Поведение конструкций из композитных материалов

1.4. TlEXHOЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТОВ

Как отмечалось, образование некоторой композитной системы из во­ локна и матрицы происходит в ходе технологического процесса. Сведения о некоторых технологических процессах, относящихся к производству композитов с неметаллической и металлической матрицами, приведены в табл. 1.1. Следует отметить, что предпочтительность того или иного процесса определяется его производительностью, конструктивными осо­ бенностями изделия и экономическими показателями. Применение ука­ занных процессов не ограничивается высокопрочными материалами, ар­ мированными непрерывными волокнами. В связи с этим данные табл. 1.1 могут быть использованы как общая иллюстрация процесса изго­ товления композитных материалов.

Заметим, что технология изготовления композитов в основном опреде­ ляется матрицей. Например, при изготовлении композитов с полимерной матрицей применяют литье под давлением, экструдирование и некоторые другие специальные методы. Выбор метода формирования определяется целым рядом требований, главным из которых является экономичность. Для композитов с металлической матрицей основными методами форми­ рования служат литье, прокатка и экструдирование. И, наконец, для соз­ дания композитов с короткими, дискретными волокнами применяют непрерывное литье, ротационную разливку, инжекторное и центробежное литье.

Методы порошковой металлургии. Согласно этой технологии в качест­ ве армирующих элементов используют усы и короткие волокна. Уложен­ ные в определенном порядке или расположенные хаотично, исходные армирующие элементы смешиваются с соответствующей порошковой матрицей. После этого материал помещают в форму и подвергают горяче­ му или холодному прессованию (рис. 1.4) . В ходе процесса прессования может одновременно идти синтез материала.

Недостатком описываемой технологии является опасность повреж­ дения волокон, в особенности, если размеры частиц превышают средний диаметр волокон. Кроме того, следует иметь в виду и неизбежную в дан­ ном процессе пористость изделия. Типичными композитными системами, получаемыми по данной технологии, являются: алюминий — нержавею­

слои матрицы с уложенными на них в определенном порядке волокна­ ми нагреваются до высокой температуры, а затем прессуются или прока­ тываются вместе для образования композитной системы (рис. 15). При этом необходимо проводить предварительную очистку поверхностей во­ локон и листов матрицы. Недостатком процесса является возможность реакционного взаимодействия между материалами волокон и матрицы, что может иметь место при длительной выдержке под давлением входе прессования. Указанная технология находит применение для следующих композиций: нержавеющая сталь - алюминий, вольфрам — алюминий.

Пропитка жидкой фазой. Этот вид производства композитных мате-

Зп

Рис. 1.4. Метод порошковой металлургии: 1 - верхняя плита; 2 - нагреватель; 3 — плунжер; 4 - образец; 5 - нижняя плита; 6 термопара

/ г j J 4 5

Рис. 1.7. Совместное экструдирование:

1 - фильера; 2 - направляющие; 3 - покрытие; 4 - подложка; 5 - направление экструзии; 6 - плунжер; 7 - сердцевина; 8 - стенка камеры экструдирования

Рис. 1.8. Плазменное напыление:

1 — водяное охлаждение; 2 — смотровое окно; 3 - суспензия-распылитель; 4 —ис­ точник плазмы; 5 - термопара; 6 - выпускной клапан; 7 - оправка с композитом; 8 - резиновый кожух; 9 - источник энергии

Совместное экструдирование. Согласно этому методу материалы, подлежащие соединению, пропускают через специальную фильеру под высоким давлением (рис. 1.7). Таким образом, армирующая фаза и матричный материал подвергается совместному экструдированию.

В связи с необходимостью создания высокого давления данный процесс используется для материалов с мягкой матрицей. Основное преимущество процесса перед другими заключается в том, что при этомщостигается эф­ фективное соединение между матрицей и волокнами. Кроме того, наблю­ дается увеличение прочности композита, поскольку затвердевание матри­ цы происходит во время экструдирования. Таким образом получают композитные системы на основе хромоникелевых сплавов армирован­ ных волокнами сапфира.

Нанесение покрытий и напыление. Технология нанесения покрытий представлена двумя методами — плазменного напыления и электро­ осаждения. При плазменном напылении (рис. 1.8) слой волокон нама­ тывается на вращающуюся оправку. Материал матрицы при этом из исходного порошкообразного состояния осаждается на волокна плаз­ менным способом. Затем наматывается второй и последующие слои пока не будет достигнуто их заданное количество. После этого композит сни­ мается с оправки и может далее подвергаться горячему прессованию с целью снижения пористости.

