препрег и стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие, выполненное из него

Формула изобретения

1. Препрег для изготовления конструкционного композиционного материала, включающий полимерное связующее и органический волокнистый наполнитель, отличающийся тем, что в качестве связующего он содержит эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее, а в качестве органического волокнистого наполнителя он содержит ткань из арамидных нитей при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полимерное связующее	8-14
указанный органический волокнистый наполнитель	86-92

2. Препрег по п.1, отличающийся тем, что использована ткань из арамидных нитей, предварительно пропитанных эпоксидным или фенольным связующим в количестве 4-6 мас.%.

3. Стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие из конструкционного композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из препрега по любому из пп.1 и 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания легких конструкционных композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих, а также стойких к удару и баллистическому воздействию изделий из них, таких как защитные перегородки, двери кабины экипажа, каски, щиты, которые могут быть использованы в авиационной промышленности, в машино-, судостроении и других областях техники.

Известны композиционные материалы на основе волокон из жесткоцепных ароматических полимеров и эпоксидных связующих, получаемые пропиткой волокон эпоксидным связующим с последующим отверждением [Dhingra A.A., Pigliacampi J.J., Tanner D. Aramid fibers for general engineering. J. Metals. 1986, v.38, №3, p.21-25]. Эти материалы отличаются повышенной удельной прочностью и жесткостью и используются как конструкционные в различных областях техники.

Недостатком этих материалов и изделий из них является склонность к расслаиванию под действием ударных нагрузок, а также малая жизнеспособность препрега, затрудняющая получение материала со стабильными свойствами.

Известны композиционные материалы, изготовленные путем формования слоев препрега на основе ароматического полиамидного волокна СВМ и эпоксидного связующего (Кудрявцев Г.И., Варшавский В.Я., Щетинин A.M., Казаков М.Е. «Армирующие химические волокна для композиционных материалов». - М.: «Химия», 1992, с.88-111).

Недостатком этих материалов и изделий из них является низкая стойкость к баллистическому и высокоэнергетическому удару (меньше, чем у исходного армирующего наполнителя).

Известны пуленепробиваемые ткани и пакеты на их основе, предназначенные для средств индивидуальной защиты, которые обладают гибкостью, но не имеют жесткости. Поэтому они не могут быть использованы как конструкционные материалы (патенты РФ №2042915, №2126856, №2155313).

Известны стойкие к баллистическому воздействию панели, в состав которых входит многослойный композит, обеспечивающий защиту от пистолетных пуль и низкоскоростного удара (заявка PCT/US02/41366).

Однако указанный многослойный композит выполнен из чередующихся слоев ткани и клеевой пленки и слоя амортизирующего материала. Это повышает трудоемкость изготовления изделий, увеличивает их толщину и вес, а также затрудняет получение деталей сложной кривизны со стабильными техническими параметрами (геометрией, соотношением компонентов т.д.).

Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является препрег, содержащий эпоксидное связующее и органический волокнистый наполнитель (нити, жгуты, ленты, ткани), который в качестве эпоксидного связующего содержит, мас.%: триглицидилпроизводное парааминофенола марки ЭАФ - 12,8-15,0, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолоформальдегидного новолака марки УП-643 - 19,0-23,0, продукт взаимодействия дифенилолпропана с эпихлоргидрином марки Диапласт -0,6-3,0, 4,4'-диаминодифенилсульфон - 10,0-16,0, изопропиловый или этиловый спирт - 17,2-23,0 и ацетон - 25,8-34,6, при следующем соотношении компонентов препрега, мас.%:

Эпоксидное связующее	30-42
Органический волокнистый наполнитель	58-70

и изделие, полученное формованием указанного препрега (патент РФ №2184128).

Недостатком препрега-прототипа является недостаточная жизнеспособность, что не позволяет осуществлять его длительное хранение и транспортировку потребителям в условиях централизованного специализированного производства.

Недостатком изделия, полученного из препрега-прототипа, является невысокая стойкость к баллистическому воздействию и низкоскоростному удару (ниже, чем у исходного армирующего наполнителя). Это ограничивает его использование в случаях, когда предъявляются повышенные требования не только к конструкционной прочности изделия, но и к его защитным функциям (преграды от пистолетных и автоматных пуль, от разлетающихся осколков разрушенных лопаток вентилятора в двигателе самолета, защита от удара при столкновении обшивки самолета с птицами или потоком мелких камней, поднимающихся с поверхности грунтовых аэродромов при взлете, и др.).

Технической задачей изобретения является создание высокотехнологического долгоживущего препрега на основе ткани из арамидных нитей. Препрег должен обладать способностью к длительному хранению и быть пригодным для транспортировки потребителям в условиях централизованного производства. Препрег должен обеспечивать изделиям на его основе высокую стойкость к удару и баллистическому воздействию.

