7.3 Особенности формования изделий из полимерных композитов
Как мы рассмотрели выше, армирование полимеров высокопрочными волокнами позволяет в значительной степени повысить прочностные и деформационные свойства этих материалов, увеличить их теплостойкость и изменить в нужном направлении другие эксплуатационные свойства.
Прочностные и деформационные свойства армированных пластиков определяются не только соотношением полимера и наполнителя в композите, но и ориентацией последнего.
По макроструктуре волокнистого наполнителя армированные пластики разделяются на три основных вида (рис 7.7):
а |
б |
в |
г |
Рис. 7.7. Схемы ориентации армирующих элементов армированных пластиков: а – хаотическая (на основе матов); б – при уплотнении в горизонтальной плоскости (на основе коротковолокнистых наполнителей); в – однонаправленная (одномерная); г – ортогональная (двухмерная)
изотропные материалы характеризуются произвольным расположением армирующих волокон и равенством физико-механических свойств во всех направлениях (рис 7.7а);
трансверсально-изотропные материалы, в которых волокно имеет преимущественно плоскостную ориентацию, и показатели свойств практически равноценны по всем направлениям в плоскости расположения волокон (рис 7.7б);
анизотропные материалы: для них характерна строгая ориентация волокна в одном или двух направлениях, и свойства композита существенно отличаются по трем осям симметрии (рис. 7.7в и г).
Вы уже представляете, что волокнистый наполнитель в полимерных композиционных материалах может использоваться в виде непрерывных волокон, нитей, жгутов, рубленного и штапельного волокна длиной до 100 мм и, наконец, в виде тканей, холстов, ровницы, и объемных заготовок. Механикой полимерных композитов установлена взаимосвязь между структурными параметрами композиции (т.е. содержанием, размерами и ориентацией наполнителя) и ее физико-механическими характеристиками. Последние зависят от взаимосвязи параметров технологического процесса производства изделий со структурными параметрами композиций.
Все существующие методы формования изделий из полимерных композитов можно разделить на две большие группы.
К первой группе относятся методы, близкие к традиционным методам переработки пластмасс. В этих методах происходит совместное движение связующего и волокнистого наполнителя в каналах и рабочих органах машин и полостях формующего инструмента. К таким методам относятся прессование, литье под давлением и экструзия композитов с коротковолокнистыми наполнителями. В изделиях материалы имеют почти изотропную структуру. Подход к решению технологических задач фактически такой же, как при переработке обычных реактопластов.
Ко второй группе относятся специфические методы формования изделий из полимерных композитов. Материал в изделии характеризуется анизотропной или трансверсально-изотропной структурой. Особенностью этих методов является ограниченная подвижность наполнителя на стадии совмещения его со связующим. Здесь определяющей операцией является пропитка волокнистого наполнителя связующим. Другой особенностью этих методов формования является формирование необходимой макроструктуры волокнистого наполнителя (рис 7.7) с целью достижения заданных физико-механических показателей материала. Технологические приемы и методы формирования макроструктуры зависят от вида наполнителя и от геометрической формы и размеров изделий.
Из полимерных композитов второй группой методов формуются изделия самых различных размеров и формы: трубопроводы и реакционная аппаратура, строительные панели и кровля, корпуса и элементы конструкций автомобилей и судов, самолетов, ракет и космических аппаратов, некоторые виды вооружения, спортинвентаря и многие другие виды изделий. Полимерные композиты, как конструкционный материал, особенно пригодны для формования изделий, имеющих форму оболочек.
Содержание волокнистого наполнителя в композиции является одним из существенных факторов, определяющего свойства материала. Объемное содержание волокнистого наполнителя определяется следующим выражением:
,
(7.1)
где Vн – объемное содержание наполнителя; Gн – масса волокна, приходящаяся на единицу поверхности изделия; ρ – плотность материала волокна; δ – толщина стенки изделия.
Качество материала в перечисленных видах изделий существенно зависит от точности введения наполнителя, технологического и аппаратурного оформления процесса. С наибольшей точностью толщина стенки изделия выдерживается в таких методах формования, где обе поверхности изделия оформляются в контакте с жесткой формой. В этом случае качество изделия определяется точностью изготовления формы и системы ее замыкания, а также качеством сборки волокнистой заготовки на поверхности формы. При использовании рулонных наполнителей (тканей, холстов и т.п.) необходимо учитывать их уплотнение в процессе драпировки на поверхностях двойной кривизны.
Пропитка волокнистого наполнителя при производстве изделий из полимерных композитов осуществляется на разных стадиях процесса:
предварительная пропитка тканей, холстов, жгутов или нитей до контакта наполнителя с поверхностью формы;
пропитка наполнителя всех видов при контакте их с поверхностью формы;
пропитка наполнителя после контакта его с поверхностью формы, т.е. фактически после формирования макроструктуры наполнителя в изделии.
В зависимости от типа связующего, вида наполнителя, формы и размеров изделия, и необходимой точности структурных параметров материала, перечисленные варианты пропитки реализуются в различных методах формования изделий.