Способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов

Изобретение предназначено для формирования толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для изготовления конструкций панельного типа, например панелей крыла, стабилизатора; киля самолета, панелей размеростабильных конструкций и других. Техническим результатом изобретения является изготовление толстостенных изделий из ПКМ с однородными свойствами по толщине и объему изделия. Способ изготовления слоистых изделий из ПКМ включает изготовление заданного количества слоев препрега, разделение всего количества слоев препрега на пакеты, содержащие расчетное количество слоев препрега, выкладку этих пакетов путем наслаивания препрега в определенном порядке, соблюдая ориентацию волокон. Предварительное уплотнение и частичное отверждение каждого из пакетов в отдельности на оснастке при заданных давлении и температуре. Последовательную сборку всех предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов в один общий пакет и отверждение его по заданному режиму. При сборке общего пакета из предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов последние помещают на формовочную оснастку таким образом, что слои, расположенные на стадии предварительного уплотнения и частичного отверждения пакетов со стороны оснастки, оказываются сверху. При этом сборку общего пакета производят в обратной последовательности. В результате этого последний предварительно уплотненный и частично отвержденный пакет располагается сверху первым слоем наружу. Отверждение общего пакета может осуществляться в автоклаве или прессе. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение предназначено для формирования толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с однородными свойствами по толщине и объему и может быть использовано для формования конструкций панельного типа, например панелей крыла, стабилизатора, киля самолета, панелей размеростабильных конструкций и других панелей.

Известны различные способы изготовления панелей из ПКМ. Сущность этих способов заключается в том, что препрег (волокнистый наполнитель в виде тканей, лент, нитей и жгутов, пропитанных смолами) сматывается с рулона, разрезается на заготовки, которые наслаиваются 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. Дж.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 при изготовлении толстостенных изделий из ПКМ при толщине выложенного пакета более 3 мм невозможно осуществить удовлетворительное уплотнение пакета со стороны оснастки из-за наличия градиента давления, из-за которого отток связующего из верхних слоев увеличен по сравнению с оттоком из нижних слоев.

Известен также способ изготовления тонкостенных или плоскостных деталей крупных габаритов из ПКМ (стеклошпона), в котором листовые заготовки с взаимно-перпендикулярным направлением волокон, собирались попарно и предварительно спрессовывались на ручном настольном прессе в течение 15-20 минут. Опрессованные таким образом заготовки комплектовались в пакет, тщательно соблюдая условие строгой ориентации волокна в заданных направлениях. Затем осуществляли процесс формования прессованием при заданных давлении, температуре и выдержке при заданных условиях (Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов. Абибов А.Л. и др., М.: "Машиностроение", 1971, с.69-72).

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

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.Фиитцера. - 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 сокращениие ее размеров не привело к повреждению детали.

Недостатком известного способа является то, что при частичном отверждении каждого из пакетов, набранных из восьми слоев препрега, при воздействии давления и температуры происходит неравномерное распределение связующего по высоте (толщине) пакета из-за возникающего градиента давления. При сборке частично отвержденных пакетов (заготовок) в один пакет, укладывании его в форму и доотверждении под давлением и температуре недостаток, проявляющийся при частичном отверждении каждого из пакетов, усиливается, что проявляется в неоднородности свойств получаемых слоистых изделий из ПКМ по высоте (толщине).

Задачей изобретения является изготовление толстостенных изделий из ПКМ с однородными свойствами по толщине и объему изделия.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления слоистых изделий из ПКМ, включающем изготовление заданного количества слоев препрега, разделение всего количества слоев препрега на пакеты, содержащие расчетное количество слоев препрега, выкладку этих пакетов путем наслаивания препрега в определенном порядке, соблюдая ориентацию волокон, предварительное уплотнение и частичное отверждение каждого из пакетов в отдельности на оснастке при заданных давлении и температуре, последовательную сборку всех предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов в один общий пакет и отверждение его по заданному режиму, согласно предлагаемому изобретению при сборке общего пакета из предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов, последние помещают на формовочную оснастку таким образом, что слои, расположенные на стадии предварительного уплотнения и частичного отверждения пакетов со стороны оснастки, оказываются сверху, при этом сборку общего пакета производят в обратной последовательности, в результате чего первый предварительно уплотненный и частично отвержденный пакет располагается сверху первым слоем наружу.

Отверждение собранного пакета осуществляют в автоклаве или в прессе.

В результате осуществления предлагаемого способа за счет особенностей сборки общего пакета из предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов влияние градиента давления перераспределяет связующее по толщине пакета, в результате чего получается однородный по толщине и объему ПКМ, пригодный для изготовления толстостенных слоистых изделий.

Пример. Изготавливали плоскую панель размером 2350×950 мм, толщиной 20,5 мм. В качестве препрега использовали ленту из углеродных волокон КМУ-4Л, пропитанную связующим эпоксидного типа ЭНФБ.

Толщина пакета обеспечивается укладкой 210 слоев. Все количество слоев было разбито на 3 пакета, каждый из которых содержал по 70 слоев. Каждый пакет укладывали отдельно на оснастку, покрытую расчетным количеством дренажно-впитывающих слоев из лавсановой и стеклоткани, количество которых зависит от наноса связующего в препреге. Сверху каждого пакета помещали такие же дренажно-впитывающие слои, укладывая их в обратном порядке. Затем проводили предварительное уплотнение каждого из пакетов 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 каждый из пакетов освобождали от всех дренажно-впитывающих слоев и собирали для окончательного формования в следующем порядке: третий пакет со слоями 141-210 укладывали на оснастку 210-ым слоем вниз, на него укладывали второй пакет 140-ым слоем вниз, последним укладывали первый пакет 70-ым слоем вниз. Таким образом, слой № 1 оказывался снаружи (сверху), а слой №210 - внизу.

На выложенный пакет укладывали упомянутые выше дренажно-впитывающие слои и проводили формование по стандартному режиму формования ПКМ.

После формования осуществляли охлаждение и распрессовку изделия.

В зонах полученной панели, разрезанной по толщине, определяли плотность методом гидростатического взвешивания, пористость и содержание наполнителя методом выжигания.

При этом получены следующие результаты:

Плотность, г/см³: в верхней зоне панели - 1,52; в средней зоне панели - 1,51; в нижней зоне панели - 1,51.

Пористость,%: в верхней зоне панели - 0%; в средней зоне панели - 0,07; в нижней зоне панели - 0%.

Содержание наполнителя,%: в верхней зоне панели - 59,2; в средней зоне панели - 59,6; в нижней зоне панели - 59,0.

Результаты анализа подтверждают, что при использовании предлагаемого способа изготовления получаются толстостенные изделия из ПКМ с однородными свойствами по толщине и объему изделия.

1. Способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, включающий изготовление заданного количества слоев препрега, разделение всего количества слоев препрега на пакеты, содержащие расчетное количество слоев препрега, выкладку этих пакетов путем наслаивания препрега в определенном порядке, соблюдая ориентацию волокон, предварительное уплотнение и частичное отверждение каждого из пакетов в отдельности на оснастке при заданных давлении и температуре, последовательную сборку всех предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов в один общий пакет и отверждение его по заданному режиму, отличающийся тем, что при сборке общего пакета из предварительно уплотненных и частично отвержденных пакетов последние помещают на формовочную оснастку таким образом, что слои, расположенные на стадии предварительного уплотнения и частичного отверждения пакетов со стороны оснастки, оказываются сверху, при этом сборку общего пакета производят в обратной последовательности, в результате чего первый предварительно уплотненный и частично отвержденный пакет располагается сверху первым слоем наружу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отверждение общего пакета осуществляют в автоклаве или прессе.