способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов

Формула изобретения

1. Способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, включающий формирование из расчетного количества листов препрега промежуточных технологических пакетов, подформовку их путем уплотнения и частичного отверждения, последующую сборку на оснастке для формования в единый пакет, отверждение его по заданному режиму, отличающийся тем, что после формирования промежуточных технологических пакетов их взвешивают, подформовывают, снова взвешивают и вычисляют общее количество отжатого при подформовке связующего для определения содержания связующего в подформованном едином пакете по формуле:

где m₂ - масса отжатого связующего, г;

m₀ - масса исходных технологических пакетов, г;

m₁ - масса технологических пакетов после под формовки, г;

с₀ - содержание связующего в исходном препреге, м.ч.;

c₂ - содержание связующего в подформованном едином пакете, %,

а отверждение единого пакета ведут с максимально допустимой для вычисленного содержания связующего скоростью подъема температуры в пределах допустимого перегрева центральной части пакета.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подформовку промежуточных технологических пакетов и отверждение единого пакета осуществляют в автоклаве или прессе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подформовкой промежуточных технологических пакетов и отверждением единого пакета снизу и сверху пакетов помещают дренажно-впитывающие слои из непропитанной связующим ткани, которые после подформовки и/или отверждения пакета удаляют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для формирования толстостенных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для формирования конструкций панельного типа, например панелей крыла, стабилизатора, киля, панелей размеростабильных конструкций, строительных и других панелей.

Известны различные способы изготовления панелей из ПКМ, которые заключаются в том, что препрег (волокнистый наполнитель в виде тканей, лент, нитей и жгутов, пропитанных смолами) сматывается с рулона, разрезается на заготовки, которые наслаиваются одна на другую в пакет в определенном порядке. Полученный пакет помещается на формовочную оснастку и формуется в автоклаве или прессе при определенных температуре и давлении с использованием дренажных и впитывающих слоев. (Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн.2 (под ред. Д.Ж.Любина; пер. с англ. А.Б.Геллера и др.; под ред. Б.Э.Геллера. - М.: Машиностроение, 1988, с.257-262).

Недостатком этого способа является то, что он пригоден только для изготовления тонкостенных изделий.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления пластины толщиной 55 мм из тканых препрегов (Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ. Под ред. Э.Фитцера. - М: Мир, 1988, с.185-187).

Известный способ включает следующие операции: изготовление 136 одиночных слоев большого размера из препрега ПКМ, отверждение по 8 слоев толщиной 3,2 мм под давлением при температуре 85°С в течение 3 часов, обрезание частично отвержденных восьмислойных препрегов с помощью стального ленточного резака до размера, который на 0,3 мм меньше окончательного размера детали, укладывание в форму 17 частично отвержденных заготовок в закрытой стальной форме под давлением 5-8 бар. Разборка формы производится в горячем виде для того, чтобы при охлаждении сокращение ее размеров не привело к повреждению детали.

Недостатком известного способа является то, что при частичном отверждении каждого из 17 пакетов, набранных из восьми слоев препрега, при воздействии давления и температуры происходит неконтролируемый отжим связующего из препрега, что приводит к изменению общего содержания связующего в едином пакете, а цикл отверждения его в закрытой форме при температуре 135°С не учитывает это уменьшение связующего в едином пакете, что ведет к удлинению цикла отверждения единого пакета и его перегреву в середине пакета.

Задачей данного изобретения является уменьшение цикла отверждения единого пакета и снижение перегрева в середине пакета.

