Список литературы

веющая

проволока.

М.:

Металлургии,

1971.

184

с.

материалы/Под

1. Абрамчук С. С., Ермоленко А. Ф.,

12.

Композиционные

ред. М. X. Шоршорова и др. М.: Наука,

Протасов В. Д. Оценка характеристик

1981.

456 о.

армирующих

волокон

путем

испытания

13.

Конкин А. А., Коннова Н. Ф.

их пучков//Механика

композитных мате­

Механические н физико-химические свой­

риалов.

1984.

№ 1.

С.

3—8.

ства углеродистых волокон//Журнал

ВХО

2. Алюминиевые и магниевые еплавы,

им. Д. И. Менделеева. 1978. Т. 13. № 3.

армированные

волокнами/В. С.

Иванова,

С. 269—263.

стеклопласти-

И. М. Коноев, Ф. М. Елагин и др. М.:

14.

Конструкционные

Наука,

1974.

199 о.

ки/В. И. Альпернн, Н. В. Корольков,

3. Акио

С. Карбонизация

полимеров

А.

В. Мотовкин и др. М.:

Химия,

1979.

360

с.

и получение

карбоновых

волокон//Успеки

Макаров П. В., Поварова К. Б.,

15.

химии. 1973. Т. 13. Вып. 2. С. 301—312.

Заварзина Е. К.//Физика и химия обра­

4. А. о. 1120212 СССР, МКИ» GOIN

ботки

материалов.

1986.

№ 6. С.

119—

3/08. Способ испытания иа раотяжение

124.

Монокристаллическне

волокна и

нитей.

16.

тоды в строительной механике. М.: Строй-

И. Герцог н др., М.:'

Мнр,

1973. 437 с.

издат,

1966. 278 с.

ма­

17. Наполнители для полимерных ком­

6.

Волокнистые композиционные

позиционных материалов: Справочное по-

териалы

с

металлической матрицей/Под

собие/Под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски.

ред. М. X. Шоршорова. М.: Машинострое­

М.:

Химия,

1981.

672 с.

и

ние, 1981.

272

с.

армирующие

во-

18.

Перепелкин

К.

Е. Структура

7.

Высокопрочные

свойства волокон. М.: Химия, 1985. 324 с.

локна//Обзорная

информация/Сер.

Про-

19. Портной К. П., Салибеков С. Е.,

мышл. ким. волокон. М.: НИИТЭХИМ,

Светлов И. Л. и др. Структура и свойства

1983.

композиционных материалов. М.: Машино­

8. Ермоленко А. Ф., Абрамчук С. С.,

строение,

1979.

255

с.

волокон

Протасов В. Д. Оценка параметров рас­

20.

Производство

стеклянных

пределения

прочности армирующих

воло­

и тканей/Под

ред.

М.

Д. Ходаковского.

кон, взаимодействующих по боковой по­

М.:

Химия,

1973.

312 с.

ред.

верхности, путем испытания их пучков//

21.

Стеклянные

волокна/ПоД

Механика

композитных

материалов.

1986

М. С. Аслановой М.: Химия, 1979. 256 с.

№ 1.

С. 3—6.

А.

Ф.

Масштабный

22. Текстильные материалы на основе

9.

Ермоленко

углеродных волокон и методы определе­

эффект прочности при растяжении одно­

ния

их

свойств//Обзорная

информация/

направленных

армирующих

элементов//

Сер. Промышл. хим. волокон. М.: НИИТЭ­

Механика

композитных

материалов.

1986.

ХИМ,

1985.

№ 1.

С. 38—43.

23. Федоров Б. Б., Шоршоров М. X.,

10. Жигач А. Ф., Цирлнн А. М. Фи­

Хакимова Д. К. Углерод и его взаимодей­

зико-химические свойства и прочностные

ствие

с

металлами.

М.:

Металлургия,

характеристики

борных

нитей, перспек­

1978.

208

с.

Н.

The future

of newly

тивы их применения для армирования

24.

Bhimberg

композиционных

материалов//Журнал

develped fibres//Jurnal of Industrial Fab­

ВХО им. Д. И. Менделеева. 1978. Т. 23.

rics. — 1984.

Vol.

3.

N 1.

P.

9—32.

№ 3.

С. 264—272.

25.

Huges

J.

D.

H.

Strength

adn

mo­

11.

Колпашников А. И., Белоусов А. С.,

dulus of current carbon fibres//Carbon. —

Мануйлов

В.

Ф.

Высокопрочная

нержа­

1984.

Vol. 24. N 5.

P. 551—556.

Г л а в а

3

КОМПОЗИТЫ С ПОЛИМЕРНОЙ И УГЛЕРОДНОЙ

МАТРИЦАМИ

В качестве

армирующих

элементов

В

качестве

матрицы используются

композитов

с

полимерной

матрицей

отвержденные

эпоксидные,

поли­

используются

непрерывные

и

ди­

эфирные и некоторые другие термо­

скретные волокна различной природы,

реактивные смолы, а также полимер­

ткани и нетканые материалы на основе

ные термопластичные материалы.

этих

волокон.

Наибольшее

распро­

Достоинства

композитов

с полимер­

странение получили пластики,

арми­

ной

матрицей следующие:

высокие

рованные

стеклянными,

углерод­

удельные прочностные и упругие ха­

ными,

органическими, борными

и

рактеристики,

стойкость

к

химиче­

некоторыми другими видами волокон.

