сморщивание слоев, ухудшение внешнего вида и разнотолщинность материала. Конструкционные композиты с повышенными характеристиками получить значительно сложнее, чем мокрые слоистые пластики. Минимальное массовое содержание волокна Wemin может быть установлено анализом препрегов, а в препрегах, предназначенных для высокоэффективных конструкций, оно определяется по следующему уравнению;

(Fcp-0,02)Pb (Vcp-0,02) Рв + (1,02-К)рс

где Рв - плотность волокна; рсм - плотность смолы.

Более высокое содержание армирующего компонента в КМ, за исключением армированных термопластов, часто препятствует выжиманию излишка связующего и приводит к увеличению количества пор в ламинате. Повышенное содержание смолы может вызвать плохую воспроизводимость свойств готовых изделий.

14.7.3. Контроль содержания летучих компонентов

Обычно при контроле качества препрегов инертные летучие вещества не отделяют от химически активных летучих компонентов. Тем не менее даже общее содержание летучих веществ дает качественную оценку сорта препрега, летучести растворителей и степени деструкции в результате старения. Если сравнить содержание летучих компонентов непосредственно перед укладкой препрега в форму с результатами анализа в момент получения его от поставщика, то можно судить об интенсивности его старения.

14.7.4. Контроль липкости

Липкость - это адгезионная характеристика, контроль которой необходим для облегчения послойной укладки. Она зависит от содержания смолы и инертных летучих, степени подготовки препрега, температуры и влажности в помещении. Иногда липкость повышается с увеличением содержания смолы и летучих, при замедленной подготовке препрега и некотором повышении окружающей температуры при послойной укладке. В других случаях повышение липкости происходит при перераспределении композиции смолы или введении в нее новых добавок. Состав композиции нельзя изменять без ее перепроверки изготовителем. 104

Свойства препрегов часто изменяются в такой степени, что приходится проверять характеристики и долговечность отвержденного слоистого пластика.

При работе с препрегами, обладающими очень большой липкостью, обычно сильно нарушается распределение смолы и ориентация волокон или происходит образование сгустков армирующего материала. Соотношение компонентов оказывается непостоянным, так как при снятии с препрега разделительной пленки или подложки всегда удаляется какое-то неизвестное количество смолы. В принципе, все недостатки систем, используемых при мокром формовании слоистых пластиков, присущи и чрезмерно липким препрегам.

Если препреги не имеют липкости, это значит, что или их подготовка доведена до слишком высокой стадии, или истек срок их годности при хранении. Такие материалы уже не могут нормально отверждаться, и их выбрасывают. Исключение составляют кремнийорганические и некоторые полиимидные смолы, которые после подготовки всегда не имеют липкости. Применение этих смол допускается в тех слоистых пластиках, в которых снижение механических свойств оправдано благодаря увеличению теплостойкости или электрических показателей. Отсутствие липкости в термопластичных препрегах не препятствует их отверждению.

Подготовку большинства препрегов прекращают на стадии, допускающей широкую возможность регулирования их липкости. Уровень липкости должен, с одной стороны, обеспечивать прилипание препрега к подготовленной поверхности формования или прилегающим слоям при послойной укладке, но, с другой стороны, быть не слишком большим, чтобы изделие можно было отделить от пленки-подложки без потери смолы. Таким образом, уровень липкости можно сформулировать как значение показателя, при котором препрег остается приклеенным к подложке вплоть до приложения заранее определенного усилия отслаивания.

При отсутствии неблагоприятных воздействий на отвержденные слоистые пластики требования к липкости можно варьировать с учетом конкретных условий производства. Влияние локальных колебаний температуры и влажности сводится к минимуму при кондиционировании воздуха, а высокие значения липкости поддаются изменению при снижении температуры. Клейкость в сухом состоянии можно улучшить с помощью пульверизации материала горячим воздухом.