Для достижения технического результата в способе изготовления слоистых толстостенных изделий из ПКМ, включающем формирование из расчетного количества листов препрега промежуточных технологических пакетов, подформовку их путем уплотнения и частичного отверждения, последующую сборку на оснастке для формования в единый пакет, отверждение его по заданному режиму, согласно предлагаемому изобретению, после формирования промежуточных технологических пакетов их взвешивают, подформовывают, снова взвешивают и вычисляют общее количество отжатого при подформовке связующего и содержание связующего в подформованном едином пакете по формулам:

где m₂ - масса отжатого связующего, г;

m₀ - масса исходных технологических пакетов, г;

m₁ - масса технологических пакетов после подформовки, г;

c₀ - содержание связующего в исходном препреге, м.ч.;

c₂ - содержание связующего в подформованном едином пакете, %.

Отверждение единого пакета проводят с максимально допустимой для вычисленного содержания связующего скоростью подъема температуры в пределах допустимого перегрева центральной части пакета.

Подформовку промежуточных технологических пакетов и отверждение единого пакета можно осуществлять в автоклаве или в прессе, а перед подформовкой промежуточных технологических пакетов и отверждением единого пакета снизу и сверху пакетов целесообразно помещать дренажно-впитывающие слои из непропитанной связующим ткани, которые после подформовки и/или отверждения удаляют.

На фиг.1 представлена зависимость изменения температуры на поверхности (Тп) и в центре (Tc) образца от времени t при автоклавном формовании по заданному режиму. На фиг.2 представлена зависимость изменения температуры на поверхности (Тп) и центре (Tc) образца от времени t при отверждении в прессе по заданному режиму.

Пример 1

Изготавливали плоскую панель толщиной 40 мм автоклавным способом. В качестве препрега использовали ленту из углеродного волокна ЛУП-0,1, пропитанную связующим эпоксидного типа ЭНФБ, содержание связующего в препреге составляло 37,7%.

Толщина пакета обеспечивается укладкой 352 слоев размером 500×390 мм, которые были разбиты на 5 пакетов, два из которых содержали по 80 слоев, 3 пакета - по 64 слоя. После формирования пакеты взвешивались. Масса всех неподформованных пакетов - 47,5 кг. Каждый из пакетов укладывался на оснастку, покрытую двумя слоями лавсановой ткани. Сверху пакетов помещали дренажно-впитывающие слои (два слоя лавсановой ткани и два слоя стеклоткани), пакеты упаковывали в герметичный вакуумный мешок и проводили подформовку пакетов путем их нагрева в автоклаве до температуры 70-80°С с приложением давления до 6 кгс/см ² и выдержкой при этих условиях в течение 60 минут. После охлаждения и распрессовки пакеты освобождали от дренажно-впитывающих слоев, затем их взвешивали. Масса всех подформованных пакетов - 44,1 кг. По формулам (1) и (2) вычисляли оставшееся суммарное содержание связующего во всех подформормованных пакетах, которое составило 32,9%. Подформованные пакеты собирали в единый пакет для окончательного отверждения. При сборке единого пакета устанавливали две термопары: одну на поверхность единого пакета, другую - в середину единого пакета. Формование проводили в автоклаве по стандартному режиму формования ПКМ на основе связующего эпоксидного типа ЭНФБ с замером температуры на поверхности и в середине единого пакета в режиме реального времени. Результаты отверждения представлены на фиг.1.

На кривых 1 и 2 фиг.1 показано изменение температуры соответственно на поверхности (Тп) и в центре (Tc) образца, изготовленного из исходного препрега с содержанием связующего 37,7% при скорости подъема температуры 0,9 град/мин. Из графика видно, что температура отверждения 160°С на поверхности пакета достигнута через 107 минут, а в середине пакета - через 90 минут, перегрев в середине пакета (на кривой 2) составляет 6°С.

На кривых 3 и 4 видно, что после подформовки, когда содержание связующего в едином пакете в результате отжима снизилось до 32,9%, скорость подъема температуры нагрева можно поднять до 1,1 град/мин, при этом перегрев в середине пакета остается в пределах допустимого (6°С), но время достижения температуры отверждения (160°С) на поверхности пакета составляет 87 минут, а в середине - 77 минут.