ским агрессивным средам,

низкие те­

пло- и электропроводность, радио­

3.1.

ПРОЦЕССЫ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ

прозрачность стеклопластике® и т. п.

ДЕТАЛЕЙ

И

ИЗДЕЛИЙ

К достоинствам

этих материалов

сле­

ИЗ

ПОЛИМЕРНЫХ

дует отнести также и то, что при их

волокнистых

композитов

изготовлении

относительно

легко

при умеренных температурах и давле­

ниях

удается

соединить армирующие

3.1.1.

Прессование. Методом прессова­

элементы с матрицей. При этом могут

быть

применены

как

традиционные

ния получают детали и узлы разнооб­

процессы типа прессования, так и но­

разного назначения, формы и раз­

вые, такие, как намотка, когда мате­

меров,

обладающие

высокой

механи­

риал и изделие создаются одновре­

ческой прочностью и жесткостью, хо­

менно.

пластиков относятся

рошими

диэлектрическими

и

радио­

К

недостаткам

техническими

свойствами. Прессован­

их низкие прочность и жесткость при

ные детали из волокнистых термо­

сжатии

и сдвиге,

низкие

тепловая

стойких и жаростойких пресс-материа­

и радиационная

стойкость,

гигроско­

лов обладают стойкостью к высоким

пичность,

подверженность изменению

температурам, тепловому удару и окис­

физико-механических

характеристик

лению. Метод

прессования

позволяет

при старении и под воздействием

изготавливать в пресс-формах детали

климатических факторов.

и узлы машин массой от нескольких

Низкие тепловая и эрозионная стой­

граммов до 100 кг и более с толщиной

кости, а также некоторые другие не­

стенки от 0,5 до 100 мм и более.

ме­

достатки

полимерных

композитов,

Существует

две разновидности

в основном, определяются полимерной

тода прессования: прямое и литьевое.

матрицей.

Качественно

новый

уро­

Прямое

горячее прессование пред­

вень свойств материала позволяет по­

почитают

при

изготовлении

деталей

лучить

карбонизация

полимерной

различного назначения средней слож­

матрицы,

реализуемая при

образова­

ности, больших габаритов и массы.

нии углерод-углеродных компози­

При литьевом прессовании материал

ционных

материалов (УУКМ),

пред­

укладывают

в загрузочную

камеру

ставляющих

собой

систему

углерод­

предварительно замкнутой пресс-фор­

ное

волокно — углеродная

матрица.

мы и под действием высокого давления

Углеродная

матрица,

подобная

по

и температуры через литниковые ка­

физико-механическим свойствам угле­

налы

продавливается

(перетекает) в

родным волокнам,

позволяет наиболее

оформляющую полость пресс-формы.

полно реализовать в композите уни­

Литьевое

прессование

рационально

кальные

свойства

углеродного

во­

применять

для

изготовления

тонко­

локна.

стенных

деталей

сложной

конфигура­

УУКМ обладают целым рядом цен­

ции с мелкой и тонкой арматурой при

ных, часто уникальных свойств: чрез­

повышенных

требованиях

к точности

вычайно

высокой

теплостойкостью

размеров.

(в инертной среде они сохраняют свои

Выбор того или иного метода прес­

высокие удельные физико-механиче­

сования

следует осуществлять

исходя

ские свойства вплоть до 2500 К и рабо­

прежде всего из конструктивных осо­

тают

при

повышенных

температурах

бенностей

деталей,

технических

тре­

в отличие от углепластиков),

хорошей

бований,

предъявляемых

к

готовым

стойкостью к термоудару (как туго­

изделиям, а также экономической це­

плавкие

материалы), низкими

значе­

лесообразности.

про­

ниями

температурного

коэффициента

Основными

характеристиками

расширения

и

теплопроводности,

цесса

прессования

являются

темпе­

высокой стойкостью к химическим ре­

ратура, давление и время выдержки.

агентам (это свойство делает их весьма

Температура

прессования

зависит

перспективными

для

использования

главным

образом

от

химической

при­

шиностроения, атомной

энергетике ным фактором

процесса прессования,

и др.).

определяющим

пластичность материа­

ванне позволяет существенно повысить

Однако при этом облегчаются условия

текучесть

(на

20—30%),

уменьшить

формования изделия, сокращается вре­

на 0,5—2,5% содержание влаги и

мя смыкания пресс-формы, снижаются

летучих, сократить колебания усадки,

усилие прессования, время выдержки,

однако

вследствие

сильного

измель­

износ пресс-формы и содержание влаги

чения

армирующих

волокон

разру­

и летучих в материале. Время подо­

шающие напряжения при растяжении

грева зависит от геометрических раз­

и изгибе, а также удельная ударная

меров таблеток и плотности материала

вязкость в зависимости от марки ма­

в

таблетках.

производ­

териала

и

условий

экструдирования

В

условиях единичного

уменьшаются

на

70—80%.

зависит

ства подогрев материала для крупных

Давление экструдирования

деталей осуществляют непосредственно

от марки материала, температуры по­

в

пресс-форме.

фенолоформальде-

догрева

и

размеров

фильеры.

Для новолачных

Материалы

с

ориентированным ар­

гидных

материалов

наиболее

эффек­

мирующим

наполнителем,

поступаю­

тивен

и

высокопроизводителен

высо­

щие с 8аводов-изготовителей в виде

кочастотный

подогрев.