При электроосаждении (рис. 1.9) в качестве катода используется электропроводящая оправка, а расходуемым анодом служит материал матрицы, размещенной в электролитической ванне. Слой из непрерыв­ ных волокон наматывается на оправку, затем на него осаждается слой материала матрицы. Количество осажденного материала зависит от скорости осаждения и площади поверхности волокна, намотанного на оправку. Примерами композитных систем, изготавливаемых технологией

Рис. 1.9. Электроосаждение:

1 - однонаправленный композит; 2 - оправка-катод; 3 - металлический анод; 4 - источник питания; 5 —бобина с волокнами; 6 - направляющая волокна; 7 - электролитическая ванна

Рис. 1.10. Направленная кристаллизация:

1 - нагревательное устройство; 2 - тигель; 3 - заряд; 4 —термопара; 5 - охлаж­ даемый блок; 6 - защитный экран; 7 - вода; 8 - инертный газ

нанесения покрытий, могут служить: сталь —алюминий, бор —алюминий, бор —титан.

Направленная кристаллизация. В этом процессе (рис. 1.10) в образце из сплава эвтектической концентрации при определенной скорости ох­ лаждения имеет место рост однонаправленных цилиндрических кристал­ лических образований. Основное преимущество способа заключается в том, что образование армирующей фазы, (в механически и химически совместимых композитных системах) не является искусственным про­ цессом. Примерами могут служить системы материалов: медь —алюми­ ний (СиА12) , алюминий —никель (Al3Ni) .

Ручная выкладка. В лабораторных условиях изготовление образцов из композитов с полимерной матрицей обычно осуществляется с помощью ручной выкладки. В промышленных условиях используется машинная выкладка, которая позволяет снизить вероятность образования пустот, и уменьшить себестоимость изделия. Для изделий из волокнис­ тых композитов обычно используют ленты препрега, которые распола­ гают в соответствии с предварительно определенными требованиями. Та­ ким образом, в ходе процесса производства заданная ориентация и после­ довательность укладки осуществляется в соответствии с исходными тре­ бованиями. Выкладка изделия проводится в специальном помещении. При этом используется оснастка, обеспечивающая формование по задан­ ной фазовой поверхности. Процесс изготовления заключается в выклад­ ке в соответствующем порядке необходимого числа слоев композита, а также разделительных и пористых слоев, обеспечивающих отделение готового изделия от поверхности оснастки и абсорбцию избыточной

ными армирующими элементами, при этом достигается эффективное использование прочности волокон. Подаваемые непрерывно в виде от­ дельных нитей или ровинга волокна поступают в ванну со смолой и нама­ тываются на оправку соответствующего профиля. Может быть использо­ вана также предварительная пропитка. Специально переоборудованные токарные станки позволяют укладывать непрерывные стеклянные волок­ на по определенной схеме с обеспечением максимальной прочности в заданном направлении. После завершения намотки материал отверждает­ ся при комнатной или повышенной температуре. Типичными изделиями, изготавливаемыми по описанной технологии, являются химические резервуары и сосуды давления.

Вакуумное и автоклавное формование. Согласно этому методу па­ кеты, подготовленные ручной или машинной выкладкой, уплотняются с помощью вакуумного мешка или в автоклаве. Чаще всего такой обра­ ботке подвергаются пакеты, набранные из препрега. Предварительные операции включают выкладку препрегов, подготовку резделительных и впитывающих слоев, а также операции вакуумирования. Вакуумный мешок, соответствующий контуру формуемой детали, покрывает пакет, включающий композитные, разделительные и пористые слои. Вакуум­ ный патрубок присоединяется к мешку, место его соединения с осно­ ванием герметизируется. Система откачивается до создания неполного вакуума с целью контроля плотности прилегания мешка к поверхности детали. Окончательное формование и отверждение идут при полном вакууме в соответствии с предписанным режимом нагрева и охлаждения. Схематически процесс вакуумного формования показан на рис. 1.13.

Для формования эластичным мешком с помощью давления мешок помещается внутри предварительно сформированной стеклопластико­ вой детали, а вся эта система —в холодную пресс-форму. После тщатель­ ной пропитки в мешке создается давление 0,25 - 03 МПа, пресс-форма нагревается и деталь отверждается. После отверждения давление сбрасы­ вается и мешок удаляется обычно через отверстие на конце детали. Ме­ тод находит применение для изготовления резервуаров, используемых для смягчения воды, водоразборных систем, фильтрующих емкостей и хра­ нилищ, баллонов огнетушителей.