14.7.5. Контроль текучести

Результаты измерения текучести смолы свидетельствуют о ее способности сплавлять последовательные слои ламината, вытесняя газообразные побочные продукты реакции, которые образуют поры. Величина текучести характеризует также пригодность или уровень подготовки препрега. Часто для сохранения необходи-



мой текучести устанавливаются оптимальные значения содержания смолы и липкости. В некоторых случаях для регулирования текучести в смолу добавляют загустители.

14.7.6. Продолжительность желатинизации

Продолжительность желатинизации (время гелеобразоваиия)- показатель, характеризующий степень подготовки препрегов. Срок их службы ограничен количеством стадий или этапов подготовки. Состав большинства препрегов позволяет хранить их 8 сут. в нормальных атмосферных условиях. Срок службы может быть увеличен, если препреги хранить при -40 °С, но всякий раз, когда препрег длительное время хранится при комнатной температуре, его срок службы сокращается. Определение продолжительности желатинизации используется как гарантийная контрольная проверка качества. По результатам, полученным при этих измерениях, судят, надо ли проводить более дорогие испытания материала или срок годности препрега истек, и его следует выбросить в отвал.

14.8. Технология послойной укладки препрегов

Технология укладки и ориентации пропитанных смолой армирующих материалов на формующую поверхность в соответствии с конструкцией слоистого пластика определяется липкостью и драпировочными свойствами препрегов. Подготовка большинства препрегов доводится до стадии, когда они приобретают оптимальное сочетание липкости и драпировочных свойств.

14.8.1. Технология послойной укладки нелипких препрегов

Технология послойной укладки сухих нелипких препрегов (на основе кремнийорганических и полиимидных смол) находит ограниченное применение и не подходит для формования опорных конструкций. Как правило, для армирования используется стекловолокно и лишь для аэрокосмических летательных аппаратов - углеродные волокна. Появление специальных тканей сделало возможным применение сшитых оплеток, скоб или зажимов. Обычно укладываемые листы размещают так, чтобы была возможность обрезки застежек после отверждения слоистого пластика. Иногда препреги укладывают поверх позитивной формы и нагружают их края, чтобы плотно натянуть слои на формующую поверхность. Применение препрегов с плохими драпировочными свойствами ограничивается изделиями слегка вогнутой формы и одинарной кривизны. Очень часто успешная послойная укладка зависит от мастерства рабочего.

14.8.2. Процесс без удаления излишка связующего

Метод отверждения улучшенных композиционных материалов без системы выпускных отверстий был разработан с целью снижения стоимости и сложности оснастки. Увеличение объемного 106

содержания волокна при сохранении легкости обращения с материалом достигается при использовании препрегов с более низким, чем обычно, содержанием смолы. Например, препрег для формования ленты из армированной углеродными волокнами эпоксидной смолы, без удаления избытка связующего имеет 35 % смолы, а не 40 %, как обычно. Уложенные в пакет такие слои герметически заделываются пластмассовой пленкой Тедлар или непористой стеклотканью, покрытой Тефлоном . Захваченный воздух удаляется из слоистого пластика диффузией через полимерную пленку или стекложгуты, соединяющие собранный пакет и расположенную по периметру отводящую систему. Как правило, слоистые пластики, полученные без удаления избытка связующего, обладают меньшей прочностью из-за пористости и повышенного содержания смолы. Однако можно ожидать, что ведущиеся сейчас исследования приведут к улучшению их свойств.

14.8.3. Укладка препрегов с термопластичной матрицей

Несмотря на то, что при комнатной температуре термопластичные препреги являются жесткими и сухими материалами, их можно формовать при нагревании выше температуры стеклования и плавить после непродолжительной выдержки при температуре плавления. Термопластичные препреги можно неограниченно долго хранить при комнатной температуре без всяких специальных предосторожностей. Они не подвергаются деструкции под действием влаги в такой степени, как препреги на основе термореактивных смол.

Среди препрегов, предложенных для получения слоистых пластиков, работающих при температурах до 179 °С, следует отметить полисульфоновые препреги. Создаются препреги на основе жгутов, ровингов и тканей. Технология их получения еще не полностью разработана.