Для решения поставленной технической задачи предложен препрег, включающий полимерное связующее и органический волокнистый наполнитель, который в качестве связующего содержит эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее, а в качестве органического волокнистого наполнителя содержит ткань из арамидных нитей при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полимерное связующее	8-14
органический волокнистый наполнитель	86-92

Ткань из арамидных нитей может быть предварительно пропитана эпоксидным или фенольным связующим в количестве 4-6 мас.%.

А также стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие, полученное путем формования указанного препрега.

Высокая стойкость при ударе и баллистическом воздействии изделий, выполненных из заявляемого препрега, достигаются за счет того, что эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее, наносимое на ткань из арамидных нитей в процессе получения препрега, имеет низкую технологическую текучесть. Благодаря этому в препреге не происходит полного заполнения связующим волокнистой структуры ткани. Связующее в изделии, выполненном из препрега, располагается в основном между слоями ткани, что позволяет при небольшом содержании связующего (не более 14% от массы препрега) скрепить слои ткани друг с другом, обеспечить конструкционную жесткость и высокую межслоевую прочность изделия. За счет низкого содержания связующего в препреге достигается снижение массы изделий, выполненных из заявляемого препрега. Снижение массы особенно важно для авиационных конструкций (кожух вентилятора авиационного двигателя для защиты планера и системы жизнеобеспечения самолета в случае отрыва лопатки вентилятора, защитные перегородки и двери кабины экипажа) и средств индивидуальной защиты (жесткие конструктивные элементы, каски, щиты). Уменьшение содержания связующего в препреге до 14 мас.% по сравнению с типовым содержанием 40-50% позволяет также уменьшить расход связующего и снизить стоимость изделия.

В отдельных случаях ткань из арамидных нитей может быть предварительно пропитана низковязким (не более 5 сек по ВЗ-246 (4 мм)) эпоксидным или фенольным связующим в количестве 4-6 мас.%. Такая пропитка позволяет улучшить технологические свойства ткани: ткань приобретают формоустойчивость, нити основы и утка ткани меньше искривляются, ткань легче режется ножницами при раскрое, нити по краям раскроенных заготовок не осыпаются. Использование предварительно пропитанной ткани облегчает процесс раскроя и сборки заготовок сложной формы при изготовлении крупногабаритных изделий.

Примеры осуществления.

Пример 1.

Изготовление плоских плит.

Фенолокаучуковое связующее (ТУ 6-17-663-84), содержащее фенольную смолу и нитрильный каучук, наносят на ткань из арамидных нитей Русар арт. 86-153-04 (ТУ 8378-026-00321069-2004). Содержание связующего в препреге - 14%. Подготовленный препрег прессуют по режиму: 165°С, 1 ч при удельном давлении Р_уд=10 атм.

Пример 2.

Изготовление многослойных деталей сложной конфигурации.

Связующее по примеру 1 наносят на ткань из арамидной нити СВМ арт. 56313 (ТУ 17 ВНИИПХВ 350-88). Содержание связующего в препреге - 14%.

На предварительно подготовленную поверхность пресс-формы выкладывают слои препрега. Деталь формуют в автоклаве по режиму примера 1.

Пример 3.

Изготовление плоских плит.

Эпоксикаучуковое связующее (ТУ 1-595-24-486-96), содержащее эпоксидную смолу и полисульфоновый каучук, наносят на ткань из арамидных нитей Русар арт. 86-130-02 (ТУ 8378-011-00321069-2003). Содержание связующего в препреге - 11%. Подготовленный препрег прессуют по ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 170°С при удельном давлении Р_уд=0,5 атм.

Пример 4.

Изготовление плоских плит.

Раствором фенолоформальдегидного связующего (ТУ 1-595-25-276-95) пропитывают ткань СВМ арт. 8462 (ТУ 8278-005-00320992-97). Сушат при комнатной температуре. Количество нанесенного на ткань связующего составляет 4%. На предварительно пропитанную ткань наносят связующее по примеру 1. Содержание связующего в препреге - 8 мас.%. Подготовленный препрег прессуют по режиму 165°С, 2 ч при удельном давлении Р_уд=8 атм.

Пример 5.

Изготовление многослойных деталей сложной конфигурации.

Раствором эпоксидного связующего (ТУ 1-595-12-672-2002) пропитывают ткань по примеру 3. Сушат при комнатной температуре. Количество нанесенного на ткань эпоксидного связующего составляет 6 мас.%. На предварительно пропитанную ткань наносят связующее по примеру 3. Содержание связующего в препреге - 10 мас.%.