свернутых в рулоны лент, перед пере­

Менёе

эффективен

высокочастотный

работкой, как правило, разрезают на

нагрев для материалов на основе

ленты определенной длины. При из­

резольных смол. Материалы на основе

готовлении силовых

плоских

деталей

кремнийорганических смол, отличаю­

простой конфигурации длина лент мо­

щиеся

высокими

диэлектрическими

жет быть 100—150 мм, для получения

свойствами, нагревать токами высокой

деталей сложной формы наиболее пред­

частоты

не

удается.

почтительна длина лент от 10 мм и

Пресс-форма загружается материа­

более.

лом с равномерным его распределе­

Слоистые материалы с тканым арми­

нием по всей поверхности пресс-фор­

рующим

наполнителем

перед

прессо­

мы. Если объем загрузочной камеры

ванием

раскраивают

на

заготовки,

недостаточен, то загрузку пресс-формы

повторяющие формы и размеры изго­

производят в несколько приемов, по­

тавливаемых

деталей.

Количество

следовательно уплотняя материал каж­

слоев

заготовок

определяется

исходя

дой порции путем частичного смыка­

из толщины детали и толщины слоя

ния

формы.

предварительно пропитанной ткани.

Загрузку слоистых материалов про­

Процесс разрезки тканей на заго­

изводят, как правило, послойно в виде

товки

является

трудоемким,

требую­

пакетов,

чередуя направление основы

щим

достаточно

точно

изготовленных

и утка тканей, если прочность детали

шаблонов.

Поэтому

применяют тех­

в обоих направлениях должна быть

нологические лазерные установки мощ­

равной, и наоборот, если требуется

ностью до 500 Вт с системами число­

анизотропия

прочностных

характери­

вого

программного

управления.

стик, то укладка слоев ткани произ­

Материалы

с

хаотически

располо­

водится только в направлении осно­

женными волокнами, которые в со­

вы.

назначение

стоянии

поставки

имеют

большой

Подпрессовка. Основное

удельный

объем,

целесообразно при­

подпрессовок — дегазация

пресс-фор­

менять в виде таблеток. Стеклонапол­

мы с целью удаления летучих и паров

ненные материалы таблетнруют в по­

влаги за короткий промежуток вре­

догретых пресс-формах, что несколько

мени

начальной стадии отверждения

снижает

содержание

в

них

влаги,

материала. Использование подпрессов­

а также усилие, требуемое для обра­

ки дает возможность сократить время

зования

таблеток.

до

температуры

выдержки, уменьшить внутренние на­

Нагрев

материала

пряжения, значительно (до 15%) по­

прессования, при которой он переходит

высить физико-механические и диэлек­

в вязкотекучее состояние, и выдержка

трические характеристики

в готовых

под давлением

(отверждение)

состав­

деталях. В зависимости от размеров и

ляют наиболее длительные стадии тех­

сложности

деталей

применяют, как

нологического процесса

прессования.

правило, две-три (и более) подпрес­

совки.

Однако

подпрессовку

можно

детали, системы ЧПУ прессом. Такой

использовать не всегда. При изготов­

набор

технических

средств

позволяет

лении

тонкостенных деталей

большой

обеспечить

прессование

в

автоматиче­

высоты, а также деталей в сложных

ском режиме разных деталей нз одной

пресс-формах с несколькими плоско­

партии материала.

изделий,

получен­

стями разъема, сложными закладными

Оценка

качества

элементами

и

арматурой

применять

ных прессованием. В зависимости от

подпрессовки нельзя.

является

назначения изделий в технической до­

Выполнение

подпрессовок

кументации на изготовление и при­

ответственной

операцией,

момент

на­

емку их

устанавливаются

требования

чала ее выполнения зависит от харак­

по физико-механическим, теплофизи­

тера пресс-материала, степени и ско­

ческим характеристикам, электро- и

рости его прогрева в форме.

радиотехническим

показателям,

точ­

Выдержка — это время пребывания

ности геометрических размеров, моно­

материала в нагретой форме, необ­

литности, внешнему виду и надеж­

ходимое для его полного отверждения.

ности.

Выдержкой при прессовании считается

Физико-механические и теплофизиче­

отрезок времени с момента первого

ские характеристики материала в кон­

смыкания и заканчивается в момент

струкции изделий определяют на об­

снятия давления для подъема пуансона

разцах,

вырезанных

из

некоторых

перед извлечением

отпрессованной де­

контролируемых деталей, и на образ-

тали.

цах-свидетелях,

изготовленных

из

При прессовании деталей из слои­

той же партии пресс-материала и по

стых композитов время выдержки под

тем же технологическим

режимам.

давлением

включает

время

охлажде­

Важными

показателями

качества

ния, которое производится также под

прессованных деталей

являются со­

давлением. Из-за низкой теплопровод­

стояние поверхности и структуры ма­

ности

слоистых

волокнистых

компо­

териала, которые в значительной мере

зитов время охлаждения может быть

влияют на надежность в условиях их

значительным.

эксплуатации.

Кроме

того,

влияние

Съем деталей. В зависимости от кон­

дефектов одного и того же типа и раз­

струкции пресс-формы и детали съем

меров на физико-механические или

производится с помощью системы вы­

другие эксплуатационные

показатели

талкивателей,

специальных съемников

из различных материалов не одина­

или (для деталей из слоистых материа­

ково.

лов)

вручную.

