ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Тема 7 Формование конструкционных изделий из полимерных композиционных материалов

Полимерные матрицы для полимерных композитов

 

Полимерная матрица (связующее) является важнейшим компонентом композиционного материала, определяющим его технологические и эксплуатационные свойства. Насколько реализуются высокие механические свойства волокон, зависит от таких свойств матрицы, как прочность, жесткость, пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость. Температурное поведение, ударная прочность, водо- и атмосферостойкость, химическая стойкость, трансверсальные (поперек волокон) механические свойства, монолитность, долговечность при эксплуатации в различных условиях и другие показатели ПКМ решающим образом определяются полимерной матрицей и свойствами раздела фаз (межфазного слоя). При структурообразовании в процессе формования необратимо фиксируется форма изделия. Поэтому тип матрицы и процессы, протекающие при структурообразовании, определяют условия образования композита и формования изделий из них и свойства изделий.

В полимерном композите матрица должна отвечать выше перечисленным требованиям, предъявляемым к свойствам композиционного материала в готовом изделии. Важную роль играет матрица в распределении напряжений по объему материала, обеспечении равномерной нагрузки на армирующий наполнитель, перераспределении нагрузки при разрушении частиц наполнителя. Кроме того, она должна удовлетворять требованиям, связанным с технологией ее совмещения с наполнителем и технологией формования изделия. Это – требования по вязкости, температуре и скорости структурообразования, усадке, содержанию летучих веществ, выделяющихся при отверждении, продолжительности пребывания в вязко-текучем состоянии и жизнеспособности и т.д.

Требования к матрицам можно разделить на три группы (таблица 7.6).

Таблица 7.6 - Требования к полимерным матрицам

Свойства ПКМ Свойства полимерной матрицы
Теплостойкость Водо- и атмосферостойкость   Прочность при растяжении вдоль волокон     Прочность при сжатии вдоль волокон   Трансверсальная (поперек волокон) прочность, сдвиг Ударная вязкость Технологичность Высокая температура размягчения (стеклования) Низкое водопоглощение, слабое изменение свойств при водопоглощении Оптимальная прочность, высокая вязкость при разрушении   Высокая прочность и жесткость, высокая вязкость разрушения, оптимальная адгезия Хорошая адгезия, высокая прочность, большие удлинения Высокая ударная вязкость, оптимальная адгезия Низкая вязкость связующего, повышенная жизнеспособность, нетоксичность, пониженная температура отверждения (переработки)

К одной группе можно отнести прочность, жесткость, теплостойкость полимерной матрицы, к другой – пластичность, вязкость разрушения, трещиностойкость, ударную вязкость; к третьей – перерабатываемость, технологичность связующего.

При модификации, изменении условий структуробразования, химической структуры, степени химической сшивки (отверждения) и т.п., стремление улучшить свойства одной группы, автоматически ухудшает другие.

Таким образом, выбор полимерной матрицы (связующего) для полимерных композитов является важной задачей, правильное решение которой способствует созданию материала с оптимальными технологическими и эксплуатационными свойствами.

При конструировании полимерного композиционного материала применяют два основных класса полимерных связующих: термореактивные и термопластичные.

Наибольшее распространение в производстве изделий из полимерных композитов получили следующие термореактивные связующие:

* На основе ненасыщенных полиэфирных смол (полиэфирмалиенатов и полиэфиракрилатов). Для их отверждения применяют органические перекиси в смеси со стиролом. В качестве ускорителей отверждения обычно применяют нафтенат или линолеат кобальта и нафтенат марганца, ванадиевый ускоритель.

* На основе эпоксидных смол различной модификации и составов. Они в отличие от ненасыщенных полиэфиров не обладают явно выраженным периодом жизнеспособности. После введения отвердителей практически сразу же начинается нарастание вязкости, что учитывается в технологическом процессе при применении отвердителей холодного отверждения.