При открытом формовании вакуумным мешком выложенный слой пропитанных стекловолокон покрывается удаляемой оболочкой-мешком. Соединения герметизируются и осуществляется вакуумирование. При этом под воздействием атмосферного давления исчезают пустоты, выво­ дятся остаточные газы и лишняя смола. Применение метода ограничено изделиями небольшого объема, в частности, деталями электронных уст­ ройств.

В отличие от вакуумного формования отверждение в автоклаве проис­ ходит при высоких давлениях, что дает возможность получать более плот­ ные материалы. В этом процессе используется как давление и температу-

/ г з

г

Рис. 1.13. Метод вакуумного мешкай автоклавного формования:

и излишков смолы. При отверждении в автоклаве температура и дав­ ление воздействуют одновременно в течение всего цикла, а вакуум используется только на некоторой части цикла. В автоклаве можно по­ лучать изделия заданной толщины с минимальной пористостью. Парамет­ ры процесса зависят от применяемого оборудования. Так, давление при вулканизации может изменяться в пределах 0,18—0,56 МПа, а темпера­ тура вулканизации достигает 177 °С .

Прессование в металлических пресс-формах. Для производства неболь­ ших изделий разнообразной формы и размеров массовыми партиями часто используется прессование. Этот процесс ведется при высоких дав­ лениях (до 35 МПа) и высокой температуре (до 540 °С) и может приме­ няться для изготовления деталей различной конфигурации. Кроме того, в зависимости от особенностей обрабатываемого материала, процесс можно вести в атмосфере газа или в вакууме. Закрытое прессование успешно применяется для изделий, армированных как длинными, так и короткими волокнами. Таким способом могут быть изготовлены стандартные образцы для испытаний и качественного контроля. Преиму­ щественно эта технология используется для изготовления массовых

Рис. 1.15. Ротационное формование

Рис. 1.16. Метод непрерывной пултрузии

партий изделий коммерческого назначения, когда требуются детали опре­ деленных форм и размеров. Схема процесса формовки на прессе листо­ вой заготовки показана на рис. 1.14.

Ротационное формование. Согласно этому методу термопластичные порошки с добавленными к ним короткими волокнами помещают в подогреваемую форму (рис. 1.15). Форма имеет возможность вращения в одной или двух плоскостях, во время которого происходит перемеши­ вание и связывание материала. После отвердевания и охлаждения изде­ лие извлекается из формы. Процесс может применяться для изготовле­ ния контейнеров и других изделий типа оболочек.

Пултрузия. Процесс основан на протягивании пропитанных смолой жгутов волокон через систему формующих фильер (рис. 1.16). Отверж­ дение осуществляется в термопечах, обеспечивающих необходимый тем­ пературный цикл. Таким способом могут быть изготовлены такие эле­ менты, как трубы и двутавровые балки.

Инжекторная формовка. Этот процесс применяется для изготовления композитов с термопластичной и термореактивной матрицей. Для компо­ зитов с термопластичной матрицей используют обычно две системы пода­ чи матричного материала, обеспечивающие введение ее в виде шариков и размягчение с инжекторной камере. Подогретый материал матрицы, наполненной короткими волокнами, вводится в холодную формовочную камеру, где подвергается нагреву и давлению, обычно в течение одной минуты (рис. 1.17). Диапазон давлений может изменяться от 0,7 МПа до 10,5 МПа, в то время как температура отверждения —от 135 до 163 °С. Процесс используется для сложных формовочных составов и применя­ ется при изготовлении клапанов, деталей тяжелонагруженных подшип­ ников и небольших зубчатых колес.

Центробежное литье. Процесс может применяться для изготовления трубчатых элементов и изделий типа контейнеров. При центробежном литье изделия типа тел вращения образуются во внутренней полости вращающейся, подогреваемой формы (рис. 1.18) .Материал представляет собой смесь коротких волокон и смолы. Действие центробежных сил таково, что благодаря им материал постепенно перемещается к стенкам формы. Одновременно протекает процесс отверждения, который может быть ускорен подачей горячего воздуха во внутреннюю полость оправки.

Рис. 1.17. Метод инжекционного формования

Рис. 1.18. Метод центробежного литья