термореактивных

во­

Дополнительная информация о про­

Переработка

цессах получения изделий из компо­

локнистых

полимерных материалов в

зитов методом прессования содержится

отечественной промышленности осуще­

в работах [6, 7, 10, 11, 21, 24].

ствляется на гидравлических пресс-

3.1.2.

и

Контактное,

контактно-ва­

полуавтоматах

и гибких переналажи­

куумное

автоклавное

формование.

ваемых

модулях.

прессов

предусмо­

Известно более двадцати способов из­

В

конструкции

готовления при низком давлении де­

трены

средства

для

автоматического

талей и изделий из волокнистых по­

регулирования

температуры

нагрева

лимерных композиционных материалов

пресс-форм,

автоматического 'регули­

(ПКМ). Непосредственно процесс фор­

рования скорости хода подвижной пли­

мования может быть осуществлен сле­

ты

в

процессе

формования.

дующими способами: контактным, кон­

Универсальные гидравлические прес­

тактно-вакуумным,

автоклавным.

изго­

сы применяют для изготовления круп­

Правильность

выбора метода

ногабаритных деталей из волокнистых

товления

конструкций

изделий

яв­

композитов.

ляется

важной

технологической

зада­

В состав гибкого производственного

чей, определяющей, как правило, их

модуля входят: гидравлический пресс,

свойства, а также преимущества ПКМ

система

дозирования

материала,

си­

перед другими материалами. При вы­

стема загрузки дозы материала в гнездо

боре

способа

изготовления

изделий

формы,

система

съема

отпрессованной

необходимо

учитывать

их

назначение

и требования, предъявляемые к ним,

нителем

кузовов

специальных

машин

конструкцию и габариты изделия, а

и укрытий антенн, считается экономи­

также

масштабы

их

производства.

чески целесообразным,- так как не

Кроме

того,

способ

изготовления

требует сложной и дорогостоящей тех­

конструкций изделий зависит от типа

нологической

оснастки

и

оборудова­

армирующего

волокнистого

наполни­

ния.

формование.

теля и полимерного связующего. Па­

Контактно-вакуумное

раметры

же

процесса

определяются

Процесс контактно-вакуумного формо­

в первую очередь типом используе­

вания осуществляется за счет разно­

мого связующего и очень часто не

сти давления между наружным давле­

зависят от

применяемого

армирую­

нием и внутренним разрежением, соз­

щего

материала.

даваемым в полости между эластич­

Наиболее прост по аппаратурно-тех­

ным мешком и жесткой формой. Кон­

нологическому оформлению метод кон­

тактно-вакуумный способ формования

тактного

формования,

который

при­

применяют, как правило, в опытном

меняется

для

изготовления

сравни­

производстве

для изготовления

не­

тельно

небольшого количества круп­

большой

серии

крупногабаритных

ногабаритных

малонагруженных

из­

сложной формы однослойных н много­

делий сложной конфигурации. На под­

слойных

конструкций

изделий,

со­

готовленную

форму

последовательно

держащих

промежуточный

слой

из

укладываются,

пропитываются связу­

сотового заполнителя или теплоизоли­

ющим и уплотняются до нужной тол­

рующего

пенопласта.

В

зависимости

щины

слои

армирующего

материала.

от класса

применяемого

связующего

Процесс

изготовления изделий

ме­

формование

осуществляют

«мокрым»

тодом контактного формования состоит

способом с пропиткой сухого армирую­

из

следующих

операций:

нанесения

щего

материала

непосредственно

на

разделительных

покрытий

на

формы;

форме жидким связующим аналогично

раскроя тканых или нетканых арми­

процессу контактного формования или

рующих

материалов;

приготовления

«сухим» способом с формованием пред­

связующего; укладки армирующего ма­

варительно пропитанного и подсушен­

териала на форму; нанесения на ар­

ного армирующего материала с ча­

мирующий

материал

связующего и

стичным

освежением

формуемого

ма­

пропитки

им

арматуры;

формования

териала основным связующим или без

изделия с одновременным или после­

него.

дующим его отверждением при ком­

При «мокром» способе пропитки при­

натной

температуре

или

нагревании

меняются

связующие

как

холодного

до

70—95 °С

после

желатинизации

отверждения

на

основе

полиэфирных

смолы; извлечения изделия из формы

и эпоксидных смол, так и горячего

и механической обработки его по кон­

отверждения

на

основе

модифициро­

туру согласно

требованиям

чертежа,

ванных

поливинилбутиролем

фенол­

контроля геометрии

и дефектоскопии.

формальдегидных

смол. При

«сухом»

Способ контактного формования име­

способе формования используются свя­

ет целый ряд недостатков, которые

зующие только горячего отверждения.

особенно проявляются в условиях се­

Автоклавное формование. Автоклав­

рийного производства. К ним отно­

ный

способ

формования

применяется

сятся: значительный

разброс

показа­

в производстве крупногабаритных кон­

телей физико-механических свойств из­

струкций изделий сложной формы с бо­

делий;

длительность

процесса

формо­

лее высокими и стабильными в про­

вания;

зависимость

качества

изделий

цессе эксплуатации физнко-механнче-

от

квалификации

формовщиков;

тя­

скимн свойствами при достаточно боль­

желые

условия

труда.

способа

кон­

шой серии. Способ позволяет получать

Однако

применение

как однослойные изделия, так и много­

тактного

формования

для

производ­

слойные с сотовым заполнителем или

ства в небольших количествах таких

с заполнителем из жесткого пено­

изделий, как, например, лодок, крыль­

пласта.