* На основе кремнийорганических, модифицированных фенолоформальдегидных и гетероциклических, полиимидных смол изготовляются теплостойкие композиционные материалы. Отверждение этих связующих идет при повышенной температуре 140÷200 0С. Модификацию этих смол проводят с целью улучшения физико-механических свойств, а, в основном, технологических.

Главные достоинства и недостатки термореактивных связующих заключаются в следующем:

Достоинства Недостатки
1. Хорошие технологические свойства: низкая вязкость связующего, хорошая смачиваемость и пропитываемость армирующего наполнителя, сравнительно низкие температуры отверждения; 2. Хорошая адгезия к большинству волокон; 3. Повышенная теплостойкость; 4. Стойкость в различных средах: химическая, водо- и атмосферостойкость, низкая проницаемость для жидкостей и газов. 5. Свойства можно регулировать в широком диапазоне путем варьирования компонентов, добавления модификаторов, катализаторов и изменения условий отверждения. 1. Хрупкость, низкие вязкость разрушения и ударная прочность (усугубляется для высокотеплостойких матриц). 2. Невозможность вторичной переработки. 3. Длительное время отверждения из-за необходимости проведения экзотермической химической реакции в мягком режиме (без значительных перегревов). 4. Ограниченное время жизни исходной полимерной композиции (препрега). 5. Значительная химическая усадка в большинстве случаев.  

 

Термопластичные полимеры, армированные волокнами, относятся к перспективным композиционным материалам ввиду очевидных технологических и экологических преимуществ перед композитами на основе термореактивных связующих. Среди многих типов армированных термопластов перспективны однонаправленные материалы с непрерывными волокнами, отличающиеся высокой прочностью и жесткостью, что позволяет им успешно конкурировать с металлами и сплавами, а также с композитами на основе термореактивных связующих. Например, термопласты, армированные длинными и непрерывными стеклянными волокнами с высокой степенью наполнения (более 40%) имеют высокие механические характеристики и, соответственно, широкие перспективы использования в качестве конструкционных материалов в различных отраслях техники.

В настоящее время высокие темпы роста объемов промышленного производства изделий из армированных термопластов отражают общую мировую тенденцию повышения производительности технологических процессов, снижения их энергоемкости, улучшения экологических показателей.

В качестве матричных термопластов широко применяют полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен (бален, каплен), полиамид-6, -66 (первичные и вторичные), АБС-пластики и др

В последние годы началось широкое применение термопластичных высокотеплостойких полимеров в качестве матриц для волокнистых ПКМ. Прежде всего, это объясняется следующими причинами.

1. Для данного класса суперконструкционных термопластов (полиэфирсульфон, полиэфиримид, полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон) характерно сочетание высокой прочности и теплостойкости с высокой ударной прочностью, трещиностойкостью. Кроме того, образование специфических трещин, крейзов, позволяет термопласту растягиваться в одном направлении без сжатия в других (коэффициент Пуассона близок к нулю). Это облегчает работу полимера в сложнонапряженном состоянии в качестве матрицы в композитах. Эти свойства термопластов определяют повышенную ударную прочность композитов на их основе, стойкость к распространению трещин, как при статических, так и при циклических усталостных и динамических нагрузках, повышенные постударные характеристики.

2. Возможность вторичной переработки.

3. Облегчение ремонта изделий.

4. Более эффективные интенсивные методы переработки, формование деталей менее энергоемко, возможно формование более крупных, сложной конфигурации деталей, более высокая производительность.

5. Практически бесконечная жизнеспособность препрегов – время между его изготовлением и переработкой в изделие.

6. Пониженные горючесть, дымовыделение при горении, токсичность продуктов горения, высокая стойкость к излучению.

С другой стороны, замена термореактивных связующих на термопластичные требует решения ряда сложных технологических задач. Из-за большой вязкости расплавов полимеров приходится работать при высоких температурах и давлениях.

