Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Производство  стеклопластиков

Стеклопластик получают путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного  с синтетическими смолами. В стеклопластиках  стекловолокно играет роль армирующего  материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности.

В настоящее время существует целый  ряд различных смол, используемых в производстве стеклопластиковых  изделий. Наибольшее распространение  получили полиэфирные, винилэфирные и эпоксидные смолы. В зависимости от метода формования, химического состава и области применения все смолы можно разделить на следующие группы:

• по методу формования:

• для ручного формования;
 
• для вакуумной инжекции;
• для горячего прессования;
• для процессов намотки;
• для пултрузии.

• по области применения:

• обычные конструкционные;
• химически стойкие;
• огнестойкие;
• теплостойкие;
• светопрозрачные.

Основные  методы изготовления стеклопластиковых  изделий

1. Ручное (контактное) формование

При этом методе стеклоармирующий материал вручную пропитывается смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и т.д.)

 

Основные  преимущества:

• Широко используется в течении многих лет.
• Простота процесса.
• Недорогие используемые инструменты, если используются смолы, отверждаемые при комнатной температуре.
• Широкий выбор поставщиков и материалов.
• Более высокое содержание стеклянного наполнителя и более длинные волокна по сравнению с методом напыления рубленного роввинга. 

Основные  недостатки:

• Качество смеси смолы и катализатора, качество ламината, содержание стеклообразующего в ламинате очень зависят от квалификации рабочих.
• Высокая вероятность воздушных включений в ламинате.
• Малая производительность метода.
• Вредные условия труда.

2. Метод напыления рубленного роввинга.

Стеклонить подается в ножи пистолета, где она рубится на короткие волокна. Затем они в воздухе смешиваются  с струей смолы и катализатора и наносятся на форму. После нанесения рубленного роввинга, его необходимо прикатать с целью удаления из ламината воздушных включений. Прикатанный материал оставляют отвердевать при обычных атмосферных условиях.

в виде роввинга (ровницы).

Основные  преимущества:

• Широко используется много лет.
• Быстрый путь нанесения волокна и смолы.
• Дешевые формы.

Основные  недостатки:

1. Ламинаты имеют тенденцию быть очень богатыми смолой и поэтому чрезмерно тяжелыми.
2. Присутствуют только короткие волокна, которые ограничивают механические свойства ламината.
3. Смолы должны быть с низкой вязкостью для возможности их напыления. Это приводит к уменьшению их механических свойств и теплостойкости.
4. Вредные условия труда, большое содержаний в воздухе мелких частиц стекла.
5. Качество конечного продукта в основном зависит от мастерства оператора установки.

3. Метод RTM

Стеклоармирующий материал укладывается на матрицу в виде заранее заготовленных выкроек.  Затем  укладывается пуансон, который прижимается к матрице при помощи прижимов. Смола подается в полость формы под рассчитанным давлением. Иногда, для облегчения прохода смолы через материал используется вакуум, который создается внутри формы. Как только смола пропитала весь стекломатериал, инжекцию останавливают и ламинат оставляют в форме до полного отверждения. Отверждение может проходить при обычной или повышенной температурах.

 Основные преимущества:

• Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
• Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.
• Возможно сокращение трудовых затрат и времени на изготовление изделия. Один рабочий может обслуживать одновременно несколько аппаратов, производяших инжекцию.
• Вся форма изделия имеет глянцевую поверхность.
• Минимизированы отходы материалов.

Основные  недостатки:

• Дорогие и сложные формы.
• Сложность процесса.
• Необходимость иметь инжекционное оборудование.

4. Метод пултрузии

Волокна подаются от катушечной рамы до ванны со смолой и затем проходят через нагретую фильеру.  В фильере убираются излишки смолы, происходит профилирование ламината и отверждение материала. После этого отвержденный профиль автоматически обрезается на необходимые длины.

Основные  преимущества:

• Это может быть очень быстрый процесс пропитки и отверждения материала.
• Автоматизированное управление содержанием смолы в ламинате.
• Недорогие материалы.
• Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.
• Закрытый процесс пропитки волокна.