Пример 2

Изготавливали в прессе плоскую панель толщиной 50 мм. В качестве препрега использовали ленту из углеродного волокна ЛУП-0,1, пропитанную связующим эпоксидного типа ЭНФБ, содержание связующего в препреге составляло 40,6%.

Толщина пакета обеспечивается укладкой 440 слоев размером 250×200 мм, которые были разбиты на 5 пакетов, содержащих по 88 слоев каждый. После формирования пакеты взвешивались. Масса всех неподформованных пакетов - 29,7 кг. Каждый из пакетов укладывался на оснастку, покрытую двумя слоями лавсановой ткани, сверху пакетов помещали также два слоя лавсановой ткани. Подформовку пакетов проводили в прессе путем их нагрева до температуры 70-80°С с приложением давления до 6 кгс/см² и выдержкой при этих условиях в течение 60 минут. После охлаждения и распрессовки пакеты освобождали от лавсановой ткани и взвешивали, масса всех подформованных пакетов - 27,6 кг. По формулам (1) и (2) вычисляли оставшееся суммарное содержание связующего во всех подформованных пакетах, которое составило 36,1%. Подформованные пакеты собирали в единый пакет для окончательного отверждения. При сборке единого пакета устанавливали две термопары: одну на поверхность единого пакета, другую - в середину единого пакета. Формование проводили в прессе по стандартному режиму формования ПКМ на основе связующего эпоксидного типа ЭНФБ с замером температуры на поверхности и в середине единого пакета в режиме реального времени. Результаты отверждения представлены на фиг.2.

На кривых 1 и 2 фиг.2 показано изменение температуры соответственно на поверхности (Тп) и в центре (Tc) образца, изготовленного из исходного препрега с содержанием связующего 40,6% при скорости подъема температуры 0,4 град/мин. Из графика видно, что температура отверждения 160°С на поверхности пакета достигнута через 240 минут, а в середине пакета - через 190 минут, перегрев в середине пакета (на кривой 2) составляет 3°С.

На кривых 3 и 4 видно: после подформовки, когда содержание связующего в едином пакете в результате отжима снизилось до 36,1%, скорость подъема температуры нагрева можно поднять до 0,5 град/мин, при этом перегрев в середине пакета остается в пределах допустимого (3°С), но время достижения температуры отверждения (160°С) на поверхности пакета составляет 177 минут, а в середине - 143 минуты.

Известно, что при формовании толстостенных изделий существенное значение имеет тепловыделение, которое образуется, когда начинаются экзотермические реакции отверждения, и величина которого напрямую зависит от содержания связующего в препреге. Такое интенсивное тепловыделение может привести к перегреву в середине изделия выше допустимого и тогда скорость подъема температуры приходится снижать, что ведет к удлинению процесса отверждения. Из фиг.1 видно, что снижение содержания связующего в препреге в результате отжима связующего при подформовке с 37,7% до 32,9% позволяет повысить скорость подъема температуры при отверждении в автоклаве с 0,9 до 1,1 град/мин, что дает возможность сократить время отверждения на 15-20%, при этом перегрев в середине пакета остается в пределах допуска 6°С. На фиг.2 видно, что снижение содержания связующего в препреге в результате отжима связующего при подформовке в прессе с 40,6% до 36,1% позволяет повысить скорость подъема температуры при отверждении с 0,4 до 0,5 град/мин, при этом перегрев внутри изделия не превышает допустимого значения, а время выхода образца толщиной 50 мм на температуру формования (160°С) сокращается на 25%.

Использование изобретения позволяет без дополнительных затрат и модернизации оборудования при проведении высокотемпературных режимов отверждения изделий из ПКМ сократить время достижения температуры отверждения изделий из ПКМ на 20-25%, разгрузить такое энергоемкое оборудование, как автоклав и пресс, что дает большой экономический эффект.

Отверждение изделий из ПКМ без перегрева в середине пакета положительно сказывается на качестве изделия.