 

Контактное формование

Наиболее простым по аппаратурно-технологическому оформлению является метод контактного формования, который применяется для изготовления строительных конструкций, корпусов лодок, маломерных судов, кузовов автомобилей, обтекателей и элементов фюзеляжа самолетов и ряда других крупногабаритных изделий сложных контуров, а также для футировки химических аппаратов, дымоходов, газоходов и емкостей. Контактное формование осуществляется вручную выкладкой армирующего наполнителя на поверхности формы с одновременной пропиткой его связующим также вручную кистями или распылительным пистолетом (рис. 7.12).

 

Рис. 7.12. Контактное формование изделий из полимерных композитов: 1 – форма; 2 – формуемое изделие до уплотнения; 3 – прикатывающий валик; 4 – изделие после уплотнения Рис. 7.13. Пресс-форма позитивного (а) и негативного (б) типа: 1 – форма; 2 – вакуумная система; 3 – резиновый чехол  

 

Далее формуемое изделие прикатывается рифленым валиком для удаления пузырьков воздуха и уплотнения материала. После уплотнения готовое изделие можно прикрыть пленкой и прикатать гладким валиком – для разглаживания неровностей и удаления избытка связующего.

Формующую поверхность перед выкладкой наполнителя покрывают разделительным слоем. Отверждение изделий требует повышенной температуры и может осуществляться с помощью инфракрасных нагревателей или горячим воздухом.

Контактное формование осуществляется на негативных и позитивных формах (рис. 7.13) в зависимости от сложности их профиля.

Негативные формы (матрицы) обеспечивают получение изделий с гладкой наружной (внешней) поверхностью и применяются для изделий которые должны обладать хорошими гидро- или аэродинамическими свойствами (кузова автомобилей, корпуса лодок, катеров, яхт, речных и морских судов – с длиной 30 м и более, элементов фюзеляжа самолетов и ракет). Позитивные формы (пуансоны) предпочтительны при изготовлении воздуховодов, емкостей и других изделий, т.к. обеспечивают высокое качество внутренних поверхностей. Кроме того, позитивные формы более удобны в работе при выкладке и пропитке волокнистого наполнителя. Формы негативного и позитивного типов могут быть изготовлены из металла, чаще из алюминия в крупносерийном производстве, гипса, дерева и пластмасс, цемента.

Непосредственно контактное формование может быть осуществлено следующими способами: контактным давлением, вакуумным и автоклавным способами, способом “пресс-камеры”, прессованием в форме с жестким пуансоном и матрицей.

Формование при контактном давлении применяется при изготовлении сравнительно небольшого количества крупногабаритных и малонагруженных изделий. При этом способе давление создается путем укатки роликом пропитанной ткани или матов. Материал отверждается без давления в основном при комнатной температуре. В качестве связующего наиболее широко используются полиэфирные или эпоксидные смолы холодного отверждения. По указанному методу на негативную или позитивную форму укладывают целлофан или наносят смазку для предотвращения прилипания, а затем последовательно слои наполнителя и связующего. Первый слой связующего может содержать краситель и тиксотропные добавки. Количество наносимых слоев определяется заданной толщиной изделия.

При вакуумном формовании давление на материал образуется за счет разности давлений между наружным давлением и внутренним разряжением, создаваемым в полости между резиновым чехлом и жесткой формой (рис. 7.14).

 

Рис. 7.14. Схема вакуумного формования с применением резинового чехла: 1 – резиновый чехол; 2 – заготовка из пропитанного тканного наполнителя; 3 - форма Рис. 7.14. Стеклопластиковая сотопанель  

 

Давление создаваемое при вакуумном способе формования составляет 0,05÷0,08 МПа. На жесткую форму негативного или позитивного типа после нанесения смазки или пленки (из ПВХ или целлофана) помещают пакет пропитанной ткани или послойно укладывают отдельные слои ткани, которые пропитываются связующим на форме. Сверху на пакет стеклоткани укладывают тонкую оболочку из металла или стеклотекстолита, называемой цулагой.Она предупреждает образование складок и других поверхностных дефектов. Форма цулаги соответствует внешнему контуру изготовляемой детали. На цулагу или непосредственно на пакет материала, закрытый пленкой, укладывается резиновый чехол (аэростатная ткань). Чехол герметически по фланцам прижимается к форме струбцинами. На резиновом чехле равномерно расположены ниппели, которые через шланги соединены с ловушкой для летучих веществ и вакуумной системой. В процессе вакуумного формования обогрев формы производится в нагревательной камере. Вакуумным способом изготовляют строительные конструкции с сотовым заполнителем, например, сферы для защиты радиолокационных станций и носовые обтекатели самолетов. Эти изделия имеют промежуточные слои из текстолитовых или стеклопластиковых сотов, пенопласта.