Подготовленный препрег выкладывают на предварительно подготовленную поверхность пресс-формы, формуют в автоклаве по ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 170°С при удельном давлении Р_уд =0,5 атм.

Пример 6 (прототип).

Изготовление многослойных деталей сложной конфигурации.

Раствор смеси эпоксиноволачной и 3-функциональной эпоксидной смолы с ароматическим диамином в качестве отвердителя (ТУ 1-595-12-542-98) наносят на ткань по примеру 2, сушат. Содержание связующего в препреге 30%.

На предварительно подготовленную поверхность пресс-формы выкладывают первые слои препрега, нагревают при температуре 110-130°С в течение 30 мин, охлаждают, затем последовательно выкладывают остальные слои. Деталь формуют в автоклаве по ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 175°С при удельном давлении 5 атм.

В таблице 1 приведены составы заявляемого препрега по примерам 1-5 и препрега-прототипа по примеру 6.

В табл.2 представлены свойства препрегов по составам примеров 1-5 в сравнении с прототипом по примеру 6.

В таблице 3 представлены свойства изделий, полученных на основе препрегов по примерам 1-5, в сравнении с прототипом по примеру 6.

Изобретение не ограничивается приведенными примерами.

Из приведенных данных следует, что заявленные препреги обладают улучшенными технологическими свойствами по сравнению с препрегами-прототипами. Заявленные препреги имеют в 2-4 раза более длительную жизнеспособность, что позволяет осуществлять их длительное хранение и транспортировку потребителям в условиях централизованного специализированного производства. Температура отверждения препрегов ниже, а время отверждения - в 2,5-7,5 раз меньше, чем у прототипа, что обеспечивает возможность снижения энергозатрат на производство изделий из композиционного материала.

Изделия из них на основе заявляемых препрегов имеют высокую стойкость к низкоскоростному, высокоэнергетическому и баллистическому удару.

При низкоскоростном ударе (с кинетической энергией 15 Дж/мм) площадь повреждения у заявляемого изделия составляет 100-250 мм², при этом сквозные повреждения отсутствуют, в отличие от изделия-прототипа.

Таблица 1
Наименование компонентов		Состав по примерам, мас. %										Прототип
		1		2		3		4		5		6
Связующее:
- фенолокаучуковое		14		14		-		8		-		-
- эпоксикаучуковое		-		-		11		-		10		-
- эпоксидное		-		-		-		-		-		30
Наполнители:
- ткань из нити Русар, поверхностная плотность 90 г/м2		86		-		-		-		-		-
- ткань из нити СВМ, поверхностная плотность 90 г/м2		-		86		-		-		-		70
- ткань из нити Русар, поверхностная плотность 350г/м 2		-		-		89		-		-		-
- ткань из нити СВМ, поверхностная плотность 200 г/м2, предварительно пропитанная фенольным связующим (нанос связующего - 4 мас.%)		-		-		-		92		-		-
- ткань из нити Русар, поверхностная плотность 350 г/м 2, предварительно пропитанная эпоксидным связующим (нанос связующего - 6 мас.%)		-		-		-		-		90		-
Таблица 2
Наименование свойств препрега	Примеры по изобретению										Прототип
	1		2		3		4		5		6
Жизнеспособность, сутки	180		180		90		90		90		45
Температура отверждения, °С	165		165		170		165		170		175
Время отверждения, ч	1		1		2ч 10 мин		2		3		7ч 30 мин

Таблица 3
Наименование свойств	Примеры по изобретению					Прототип
	1	2	3	4	5	6
Разрушающее напряжение при срезе, МПа	340	310	330	300	320	250
Характер и площадь разрушения при низкоскоростном ударе, (с кинетической энергией 15 Дж/мм), мм 2	100	180	120	250	220	Сквозное разрушение
Наличие сквозного разрушения при баллистическом воздействии (пистолетная пуля Magnum. 44 JHP, масса 15,6 г, скорость - 430 м/с)	отсутствует	отсутствует	отсутствует	отсутствует	отсутствует	Сквозное разрушение
Прочность при межслойном сдвиге, МПа	50	48	49	49	50	47

Прочность при срезе, характеризующая стойкость конструкции при высокоэнергетическом ударе осколком разрушенной лопатки вентилятора турбореактивного двигателя, у заявляемого изделия на 20-30% выше, чем у изделия-прототипа.

Заявленное изделие обеспечивает защиту от баллистического поражения (пистолетная пуля Magnum. 44 JHP, масса 15,6 г, скорость - 430 м/с), в отличие от прототипа, у которого при аналогичном воздействии происходит сквозное повреждение.

Изобретение позволяет получить препрег со стабильными технологическими свойствами, длительной жизнеспособностью, а также получить из него изделия с повышенной баллистической и ударной стойкостью.