Характеристики компонентов, входящих в состав полимерных км
Современные полимерные КМ состоят на 70% из высокопрочных нитей и на 30% из полимерной матрицы, которая называется также связующим материалом. В качестве связующего чаще всего используются эпоксидные или полимидные смолы с отвердителем. В производстве используется только связующее горячего отверждения, в котором процесс полимеризации протекает при повышенной температуре, около 130 С. это позволяет не ограничивать технологический цикл изготовления изделия во времени. Наиболее широко при производстве КМ используются эпоксидные связующие. Это обусловлено следующими свойствами:
1) хорошая адезия к большому числу наполнителей и армирующих компонентов;
2) относительно высокая прочность (20-40МПа)
3) широкое разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих компонентов, позволяющих получить широкий диапазон свойств;
4) низкие усадочные характеристики при полимеризации;
5) высокая химическая стойкость;
6) хорошие электроизоляционные свойства;
7) умеренная стоимость.
Рассмотрим способы получения и некоторые свойства основных армирующих материалов.
Армирующая основа может быть из стеклонитей или стеклоткани, углеродного жгута или ткани, нити СВМ или органической ткани (для изготовления органопластиков).
Углеродные ткани (карбон);
арамидные ткани (кевлар);
гибридные ткани (карбон+кевлар);
однонаправленные гибридные ткани;
стеклоткани;
мультиаксиальные ткани;
углеродные ленты;
препреги.
Широкий диапазон тканей и лент позволяет применять их в таких сферах, как: аэрокосмическая промышленность, автомобильная и транспортная отрасли, баллистическая защита, спортивный инвентарь (например при производстве удочек, велосипедов, оборудования для серфинга), морская промышленность, строительный сектор, а также сфера возобновляемой энергии и др.
Углеродные
ткани
Арамидные
ткани (кевлар)
Гибридные
ткани
Стеклоткани
Препрег
Технология изготовления изделий из композиционных материалов.
Изделия из полимерных композиционных материалов могут быть получены различными способами. В промышленном производстве наибольшее распространение получили метод намотки и прессования. Прессование может осуществляться с использованием смеси предварительно нарубленного волокна и полимерного связующего. Может быть также применен способ предварительной выкладки армирующей основы с последующей пропиткой связующим и прессованием. При нарубке волокна его оптимальная длина определяется из условия равнопрочности разрыва волокна и выдергивания его из матрицы. При предварительной выкладке волокна прочность изделия из КМ будет выше, т.к. волокно располагается по направлениям силовых потоков, возникающих при эксплуатационных нагрузках и, следовательно, более полно воспринимает нагрузку. Однако производительность при этом методе ниже, чем при прессовании изделий из массы полимера и рубленного волокна.
Наиболее широкое распространение получил метод намотки. При этом существует метод сухой и мокрой намотки. Рассмотрим метод мокрой намотки. Намотка осуществляется на оправку, установленную на станок с числовым программным управлением. Этот метод носит также название метода спиральной намотки. Имеются промышленные станки российского или зарубежного производства с ЧПУ. Указанные станки имеют пять степеней свободы, что позволяет обеспечивать намотку изделий сложной конфигурации. При этом за счет пяти координат, по которым имеют возможность перемещаться исполнительные элементы станка, может быть обеспечено изготовление изделий достаточно сложной конфигурации с требуемым профилем толщины стенки. Вместе с тем этот метод изготовления подходит для изделий, по форме близких к телам вращения. Элемент станка, называемый лентоукладчик, имеет четыре степени свободы: перемещение по трем координатам в пространстве и вращение вокруг своей оси. Пятая координата обеспечивается вращением оправки в центрах станка, на которую осуществляется намотка изделия. Оправка может быть одноразовой или многоразовой. Одноразовая оправка изготавливается из дешевых материалов, например, из гипса. Для обеспечения требуемой точности и частоты поверхность оправки обрабатывают механическим путем. Многоразовая оправка изготавливается, как правило, из металла. Для того, чтобы в процессе изготовления композиционный материал не прилипал к оправке, ее поверхность покрывается специальным составом, например, жаростойким фторопластом. Укладка композита на поверхность оправки осуществляется по заранее разработанной программе. При этом схема намотки разрабатывается таким образом, чтобы армирующая основа располагалась по направлениям силовых потоков. После намотки изделия на оправку в соответствии с разработанной программой и расчетной схемой намотки, оно направляется в печь на полимеризацию. Процесс полимеризации длится 3-4 часа при температуре 130 С. После полимеризации изделие на оправке отправляется на механическую обработку отдельных поверхностей. Следующим этапом является съем с оправки или ее удаление из готового изделия. Заключительным этапом является контроль качества поверхностей изделия и соответствия геометрических параметров требуемым.
Недостатком изложенного способа изготовления является то, что это производство с вредными условиями. Пары связующего создают неблагоприятные в экологическом плане условия производства. Более прогрессивной и экологически благополучной является технология намотки препрегом. Препрег – это предварительно сформированная, пропитанная и частично полимеризованная лента. Препреги получают в специальных герметичных башнях. Техпроцесс изготовления изделия с использованием препрегов принципиально ничем не отличается от метода мокрой спиральной намотки и носит название метода «сухой намотки».
Препреги
Технологии изготовления из КМ + картинки.