Способ изготовления элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов

 

(72) Авторы изобретения.Г. И. Страхов и Б. Я. Колесников

f

1 "»

Московский институт инженеров гражданской авиации (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

ИЗ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов летательных аппаратов, судов, автомобилей, а также в строительстве.

По основному авт. св. и Ь89080 известен способ изготовления элементов конструкций из ориентированных волок1О нистых композиционных материалов, включающий пропитку армирукщих волокон термореактивными смолами (получение препрегов) с последующим отверждением последних. Причем после операции от15 верждения композиционный материал подвергают растяжению с усилиями в диапазоне, ограниченном величинами эксплуатационных нагрузок, действующих на элемент конструкции, и несущей способностью композиционного материала (1 ).

Уровень демпфирующей способности элементов конструкций, изготовленных по известному способу, ограничен количеством разорвавшихся при операции растяжения волокон в результате так называемого прогрессирующего разрушения. Это количество соответствует количеству. дефектов, получающихся при производстве волокон и случайным образом распределенных по их длине. Данное обстоятельство не позволяет получить заданную демпфирующую способ; ность, а также ее потребные переменные значения в пределах собственного объема изготавливаемого элемента конструкции.

Цель изобретения — повышение демпфирующей способности элементов конструкции и получение различных ее уровней в заданных областях изделия.

Поставленная цель достигается введением в способ элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов, включающий пропитку армирующего волокна термореактивными смолами, отверждение компози87646 ционного материала и растяжение его с усилиями в диапазоне, ограниченном величинами эксплуатационных нагрузок, действующих на элемент конструкции, и несущей способностью композиционного материала, дополнительной операции, заключакщейся в том, что перед опера-. цией отверждения связующего в препрегах создают концентраторы напряжений с величиной шага расположения концентраторов вдоль направления волокон, ограниченной размерами диаметра армирующих волокон и длиной элемента конструкции. При этом концентраторы напряжений создают в виде проколов монослоев препрегов с разрушением армирующих волокон с длиной линии прокола, ограниченной габаритами монослоя или в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещин на ар-. мирующих волокнах.

Выполнение такой операции с учетом последующего растяжения отвержденного композиционногО материала позволяет получить столько очагов рассеяния энергии в виде концов разорвавшихся. в местах дефектов волокон, сколько предусмотрено программой. Задавая определенные законы изменения шага де30 фектов по длине волокон с учетом их месторасположения в поперечном сечении элемента конструкции, можно получать различные запланированные уровни демпфирующей способности как для детали в целом, так и для различных ее областей.

Технология способа состоит в следующем.

Получают препрег путем намотки на барабан в один слой предварительно пропитанных смолой двух стеклонитей с последующей частичной полс шкой в течение 10 мин при 100ОС и разрезкой вдоль образующей барабана. Затем на монтажный столик, выстланный одним 4 слоем пЛотной бумаги, помещают монослой однонаправленного препрега с размерами 250х50 (направление волокон вдоль большего размера) . Монослой покрывают трафаретом из плотной бумаги 0 с разметкой линий прокалывания, которые ориентируют перпендикулярно направлению волокон в препреге. Расстояния между линиями проколов вдоль направления волокон представляют собой шаги проколов и соответственно длины получающихся в результате прокалывания дискретных пучков волокон. Длина ли9 4 ний проколов и расстояние между их рядами, расположенными вдоль направления волокон, составляет в дайном случае соответственно -0,85 мм и 0,15 мм.

Режущая часть прокаяывающего инструмента представляет собой заостренную стальную пластину с длиной линии заострения, равной длине линии прокалывания.

Прокалывание препрега насквозь осуществляют путем легкого нажима рукой.

Сквозное нрокалывание гарантировалось наличием отпечатка линии заострениярежущего инструмента на листе бумаги, находящимся под монослоем препрега.

17 монослоев препрега, прошедшие такую операцию, формируют в пакет со сдвигом проколов в каждом монослое относительно друг друга с целью наименьшего ослабления поперечного сечения и помещают в пресс-форму. Формирование осуществляют при давлении 10 кг/

/см и температуре 160 С в течение 8 ч, Из этой заготовки вырезают два образ— ца с размерами в плане 245 х 20 (длинная сторона — вдоль направления волокон) °

По указанной технологии изготавливают две группы образцов(1) на основе .эпоксициануратного связующего (ЭЦТ-1) и высокомодульных полимерных волокон (ВМП) диаметром 10 мкм и. 2) на основе эпоксифенольного связующего 5-2Т1-Б и высокомодульных стеклянных волокон (ВМС) диаметром 20 мкм. Первая группа содержит четыре типа образцов с посто- янным шагом проколов в каждом типе равном соответственно 2, 5, 10 и 25 мм, один тип с переменной длиной волокон, изменяющейся от 2 до 8 мм, а также образец без проколов. Вторая группа содержит образец с постоянной длиной волокон, равной 10 мм,и образец без проколов

Демпфирующие свойства оценивают величинами логарифмических декрементов

1свободных затухающих колебаний образцов в условиях чистого изгиба.

Предварительное растяжение осуществляется на испытательной машине с усилием до 50Х от разрушающей нагрузки для каждого образца. Для образца с длиной волокна равной 2 мм декремент определяется также после повторного предварительного растяжения с усилием до 807. от несущей способности.

Результаты испытаний представлены в табл. 1.