формования

во­

ев

автомобилей,

небольших

катеров,

Для автоклавного

трехслойных

с

пенопластным

запол­

локнистых композитов могут быть ис­

пользовано

автоклавы,

применяемые

исходя из вида применяемого связую­

для вулканизации резин и специально

щего и размеров формуемого изделия.

созданные для этих целей аппараты.

Процесс

автоклавного

формования

Процесс автоклавного формования во

трудоемок, качество выкладки зависит

многом сходен с контактно-вакуумным

только

от

квалификации

работников.

формованием. Отличие состоит в спо­

С целью сокращения доли ручного

собе приложения и величине давления

труда на операции выкладки, сохра­

формования. Благодаря тому, что фор­

нения

одинаковых условий

выкладки

ма в момент опрессовки выложенной

на всей поверхности формуемого па­

заготовки изделия в автоклаве испы­

кета выкладку препрега

(однонаправ­

тывает

всестороннее

и

равномерное

ленных предварительно

пропитанных

нагружение,

конструкция формы

мо­

лент)

осуществляют

на

специально

жет

быть

достаточно

тонкостенной,

созданных многокоординатных выкла-

легкой, но должна сохранять герметич­

дочных машинах с ЧПУ. При этом

ность в течение всего периода формова­

заданное количество слоев и углы

ния. Еще одним обязательным требо­

укладки лент в каждом слое обеспе­

ванием, предъявляемым к форме для

чиваются движением раскладывающей

автоклавного

формования,

является

головки по программе. Процесс авто­

высокая теплопроводность

материала

матизированной

выкладки

позволяет

формы и сравнительно небольшая тол­

в течение всего времени формования

щина ее стенки, чтобы прогрев фор­

поддерживать

давление

прикатки

и

муемой заготовки изделия происходил

температуру прикатного ролика в уз­

при

минимальных

затратах

времени.

ком диапазоне, что обеспечивает ста­

При

формировании

крупногабарит­

бильность

технологического

процесса

ных изделий сложного профиля осо­

и

его

высокую

производительность.

бое внимание должно быть обращено

Процесс формования за один тех­

на тщательную приформовку каждого

нологический

цикл

нескольких

за­

слоя препрега с прикаткой горячим

ранее

полученных элементов, напри­

(70—90 °Q

валиком

и

плотное

при­

мер прессованием, намоткой или вы­

легание эластичного чехла из резины,

кладкой отвержденных или

частично

прорезиненной

ткани

и

пленки.

тех­

отвержденных в едином силовом узле

Последовательность

операций

с последующим совместным отвержде­

нологического процесса при автоклав­

нием в автоклаве, получил название

ном формовании следующая: выкладка

интегрального. Процесс интегрального

заготовки изделия на подготовлённую

формования позволяет получить новые

форму согласно требованиям чертежа,

качественные решения в создании вы-

установка на расстоянии не менее чем

соконагруженных

конструкций из во­

40 мм от кромки формы (в зоне при­

локнистых композитов, сократить объ­

пуска) термопары, обеспечивающей ре­

ем слесарно-подгоночных работ, по­

жим отверждения; укладка на за­

высить

качество.

Одним

из самых

готовку

перфорированной полипропи­

3.1.3.

Намотка.

леновой пленки, по периметру за­

распространенных и совершенных про­

готовки — дренажной

трубки;

ук­

цессов

изготовления

высокопрочных

ладка поверх пленки одного-двух слоев

армированных оболочек является про­

чистой стеклянной ткани в качестве

цесс непрерывной намотки. При этом

Дренажного слоя; подготовка -и уста­

методе

лента,

образованная

системой

новка

эластичного

чехла;

создание

нитей или сформированная из ткани,

разрежения

и

под

чехлом

(0,08—

пропитывается

полимерным

связую­

0,09

МПа)

избыточного

давления

щим, подается на вращающуюся оправ­

в автоклаве (0,3 МПа) инертным га­

ку,

имеющую конфигурацию внутрен­

зом;

проверка

герметичности системы;

ней поверхности изделия, и уклады­

формование по заданному температур­

вается в ней в различных направле­

ному режиму и давлению; охлаждение,

ниях. После

получения

необходимой

сброс давления в аппарате и вакуума

толщины и структуры материала про­

под

чехлом,

снятие

изделия.

изводится

отверждение

и

удаление

Режимы автоклавного формования по

оправки. Метод непрерывной намотки

температуре

и давлению назначаются

позволяет

получать

оболочки враще-

ния сложной

формы

и

реализовать

кости связующего в процессе пропит­

с высокой точностью большое коли­

ки. Особенно эффективно применение

чество схем армирования изделий из

предварительно

пропитанных

ровнин-

композитов.

гов, полотен стекло-, углетканей и

Применение тканых лент из различ­

лент.

ных волокнистых материалов при на­

При использовании «сухого» метода

мотке изделий конической формы по­

намотки улучшаются условия и куль­

зволяет

располагать слои

армирую­

тура

производства, повышается про­

щего материала не только параллель­

изводительность процесса намотки в

но образующей, но и параллельно и

1,5—2 раза,

появляется возможность

под различными углами к оси изделия.

использования

практически

любого

Совершенство процесса изготовления

связующего:,

эпоксидного, эпоксидно­

армированных

оболочек

методом

на­

фенольного, фенолформальдегидного,

мотки

определяет

возможность

его

полиимидного.