В применяемых в настоящее время препрегах излишек смолы не удаляется. Листы материала порознь термоформуют примерно при 204 °С, охлаждают до комнатной температуры и укладывают стопкой в форму. Полученный пакет листов затем подвергают формованию с эластичной диафрагмой под вакуумом или в автоклаве при 315 °С. Продолжительность выдержки при температуре плавления зависит от толщины пакета. Для плавления восьмислойного слоистого пластика, армированного углеродным волокном, требуется не более 30 мин.

Полному расплавлению полимера мешают наличие деструкти-рованного материала на поверхности препрега и загрязняющих примесей, а также неоднородные условия плавления. Из-за поверхностных загрязнений происходит расслоение материала и увеличивается его пористость. Препреги на основе жгутов и ровингов наиболее пригодны для изделий плоской формы или имеющих



поверхность одинарной кривизны. Препреги, армированные тканью, целесообразно использовать для деталей изогнутой формы.

В качестве термопластичных матриц находят применение по-лиарилсульфоны, полиэфирсульфоны и акриловые смолы. Л. По-вермо с соавторами [21 описывают очень многообещающее потенциальное использование лент из акриловой смолы и графити-рованного волокна на работающих на солнечной энергии космических орбитальных станциях. Предварительные испытания показали, что эти материалы имеют очень высокую механическую прочность и долговечность.

14.8.4. Технология послойной укладки серийных препрегов

Подготовка препрегов для получения изделий конструкционного назначения должна завершаться на стадии, когда они приобретают необходимые значения липкости и драпировочных свойств. Липкость должна обеспечивать прилипание препрега под действием небольшого давления к подготовленной поверхности формования или к прилегающим слоям при послойной укладке. В то же время липкость не должна быть слишком большой, чтобы не препятствовать отделению препрега от подложки без потери смолы. Драпировочные свойства препрега должны обеспечивать его достаточную мягкость, чтобы он легко мог принять конфигурацию формующей поверхности. Оптимальное сочетание регулируемых липкости и драпировочных свойств проще всего достигается в препрегах, армированных тканями с атласным переплетением. Армирующие материалы из нетканого ровинга имеют низкую прочность в поперечном направлении. Иногда многослойные или поперечно уложенные жгутами препреги используются для увеличения прочности в поперечном направлении у пакетов на основе тканых полотен шириной свыше 457 мм.

Чтобы отвержденные слоистые пластики обладали достаточной долговечностью и необходимыми конструкционными свойствами, в их состав вводят препреги, липкость и драпировочные свойства которых подобраны в соответствии с применяемым оборудованием или конкретными условиями производства.

В идеальном случае чувствительность материала к колебаниям температуры и влажности сводится к минимуму в герметичных чистых комнатах с кондиционированным воздухом. Давление в чистых комнатах поддерживается фильтрованным воздухом, который подается воздуходувкой под избыточным давлением. Это давление должно быть достаточно большим, чтобы не допускать попадания в чистую комнату находящихся в воздухе частиц из окружающей атмосферы. Как правило, идеальные условия при этом не достигаются, и в зависимости от времени года приходится варьировать те свойства препрегов, которые определяют, как с ними можно обращаться. 108

14.8.5. Послойная укладка препрегов из тканых полотен

Драпировочные характеристики препрегов, армированных материалом с атласным переплетением, наиболее приемлемы. Значительно хуже проявляются драпировочные свойства у препрегов с саржевым ломаным атласным переплетением, а самые лучшие - у препрегов с полотняным переплетением с одинаковой плотностью по основе и утку и переплетением типа рогожка .