Например, корпусное изделие радиотехнического назначения типа “лепесток” длиной 9000 м и шириной 1500 мм трехслойной конструкции: наружные обшивки и из 3-х слоев стеклоткани, пропитанной связующим (клей БФ-2, или БФ-4), промежуточный слой из сотопанелей (рис. 7.14) с величиной грани ячейки 5 мм и высотой 8 мм. Общая масса изделия (секции) – 75 кг, из которых собирается сфера – радиопрозрачное укрытие РЛС (рис. 7.15).

Автоклавный способ формования целесообразно применять при изготовлении большой серии крупных и сложных изделий (рис. 7.16).

При автоклавном формовании давление прессования (0,5÷2,5 МПа) создается паром, водой, реже сжатым воздухом. При таком давлении получаются высококачественные изделия. Форма автоклавного формования аналогична форме для вакуумного формования. Помещенная на тележку она закатывается в автоклав. Он заполняется паром или водой, создающие давление и обогрев. Формуемый материал равномерно всестороннее воспринимает давление. Обогрев может производиться электронагревателями, расположенными в форме и цулаге. При формовании изделий из углепластиков обогрев можно подвести к самой композиции.

Применяются автоклавы, используемые для вулканизации резиновых изделий.

Способ пресс-камеры с помощью эластичной диафрагмы применяется в серийном производстве. По этому способу формуемое изделие (рис. 7.17) располагается в замкнутой полости между жесткой матрицей или пуансоном и эластичной (резиновой) диафрагмой. Через нее передается высокое давление (0,15÷0,5 МПа) сжатого воздуха, пара или воды на изделие. Суммарное давление складывается из внешнего и остаточного давления, создаваемого при вакуумировании полости между

 

  Рис.7.15. Стеклопластиковые радиопрозрачные оболочковые укрытия Рис. 7.16 Схема формования деталей автоклавным способом: 1 – автоклав; 2 – тележка; 3 – болванка формы; 4 – пакет пропитанного тканного наполнителя; 5 – цулага с электрообогревом; 6 - резиновый чехол; 7 – плита основания  

 

диафрагмой и формой. Изделия получаются монолитными и высокопрочными. Для отверждения связующего форму помещают в термокамеру. Способ пресс-камеры наиболее широко применяют при изготовлении многослойных изделий и конструкций радиотехнического назначения (носовые обтекатели самолетов и защитные сферы радиолокаторов). Создаваемое при этом способе формования давление обеспечивает более хороший контакт между промежуточными слоями из сотов или пенопласта и слоями стекло- или углепластика, чем при вакуумном формовании. Этот метод позволяет оформлять и внутренние полости изделия, например оконных переплетов, труб из термопластичных и термореактивных стеклонаполненных материалов.

 

Рис. 7.17. Схема прессования способом пресс-камеры: 1 – резиновый чехол; 2 – заготовка из пропитанного тканного наполнителя; 3 - матрица Рис. 7.18. Схема прессования изделий на прессах с помощью упругого пуансона и жесткой матрицы: 1 – матрица; 2 – заготовка из пропитанного тканного наполнителя; 3 – пуансон; 4 – верхняя плита; 5 – плунжер пресса

Способ прессования изделий на прессах с помощью упругого пуансона и жесткой матрицы применяется для изготовления довольно глубоких изделий (рис. 7.18). Достоинство

этого метода состоит в том, что упругий и эластичный (резиновый) пуансон создает высокое, равномерное гидростатическое давление.