автоматизации

и

программирования

Способ «мокрой» намотки отличается

анизотропии свойств в изделии, с одной

тем, что пропитка армирующего волок­

стороны, с другой — получения изде­

нистого материала связующим и на­

лий, имеющих форму тел вращения —

мотка на оправку совмещены. Необ­

цилиндров,

замкнутых

оболочек

со

ходимая вязкость связующего в дан­

сферическими днищами, конусов, то-

ном

случае

обеспечивается

выбором

роидов

и др.

несколько

технологиче­

соответствующей смолы и применением

Существует

подогрева связующего в пропитываю­

ских методов формования изделий на­

щей

ванне.

Преимущество

способа

моткой в зависимости от способа нане­

«мокрой» намотки заключается в более

сения

связующего

на

волокнистый

низком контактном давлении формова­

армирующий

материал

и

обеспечения

ния, что требует оборудования с мень­

необходимого содержания его в ма­

шей мощностью привода и лучшей

териале

изделия.

формуемостью

поверхностей

изделия.

Способ «сухой» намотки заключается

Поэтому способ «мокрой» намотки при­

в том, что волокнистый армирующий

меняется

преимущественно для изго­

материал перед формованием предва­

товления

крупногабаритных

оболочек

рительно пропитывают связующим на

сложной конфигурации. Для достиже­

пропиточных

машинах,

которые обес­

ния заданных углов армирования при­

печивают не только качественную про­

меняют намоточные машины с ЧПУ.

питку, но и требуемое равномерное

В зависимости от способа создания

содержание

связующего

в

препреге

контактного давления формования раз­

на основе стекло-, органо- и углево-

личают

следующие методы

намотки:

докон за счет применения различных

формование методом намотки с тех­

растворителей для регулирования вяа-

нологическим

натяжением

армирую­

щего волокнистого

материала, формо­

вание

методом

локального

прижима

уплотняющим .роликом или с примене­

нием того и другого одновременно.

По типу укладки армирующего во­

локнистого

материала

в

намотанном

изделии

различают

несколько

видов

намотки,

например

прямую

(окруж­

ную) намотку, спиральную, спирально­

перекрестную,

продольно-поперечную

намотку и др. Независимо от способа

намотки технологические стадии и фи­

Рис. 3.2. Схема

продольно-кольцевой

зико-химические процессы образова­

(продольно-поперечной)

намотки:

ния

структуры

армированных волок­

1 — оправка; 2 — вертлюг катушек про­

нами

композитов

мало

отличаются.

дольных лент;

3 — катушка

продольной

ленты;

4 — катушка

кольцевой

ленты;

Поэтому

технологический

цикл

фор­

б — наматываемая оболочка

мования в зависимости от происходя­

непрерывной укладкой ленты,

плотно

щих процессов разделен на следующие

стадии: намотка и получение заготовки

уложены друг к другу или имеют

изделия, нагрев заготовки на оправке

строго

постоянный нахлест, величина

до температуры

стеклования

связую­

которого связана с числом формуемых

щего, нагрев до температуры отвер­

одновременно

слоев

заданной

струк­

ждения

связующего,

выдержка — от­

туры. Для спирально-винтовой на­

верждение

связующего

при

постоян­

мотки возможны два варианта уклад­

ной температуре, охлаждение до тем­

ки слоев армирующего материала:

пературы стеклования и далее до

однослойная укладка (рис. 3.1, а):

конечной

температуры,

съем

изделия

формуется слой толщиной, равной тол­

с оправки.

щине одной ленты, подаваемой на

Прямая (окружная) намотка. Ее при­

оправку, а ленты укладываются строго

меняют в тех случаях, когда необхо­

встык друг к другу;

димо получить оболочку, длина кото­

многослойная укладка (рис. 3.1, б):

рой равна или меньше ширины нама­

формируется многослойная

структура

тываемой ленты. В качестве армирую­

за один проход раскладывающего уст­

щего волокнистого материала при пря­

ройства; при этом лента укладывается

мой намотке используют, как правило,

на оправке с нахлестом, характери­

полотна

предварительно

пропитанных

зуемым параметром

k.

тканей

или тканых

лент.

В сочетании с другими видами намот­

В случае, когда методом прямой на­

ки (особенно со спирально-перекрест­

мотки

необходимо

получить

изделие,

ной) этот метод используется доста­

длина

которого

намного

превышает

точно широко. Отдельно метод на­

ширину одного полотна (ленты), при­

ходит применение в тех случаях,

меняют намоточные устройства с не­

когда

необходимо провести усиление

сколькими

узлами

раскладки.

Сущ­

в местах, где требуется повышенная

ность

такого

процесса

заключается

кольцевая прочность

или

жесткость.

в одновременной укладке предвари­

К таким случаям относятся: упрочне­

тельно пропитанных связующим поло­

ние цилиндрической

части металличе­

тен ткани на оправку с нескольких

ских

сосудов

давления,

металличе­

самостоятельных раскладывающих ме­

ских труб различного диаметра, упроч­

ханизмов.