Препреги из полотен могут быть сметаны так, чтобы они принимали очертания слабонагруженных изогнутых деталей. Сметка практикуется при продольной резке препрегов в местах, где при послойной укладке обычно образуются складки. Избыток материала в этих местах может быть полностью удален, а оставшиеся кромки соединяют встык. Другой способ заключается в продольной резке препрега там, где обычно образуются сгибы в складках, после чего избыток материала, если в нем нет морщин, соединяют внахлестку. При использовании первого способа требуется дополнительный слой материала для компенсации слабых стыковых соединений в пакете. Сметка не рекомендуется для сильно нагруженных конструкций. В этих случаях препреги надо нарезать на заготовки заранее определенной формы, в которых стыки в последовательных слоях не совпадают. Расположение нахле-сточных швов должно быть строго определено, а их ширина должна контролироватья. Шаблоны для предварительно нарезаемых препрегов обычно допускают перекрытие шириной порядка 13 мм.

Если армирующий материал в виде тканой ткани укладывают на изогнутую поверхность, ткацкий рисунок нарушается и изменяется направление волокон. Для предотвращения этих нежелательных явлений используется волокно с ориентацией (0°, ±60°) или (0°, ±45°, 90°). При такой последовательности слоев армирующий материал в плоскости слоистого пластика обладает квазиизотропными свойствами. Однако центровка слоев слоистого пластика из армированных стекловолокном препрегов с хорошими драпировочными свойствами трудно поддается контролю. Вплетение в ткани специально окрашенных волокон упрощает послойную укладку и осмотр слоистых пластиков.

Фирма Вурлингтон поставляет для армирования стеклоткань с вплетенными в основу сигнальными коричневыми волокнами, расположенными с интервалом 128 мм. Фирма Стивене выпускает аналогичный армирующий материал с голубыми сигнальными волокнами, расстояние между которыми 76 мм. Эти цвета различны при использовании неокрашенных эпоксидных и полиэфирных смол. Правильность ориентации и число слоев в пакете При этом проверяется оптическими методами. Иногда в основу специально изготовленных тканых полотен вводят волокна, непрозрачные для рентгеновских лучей, что облегчает возможность осуществления неразрушающего контроля материалов и изделий.



Конструкция композиционных материалов, работающих под большими нагрузками, должна обеспечивать воспроизводимость их свойств. Конфигурация изделий не должна препятствовать ориентации слоев в заранее заданных направлениях. Основные принципы послойной укладки одни и те же, независимо от того, производится ли она вручную или автоматически. Если конфигурация изделия это допускает, то наибольшая воспроизводимость свойств достигается при укладке слоев, которые вырезаны по размеру, а затем уложены на трансферные пленки. Эти транс-ферные пленки или шаблоны из материала Майлар имеют метки, указывающие, как размещать те или иные слои и как их ориентировать относительно формы. Слои, которые укладывают на шаблоны, переносят в форму без дополнительных деформаций, после чего шаблоны удаляют. Анизотропия армированного тканью препрега в любом слое компенсируется ровной, но противоположной анизотропией соседних слоев. Для того чтобы отвержденные слоистые пластинки не деформировались, необходимо обеспечить симметрию слоев при укладке. Для создания ортотропной структуры иногда проводят корректировку пакета, укладывая слои с поперечными прядями, компенсирующие нарушение регулировки.

14.8.6. Послойная укладка препрегов нз нетканых материалов

и ровингов

Препреги из ровингов наматывают или укладывают в заданной последовательности любым из трех способов. Первая система - это ориентация (0°, ±45°, 90°), или последовательность я/4. Вторая-ориентация (0°, ±0, 90°). Третья, с углом смещения слоев ±6, используется в конструкциях, получаемых намоткой волокном. Находит применение также система (0°, ±60°), или я/3. В пределах допусков по толщине изделия последовательность слоев делают симметричной относительно средней плоскости слоистого пластика, чтобы предотвратить появление изгибающих взаимосвязанных эффектов.

