Способ изготовления объемно армированного композиционного материала

Изобретение относится к способу изготовления объемно армированного композиционного материала. Техническим результатом является улучшение биосовместимости, сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С, снижение длительности и энергоемкости изготовления изделий. Технический результат достигается способом изготовления объемно армированного композиционного материала, который включает изготовление многомерного армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением связующим. При этом стержни изготавливают из углеродного волокна пропитанного полиэфирэфиркетоном. В качестве связующего применяется полиэфирэфиркетон. Собранный каркас помещают в форму, а пропитка осуществляется полиэфирэфиркетоном в следующей последовательности: разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области получения композиционных материалов с низкой объемной плотностью, в частности углерод-полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК) композитам на основе многомерно-армированного углеволокнистого каркаса и ПЭЭК матрицы. Такие композиционные материалы могут быть использованы в медицине, авиационной, аэрокосмической, автомобильной, военной, и других отраслях промышленности.

Известен способ [1] изготовления объемно армированного композиционного материала углерод-углерод марки 4КМС-Л на основе стержневого каркаса. Каркас материала 4КМС-Л представляет собой объемную четырехнаправленную структуру, собранную из углепластиковых стержней на основе углеродного волокна и поливинилового спирта в виде гексагональной трансверсально-изотропной укладки. В данном случае термин «изотропная» характеризует только осесимметричность структуры каркаса, в которой стержни каждого из трех трансверсальных направлений расположены под одинаковым друг к другу углом 120. Структура получила название 4D-л. Известны армирующие структуры 3D, 4D и другие (см. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков. - М.: Машиностроение, 1987, с. 20-21), отличающиеся пространственным расположением стержней.

Объемно армированный композиционный материал марки 4КМС-Л имеет матрицу из углеродного материала, получаемую дорогостоящими и длительными процессами насыщения, материал с углеродной матрицей обладает высокой стоимостью и низкой трещиностойкостью матрицы.

Известен способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению [2]. Сущность изобретения состоит в том, что изготавливают каркас путем набора стержней из углеродного волокна в пучок цилиндрической формы, армируют его углеродным волокном и осуществляют нагрев до 900-950°С прямым пропусканием электрического тока в среде природного газа с выдержкой при этой температуре не более 24 часов. Испытания стойкости полученного этим способом материала к окислению на воздухе при 1200°С показали значительное повышение жаростойкости изделия.

Углеродные стержни диаметром 2 мм получали из углеродного волокна УКН-5000 на стержневой машине. Связующим был выбран водный раствор поливинилового спирта (ПВС), соотношение ПВС:вода - 1:2; температура отверждения была равна 200°С, длина готовых стержней составляла 0,5 м. Из готовых углеродных стержней набирали пучки цилиндрической формы диаметром 6-12 мм и закрепляли липкой лентой. Полученную заготовку устанавливали в патрон намоточной машины и плотно обматывали углеродным волокном, которое также закрепляли липкой лентой.

Предлагаемая аналогом заготовка имеет явный недостаток - анизотропия свойств, а также материал дорогостоящий, трудоемкий и энергоемкий, его не рационально применять в конструкциях, не требующих высокой стойкости к окислению.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ [3] изготовления объемно армированного композиционного материала (прототип), включающий изготовление армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением термореактивной смолой с известными требованиями, а затем полимеризацию смолы, армирующий каркас выполнен трехмерным и составлен из стержней диаметром 0,8-0,9 мм, а пропитка термореактивной смолой осуществляется методом инфузии в три этапа: вакуумирование до подачи связующего от 20 до 30 мин, подача связующего под вакуумом от 30 до 40 мин со скоростью 0,35 л/мин, промежуточная выдержка под вакуумом от 20 до 40 мин.

Недостатком данного способа является отсутствие биосовместимости материала с телом человека, низкая теплостойкость термореактивной смолы и материала соответственно.

Предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет в сравнительно простых технологических условиях (доступное оборудование, низкие температуры и давление, небольшая продолжительность процесса и другие) получать углепластиковый конструкционный материал с высокими удельными характеристиками и температурой эксплуатации до 250°С, имеющий биосовместимость с телом человека.

Техническим результатом является, обеспечение биосовместимости материала с телом человека, сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления объемно армированного композиционного материала, включающем изготовление многомерного армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением связующим с формированием матрицы, используют стержни изготовленные из пропитанного полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК) углеродного волокна, в качестве связующего используют ПЭЭК, а пропитку осуществляют ПЭЭК в следующей последовательности: разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления.

Армирующий каркас выполняют со структурой армирования 3D, 4D или 4D-л. Для изготовления армирующих каркасов могут быть применены стержни круглого сечения или заданной формы. При применении стержней заданной формы, для структуры армирования 3D используют стержни с прямоугольным сечением, для 4D - с сечением в виде шестигранника, для 4D-л - с сечением в виде шестигранника для стержней, устанавливаемых в осевом направлении и с прямоугольным сечением для стержней, устанавливаемых в трансверсальном направлении.

Матрица может быть сформирована путем размещения каркаса в форме, заполненной ПЭЭК или из ПЭЭК, содержащегося в стержнях.