коль­

нение

артиллерийских стволов, ство­

Спиральная (тангенциальная,

лов стрелкового оружия и др. Этот

цевая) намотка. Сущность метода за­

метод намотки применяется в основ­

ключается в том, что сформированную

ном для изделий цилиндрической фор­

ленту

волокнистого

материала,

про­

мы. Однако возможна намотка изде­

питанную

полимерным

связующим

лий на конической оправке с углом

(тканая или однонаправленная),

укла­

конусности ф ^

20° для «мокрого» спо­

дывают на поверхность оправки по

соба и (р < 30° для

«сухого»

способа

винтовой линии. Витки, образованные

намотки.

Рнс. 3.3. Схема

спирально-перекрестной

намотки:

1 — оправка;

2 — каретка

поперечного

перемещения

катушки;

3 — лента

Продольно-кольцевая

(продольно-

поперечная)

намотка.

Наиболее рас­

Рис. 3.4. Схема совмещенной спирально-

пространенная

технологическая

схема

хольцевой намотан:

продольно-поперечной

намотки

пока­

1 — оправка;

2 — суппорт

для

спираль­

зана на рис. 3.2. Вертлюг, на котором

ной

намоткн;

3 — ленто-пропнтывающий

тракт

спиральных

слоев;

4 — суппорт

по периметру установлены шпули с

тангенциальной намоткн; 5 — катушка для

ленточным

наполнителем,

вращаясь

кольцевых слоев

синхронно с вращением оправки, пере­

для

изготовления

изделий,

имеющих

мещается при этом вдоль оси оправки,

укладывая продольные

ленты. Одно­

форму тел вращения с произвольной

временно с

раскладывающего устрой­

образующей — цилиндров,

конусов,

ства спирально-винтовой намоткой ук­

сфер, баллонов давления и др.

ладывается ленточный армирующий ма­

Метод имеет большой диапазон воз­

териал, фиксирующий ленты продоль­

можностей

по

конструированию

раз­

ной укладки. В данном случае на­

личных

схем

укладки

волокнистого

мотку полной толщины стенки изде­

армирующего

материала

в

соответ­

лия осуществляют за несколько слож­

ствии с действующими нагрузками.

ных проходов. Метод продольно-попе­

Меняя угол намотки, можно полу­

речной намотки, как правило, приме­

чить

различное распределение

нагру­

няется при «сухом* режиме формова­

зок в продольном и окружном направ­

ния изделий.

лении, т. е.,.распределяя армирующий

Спирально-перекрестная

намотка.

материал вдоль направления действия

При этом методе лента армирующего

главных напряжений от действующих

материала заданной ширины В укла­

нагрузок,

можно

достигнуть

макси­

дывается на оправку с подачей 5 ,

мального использования прочности ис­

превышающей ширину ленты в целое

ходных

волокон в изделиях.

число раз. За прямой н обратный ход

Совмещенная

спирально-кольцевая

раскладывающего устройства (полный

вамотка. Метод заключается в одно­

проход) формируется один спирально-

временной

укладке армирующего

ма­

перекрестный

виток,

закрывающий

териала,

сформированного

в

лейте,

часть поверхности оправки. При сле­

на оправку,

с двух раскладывающих

дующем проходе раскладывающего уст­

устройств,

движение

которых

про­

ройства лента укладывается встык к ра­

граммировало

задается

вращением

нее намотанной (рис. 3.3). Процесс

оправки (рнс. 3.4). Непременным ус­

ведут до тех пор, пока не будет за­

ловием данного способа является то,

крыта вся поверхность оправки и,

что начало намотки спирально-винто­

таким образом,

сформирован полный

вым и спирально-перекрестным мето­

двойной спиральный слой. Для полу­

дами и их окончание должно быть

чения заданной толщины стенки фор­

осуществлено в одно и то же время.

мируемого изделия проводят намотку

Метод применяют для изготовления

нескольких таких сдоев [20].

намоткой

изделий

цилиндрической и

Этот метод намотки наиболее рас­

конической формы с углом конусности

пространен;

его

широко

применяют

ве более

2СГ.

Косослойна^

продольнопоперечная

намотка.

Метод заключается в

том,

что слой продольно-поперечного арми­

рования формируется не на всей длине

оправки, а в пределах технологической

ленты, укладываемой на оправку спи­

рально-винтовым методом с малой по­

дачей. Набор требуемой толщины стен­

ки формуемого изделия осуществляется

обычно за один ход раскладывающего

устройства

(рис.

35).

образуется

пу­

Формуемое

изделие

Рис. 3.5. Схема

косослойной

продольно­

тем спирально-винтовой намотки на

поперечной намотки:

оправку

псевдоленты,

образованной

1 — оправка;

2 — ванна

для

пропитки

лентой

кольцевого

армирования,

со­

кольцевых жгутов; 3 — вертлюг для уклад­

стоящей из п прядей, и нитями осевого

ки осевых

нитей;

4 ■— катушка для нитей

армирования, подаваемых с вертлюга.

Пряди

ленты кольцевого

армирова­

пропитанных лент с однонаправленной

ния

пропитываются

связующим

не­

посредственно в процессе намотки «мо­

волокнистой структурой. Для получе­

крым» способом, пропитка сухих осе­

ния

труб

малого

диаметра

(менее

вых нитей осуществляется на оправке

400 мм) применяют косослойную про­

за счет избытка связующего в ленте

дольно-поперечную спиральную намот­

кольцевых

прядей.

ку «мокрым» способом с использова­

Метод широко используется для из­

нием нитей и жгутов армирующего

готовления напорных труб малого и

материала

и

эпоксидных

связующих.