Чтобы при последовательности я/4 получить изделие с оптимальными свойствами при минимальной массе, увеличивают число слоев в преимущественных направлениях, а в направлениях, где избыточная масса - уменьшают. Для сохранения симметрии по главным направлениям добавление или уменьшение числа слоев под углом ±45° производится парами. Часто слои, укладываемые под углом ±45°, заменяют, чтобы свести к минимуму добавление других слоев. Однако послойная укладка при последовательности (0°, ±б, 90°) наиболее трудно воспроизводится и поддается проверке, а уменьшение массы, как правило, незначительно. Для получения ламината с заданной анизотропией свойств намотку слоев под оптимальным углом ±6 комбинируют с наматыванием их по окружности. 110

Для облегчения послойной укладки и более эффективного использования форм и оснастки рекомендуется широко применять вспомогательные устройства и приспособления. Продолжительность укладки слоев в форму сокращается при помощи шаблонов из Майлара с метками. Листы заданного размера предварительно укладывают и ориентируют на шаблоне. Когда форма готова для послойной укладки, собранный пакет переносят и аккуратно укладывают в нее. Точная установка в определенном положении достигается с помощью меток, используемых для индексации. В большинстве случаев на форме для этой цели имеются специальные штыри, над которыми должны точно располагаться соответствующие отверстия в шаблонах. Иногда шаблоны имеют такую конфигурацию, что их можно установить в форме только единственным путем. Пакет слоев извлекают из шаблона прямо в форме уже в нужном положении, подсоединяют систему для удаления излишка связующего, после чего всю сборку помещают под эластичную диафрагму и отверждают.

Препреги, армированные ровингом, используют в виде многослойных лент шириной 76 мм. Широко применяется лента шириной 600 мм. Обычно слои материала перед укладкой в форму нарезают на куски заданного размера. Для этого внутри оснастки устанавливается дополнительная подложка. Иногда в оснастке делают отверстия для подключения вакуума с целью закрепления подложки в заданном положении. Слои материала ориентируют с точностью до ± Г с помощью лентоукладочных головок или вручную, используя нанесенные на столе направляющие линии, линейки или чертежные машины с делительной головкой. При применении различных типов лент шириной более 457 мм или тесьмы укладываемые на стол листы имеют приблизительный размер. Затем их обрезают до нужных размеров лазером или водяной струей. На листы, все еще находящиеся на столе для послойной укладки, устанавливают шаблон с метками и приклеивают его к верхнему слою. Только после того как этот слой соединяется с шаблоном, удаляют дополнительную подложку. Тем же путем на шаблон можно перенести несколько слоев.

Существующие укладочные машины могут укладывать непосредственно в форму ленты и тесьму шириной ;76 мм, но их применение ограничено сложностью формы изделий.

14.8.7. Применение широких и узких препрегов

С экономической точки зрения, использование узких препрегов выгодно, так как приводит к минимальным потерям материала: как правило, отходы не превышают 7-10%. Узкие препреги (шириной до 76 мм) идеально подходят для очень дорогих материалов, таких как ленты из борного волокна и эпоксидной смолы, цена 1 м которых составляет ~49 долл. Однако при применении узких лент значительно возрастают затраты на рабочую



силу, и эти затраты должны компенсироваться экономией от снижения расхода материала.

Затраты на рабочую силу при послойной укладке зависят от принятой технологии. При использовании автоматической укладочной машины они самые низкие, причем кромочные отходы минимальны. Составление соответствующей программы вырезания заготовок с помощью машины является, вероятно, самым экономичным способом работы, который может успешно применяться как для широких, так и для узких лент. Однако этот способ ограничен тем, что позволяет в данный момент укладывать только один слой. Предварительно нарезанные заготовки можно использовать как в одногнездных, так и в многогнездных формах. Их можно также хранить для последующего применения. Способ применяют для тесьмы и лент.

Второй способ основан на использовании стола для нарезания заготовок, на который укладывают не менее восьми слоев материала. Поверх стопки листов кладут различные шаблоны, подгоняя их друг к другу для наиболее экономичного расположения. Затем вырезают заготовки и хранят их, пока не потребуются. Этот способ, часто используемый на современных предприятиях, наиболее пригоден для тесьмы шириной более 457 мм и широких лент.