В целом, рассматривая контактное формование, необходимо отметить следующее. Недостатком является значительная стоимость изделий, обусловленная большими затратами ручного труда и длительным циклом изготовления. Изделия имеют повышенную внутреннюю пористость.

Достоинство – его универсальность в получении изделий любых форм и размеров.

Намотка оболочковых изделий

Метод намотки применим только для оболочковых изделий, причем предпочтительно для имеющих форму тел вращения. Наибольшее применение намотка нашла в авиа- и ракетостроении для формования корпусов ракет и ракетных двигателей, элементов фюзеляжей самолетов (рис. 7.27).

Для химической промышленности изделия, получаемые намоткой (реакционные аппараты, емкости, трубопроводы и т.п.), могут иметь весьма большие размеры, например железнодорожные цистерны объемом 60 м3 и более, газоотводящие стволы дымовых труб диаметром до 8000 мм, а химические емкости от 1 до 200 м3 (рис. 7.28).

 

а б
Рис. 7.27. Углепластиковый корпус твердотопливного ракетного двигателя (а), стеклопластиковый транспортно-пусковой стакан ракеты “Яхонт” (б)

 

а б
Рис. 7.28. Стеклопластиковые оболочковые изделия, получаемые методом намотки: емкость для агрессивных сред объемом 10 м3 (а); секция дымовой трубы для тепловых электроцентралей (б)

 

При намотке изделий создается ориентированная структура наполнителя с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей нитей, жгутов, лент обеспечивает максимальную прочность изделий. Намотка может производиться по “мокрому” и “сухому” методам. Сущность мокрого метода заключается в намотке на вращающуюся оправку непрерывного наполнителя, пропитанного в ванне связующим. Ориентация наполнителя определяется соотношением скоростей вращения оправки и возвратно-поступательного перемещения раскладчика наполнителя. Роль складчика выполняют отжимные валки, одновременно регулирующие содержание связующего на непрерывном наполнителе.

В отличие от мокрого метода сухая намотка состоит в использовании предварительно пропитанного наполнителя. Для мокрой намотки используются полиэфирные и эпоксидные смолы, для сухой – фенолоформальдегидные смолы. Сухая намотка проводится при повышенных температурах. Методом намотки могут быть получены изделия, содержащие до 90 % (объемных) наполнителя.

Давление на оправку, а, следовательно, и уплотнение наполнителя при намотке определяется его натяжением, геометрией формы изделия и жесткостью оправки. При намотке толстостенных оболочек на жестких оправках технологическое натяжение сохраняется в намотанных структурах и, следовательно, определяет степень уплотнения наполнителя. Для толстостенных оболочек, особенно при формовании их на нежестких оправках, остаточное натяжение в структуре наполнителя может быть существенно ниже технологического. Остаточное натяжение наполнителя в структуре изделия определяется по формуле:

, (7.6)

где Fо и Fост - технологическое и остаточное натяжение; Gн и Gф - жесткость наматываемого наполнителя и материала оправки.

 

Рекомендуемая величина технологического натяжения должна составлять 30÷50 % от прочности при растяжении материала наполнителя. Дополнительное уплотнение наполнителя обеспечивается специальным прикатывающим роликом. Заготовка может быть уплотнена дополнительно с помощью вакуумного или надувного мешка, как при контактном формовании, при термообработке. Обязательная стадия технологического процесса – отверждение намотанной на оправку заготовки, осуществляемая при термообработке, как в термокамерах, так и за счет нагревателей, расположенных в самой оправке, токами высокой частоты.

Технологические установки производства цилиндрических оболочек. Для производства цилиндрических оболочек применяются установки периодического и непрерывного действия. В периодических - оправка неподвижна, а раскладчик движется по спирали. В непрерывных установках оправка движется поступательно, а раскладчик в кольцевом направлении по окружности. На рис. 7.29 показан способ спирально-винтовой намотки оболочек нитями и ровингом.

