Препрег и стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2304270:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
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. Предложен препрег, который включает эпоксикаучуковое или фенолокаучуковое связующее (8-14 мас.%) и органический волокнистый наполнитель - ткань из арамидных нитей (86-92 мас.%). Ткань из арамидных нитей может быть предварительно пропитана эпоксидным или фенольным связующим в количестве 4-6 мас.%. А также предложено стойкое к удару и баллистическому воздействию изделие, выполненное из указанного препрега. Изобретение направлено на создание стойкого к удару и баллистическому воздействию препрега, способного к длительному хранению и пригодного для транспортировки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
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 Руд=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 Руд=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 Руд=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 Руд=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/м2 | - | - | 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/м2, 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), мм2 | 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.
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.