876469

Таблица 1.Длина волок

Логарифмический де-. кремент по предлагаемому способу, Х

Увеличение демпфирующей способности по на, мм

Образцы Тип образца предлагаемому способу в сравнении с известным способом 7о

1 1-я группа 25 1, 2

47 2

143,6

10 1,62

5 2,68

2-8 2,42

120

2 3,6/6,25 227,3/468,2

6 2-я группа 10 1,54 40 частях;

Приведенные в таблице декременты

/ соответствуют относительной деформации в крайних точках сечения образцов равной 16 ° 10 эа исключением декремента для образца с длиной волокна равной 2 мм после повторного предварительного растяжения, для которого приведенный в знаменателе декремент соответствует относительной деформа- 35 ции равной 8 ° 10 4

Экспериментальные данные. показывают, что предлагаемый способ позволяет повысить демпфирующую способность изделий при предварительном рас- 4р тяжении, не превышающем 50Х несущей способности материала, тогда как по известному способу увеличение демпфирующей способности происходит при предварительном нагружении вьппе 507 45 разрушающей нагрузки вследствие того, что только начиная с нагрузки, равной примерно .половине несущей способности материала образуются случайные разрывы отдельных волокон, имеющих 5О статистическую природу прочности. Это имеет важное практическое значение, особенно в том случае, когда материал подвергается предварительному растяжению непосредственно в изготовленной конструкций, высокое предварительное нагружение которой может вызвать пластические деформации в металлических

Концентраторы напряжений в препрегах создаются в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещин на армирующих волокнах.

В этом случае обеспечивается более высокая прочность материала, чем при создании концентраторов напряжений в виде проколов монослоя препрега, так как здесь волокна располагаются не случайными дискретными пучками, а каждое волокно может быть расположено в материале случайно. Так, например,при длине волокна равной десяти критическим длинам (что для стекловолокна диаметром 10 — 20 мк составляет 4-6 мм), прочность композиционного материала составляет 90-952 от прочности матери-, ала с непрерывным волокном.

Создание концентраторов напряжений в препреге в этом случае производят, в частности следующим образом.

Приготавливают однослойный препрег намоткой предварительно пропитанных смолой моноволокон на барабан и после- дующим разрезанием препрега вдоль образующей барабана. Перед операцией отверждения каждый слой препрега прокатывают между тремя цилиндрическими роликами с длинами, равными ширине препрега. В результате прокатки на волокнах образуются поперечные микротрещины, локальные утонения или риски.

Диаметр роликов и величину шага рас7 87646 положения концентраторов напряжений выбирают для каждого конкретного изделия в зависимости от диаметра волокон, толщины препрега, жесткости и прочности волокон и требуемых демпфирующей способности прочности и жесткости композиционного материала.

Сравнительные расчетные данные по свойствам трех типов композиционных материалов АГ-4С (ориентированный стеклопластик), КМУ-1 (ориентирован—

Предлагаемый

Основной

Показатели

АГ-4-С КМУ-1 КМБ-1

-4-С КМУ-1 КМБ — 1

Предел прочности при растяжении, кгс/мм

49,5 73,8 119

74 )20 49 2 73 5 118

Модуль упругости, кгс/мм

3775 14480 17380

3900 16000 18900 3594 )2630 )6)00

Логарифмический де- 4,5 13 5,3 кремент,X 1,1 3 1,28 10,6 28,5 12,3

Формула из обретения

1 ° Способ изготовления элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов по

45 авт.св ° N - 689080,,о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения демпфирующей способности элементов конструкций и получения различных ее уровней в заданных областях изделия, пе50 ред отверждением связующего в препреre создают концентраторы напряжений с шагом расположения концентраторов вдоль направления волокон, ограниченным диаметром армирующих волокон и их длиной.

2 ° Способ по п. l, о т л и ч а юшийся тем, что концентраторы напряжений создают в виде проколов монослоя препрега с разрушением арИз табл. 2 видно, что демпфирующая способность материала, изготовленного по предлагаемому способу, в 4-10 раз выше, чем у материала изготовленного по основному способу.

Использование предлагаемого способа изготовления элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов обеспечивает по сравнению с основным способом следующие преимущества: значительное повышение демпфирую- щей способности элементов конструкций, и, следовательно, более эффектив,ное ограничение амплитуд вынужценных колебаний в околорезонансных областях; возможность получения запланированных значений демпфирукщей способности, а также различных ее уровней в заданных областях элементов конструкций, что позволяет оптимально проектировать детали с учетом интенсивности и формы их колебаний.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования современных композиционных материалов.

Так, увеличение демпфирующей способУ ности элементов конструкций в 4-10

9 8 ! ный углепластик) и КМБ-1 (ориентированный боропластик), изготовленных по основному и предлагаемому способам

J приведены в табл. 2.

Образцы по предлагаемому способу изготовления рассмотрены в этих случаях для двух значений равномерных шагов концентраторов напряжений (и соответственно длин волокон, образовавшихся после операции растяжения 25 мм и 10 мм.

Таблица 2 раз снижает практически в такои же степени амплитуды вынужденных колебаний изделий в резонансных областях.

Это позврляет уменьшить уровень напряжений и накапливаемых в процессе эксплуатации повреждений и тем самым продлить ресурс изделий.

9 876 мирукщих волокон с длиной линии.прокола, ограниченной габаритами моноелоя или в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещин на армирующих волокнах.

469 l0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

N- 689080, кл. В 29 С 25/00, 1978 (прототип) .

Составитель А. Рожков.Редактор Ю. Cejega Техред Л.Пекарь Корректор О. Билак

Заказ 9472/20 Тираж 697 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35д Раушская наб. д. 4/ 5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4