 

Рис.7.29. Схема изготовления оболочкового изделия намоткой армирующих нитей или ровинга (жгута): 1 – жгут; 2 – ванна со связующим; 3 – отжимные валики; 4 – оправка Рис. 7.30. Схема формования цилиндрических оболочек прямой намоткой с прижимным валиком: 1 – прижимной валик; 2 – оправка; 3 – опорные валики; 4 – пропитанный связующим армирующий наполнитель (ткань, бумага)

 

При формовании цилиндрических оболочек из пропитанных связующим тканей или бумаги применяется наиболее простая в технологическом отношении прямая намотка (способ тангенциальной или окружной намотки) (рис. 7.30).

Контактное давление формования определяется весом оправки и усилием верхнего подвижного прижимного валика. Опорные валики снабжены обогревом для перевода связующего наматываемых слоев материала. Отверждение проводят в термокамере, куда помещается оправка с намотанной и уплотненной заготовкой. Далее изделия лакируют и снова термообрабатывают.

Цилиндрические крупногабаритные оболочки с продольно-поперечным армированием кордными лентами получают на установке, показанной на рис. 7.31.

Рис. 7.31. Схема установки для формования цилиндрических оболочек с продольно-поперечным армированием: 1 – стойки; 2, 6 – катушки с армирующей лентой; 3 – направляющие; 4 – зажимы; 5 – оправка; 7 – планшайба; 8 – захваты; 9 – механизм поворота оправки; 10 – каретка  

На оправку укладывается продольные ленты с катушек при помощи захватов, установленных на подвижной каретке и направляющих. Продольные ленты фиксируются на концах оправки зажимами. Затем с вращающейся планшайбы, установленной на каретке, производится радиальная намотка стекло- или углеволокнистой ленты с катушки. С помощью механизма поворота оправка поворачивается на некоторый угол, и цикл повторяется.

Установка вертикального типа для производства труб продольно-поперечной намоткой (фирма “Ганал, Бекон и Грант”, США) (рис. 7.32) позволяют упростить пропитку наполнителя связующим и исключить деформацию оправки под влиянием собственного веса. Здесь сочетается спиральная перекрестная намотка стеклоленты и жгутов с продольной укладкой жгутов.

 

Рис. 7.33. Схема горизонтальной установки для производства стеклопластиковых труб малого диаметра методом намотки: 1 – генератор ТВЧ; 2 – оправка; 3, 6 – бобины со стеклолентой; 4, 7 – форсунки-распылители связующего; 5 – планшайба; 8 – наматываемая лента; 9 – ролики-электроды  
Рис.7.32. Схема вертикальной установки для формования стеклопластиковых труб на движущейся оправке: 1 – оправка; 2 – подающие валики; 3, 5, 8, 11, 12 – вращающиеся столы; 4 – катушки со стекловолокнистой лентой; 6 – диафрагма для отжима связующего; 7 – стекложгут; 9 – неподвижный стол; 10 – направляющее устройство для продольной укладки жгута; 13 – лопатки для уплотнения стенки трубы; 14 – катушки с целлофаном; 15 – приемные центрирующие валики

 

При непрерывном процессе намотка осуществляется на движущуюся снизу вверх оправку из составных 6-метровых стальных полированных труб (высота установки 23 м). Оправка (1) движется с помощью подающих (2) и приемных (15) валиков через четыре стола, на которых находятся ванны со связующим, и два стола без ванн. При прохождении оправки через стол-ванну (3) она покрывается раствором связующего, и при одновременном вращении стола (3) на оправку спирально наматывается стеклолента (4). На втором столе-ванне (5) после отжима излишек связующего диафрагмой (6) наматывается стекложгут (7), пропитанный в ванне (5). Аналогичный процесс происходит на третьем столе-ванне (8), но вращается в противоположную сторону. На четвертом столе-ванне (9) происходит укладка продольной арматуры. Направляющее устройство (10) обеспечивает равномерное распределение жгута вокруг трубы. На пятом столе (11) наматывается наружный слой стеклоленты как на первом столе (3), но в противоположном направлении. На шестом столе (12) с помощью деревянных лопаток (13) снимаются натеки смолы, и происходит намотка целлофановой ленты (14). Неотвержденная труба разрезается в местах стыка оправок и направляется в вертикальные паровые сушилки для отверждения.

