Способ получения полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон

 

®@@ааи

1?БЩ@. ag® " элиоте.;/

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Е ПАТЕНТУ

Еомитст Российской Федерации по патентам и топарттт.тм знакам (21) 5009013/05 (22) 14.11.91 (46) 15.10.93 Бюл. Иа 37-38 (71) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (72) Куроленкин ЕИ„Кузнецов ДА. Костиков В.И. (73) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе г рафита (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО

КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОBE УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН (57) Сущность изобретения: с целью повышения (В) RU (1Ц 2001054 С1 (51) 5 C08J5 06 001ГИ 10 прочности композиционного материала и сокращения длительности технологического процесса углеродные волокна облучают в интервале доз т4 16 г

4х10 -1х10 электр./см в защитной среде — в нейтральной газовой или жидкостной Предложенный способ позволяет значительно / — в 50 раз/ снизить затраты времени на облучение для достижения высоких прочностных характеристик и при этом значительно повысить прочность конечного продукта — угпепластика (прочность на изгиб — на

- 90"-ь, прочность на сдвиг — на — б096 ). 1 зл флы, 1 табл. 2 ип.

2001054

Изобретение относится к технологии композиционных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из углепластиков на основе углеродных волокон в различных областях техники.

Известен способ получения полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон, в котором, с целью улучшения адгезионных свойств волокон, в следовательно и повышения прочности материала на их основе осуществляют поверхностную активацию волокон путем добавки в них активного металлического компонента и последующего облучения электронами в окислительной среде дозой 30-150 Мрад.

К недостаткам известного способа следует отнести необходимость введения в волокна дополнительных металлических компонентов в присутствии при облучении окислительной среды, стимулирующей радиационно-окислительную эрозию поверхности волокон, Это с одной стороны приводит к усложнению технологического цикла. а с другой — к разупрочнению волокон, а вместе с тем и к уменьшению прочности конечного продукта — компоэита, Наиболее близким техническим решением, рассматриваемым в качестве прототипа, является способ получения полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон, включающий облучение волокон электронами и образование композиции со связующим для последующего отверждения под давлением. В данном способе облучение волокон осуществляют перед смачиванием их со связующим, причем проводят облучение в окислительной среде — на воздухе в интервале доз 1 10 -1,8 10 электр/см .

16 17 г

В способе по прототипу иэ-за того, что радиационную обработку волокон проводят в окислительной среде, вместе с радиационным упрочнением проявляется механизм радиационно-стимулированной окислительной эрозии волокон, вызывающей образование на их поверхности раэупрочняющих дефектов типа микротрещин, раковин и т.п., являющихся концентраторами напряжений. Результатом одновременного проявления идущих с разной скоростью процессов упрочнения с одной стороны и эрозии волокон с другой является снижение эффекта их упрочнения и его смещение в область больших лоз облучения — в интервал 1 10 -18х

16 х10 электр/смг. При этом максимальное упрочнение конечного продукта — углепластика на основе облученных волокон достигается лишь после облучения волокон дозой не менее б 1016 электр/см . Облучение та50

55,5

45 кими высокими дозами нетехнологично, поскольку для их достижения требуются большие временные и энергетические затраты.

Кроме того, данный способ не позволяет достичь высоких прочностных свойств углв- пластика.

Целью изобретения является повышение прочности композиционного материала и сокращение длительности технологического процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон, включающем облучение углеродных волокон электронами, пропитку полимерным связующим и последующее отверждение под давлением, углеродные волокна облучают дозами в интервале 4 . 10 -1,0 10 электр/см в защитной среде — в нейтральной газовой или жидкостной. В качестве защитной среды возможно использование связующего, используемого для основной пропиткн.

Пример ы. Облучают неаппретировамные в виде ровницы промышленныв углеродные волокна на основе полиакрилонитрила, Облучение проводят на линейном ускорителе ЭЛУ-4 электронами с энвргией 4 + 0.5 МэВ при токе до 1000 мкА разными дозами в окислительной среде (на воздухе — по прототипу} и в защитных средах — газовой (аргоне} и жидкой (в связующем).

В качестве связующих используют фвнолформальдегидную смолу рвэольного типа с 50 мас. добавкой высокотемпературного пека (фенольно-пековое связующее), а также эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем горячего отверждения МФДА-метафенилендиамин в соотношении 100:14. Условия облучения (интервалы доз и среда). а также тип используемого связующего и момент смачивания им волокон при образовании композиций для прототипа и по предлагаемому техническому решению приведены в таблице, Образцы углепластиков изготовляют прессованием (в течение 1 часа) образованных композицией — npenpегоs на основе одноосно-ориентированных волокон с 60 ным объемным наполнением волокнами при давлении 30 5 кгс/см и температуре

180 + 5 С.

