книги / Технология производства полимерных композитных материалов и конструкций на их основе

Научно-технический прогресс в машиностроении в основном свя­ зывают с разработкой и широким применением композитных материа­ лов. Наличие целого комплекса специфических свойств, таких как высокие удельная прочность и модуль упругости, низкий удельный вес, анизотропия, невысокие теплофизические характеристики и другие, в ряде случаев выгодно отличает применение композитных материалов в современных конструкциях в отличие от традиционных материалов (металлов). Так, применение композитных материалов да­ ет экономический эффект на I кг массы в самолете 150 долл., в вертолете 300, ракете, спутнике 10 000, в сложном космическом ап­ парате 50 000 долл. Использование композитных материалов в конст­ рукциях приводит к снижению энергозатрат. При производстве конст­ рукций из различных материалов удельные затраты электроэнергии (кВт/ч) в расчете на I кг готовой конструкции составят: для эпо­ ксиуглепластика 72,7; стали 220,4; алюминия 392,4; титана 1543,2. В настоящее время нет никаких сомнений в том, что развитие и ми­ ровое применение этих материалов является одним из определяющих факторов научно-технического и оборонного потенциала любой стра­ ны. Специфические особенности композитных материалов требуют осо­ бого подхода как к проектированию конструкций, так и к разработ­ ке технологических процессов.

Опыт производства конструкций из композитных материалов по­ казал, что наиболее ответственной и трудоемкой стадией технологи­ ческого процесса являются операции формования, так как именно на этом этапе в первую очередь формируется структура материала, точность геометрических форм, закладывается основа высокого ка­ чества и надежности.

Организация и осуществление формования конструкций из ком­ позитных материалов с высокими и стабильными физико-механически­ ми характеристиками требуют от конструктора и технолога выпол­ нения большого объема работ, связанных с выбором армирующего ма­ териала и связующего, метода и режима изготовления и проведения необходимых конструкторско-технологических расчетов.

В настоящем пособии рассматриваются вопросы, связанные с выбором армирующих материалов, связующих, методов формования

конструкций из композитных материалов и приводятся основные дан­ ные по расчету технологических режимов намотки и отверждения.

I. КОМПОНЕНТЫ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

I.I. Аширущие материалы для композитных материалов

Развитие современного машиностррения потребовало разработки различных видов армирующих материалов для получения конструкций из композитных материалов с широким диапазоном физико-механичес­ ких свойств. Введение армирующих материалов в полимерную матрицу позволяет повысить прочность и жесткость, регулировать свойства в необходимом направлении, добиться соответствующих теплофизических, электрических и других характеристик. Основные виды ар­ мирующих материалов: волокна стекла, бора, органические, угле­ родные, керамические, карбидокремниевые.

I.I.I. Стеклянные волокна

Стеклянные волокна получили наиболее широкое применение бла­ годаря сравнительно малой стоимости, высокой прочности, небольшой плотности, низкой теплопроводности, высокой термостойкости.

Необходимость создания стеклопластиков с большой удельной жесткостью привела к разработке профильных (полых) волокон, при­ менение которых позволяет при сохранении толщины стенки конструк­ ции снизить ее массу на 37$; при сохранении массы конструкции уве­ личить ее изгибную жесткость в I,7-2,1 раза.

Непрерывные стеклянные волокна изготовляются вытягиванием волокон из стекломассы, получаемой при плавлении стеклянного боя в пламенных стеклоплавильных печах. Этим методом получают волок­ на диаметром 14-30 мкм.

Другим способом получения стеклянных волокон является одно­ стадийный процесс. В этом случае кварцевый песок, известняк, борная кислота и другие компоненты (глина, уголь, шпаты) переме­ шиваются и плавятся в высокотемпературных печах (1533 К). Рас­ плав стекла поступает в емкость, называемую бушингом, в днище которого имеются фильеры (200-6000). Под действием гидростатичес-

кого давления расплав стекла вытекает через фильеры. Экструдируе­ мые из каждого отверстия струи подвергают интенсивному механичес­ кому растяжению, после закалки в подфильерном холодильнике (в по­ токе водяных брызг) собирают в нить (2-48 волокон). Собранные в единый пучок элементарные волокна (филаменты) носят название "стренга" (жгут) (20-100 нитей).

Для получения штапельного волокна расплавленная стекломасса, вытекающая из отверстий фильер, вытягивается и разрывается в струе воздуха (способ "воздушного" вытягивания). Волокна длиной 200...380 мм собираются вместе на вращающемся барабане и объеди­ няются в стренгу.

При двухстадийном процессе расплав перерабатывается вначале в стеклосферы, которые затем поступают в плавильные печи. Этот способ оказался экономически неэффективным из-за больших затрат энергии на охлаждение и повторное плавление стеклошариков.

Наиболее распространенными являются высокощелочные (извест­ ково-натриевые) композиции, известные под маркой Л-стекла, об­ ладающие высокой хемостойкостью.

Высокое содержание щелочи в стекле определяет его невысокие электрические свойства, в то время как хорошие электроизоляцион­ ные свойства определили развитие стекол на основе низкощелочных композиций (алюмоборсиликаты), получивших название £ -стекол.

Для специальных областей применения могут быть созданы ком­

( Сj -стекла) (магнийалюмосиликатные композиции). Повышение проч­

бериллия препятствует созданию коммерческой продукции в связи с канцерогенностью бериллиевого производства.