Более просты по устройству установки непрерывного действия (рис. 7.33) с планетарной намоткой на оправку (2).

Осевое перемещение формуемой трубы без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря использованию продольных лент из стеклоткани (3), на которые наносится связующее из форсунок (4). С вращающихся планшайб (5) производится спиральная намотка стеклоленты (8) с бобин (6). Форсунки (7) наносят связующее на первый слой стеклоленты. Особенностью этой установки является использование токов высокой частоты от генератора (1). Высокочастотное электрическое поле в отвержденном материале создается между оправкой (2) и формующими роликами-электродами (9).

Аналогичным образом осуществляется производство труб большого диаметра на установке, показанной на рис. 7.34, у которой отверждение связующего происходит в термокамере.

Рис. 7.34. Схема горизонтальной установки для производства стеклопластиковых труб большого диаметра методом намотки (обозначение – продолжение рис. 7.33): 10, 14 – бобины со стеклолентой;

11 – слои материала; 12 – кольцевые каретки; 13 – валковые накопители; 15 – термокамера; 16 – готовая труба.

 

Широкое распространение получило производство бипластмассовых труб, когда выходящая из экструдера термопластовая труба после охлаждения служит движущейся оправкой для намотки наружных слоев стеклопластика. Таким методом выпускаются трубы диаметром до 1000 мм.

Конструкции оправок для получения намоточных изделий весьма разнообразны: от простых стержней-труб до чрезвычайно сложных разборных, предназначенных для намотки нецилиндрических оболочек с поперечными размерами до 10 м.

В зависимости от способа снятия готового изделия оправки делятся на следующие типы: неразборные, разборные, разрушаемые, эластичные, выплавляемые и растворимые или сочетающие элементы выше указанных типов (рис. 7.35)

 

Рис. 7.35. Типы оправок: а – неразборная сплошная; б – неразборная сварная;

в – разборная; г - эластичная раздуваемая; д – удаляемая (разрушаемая)

 

Тема 7 Формование конструкционных изделий из полимерных композиционных материалов

7.1 Армированные пластики

 

В теме 1 данной дисциплины было рассмотрено понятие о композиционных материалах как многофазных гетерогенных системах и их классификация. К третьему классу композиционных материалов (композитов) относятся материалы, армированные волокнами. Одной из групп данного класса композитов являются композиционные материалы на полимерной матрице, т.е. армированные пластики или полимерные композиты конструкционного назначения. Некоторые теоретические аспекты наполнения полимеров волокнистыми наполнителями были рассмотрены вами в дисциплине “Основы технологии переработки полимеров”.

Стало непреложной истиной, что научно-технический прогресс в настоящее время немыслим без развития данного вида конструкционных материалов. Отказ от использования дефицитных традиционно применяемых материалов, не только снижение массы изделия, но и экономия энергии при изготовлении композитов, различных деталей и конструкций показали какие экономические перспективы стоят за использованием полимерных композитов в сравнении с металлами (табл. 7.1 и 7.2)

 

Таблица 7.1 - Экономический эффект от снижения массы изделия за счет композитов (данные 2006 г)

Изделие Экономический эффект на 1 кг массы, долл.
Транспортные самолеты Пассажирские самолеты Двигатели самолетов Самолет “Боинг-747” Истребитель-перехватчик Сверхзвуковой пассажирски самолет Спутник на околоземной орбите Спутник на синхронной орбите Космический аппарат “Спейс Шатлл” 50÷75 100÷200 150÷200 150÷200 200÷500 10000÷15000

Таблица 7.2 - Удельные затраты на производство композиционных материалов и изделий из них (кВт·ч)

Материал В расчете на 1 кг материала В расчете на 1 кг готового изделия
Эпоксиуглепластик Сталь Алюминий Титан 33,0 35,2 48,5 189,5 72,7 220,4 392,4 1543,2

 

В зависимости от природы волокнистого наполнителя производят следующие виды армированных пластиков (АП) или полимерных композиционных материалов (ПКМ):

Асбопластики – на основе асбестового волокна, асботканей, асбобумаги и асбокартона. Асбопластики относятся классу термостойких и тропикостойких полимерных композитов, сохраняющие механические свойства при длительной работе при температурах до 400 0С (на основе кремнийорганических связующих).