Основные  недостатки:

• Ограниченная номенклатура изделий.
• Дорогое оборудование.

5. Метод намотки.

Этот процесс прежде всего используется для изготовления пустотелых круглых или овальных секционных компонентов, типа труб или резервуаров. Волокна пропускаются через ванну со смолой, затем через натяжные валики, служащие для натяжения волокна и удаления излишков смолы. Волокна наматываются на сердечник с необходимым сечением, угол намотки контролируется отношением скорости движения тележки к скорости вращения.

Основные  преимущества:

• Это может быть очень быстрый и поэтому экономически выгодный метод укладки материала.
• Регулируемое соотношение смола/стекло.
• Высокая прочность при малом собственном весе.
• Неподверженность коррозии и гниению 
• Недорогие материалы
• Хорошие структурные свойства ламинатов, так как профили имеют направленные волокна и высокое содержание стекломатериала.

Основные  недостатки:

• Ограниченная номенклатура изделий.
• Дорогое оборудование.
• Волокно трудно точно положить по длине сердечника.

Высокие затраты на сердечник для больших  изделий.

Рельефная лицевая поверхность.

6. Метод RFI (Resin Film Infusion).

Сухие ткани выкладываются вместе со слоями полутвердой пленки из смолы. Весь полученный пакет закрывается  специальной пленкой. Сначала между  пленкой и формой создается вакуум, после чего форму помещают в термошкаф или автоклав. Под воздействием температуры смола переходит в текучее состояние и благодаря вакууму пропитывает материал. После некоторого времени смола полимеризуется.

Основные  преимущества:

• Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
• Высокие физико-механические характеристики из-за твердого начального состояния полимера и высоких температур отверждения.
• Более низкая стоимость процесса по сравнению с методом препрегов.
• Хорошие условия труда и окружающей среды. Нет большого выброса вредных веществ.

Основные  недостатки:

• Мало применяется вне аэрокосмической промышленности.
• Для процесса необходима система вакуумного мешка, термошкаф или автоклав.
• Требования к оборудованию и инструменту по температуростойкости.

7. Метод препрегов.

Препрег - предварительно пропитанная смолами стеклоткань. Ткани и волокна предварительно пропитаны пред-катализированной смолой под высокой температурой и давлением. В таком виде препреги могут хранится до нескольких недель, однако для увеличения срока хранения, их хранят при пониженных температурах. Смола в препрегах находится в полутвердом состоянии. При формовании препреги укладываются на поверхность формы и закрываются вакуумным мешком. Затем происходит их нагревание до температуры примерно 120 - 180 град.C  при этой температуре смола переходит в текучие состояние и препрег принимает размеры формы. Далее при дальнейшем повышении температуры происходит отверждение смолы. Дополнительное давление (до 5 атмосфер) для формования обычно обеспечивается автоклавом.

Основные  преимущества:

• Могут быть получены ламинаты с высоким содержанием стекла и с минимальным содержанием пустот.
• Хорошие условия труда и окружающая среда. Нет большого выброса вредных веществ.
• Возможность автоматизировать процесс и снизить трудовые затраты.

Основные  недостатки: 

• Высокая стоимость материалов.
• Для отверждения необходимы автоклавы, которые ограничивают размеры выпускаемых изделий.

2.2.Углепластики.

Углепластики – это композитные  материалы. Основу составляют нити из углерода, которые сами по себе имеют  фантастические параметры: модуль Юнга, как у стали, плотность 1600 кг/м**3 (меньше алюминия). Однако сделать из них  жесткую конструкцию задача непростая  – нити работают только на растяжение. Поэтому из нитей плетут многослойную трубу, в каждом слое нити ориентированы под своим углом. Скрепляется вся эта конструкция эпоксидными смолами, что дает более скромные итоговые показатели всей конструкции.

Углепластики представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими).

В отличие от стеклянных волокон  карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO₂, AlN и Si₃N₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис.3), сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ_ИЗГ  и Е почти не изменяются.