Низкие диэлектрические свойства D -стекол послужили причиной исследования возможности их применения в создании обтекателей ан­ тенны радиолокаторов.

L -стекле (свинцовые) хороши для радиационной защиты. Разра­ ботаны стекла марок R , Т для высокопрочных волокон магнийалюмо­ силикатного состава.

В процессе производства стекловолокон на них наносится тех­ нологический замасливатель (парафиновая эмульсия или на основе крахмала) для предохранения от истираний, механических поврежде­ ний, во время текстильной переработки, воздействия влаги. Такие замасливатели называют текстильными. Они препятствуют адгезион­ ному взаимодействию волокна и связующего, в результате чего в условиях повышенной влажности существенно ухудшаются механичес­ кие свойства. Поэтому перед изготовлением стеклопластиков эти замасливатели удаляют с помощью термической обработки при темпе­ ратуре до 1100 К или смывают.

Вот почему после удаления замасливателей на поверхность во­ локон наносят гидрофобно-адгезионные вещества (аппреты), которые своими функциональными группами взаимодействуют как со связующим, так и со стекловолокном. В качестве аппретов применяют обычно кремнийорганические и металлоорганические соединения, содержащие аминогруппы, гидроксильные и эпоксидные группы.

Учитывая, что тепловая обработка для удаления замасливате­ лей приводит к потере механической прочности стекловолокон на 25-50 %, аппреты вводят в состав замасливателей ("прямые" замас­ ливатели), что позволяет избавиться от операции очистки. Такими замаеливателями для эпоксидного и фенольного связующих являются гё 78,80, а также £ 3,9,28,289 для полиэфирных связующих. В ре­ зультате длительной практики промышленнреть установила несколько стандартов на толщину моноволокон:

чения, что дает возможность повысить плотность их упаковки в стек­ лопластике, а следовательно, увеличить прочность и жесткость композита.

На основе стеклянных волокон изготавливают нить. Два или бо­ лев волокна могут скручиваться вместе с образованием крученых ни­ тей в два, три и более сложения. Нить содержит не более 1000 эле­ ментарных волокон. Группа из большого числа волокон Называется ровницей или жгутом.

К структурным показателям нити можно отнеоти: плотность упа­

Ровинги делятся на три группы: Р - дая изготовления матов; Т - дая изготовления тканых и нетканых материалов; Н - дая изго­ товления конструкций методом намотки. Например, РЕШ-10-420-80, РШЮ-420-78; Ш - на основе алюмоборосиликатного стекла; цифра диаметр элементарной нити в мкм; вторая цифра обозначает линей­ ную плотность комплексной нити в тексах и число комплексных ни­ тей в ровинге или результирующую линейную плотность ровинга в тексах; третья цифра обозначает марку замасливателя.

Большая часть стеклоровинга перерабатывается в ткани и ис­ пользуется при создании корпусов лодок, многих покрытий. Ткани из ровинга выпускаются с различной плотностью (0,407-1,356 кг/м2) и различной толщины (0,51...1,02 мм).

П р и м е ч а н и е . Стекло А ограниченно используется в производстве стекловолокнис­ тых наполнителей вследствие низкой влагостойкости; стекло С обладает повышенной химической стойкостью, поэтому применяется при изготовлении коррозионностойких материалов; стекло J)

используется в производстве материалов электротехнического назначения; стекло В - волок­ нистых наполнителей общего назначения; стекло S - материалов для аэрокосмической техники;

УТЛ—3IA - стеклопластиков с повышенной жесткостью.

1.1.3. Маты

Существует три основных типа матов из стекловолокон: маты из резаных нитей, из непрерывных нитей и декоративные маты (покрытия).

Маты из резаных волокон изготовляют в виде нетканых материа­ лов, в которых стекловолокна получают резкой путанки или жгута на штапельки длиной 25,4. ••50,5 мм. Плотность таких матов составляет 0,229.• .0,916 кг/м2 и они могут иметь толщину 50,8. •.1930,4 мкм. В качестве связки применяют поливинилацетат, полистирол, полиэфир­ ные смолы. Химически связанный мат недостаточно гибок и применяет­ ся при изготовлении несложных изделий. Он имеет обозначение ХЖКН300, ХЖКН-400 (X - холст, £ - жесткий, К - конструкционный, Н - из непрерывных нитей, цифры - масса холста, г/м2 ); МБС10-42-3/ГВ, МБС10-420-9/ПММА (М - мат, Б - алюмоборосиликатное стекло, С - не­ прерывная элементарная нить, 10 - номинальный диаметр элементарной нити в мкм; во второй части - средняя масса в г/м2 ; в третьей час­ ти: числитель - марка замасливателя, знаменатель - индекс связую­

Маты, получаемые из изрезанных непрерывных жгутов, расклады­ ваются и соединяются в виде спирали. Благодаря механическому пере­ плетению они не требуют дополнительной связи для создания необхо­ димой прочности.

Декоративные маты - это очень тонкие маты из простых, непре­ рывных мононитей. Они используются как декоративные поверхностноармированные слои при получении композитов методом ручной выкладки.

I.I.4. Пряжа

Пряжа - нить, состоящая из относительно коротких текстильных волокон, соединенных с помощью скручивания. Непрерывные одиночные жгуты (стренги), полученные непосредственно из бушинга, представ­ ляют собой простейшую форму пряжи, известной как "простая пряжа". Для использования такой пряжи в дальнейшей текстильной переработ­ ке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 м”*). Для получения более толстой пряжи применяется метод скручивания и тро­