При изготовлении углепластиков, в которых связующим используют фенольно-пековую композицию, препреги перед прессованием подсушивают в тврмошкафу при 100 5 С втечение 3ч, 2001054

Среда облучения

Момент смачивания волокон связующим при образов. компоэи ии

Связукнцее в

КОМПОЗИЦИИ

0,1 10 — 1016

Защитная газовая а гон

После облучения

ВОЛОКОН

Э поксидная смола Э -20

0,1 10 — 16 10

Защитная жидкая (эпоксидная смола Э -20

Э поксидная смола ЭД-20

Перед облучением волокон

Защитная жидкостная (фенольно-пековая смола

0.1 10 — 1,6 106

Перед Облучением волокон

ФЕНОЛЬНО-ПЕКОвое

1 10 . — 1 8°, 1017

Окислительная возд шкая

После облучения

Эпоксидная смола ЭД-20

Прототип

Прочность на разрыв волокон до и после облучения каждой последующей дозой — F определяли на моноволокнах усреднением показаний не менее 30 измерений.

На образцах углепластиков определяли прочность при сдвиге — и прочность TlpH изгибе — cT, используя известный метод "короткой балки".

На фиг.1 и 2 представлены полученные результаты в виде графиков зависимостей, построенных по экспериментальным точкам.

На фиг.1 изображена зависимость от дозы облучения — F прочности углеродных волокон на растяжение — oi при облучении на воздухе (кривая 1) — прототип и при облучении в аргоне (кривая 2) — пример 1 (см. таблицу); на фиг.2 — зависимость от дозы облучения относительного изменения прочности на изгиб — о (пунктир) и прочности ма сдвиг — t (сплошная линия) образцов углепластиков, полученных с использованием фенольно-пекового (светлые точки) и эпоксидного (темные точки) связующих: кривая

1 относится к образцам, изготовленным на основе предварительно Облученных в аргоне волокон (пример 1, см. таблицу); кривые

2 относятся к образцам, изготовленным на основе волокон, облученных в защитной жидкостной бреде после предварительного смачивания их связующим (примеры 2 и 3), а кривые 3 — к образцам. изготовленным на основе предварительмо облученных е воздушной среде волокон, согласно прототипу.

Иэ фиг.1 следует, что облучение волокон в защитной газовой среде (аргоне) приводит

Эксперимент по Интервал доз обпримеру лучения, электр/см к значительно большему их упрочнению (на

41 ), чем В случае окислительной (на 15 ).

При этом, если для окислительной среды эффект упрочнения волокон начинает про5 являться лишь при дозе 5 10 электр/см, то для защитной среды — уже при дозе

0,4 10 электр/см . Таким образом видно, что при облучении волокон в защитной газовой среде происходит сдвиг эффекта их

10 упрочнения в сторону меньших доз.

При использовании в качестве защитной среды жидкости (это могут быть любые углеводородные соединения) с последую15 щей отмывкой волокон. если эти жидкости не яВляются связующим компонентом, эффект упрочнения аналогичен. При облучении после образования композиции со связующим, которое в этом случае выступа20 ет в качестве жидкостной защитной среды, кроме этого, как уже указывалось, наблюдается улучшение адгезионного контакта связующего с волокнами, что проявляется в улучшении прочностных характеристик ко25 нечного продукта — углепластика (см. фиг.2). (56) Патент Японии hk 53-32433, кл. D 06 M

10/00, опублик. 1978.

30 Дигилов М.Ю., Нейман Г.В., Аберяхимов Х.М., Малючкоа О.Т., Влияние обработки углеродного волокна миэкотемпвратурной плазмой и электронным облучением на физико-механические свойства углепла3S стиков, — Механика композиционных материалов. 1980, М 1, с. 172-175, 2001054

2У

F; Ю зле ; р

S ф/

///o аг4;у4

/00 во

/n

)5 2 5вг> у/б з - q 5675/Д

3 эггерта/Сн

Фиг 2

Составитель В.Чистякова

Текред M.Моргентзл Корректор A Козор

Тираж Г1одписное

НПО " Поиск " Роспатента

113035. Москва, Ж-35, Рзушскзя нзб., 4/ 5

Редактор

Заказ 3109

Производственно-издательский комбинат Патент" r Ужгород ул.Гагарин» 101

Формула изобретения

1 СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕР1!ОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДных волокон, включающий облучение углеродных волокон электронами, пропиткуполимерным связующим и последующее отверждение под давлением, отличающийся тем, что углеродные волокна облучают г

Я /О /т/7о дозами в интервале 4 ° 10 - 1,0 ° 10 г электр/см в защитной среде - нейтральной газовой или жидкостной.

2. Способ no n.1, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют связующее, применяемое для основной пропитки,