Достижение биосовместимости материала с телом человека получают за счет применения биосовместимых компонентов углеродное волокно и ПЭЭК разрешенной марки, а также технологического процесса изготовления при котором не происходит изменение химического состава связующего. Сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С достигается применением высокотемпературного термопластичного связующего - ПЭЭК и многомерной схемой армирования. Дополнительное повышение характеристик получают при увеличении наполнения материала волокном за счет применения стержней заданной формы (для 3D - прямоугольная, для 4D - шестигранная, для 4D-л - шестигранная в осевом, а в трансверсальном направлении прямоугольная).

Изготовление стержней выполняется пултрузией углеродного волокна через расплав ПЭЭК. ПЭЭК в реакторе доводят до температуры плавления. Через реактор пропускают углеродный жгут. На выходе из реактора устанавливают фильеру соответствующую сечению стержня. После фильеры стержень охлаждается. Движение с заданной скоростью обеспечивает тянущее устройство, которое контактирует с отвержденным стержнем и не повреждает его.

Сборку армирующего каркаса выполняют с применением оснастки, задающей пространственное расположение стержней в процессе сборки, и зависит от собираемой структуры 3D, 4D или 4D-л. Сборка может выполняться вручную или автоматизированным способом.

Пропитку собранного каркаса осуществляют ПЭЭК в следующей последовательности: помещение собранного каркаса в жесткую оснастку, заполнение камеры оснастки ПЭЭК для пропитки, разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, подача ПЭЭК, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления.

Описанным способом были изготовлены стержни круглого сечения диаметром 0,7 мм из углеродного волокна УКН-М-6К. Собрана армирующая структура 4D-л. Армирующий каркас помещали в форму, с формой разогревали до температуры плавления ПЭЭК 370°С и вакуумировали, скорость нагрева составляла, при достижении температуры 370°С выдержка 10 мин, создание избыточного давления 130 атм, охлаждение со скоростью 6°С под давлением до температуры 140°С, снятие избыточного давления.

Анализ полученного материала показал отсутствие деструкции ПЭЭК и изменение его химического состава, что показывает сохранение биосовместимости исходных компонентов.

Плотность образцов 1,3-1,31 г/см3, прочность на растяжение в осевом направлении до 450 МПа. Температура длительной эксплуатации до 250°С.

Источники информации

1. Композиционные материалы: справ / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

2. Патент РФ 2090497, опубл. 20.09.1997 г., 3. 95101863 от 20.02.1995 г.

3. Патент РФ 2568725, опубл. 20.11.2015 г., 3. 2014124851 от 18.06.2014 г.

1. Способ изготовления объемно армированного композиционного материала, включающий изготовление многомерного армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением связующим с формированием матрицы, отличающийся тем, что используют стержни, изготовленные из пропитанного полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК) углеродного волокна, в качестве связующего применяют ПЭЭК, а пропитку осуществляют в следующей последовательности: разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что армирующий каркас изготавливают со структурой армирования 3D, 4D или 4D-л.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для изготовления армирующего каркаса со структурой армирования 3D используют стержни с прямоугольным сечением, для 4D - с сечением в виде шестигранника, для 4D-л - с сечением в виде шестигранника для стержней, устанавливаемых в осевом направлении и с прямоугольным сечением для стержней, устанавливаемых в трансверсальном направлении.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каркас размещают в форме, заполненной ПЭЭК.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что матрицу формируют из ПЭЭК, содержащегося в стержнях.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиации и касается разработки и производства элементов газотурбинного двигателя самолета. При изготовлении секций несущей решетки реверсера тяги самолета из полимерных композиционных материалов в продольные и поперечные канавки оправки непрерывным жгутом из однонаправленных углеродных нитей, пропитанных полимерным связующим, наматывают перекрещивающиеся продольные и поперечные слои ребер и лопаток секции решетки.

Изобретение относится к области машиностроения и касается способа изготовления панели с ребрами жесткости из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Формируют частично отвержденную панель из ПКМ и формируют по меньшей мере две заготовки в форме L-образного профиля посредством выкладки на поверхность формы слоя жертвенной ткани, а затем нескольких слоев углеродного материала.

Группа изобретений относится к устройству (1) и способу для изготовления заготовок (101) концевых частей для роторных лопастей ветроэнергетических установок (варианты) и ветроэнергетической установке.

Способ формования деталей из полимерных композиционных материалов с использованием двойного вакуумного пакета по изобретению относится к категории процессов трансферного формования (RTM), в частности к процессам пропитки жидким связующим с помощью вакуума (VaRTM).

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии изготовления подвижных соединений в пресс-форме, и может быть ис- пользовано при изготовлении армированных амортизаторов и резинометал- лических элементов.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии изготовления армированных резинотехнических изделий путем вулканизации в пресс-форме, и применяется для изготовления эластичных опорных шарниров (ЭОШ) сопловых блоков ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ).

