Изготовление деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов

Композиционные материалы – это конструкционные материалы, состоящие из металлической или неметаллической матрицы (основы) с распределенным в ней армирующим материалом. В настоящее время для армирования полимеров используются стеклянные, углеродные, борные и органические волокна, а для армирования металлов и сплавов – борные, углеродные волокна, проволока из стали, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также непрерывные волокна и нитевидные кристаллы из керамических материалов (оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др.) Сочетание в структуре композиционного материала волокон с различными упруго-пластическими свойствами, а также их чередование с фольгой из высокопрочных титановых сплавов является эффективным средством формирования заданных свойств материала.

В производстве отсеков и агрегатов летательных аппаратов используются следующие армирующие материалы на основе соответствующих волокон:

- нетканые: непосредственно первичная нить; первичная нить в несколько сложений (ровинг); крученая или некрученая нить в виде однонаправленной ленты с предварительно нанесенным связующим; рулонные нетканые материалы из непрерывных или рубленых волокон (холсты);

- ткани трех основных переплетений:

- полотняного или гарнитурного, когда продольные нити (основа) чередуются равномерно с поперечными (утком);

- сатинового, характеризуемого меньшим числом перекрытий основы нитями утка;

- саржевого, характеризуемого диагональным расположением перекрытия нитей.

Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, передает напряжения отдельным волокнам и воспринимает напряжения, действующие в направлении, отличном от ориентации волокон.

Свойства матрицы определяют, как правило, уровень рабочих температур композиционного материала, характер изменения его свойств при воздействии температуры, атмосферных и других факторов, режимы получения и переработки материалов. В качестве матриц используют полимеры, металлы и сплавы, а в некоторых специальных случаях тугоплавкие соединения, керамику и пироуглерод.

Из полимерных матриц для силовых конструкций наибольшее применение находят связующие на основе эпоксидных смол, которые обладают высокой адгезией к армирующим волокнам, низкой горючестью, химической стойкостью, достаточно высокими механическими характеристиками при нормальных температурах. Теплостойкость связующих на основе эпоксидных смол увеличивается при модифицировании их обычно феноло-формальдегидными смолами или кремнийорганическими соединениями. Для конструкций, длительно работающих при температуре выше 200 С, эпоксидные связующие заменяют более термостойкими, в основном полиамидными.

В качестве металлической матрицы применяются алюминиевые, титановые, магниевые и другие сплавы.

Комбинированием различных типов армирующих и матричных материалов можно добиться практической возможности создания конструкций с заданными свойствами (прочность, жесткость, радиопрозрачность или радиопоглощение, теплопроводность, стойкость против эрозии, химическая стойкость и т.д.).

В настоящее время в конструкциях летательных аппаратов преимущественно применяются композиционные материалы на полимерной матрице. Применение высокопрочных и высокомодульных полимерных композиционных материалов (ПКМ) (угле-, органо-, стеклопластиков и т.п.) в конструкциях летательных аппаратов позволяет снизить их массу и повысить ресурс. Например, ресурс лопастей из композиционных материалов более чем в 2 раза превышает ресурс лопастей цельнометаллической конструкции, при этом вес лопасти из КМ на 30…50% ниже.

Разработка конструкций деталей из КМ имеет ряд особенностей:

- композиционные материалы анизотропны; ориентация волокон и конструкция изделия

задается конструктором в соответствии с действующими нагрузками;

- изготовление материала и формообразование детали происходят одновременно,

поэтому разброс физико-механических характеристик материала детали больше, чем

для металлических сплавов.

Внедрение композиционных материалов осуществляется по трем основным направлениям:

• замена традиционных материалов без изменения конфигурации деталей;

• локальное упрочнение, при котором элементы из композиционных материалов в виде накладок или вставок подкрепляют детали из традиционных материалов;

• оптимальное проектирование с учетом особенностей применяемых композиционных материалов.

Свойства армированных пластиков в значительной степени зависит от соотношения между связующим и армирующим материалом и параметрами технологического процесса изготовления.

При увеличении объемного содержания армирующего материала в композиционном материале повышаются механические характеристики (предел прочности при растяжении, изгибе и модуль упругости), однако лишь до некоторого предела, определяемого физико-химическими и механическими взаимодействиями арматуры и полимерного связующего.

Ориентация армирующего материала имеет решающее значение для прочностных характеристик конструкции. Направление армирования или укладки материала в конструкции должны отвечать наибольшей прочности композиционного материала, поскольку этот тип материала обладает ярко выраженной анизотропией механических свойств.

От способа изготовления зависят однородность композиции и качество изделия. Как правило, формование в закрытых формах и под избыточным давлением способствует получению регулярной и бездефектной структуры.