среднего диаметров, а также кониче­

Достаточно

широкое

распространение

ских изделий с углом конусности не

для производства напорных труб ма­

более 20°.

способов

получения

лой длины получил способ окружной

Разнообразие

намотки

полотнами

предварительно

изделий, имеющих форму тел враще­

пропитанных

тканей.

ния,

предоставляет

широкие

возмож­

Создание

баллонов

высокого давле­

ности для выбора оптимальных кон­

ния

сферической

и

цилиндрической

структивно-технологических

решений

формы

со

сферическими

цельномо­

для создания прогрессивных конструк­

таными

днищами

стало

возможным

ций из волокнистых полимерных ком­

благодаря созданию и развитию тео­

позитов. Вместе с этим практика созда­

рии и метода спиральной намотки не­

ния изделий из полимерных компози­

прерывными

лентами

из волокнистых

тов позволила выделить целый ряд

материалов по программируемым тра­

отработанных и проверенных решений,

екториям.

определяющих однозначные принципы

Параметры процессов намотки. Про­

выбора того или иного способа на­

цессы

формования

методом

намотки

мотки.

Например,

крупногабаритные

достаточно разнообразны, но все их

(диаметром более 800 мм) цилиндри­

можно в зависимости от состояния ис­

ческие

однослойные

и

многослойные

пользуемых

армирующих

материалов

конструкции

с

кольцевыми

местами

и полимерных связующих свести к

усиления

жесткости

целесообразнее с

двум

способам — «сухому»

и

«мокро­

точки зрения получения лучших тех­

му». Причем некоторые методы намот­

нико-экономических показателей из­

ки (окружная ткаными армирующими

готавливать

методом

окружной

на­

материалами,

продольно-поперечная

мотки из предварительно пропитанных

однонаправленными

лентами)

реали­

тканых

армирующих

материалов.

зуются только при «сухом» способе,

Для получения труб большого диа­

другие могут быть реализованы и тем

метра, работающих в условиях вы­

и другим способом. Однако, несмотря

сокого внутреннего давления, хорошие

на принципиальное различие этих спо­

результаты

дает

способ продольно­

собов и присущие им индивидуальные

поперечной намотки из предварительно

закономерности,

между

ними

имеется

чения

реальной

картины

температур­

мов отверждения эпоксидно-феноль­

ных полей по заложенным при намотке

ных

связующих.

датчикам температуры на поверхности

Не менее важной стадией процесса

оправки в местах перехода одного ма­

отверждения намотанной заготовки из­

териала к другому и на различных

делия

для

обеспечения

монолитной

уровнях по

толщине

изделия.

структуры композита в изделии яв­

Другим методом определения време­

ляется стадия охлаждения. Выбор оп­

ни

гелеобразования

и

температуры

тимального

режима

охлаждения

от­

стеклования

связующего

является ме­

вержденного изделия с учетом релак­

тод

дифференциально-термического

сационных

эффектов,

происходящих

анализа, который позволяет разграни­

на этой стадии в композите, позволит

чить эти две характеристики по тем­

снизить остаточные температурные на­

пературе и времени в условиях, при­

пряжения.

Поэтому задача

обеспече­

ближенных к реальным условиям от­

ния

ненапряженного

состояния

мате­

верждения. Метод позволяет на образ­

риала

и

готового изделия есть полу­

цах

неотвержденного

материала

тол­

чение монолитной, без дефектов струк­

щиной 1,5 мм по термограммам при

туры материала и стабильных геоме­

двух

различных

скоростях

нагрева

трических

характеристик

изделия.

определить температуру начала и конца

Дополнительная информация об осо­

гелеобразования,

температуру

стекло­

бенностях процесса намотки и свой­

вания и рассчитать время промежуточ­

ствах

композитов,

полученных

этим

ной выдержки для перехода полимер­

методом, содержится в работах [4,,

ной матрицы в стеклообразное со­

12—16,

20].

стояние. Температуру

окончательного

3.2.

отверждения устанавливают при полу­

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ

чении

степени отверждения 95—98%

СВЯЗУЮЩИХ

И

МАТРИЦ

на таком уровне, чтобы она была выше

НА

ИХ

ОСНОВЕ

температуры стеклования на величину,

равную разности между температурой,

Полимерная матрица образуется после

при

которой

ускорение

отверждения

отверждения (полимеризации) связую­

(полимеризации)

наибольшее,

и

тем­

щего. К связующим и матрицам предъ­

пературой стеклования.

Этот

метод

является

весьма

широкий

комплекс

чаще применяется при выборе режи­

требований как в процессе изготовле-

3.1. Технологические характеристики эпоксидных связующих

Марка

Смола нлн оостав

Вязкость

при

203

К

Время

гелеоб­

СМОЛЫ Е Л И

связующего

по Хопперу,

по

вискози­

разова­

связующего

ния

при

Па.с

метру, с

373

К,

я

ЭД-16

Эпоксидиановая

13—28

—

3

ЭД-20

4

АЦ-30

Эпоксициануратная + про­

15-10®

—

—

дукт конденсации

эпихлор-

К-54/6

гидрина с анилином

_

1

ЭД-20 +

диэтиленгликоль-

малеинатфталат

300

К-115

Эиоксидиановая +

олиго­

—

К-153

эфиракрилат (МГФ-9)

500—1800

1

Эпоксиднановая +

МГФ-9 +

+

тиокол

К-168

Эпоксиднановая +

МГФ-9

600

0,25

К-201

500

2,0