Третий способ заключается в раскатывании ленты или препрега избыточной длины, раскладке материала на оснастке и обрезании кромок до нужного размера. В зависимости от размера и сложности изделия отходы могут превышать 50 %. Обычно при нарезании полотнищ по всей длине точный контроль не производится. Его удается осуществить только для небольшого числа наиболее сложных деталей, когда применение заготовок становится неэкономичным.

14.8,8. Уплотнение диафрагмы

При формовании с эластичной диафрагмой применяются уплотнения следующих основных типов: термостойкие герметики, механические уплотнения, вакуумные уплотнения и кольцевые уп-лотнительные прокладки с канавками. Термостойкие герметики - это резиновые композиции с хорошими адгезионными свойствами и очень высокой тепло- и огнестойкостью. Они обычно поставляются в виде лент шириной 25 мм, готовых к немедленному применению. Их выпускают фирмы Файбер резин и Эйртех интернэшанл .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lubin G., Dastin S., Mahon J., Tanis C, The Self-Sealing, Reusable Silicone Rubber Blankets for Composite Molding and Assembly Bonding Operations*, 29th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composite Institute, SPI, Washington, D. C, 1974.

2. Povermo L. M., Muench W. K-, Marx W., F-ubin G., ((Composite Beam Builders, SAMPE Journal, January/February 1981, p. 7.

15. ФОРМОВАНИЕ РЕАКТОПЛАСТО HA МАТРИЦЕ

77. Роберт Янг

В настоящее время половину всех изделий из армированных пластмасс получают методом формования реактопластов на матрице. Этот процесс применяется в той или иной форме, когда требуются высокая производительность, точность и воспроизводимость деталей. При этом достигается очень высокое качество изделий при минимальной стоимости, причем оно лишь незначительно зависит от мастерства персонала.

Даже в тех случаях, когда объем производства невелик, например, при получении деталей аэрокосмических аппаратов и других изделий с высокими эксплуатационными свойствами, требования к точности и воспроизводимости деталей иногда заставляют использовать методы формования на матрице.

В общем случае метод формования реактопластов на матрице - это процесс, в котором заполнение и смыкание формы заставляет формуемый материал принимать заданную конфигурацию, причем отверждение его происходит в самой форме. Такое определение предполагает столь бол ,шое число различных подпроцессов и материалов, что удобнее идентифицировать процесс в каждом случае каким-либо подзаголовком. Так, в данной главе способы формования матов и предварительно отформованных заготовок будут объединены термином мат и заготовка ; премиксы из армированных формовочных композиций; стеклонаполненные композиции для прессования {СКП); листовые формовочные материалы {ЛФМ); формовочные композиции с повышенным содержанием стекловолокнистого наполнителя (ГМС) и листовые формовочные композиции с диагональным переплетением волокон {ХМС), а также процессы прямого прессования, литьевого прессования и литья под давлением реактопластов объединяются термином армированные формовочные композиции ; холодное прессование и совместное формование определены как холодное прессование , а вопросы литья под давлением смол и формования емкостей из пенопластов освещены в соответствующих разделах. Все широко применяемые методы будут рассматриваться довольно детально. Однако в первую очередь внимание будет уделено армированным формовочным композициям (премиксам, СКП, ЛФМ и самым



последним - ТМС и ХМС), так как их доля в общем объеме производства композиционных изделий постоянно растет.

Во всех случаях формования реактопластов на матрице используются форма или штамп. Форма, или 1?омплект формующих деталей, обычно состоит из двух основных ча/тей: матрицы и пуансона, причем одна из них входит в другую/с соблюдением заданного зазора между ними. Для получения сАожпых изделий иногда требуются специальные формы, состоящие из нескольких основных элементов, причем простая термино.огия для их характеристики еще не разработана. /

Свойства материалов, обычно применяемых для формования, очень подробно рассмотрены в других 1?лавах и поэтому упоминаются здесь только при обсуждении каких-то конкретных вопросов.

15.1. Армированные формовочные композиции

В этом разделе будут рассмотрены только те армированные волокном формовочные композиции (ВКП), которые в пластмассовой промышленности обычно именуются как СКП, премиксы или формовочные пасты из полиэфирной смолы и рубленого стекловолокна {DMC). Они очень напоминают, но при этом и несколько отличаются от ЛФМ, которые тоже имеют ряд модификаций: ТМС, формовочные композиции с высоким содержанием стекловолокна (НМС) и ХМС (эти термины будут объяснены ниже).

Премиксы определяют следующим образом: Армированная волокном термоактивная формовочная композиция, которая после получения не нуждается в дальнейшем отверждении, сушке для удаления летучих или других технологических операциях и готова для переработки на литьевом прессе [11 и которая может быть отформована без образования побочных продуктов реакции при приложении давления, достаточного только для течения и уплотнения материала Ч.

Несмотря на то, что приведенное определение относится как к СКП, так и к ЛФМ, эти материалы имеют принципиальные различия, касающиеся методов их получения, формы, в которой они поступают на дальнейшую переработку, и механических свойств. В состав как тех, так и других материалов входят или могут входить одни и те же основные компоненты.

СКП получают, перемешивая все ингредиенты в высокопроизводительных смесителях. Из них материал выходит в виде волокнистой мастики, которую сразу же можно пускать на последующую переработку (после взвешивания порций). Некоторые компо-

В отличие от композиций феиольных, меламиноформальдегидных и карба-мидных смол, которые выделяют воду в качестве побочного продукта реакции и требуют приложения высокого давления для предотвращения образования пара, а в дальнейшем и пор в изделии.

зиции можно уплотнять И экструдировать в виде прутков или стержней с простым поперечным сечением, что облегчает дальнейшее обращение с ними. ЛФМ поступают на переработку в виде тонких полулипких листов, которые нарезают и укладывают стопкой по конфигурации, соответствующей формируемому изделию. Эти операции производятся в машине, где предварительно полученная смесь смолы, наполнителя и прочих компонентов соединяется с армирующим волокном таким образом, что смачивание волокон не приводит к их слишком сильному перемешиванию, благодаря чему их исходные прочностные характеристики в значительной степени передаются композиции.

Большинство изделий формуют из полиэфирных смол, армированных стекловолокном. Однако для получения СКП применяют и другие не содержащие растворителей смолы, такие как эпоксидные и виниловые полиэфиры, а также другие типы волокон: лубяное, асбестовое, углеродное, арамидное, рубленые найло-новые отходы и даже рубленая древесина. Для получения же ЛФМ должна быть подобрана такая композиция смолы, которая после смачивания или пропитки армирующего материала загустевает до необходимой для формования вязкости. ЛФМ, содержащие высокопрочные экзотические волокна, являются реальностью, но еще не выпускаются в промышленном масштабе.

15.1.1. История вопроса

15.1.1.1. Стеклонаполненные композиции для прессования

Первые СКП нашли практическое применение в 1949 г., когда началось промышленное производство стеклянных ровингов. До этого отдельные армированные формовочные полиэфирные композиции получали рубкой на мелкие куски стекловолоконных препрегов. Несмотря на многие недостатки, такие как высокая стоимость, наличие остатков растворителя, отсутствие внутренней смазки для форм, наполнителей и т. д., из этих композиций успешно формовали различные изделия, обладающие комплексом свойств, который не могли обеспечить никакие другие известные материалы.

Трудно установить, когда появились первые СКП нового поколения. Впервые они были получены около 1950 г. пропиткой ровинга смесью смолы, наполнителей и других веществ с последующей рубкой на куски заданной длины в мокром состоянии. Поскольку пропитка стекловолокна смолой с большим содержанием наполнителя - сложная и продолжительная операция, получаемые композиции содержат много стекловолокна.

В начале 50-х годов появилась идея введения предварительно нарубленного стекловолокна в смесь смолы с наполнителем, и к середине 50-х годов метод формования премиксов уже получил промышленное применение. Однако развитию этого метода пре-



1 2 3 4 5 6 7 8 ... 29