Изобретение относится к устройству уплотнения и к способу изготовления композитной лопатки турбомашины, а также к композитной лопатке турбомашины. Устройство уплотнения содержит пресс-форму, ограничивающую открытое вверх гнездо, предназначенное для размещения в нем предварительно вырезанной тканой заготовки, и подвижное в вертикальном направлении приспособление для уплотнения, образующее вместе с пресс-формой устройство уплотнения указанной заготовки, предварительно помещенной в гнездо.

Изобретение относится к волокнистой структуре, содержащей заготовочный участок, выполненный в виде единой детали посредством трехмерного тканья между первым множеством слоев нитей и вторым множеством слоев нитей, при этом заготовочный участок соответствует всей или части заготовки волокнистого усиления для детали из композиционного материала.

Изобретение относится к волокнистой заготовке для полой лопатки газотурбинного двигателя, к такой полой лопатке и способу изготовления такой полой лопатки. Изобретение также относится к газотурбинному двигателю и летательному аппарату, содержащим такую полую лопатку.

Изобретение относится к способу изготовления изогнутой сотовой структуры (10). Способ включает в себя выполнение следующих операций:- создание растягиваемой волоконной структуры (100) путем многослойной прошивки множества слоев нитей основы и множества слоев нитей утка; создаваемая волоконная структура содержит несоединенные зоны, проходящие по всей глубине волоконной структуры, разделенные друг от друга соединяющими зонами, которые соединяют множество слоев нитей утка.

Изобретение относится к области шумозащитных панелей и касается способа изготовления керамической шумозащитной панели изогнутой формы. Способ включает следующие операции: пропитку волоконной структуры, определяющей сотовую структуру, смолой-прекурсором керамики; полимеризацию смолы-прекурсора керамики при удержании волоконной структуры на устройстве, форма которого соответствует изогнутой форме окончательно получаемой сотовой структуры; прикрепление к сотовой структуре первой и второй обшивок; каждая из обшивок представляет собой волоконную структуру, пропитанную смолой-прекурсором керамики, и обе обшивки прикрепляются к указанной сотовой структуре до или после полимеризации смолы указанных обшивок; пиролизацию собранного узла, включающего в себя сотовую структуру с первой и второй обшивками; и уплотнение указанного узла посредством химической инфильтрации в паровой фазе.

Изобретение относится к способу изготовления выполненного из композита хвостовика лопатки турбомашины. Техническим результатом является исключение дополнительных вставок и напряжений, возникающих вокруг них, а также повышение прочности хвостовика лопатки.

Изобретение относится к способу изготовления композитных лопаток со встроенными полками. В способе за счет многослойного тканья формируют волоконную заготовку, продольное направление которой соответствует продольному направлению изготавливаемой композитной лопатки.

Изобретение относится к способу изготовления сектора из композитного материала, турбине, содержащей секторы сопла, изготовленные таким способом, компрессору для турбинного двигателя, диффузор которого содержит секторы, изготовленные таким способом, и турбинному двигателю.

Изобретение представляет собой картридж (2; 2'; 2ʺ) для стереолитографической машины (1). Картридж содержит: контейнер (3), снабженный отверстием (4); резервуар (5) для содержания в нем основного материала (6), способного к отверждению под воздействием определенного излучения (7).

Изобретение относится к волоконной структуре для упрочнения детали из композиционного материала, детали из композиционного материала, турбореактивному двигателю, летательному аппарату, способу изготовления детали из композиционного материала.

Изобретение относится к однонаправленному армирующему наполнителю и способу получения однонаправленного армирующего наполнителя. Однонаправленный армирующий наполнитель содержит размещенные поперечно обособленные элементы для облегчения распределения смолы, которые проходят вперед и назад между продольными краями листов и перемещаются между группами ровингов и между верхней и нижней поверхностями единого полотна.

Изобретение относится к устройству уплотнения и к способу изготовления композитной лопатки турбомашины, а также к композитной лопатке турбомашины. Устройство уплотнения содержит пресс-форму, ограничивающую открытое вверх гнездо, предназначенное для размещения в нем предварительно вырезанной тканой заготовки, и подвижное в вертикальном направлении приспособление для уплотнения, образующее вместе с пресс-формой устройство уплотнения указанной заготовки, предварительно помещенной в гнездо.

Группа изобретений относится к способу изготовления композиционного материала, устройству для его изготовления, заготовке и композиционному материалу, допускающему формование высококачественного композиционного материала, имеющего ограничения в форме для улучшения формуемости при подавлении отклонения расположения армированного волокна во время предварительной формовки.

Изобретение относится к изготовлению композитных конструкций и касается радиусных заполнителей для композитных конструкций, которые включают в себя радиусные заполнители, системы и способы их формирования.

Изобретение относится к способу изготовления объемно армированного композиционного материала. Техническим результатом является улучшение биосовместимости, сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С, снижение длительности и энергоемкости изготовления изделий. Технический результат достигается способом изготовления объемно армированного композиционного материала, который включает изготовление многомерного армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением связующим. При этом стержни изготавливают из углеродного волокна пропитанного полиэфирэфиркетоном. В качестве связующего применяется полиэфирэфиркетон. Собранный каркас помещают в форму, а пропитка осуществляется полиэфирэфиркетоном в следующей последовательности: разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления. 4 з.п. ф-лы.

Наверх