Стеклопластики – на основе стеклянных волокон, нитей, тканей и т.п. Данные композиционные материалы отличаются от других видов полимерных композитов конструкционного назначения сочетанием высокой прочности, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, доступности и сравнительно низкой стоимостью волокнистого наполнителя (минимальной по сравнению с наполнителями других видов ПКМ).

Накопленный опыт по производству стеклонаполнителей, стеклопластиков и изделий из них способствовал не только расширению областей их применения, но и ускорил освоение производства пластиков с углеродными, борными, синтетическими органическими и керамическими волокнами.

Углепластики (карбопластики) – на основе углеродных волокон, нитей и тканей. От других пластиков конструкционного назначения углепластики отличаются сочетанием таких свойств, как низкая плотность, высокий модуль упругости, прочность, термостойкость (в безкислородной среде), низкие коэффициенты термического расширения и трения, высокие износостойкость и стойкость к термическим и радиационным ударам, тепло- и электропроводность. Углепластики являются основой для получения уникального вида композиционных материалов – углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Это материалы, армирующий наполнитель и матрица которых состоят практически из чистого углерода. УУКМ выпускаются двух видов в процессе пиролиза углепластика в инертной среде: карбонизированные (пиролиз при 800÷1500 0С) и графитированные (пиролиз при 2500÷3000 0С). Эти материалы обладают высокой температуростойкостью (до 7000 0С в инертной среде), стойкостью к тепловому удару, низкой плотностью, высокой прочностью и модулем упругости, инертностью по отношению к защищаемому материалу.

Бороволокниты – на основе волокон металла бора отличаются высокой твердостью, прочностью (особенно при сдвиге, срезе и сжатии), жесткостью, малой ползучестью и высокой динамической и статической выносливостью, повышенной тепло- и электропроводностью и сравнительно низкой плотностью.

Органопластики – на основе органических волокон природного, искусственного и синтетического происхождения, нитей, тканей, бумаги. Первые органопластики, получившие в зависимости от текстуры названия волокниты, текстолиты, гетинаксы, содержат либо рубленное природное волокно, хаотично распределенное в термореактивном связующем, либо ткани различного плетения (хлопчатобумажные, льняные), либо слои целлюлозной бумаги. К этому классу полимерных композитов относятся все виды древесных плит и пластиков – древесных композиционных материалов на полимерной матрице. Дефицитность природных волокон, низкие значения их прочности, жесткости, термостойкости и водостойкости заставили искать новые органические наполнители среди волокон из синтетических полимеров. Развитие органопластиков на синтетических волокнах обусловлено необходимостью создания легких материалов конструкционного назначения, сочетающих сравнительно высокие удельные прочность и жесткость со стабильностью свойств при действии знакопеременных нагрузок, резкой смене температур и условий эксплуатации.

Полимерные композиционные материалы на основе керамических оксидных, базальтовых волокон и “усов” – нитевидных кристаллов. Это материалы будущего. Они отличаются сочетанием исключительно ценных свойств: высокими физико-механическими показателями, термо-, тепло-, износо- и коррозионостойкостью, кроме того, низкой плотностью по сравнению с металлами. Степень наполнения полимерной матрицы данными видами наполнителей может достигать 85÷95 %. Пока нет четких теоретически и технологически представлений по реализации всех возможностей по использованию уникальных прочностных свойств данных волокнистых наполнителей для реализации усиливающего эффекта.

Поливолокнистые гибридные ПКМ совмещающие волокна с близкой (стеклоорганопластики) или, наоборот, существе

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти