Способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов



 


Владельцы патента RU 2424115:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к авиационной промышленности и касается способа изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов. Формируют три технологических пакета-образца с разным количеством слоев препрега, один из которых должен содержать то же количество слоев, что и изделие, формуют их в автоклаве по заданному режиму для изделия, определяют количество удаленного связующего из препрега путем взвешивания пакетов до формования и после, определяют расчетным путем количество сухих слоев наполнителя, необходимых для впитывания избыточного связующего, и заменяют ими пропитанные слои препрега. Изобретение обеспечивает изготовление толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, обеспечивающих требуемое содержание связующего по всей толщине изделия. 2 табл.

 

Изобретение относится к способам изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для формирования изделий панельного типа, например панели крыла, стабилизатора, киля, панелей и др., к которым предъявляются требования по сохранению заданного содержания связующего по всей толщине изделия для сохранения стабильности и формы изделий.

Известен способ изготовления панелей из ПКМ, который заключается в том, что препрег в виде ткани, лент и т.п., пропитанных связующим, сматывается с рулона, разрезается на заготовки, которые наслаиваются одна на другую в пакет в определенном порядке. Собранный пакет помещается на формовочную оснастку и формуется в автоклаве или прессе при определенных температуре и давлении с использованием дренажных и впитывающих слоев (Справочник по КМ. В 2-х т., кн.2, под ред. Любина Д.Ж., перевод с англ. под ред. Б.Э.Геллера, М., «Машиностроение», 1988, с.259-262). Недостатком этого способа является то, что он не пригоден для изготовления изделий толщиной более 10 мм.

Известен также способ изготовления пластины толщиной 55 мм, который включает следующие операции: изготовление 136 одиночных слоев большого размера из тканого препрега, частичное отверждение пакетов по 8 слоев толщиной 3,2 мм под давлением при температуре 85°С в течение 3-х часов, укладывание в форму 17 частично отвержденных и обрезанных заготовок и формование в закрытой форме под давлением 5-8 бар при температуре 135°С (Углеродные волокна и углекомпозиты. Пер. с англ., М., «Мир», 1988, с.185-187).

Недостатком известного способа является то, что при частичном отверждении каждого из 17 пакетов, набранных из 8 слоев препрега, при воздействии давления и температуры происходит неконтролируемое удаление связующего из препрега, что приводит к изменению общего содержания связующего в готовом пакете, к неравномерному его распределению по толщине изделия и, соответственно, к разнотолщинности и короблению изделий.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления толстостенных слоистых изделий из ПКМ, включающий формирование из расчетного количества листов препрега промежуточных технологических пакетов, подформовку их путем уплотнения и частичного отверждения, последующую сборку на оснастке для формования в единый пакет и отверждение его по заданному режиму (патент РФ №2286253).

Недостатком известного способа является то, что использование промежуточных технологических пакетов с предварительной их подформовкой не дает возможности точного учета удаления излишков связующего. При проведении предварительной подформовки не указано, в каком направлении происходило удаление излишков связующего и сколько связующего впитали 2 впитывающих слоя. При формовании изделий истечение связующего происходит как в направлении торцов пакета, так и в направлении расположения впитывающих слоев, однако при изготовлении крупногабаритных изделий удаление связующего происходит только из прилегающей к торцам части пакета, а не по всей площади, что приводит к разнотолщинности и короблению изделий. Кроме того, в результате применения подформовки и частичного отверждения заготовок пакетов после формования в готовом изделии образовываются пограничные слои по поверхностям соприкосновения предварительно отформованных заготовок, что, в свою очередь, приводит к снижению межслойной прочности изделия.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, обеспечивающего требуемое содержание связующего по всей толщине изделия.

Для решения поставленной технической задачи предложен способ изготовления слоистых толстостенных изделий из полимерных композиционных материалов, включающий формирование технологического пакета из расчетного количества слоев препрега и отверждение его по заданному режиму, в котором предварительно формируют по крайней мере три технологических пакета-образца с разным количеством слоев препрега, один из которых должен содержать то же количество слоев, что и изделие, формуют их в автоклаве по заданному режиму для изделия, определяют количество удаленного связующего из препрега путем взвешивания пакетов до формования и после, определяют расчетным путем количество сухих слоев наполнителя, необходимых для впитывания избыточного связующего, и заменяют ими пропитанные слои препрега.

Пример 1.

Для изготовления элемента формообразующей оснастки толщиной 12 мм, состоящего из 56 слоев препрега, предварительно изготавливали 4 образца стеклопластика на основе ткани Э-3-250 и эпоксидного связующего ВСО-200М. Из препрегов с содержанием связующего 36% собирали пакеты заготовок из 14, 28, 56 и 84 слоев размером в плане 185 х 200 мм. Собранные пакеты с торцевых сторон по периметру защищали герметизирующими ограничителями из герможгута "Герлен" для исключения вытекания связующего. Затем проводили формование по режиму изготовления изделия - с 30-минутной выдержкой под вакуумом при 80°С, далее при давлении 3 кгс/см2 по ступенчатому режиму с окончательным отверждением при 125°С.

Пакеты препрегов, готовые пластины стеклопластиков взвешивали как до, так и после автоклавного формования. Данные эксперимента по определению количества удаленного связующего представлены в таблице 1.

Таблица 1
Количество слоев препрега в пакете Вес пакета препрега до формования, г Вес пластика после формования, г Количество удаленного связующего, г % удаленного связующего к весу исходного, % Количество слоев, из которых удалены излишки связующего
14 188,3 180,2 8,1 4,3 14
28 380,4 368,5 15,9 4,1 28
56 541,3 511,0 25,1 4,6 45
84 928,2 902,1 26,1 2,8 47

Из таблицы 1 видно, что полностью были удалены излишки связующего лишь из первых двух образцов с 14 и 28 слоями препрега и количество удаленного связующего составило 0,0015 г/см2 из каждого слоя препрега. Для 56-слойного образца количество удаленного связующего на каждый слой составляло 0,0012 г/см2, а для 84-слойного - 0,0008 г/см2. Таким образом, удаление связующего из образцов в 56 и 84 слоев прошло только из части слоев. Если из каждого слоя препрега должно быть удалено

0,0015 г/см2, то из образцов в 56 слоев связующее удалено только из 45 слоев, а из 84-слойного - из 47 слоев. Поэтому, если количество слоев больше 45, необходимо заменить часть слоев препрега на сухие заготовки. Для этого по количеству удаленного связующего на единицу площади одного слоя необходимо определить содержание связующего в оставшихся слоях образца с полностью удаленными излишками посредством расчета, затем, разделив количество оставшегося в слое образца связующего на количество удаленного связующего из одного слоя, получим количество слоев препрега ("n"), из которых необходимо удалить излишки связующего посредством укладки слоя сухой ткани. Разделив общее количество слоев изделия на (n+1), получим количество групп, состоящих из "n" слоев препрега и одного слоя сухой ткани, которые показывают, сколько слоев препрега необходимо заменить на слои сухой ткани. В нашем примере сначала определим вес единицы площади 1 м2 использованного препрега

где Рпр - вес 1 м2 ткани Э-3-250 - 230 г;

VB - весовое содержание связующего в долях единицы (0,36).

Из каждого м2 препрега вытекло 0,0015×10000=15 г.

Количество оставшегося связующего в слое образцов в 14 и 28 слоев составляет:

Рсвпртк-15=114 г/м2.

Весовое содержание связующего в пластике

Для определения количества слоев препрега, из которых необходимо удалить излишки связующего во впитывающий слой ткани, разделим количество связующего в м2 слоя пластика на количество удаляемого связующего из 1 слоя и получим:

Таким образом, для замещения слоев препрега на заготовки сухой ткани необходимо каждый 9-й слой препрега заменить на сухой слой. После этого при формировании пакета в 56 слоев для изготовления изделия использовали 8 впитывающих слоев ткани Т-10-80 и проводили формование изделия по режиму, указанному выше.

Пример 2

Для изготовления панели толщиной 20 мм, состоящей из 60 слоев препрега, предварительно изготавливали 4 образца углепластика на основе углеродной ткани арт.3606 и эпоксидного связующего УП-2227. Из препрегов с содержанием связующего 43,4% собирали пакеты заготовок из 15, 30, 60 и 120 слоев размером 175×200 мм. Собранные пакеты с торцевых сторон по периметру защищали герметизирующими ограничителями из герможгута "Герлен" для исключения вытекания связующего. Затем проводили формование по режиму изготовления изделия - с 30-минутной выдержкой под вакуумом при 120°С, далее при давлении 6 кгс/см2 по ступенчатому режиму с окончательным отверждением при 180°С.

Пакеты препрегов, готовые пластины стеклопластиков взвешивали как до, так и после автоклавного формования. Данные эксперимента по определению количества удаленного связующего представлены в таблице 2.

Таблица 2
Количество слоев препрега в пакете Вес пакета препрега до формования, г Вес пластика после формования, г Количество удаленного связующего, г % удаленного связующего к весу исходного, % Количество слоев, из которых удалены излишки связующего
15 122 102 20 16,4 15
30 243 203 40 16,5 30
60 486 436 50 10,3 38
120 980 927 53 5.4 40

Из таблицы 2 видно, что полностью были удалены излишки связующего лишь из первых двух образцов с 15 и 30 слоями препрега и количество удаленного связующего составило 0,0038 г/см2 из каждого слоя препрега. Для 60-слойного образца количество удаленного связующего на каждый слой составляло 0,00237 г/см2, а для 120-слойного - 0,00125 г/см2. Таким образом, удаление связующего из образцов в 60 и 120 слоев прошло только из части слоев. Если из каждого слоя препрега должно быть удалено 0,0038 г/см2, то из образцов в 60 слоев связующее удалено только из 38 слоев, а из 120-слойного - из 40 слоев. Поэтому, если количество слоев больше 40, необходимо заменить часть слоев препрега на сухие заготовки. Для этого по количеству удаленного связующего на единицу площади одного слоя необходимо определить содержание связующего в оставшихся слоях образца с полностью удаленными излишками посредством расчета, затем, разделив количество оставшегося в слое образца связующего на количество удаленного связующего из одного слоя, получим количество слоев препрега ("n"), из которых необходимо удалить излишки связующего посредством укладки слоя сухой ткани. Разделив общее количество слоев изделия на (n+1), получим количество групп, состоящих из "n" слоев препрега и одного слоя сухой ткани, которые показывают, сколько слоев препрега необходимо заменить на слои сухой ткани. В нашем примере сначала определим вес единицы площади 1 м2 использованного препрега

где Рпр - вес 1 м2 ткани 3606 - 132 г;

Vв - весовое содержание связующего в долях единицы (0,434).

Из каждого м2 препрега вытекло 0,0038×10000=38 г.

Количество оставшегося связующего в слое образцов в 15 и 30 слоев составляет:

Рсвпртк-38=63,2 г/м2.

Весовое содержание связующего в пластике равно:

Для определения количества слоев препрега, из которых необходимо удалить излишки связующего во впитывающий слой ткани, разделим количество связующего в м2 слоя пластика на количество удаляемого связующего из 1 слоя и получим:

Таким образом, для замещения слоев препрега на заготовки сухой ткани необходимо каждый 3-й слой препрега заменить на сухой слой. После этого при формировании пакета в 60 слоев для изготовления изделия использовали 20 сухих слоев ткани арт.3606 и проводили формование изделия по режиму, указанному выше.

Использование изобретения позволяет без дополнительных затрат на отработку технологии формования крупногабаритных изделий из ПКМ с повышенной толщиной и с гарантированным содержанием связующего по всей толщине сократить загрузку такого энергоемкого оборудования, как автоклав, и дает возможность сократить процент брака при изготовлении изделий.

Способ изготовления толстостенных слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, включающий формирование технологического пакета из расчетного количества слоев препрега и отверждение его по заданному режиму, отличающийся тем, что предварительно формируют по крайней мере три технологических пакета-образца с разным количеством слоев препрега, один из которых должен содержать то же количество слоев, что и изделие, формуют их в автоклаве по заданному режиму для изделия, определяют количество удаленного связующего из препрега путем взвешивания пакетов до формования и после, определяют расчетным путем количество сухих слоев наполнителя, необходимых для впитывания избыточного связующего, и заменяют ими пропитанные слои препрега.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления многослойного изделия, образующего осесимметричное тело и к конструкции многослойного изделия. .

Изобретение относится к способу получения полового покрытия с однородным узором. .

Изобретение относится к многослойной порции материала в расплавленном состоянии, имеющей ось симметрии, для получения многослойных изделий посредством компрессионного формования, которая состоит из первой порции синтетического полимера и, по меньшей мере, одного тонкого слоя функционального полимера, по меньшей мере, значительная часть которого заключена внутри первого полимера, при этом часть ее поверхности является вогнутой.

Изобретение относится к устройству верхнего строения железнодорожного пути, в частности к электроизолирующим стыковым соединениям рельсов. .
Изобретение относится к технологии получения слоистых композиционных материалов и может быть использовано в строительной и бытовой технике, электротехнике, автомобильной промышленности.

Изобретение относится к технологии переработки полимерных материалов и может найти применение при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов методом прессования

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к производству склеиваемых или формуемых многослойных конструкций из композиционных материалов и легких сплавов, отверждающихся при температурах выше температуры окружающей среды

Изобретение относится к формованию полимеров и касается способа изготовления многослойного объекта

Изобретение относится к способу получения листов с объемным декоративным эффектом

Настоящее изобретение относится к многослойному изделию, не имеющему оси симметрии и изготовленному путем компрессионного формования в форме многослойной дозы термопластичных полимеров в расплавленном состоянии. Изделие содержит центр подачи, соответствующий точке, вокруг которой дозу центрируют в форме перед сжатием, а расстояние между центром подачи и краем изделия, называемое длиной растекания, является переменным. Для заданной длины растекания чем больше длина растекания, тем меньше средняя толщина по этой длине и наоборот. Технический результат, достигаемый при использовании изделия по изобретению, заключается в том, чтобы обеспечить лучшее распределение многослойной структуры, особенно на концах изделия. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к многослойным композиционным материалам и касается панели среднего слоя и способа ее изготовления. Способ включает: обеспечение элементов, выполненных из вспененного полимерного материала, имеющих трапециевидное поперечное сечение под углом 75° и скос с обеих сторон в продольном сечении под углом 45°, помещение каждого элемента в отдельный чехол из армирующего материала, укладку элементов в матрицу для формования закрытым методом, подачу в оснастку полимерного связующего и выдержку для отверждения полимерного связующего с получением готовой панели среднего слоя. Изобретение обеспечивает создание панели среднего слоя, обладающей улучшенными физико-механическими характеристиками, коррозионной и огнестойкостью, а также конструкцией, облегчающей и ускоряющей процесс изготовления многослойных полимерных композиционных материалов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 2 пр.

Изобретение относится к области машиностроения, авиадвигателестроения и может быть использовано в технологии изготовления изделий типа ребер усиления различной профильной формы, крупногабаритных корпусных изделий в виде тел вращения из слоистых полимерных композиционных материалов, изготавливаемых методом послойной выкладки с последующим вакуумным или автоклавным формованием. Из полотна каландрованной резины выкраивают расчетное количество заготовок заданного типоразмера, количество которых рассчитывается, исходя из толщины исходного материала и высоты формующего элемента, а типоразмер определяется исходной формой формующего элемента. В формующую полость, образованную на поверхности оправки для выкладки изделия из полимерного композиционного материала, укладывают друг на друга методом выкладки или намотки предварительно раскроенные и обезжиренные заготовки резины в определенной последовательности. Формируют пакет требуемой формы, определяемой формой изготавливаемого формующего элемента, скрепляя их в процессе укладки через нефрас. После этого создают замкнутый объем формующей полости оправки путем установки на сформированный пакет заготовок ограничительного элемента. Последний осуществляет последующую фиксацию намоткой композиционного материала с усилием натяжения, достаточным для образования объема, соответствующего объему формующего элемента. Для исключения образования технологического облоя высоту и ширину ограничительных элементов выбирают с учетом габаритов формующего элемента. При изготовлении формующего элемента для формования толстостенных изделий или толстостенных фрагментов изделий на поверхность оправки для выкладки изделия из полимерного композиционного материала устанавливают переходный элемент высотой, соответствующей толщине формуемого изделия или фрагмента изделия. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению, заключается в сокращении технологического цикла изготовления, расширении технологических возможностей, повышении качества формуемых эластичных элементов за счет исключения дополнительных операций мехобработки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх