Композиционный слоистый материал

 

В. Н. Иалыгин, А. И, Пименов, Н. А. Панфилов, А. P. Романов (72) Авторы (54} КОМПОЗИЦИОННЫЙ СЛОИСТЫЙ ИАТЕРИАЛ

Изобретение относится к конструированию и технологии изготовления изделий иэ композиционных материалов методами намотки, прессования и т.д. и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, использующих для изготовления деталей армированные полимерные материалы.

Известны композиционные слоистые материалы на основе волокон. К ним относятся стеклотекстолиты, угле" ма и боропластики и другие композиты.

В силу специфических особенностей технологии переработки все они имеют явно выраженный слоистый характер и, как следствие, весьма низкие прочностные показатели по межслое вому сдвигу и разрывному усилию в направлении поперек слоев. Это в большом ряде случаев ограничивает возможности их применения в конст" рукциях ответственного назначения.

Известны примеры повышения прочности слоистых композиционных мате" риалов путем их армирования в трансверсальном по отношению í основным слоям направлении. Например, лента иэ угольного волокна с продольным и поперечным армированием дополнительно прошивается по толщине нитями трансверсального армированилЯ .

Однако данное решение не может повысить прочность материала в толстой обшивке, составленной иэ нескольких слоев таких лент, так как связь между слоями по-прежнему остается недостаточной.

Путем использования объемного армирования стекложгутов, из которых. формируются изделия, возможно повысить связь между слоями. Волокна в жгуте заключены в наружную рубашку диагоналЪной структуры армирования так, что между волокнами расположены ультратонкие волокна в радиальном направлении, частично выступающие эа рубашку 2, При формовании млте93172 риала изделия выступающие ;;з жгутов ультратонкие волокна армируют связующее, расположенное между жгутами, и тем самым обеспечивают повышение прочности компоэита при межслоевом 5 сдвиге и отрыве.

Однако такое решение не во всех случаях является рациональным.

Нельзя производить местное усиление материала обшивки, так как жгут имеет большую длину и в представленном виде перерабатывается методами протяжки и намотки, которые дают одинаковую структуру по всему материалу, а также армирование обшивки с переменным содержанием волокон в трансверсальном направлении. Кроме того, слои в"материале получаются относительно толстыми, поскольку оплетенный жгут не может расплющиваться в тонкую ленту.

Наиболее близким к предлагаемому является композиционный слоистый материал, состоящий из полимерного связующего эпоксидного класса, армированного ocHQBHblHH слоями из стеклянных или угольных волокон и стальными короткими волокнами диаметром 0,15-0,25 мм, длиной отрезков 2,0-4,0 мм, трансверсально ориентированными относительно слоев основных волокон

Однако известный композиционный слоистый материал обладает недостаточными физико-механическими свойствами, так как не полностью реализу35 ются потенциально возможные свойства трансверсального армирования. Коротковолнистая арматура в виде отрезков проволоки практически не взаимодействуют механически с основным стекловолокном, а воспринимает эксплуатационные нагрузки через связующее.

Цель изобретения — повышение физико-механических характеристик ком45 позиционного слоистого материала.

Указанная цель достигается тем, что композиционный слоистый материал состоящий,из полимерного связующего эпоксидного класса, армированного ос-5.

50 новными слоями из стеклянных или угольных волокон и стальными короткими волокнами, трансверсально ориентированными относительно слоев основных волокон, содержит короткие >- волокна длиной 3-10 мм с загнутыми концами длиной 0,5-2 мм, один из которых образует с центральной частью

9 ф отрезка острый угол, равный 10 5, а другой перпендикулярен центральной части отрезка и основным волокнам.

На чертеже схематично изображен предлагаемый композиционный слоистый материал.

Композиционный слоистый материал состоит из полимерного связующего 1, армированного основными волокнами 2.

Основные волокна расположены послойно. В структуру материала введены короткие волокна 3, трансверсально ориентированные относительно слоев основных волокон. Короткие волокна выполнены в виде отрезков иэ стальной проволоки длиной 3-10 мм с эагнутыми концами длиной 0,5-2 мм. Один иэ концов, образующий с центральной частью отрезка острый уголо =515, находится в зацеплении с осново ными волокнами, а другой конец, перпендикулярный к центральной части отрезка, находится в плоскости слоя основных волокон и перекрывает основные волокна под прямым углом.

Формование материала выполняют любым из известных способов: намоткой, прессованием или контактным формованием. На поверхность технологической оснастки наносят несколько слоев основных волокон до получения толцины формуемого материала, равной длине короткого волокна. 3атем в структуру материала внедряются короткие волокна острыми концами.

Причем загнутый под углом 90 конец

0 короткого волокна ориентируют под углом 90 к основным волокнам наружного слоя. Внедрение коротких волокон продолжается по мере нанесения последующих слоев основных волокон.

Сформированный материал отверждают по режиму, принятому для связующего, Пример. Проводят исследования композиционного слоистого материала на связующих эпоксидного класса ЭДТ-10, ЭФБ-3 и ЛМИ-6. В качестве основного армирующего наполнителя используют стеклонить ВИС-8, стеклоткань Т-10, угольную ровницу

ВМН-3 и ткань ТИП-3. Короткие волокна из стальной проволоки Ст 75.

Геометрические параметры коротковолнистой арматуры варьируют по длине от 3 до 13 мм, величина загнутых концов 0,5-3 мм, угол между центральной частью отрезка и загнутым концом 10 5 и 20+5

30 9317

Изготовляют с одновременным трансверсальным армированием оболочки внутренним диаметром 1Я мм, толщиной стенки 15 мм и плиты толщиной

60 мм. 5

В качестве полимерного связующего применяются связующие эпоксидного класса следующих составов, вес.ч.:

ЭДТ-10 -ЭД-20 100

ТЭГ-1 10 1О

ТЭАТ 10

ЭФБ-3 -ЭД-20 70

Бакелитовый лак по сухому остатку

Бф-4 по су- 15 хому остатку 3

ЛИИ-6 -ЭД-20 100

ТЭАТ 12

ТИОКОЛ 23

Оболочки и плиты типа 1 содержат 2в основной армирующий наполнитель на основе стеклянных волокон, Оболочки изготавливают методом намотки пропитанной эпоксидным связующим стеклоленты из стекла ВИС-8, 25 :а плиты - методом прессования из ткани

Т-10, пропитанной теми же связующими.

Оболочки и плиты типа 1 груплы А армированы трансверсальной коротково-локнистой арматурой из Ст.75 диамет- эв ром 0,25 мм и длиной 4 мм {в соответствии с прототипом).

Оболочки и плиты типа I группы Б армированы трансверсальной коротковолокнистой арматурой из Ст 75 диаметром 0,25 мм, длина центрального отрезка 4 мм, длина конца под углом

10 5 0,5 мм,длина конца, перпендй+ О кулярного центральной части отрезка, 1 мм.

Оболочки и плиты типа f! содержат основной армирующий наполнитель на основе угольных волокон.

Оболочки изготавливают методом

l ,намотки, пропитанной эпоксидным свя45 ,зующим угольной ровницы ВИН-3, а плиты - методом прессования из ткани ТИП-3, пропитанной теми же связующими.

Оболочки и плиты типа !! армиро56 ваны,трансверсальной коротковолокнистой арматурой, как оболочки и плиты типа !. Группа А армирована в

29

6 соответствии с прототипом, группа Бв соответствии с предлагаемым материалом.

Все параметры для оболочек и плит (геометрия, процентное содержание компонентов, натяжение арматуры, давление прессования, режимы термообработки) выдерживают постоянными.

Для всех видов образцов процентное содержание коротких волокон выдерживают в пределах 3,5-4,0ь по объему.

Результату испытаний образцов приведены в табл.1 и 2.

Из табл. 1 и 2 следует, что введение в структуру композиционного слоистого материала коротких воло-. кон, имеющих форму отрезков длиной

3-10 мм с загнутыми концами длиной

0,5-2 мм, один из которых образует с центральной частью отрезка острый угол, равный 10 5, а другой перпендикулярен центральной части отрезка и основным волокнам, позволяет существенно повысить в сравнении с введением прямых коротких волокон физико-механические характеристики материала. Прочность на межслоевой сдвиг повышается в 1,2 раза, прочность при растяжении перпендикулярно слоям основной арматуры - в 1,5 раза, несущая способность оболочек из предлагаемого материала - в 1,3 раза.

Положительный эффект для предлагаемого композиционного материала присутствует при использовании различных видов связующих эпоксидного класса и основных армирующих наполнителей на основе стеклянных и угольных волокон.

Увеличение длины центральной части отрезка коротковолокнистой арматуры свыше 10 мм, а длин загнутых концов выше 2 мм не приводит к no"" вышению физико-механических характеристик материала.

При введении коротковолокнистого наполнителя с углом загиба короткого конца к центральной части отрезка более 15 наблюдается нарушение целостности волокон основного армирующего наполнителя.

931729

И1

OQ О

1 !

1 I

I

I

t

I

I

I

CI л о. О л о л О л

М\

М7 л м

t

)Ф . Э

К Э а Э о 8 о

l3"

3!3 о

lй

3!Ъ 1 л

Э и

G.

Э а

C IO

О О с

>Х

Ф 3

X Z л

Э

l»

Ф о с" л .0

Х Ю

У С=

1 1- I

I Y 1

I Э I

1 Зов 1

1 С9 I

1 I l

З с с

C). 1

I 1 63

33)

О

=й

63 1

It) I

C1 I

)О I

О 1

С 1 «

Л»

I»

1

1.

3 ) с

C). 1

3 1

1 CCI

Ю I

О !

Г 3

38 1 3

3 I

Rt l

l» 1

I I

l 1 а м м

- Ж л л иъ о л, м л

-3 ° М л, о tn o

Ln О\ 3М

КЪ Ln IA

О О л л о о (М «) ъо о о л л в о сО CF3

3!\ -Ф м О

)О й

1

I

1

1

1 !

1

I

l

I

1

I

I

I

I

1 !

I !

1

I

I

1

1

1

I !

I !

I

I

t

1

t

I

I

1

1

1

I ,l I

1

I

I м «ч л

-ф ъО О О

Л )Ч л

СО О а

LA - Ф о о м О м м

СО Ln л л

СЧ -4

CV 4К м О

1 I

LC) X

1

I

t

1 ! !

1

I

1

1

1

1

1

1

l

I

I

1

I

1

I

1

1

I ! !

1

I

I

I

I

1 !

l

I

I

1

1

l

I

I

I

I

I

СО л

СО СМ О О л о л

О

LA LA

Ь О л

° CV а а о о л

«4 ъО

° 4 о

t I

3- Lci

Ю

С9 0Ъ

О Х с а

o ct

a o .Э s

z>z о

О с=

Э III

OO

ЕГ1

3 О

СО л

-4

LA

О

CO л

Ln о

СО . 3 о

В

931729

1 ю

+( о !

OO О м со

М\ м

D О м

I.е

I ич

+( о

CV

m

C)I

Э

3Ч О м о О м о л

ЧР м

1» о

)ее I

° I

1

I

3Л

+1 о е )»

U

CQ т

)т о

Z т

Э

Щ

Z а

СЧ л

О м

-4 л О м

1 LA

3

О

I СЧ о

LA м

LA л

LA м

LA м

I

I LA

Ф( о ! °

1 со

Ф б О л

D л со л

LA м

D О м е

I 331

+1 о

OO л

LA м х

il

3т

4 т т л

m о

:У

Z о х

D л

LA л

C) о л

СЧ

C) I

LA л о

О л

-а.

I о м

Д л

Э m а з

e a.

c to о

)X еее ъ

Z Z л с

Ф

3о л о Э

1- т о о е

Z X

x u о а 333

С: Z

Л

3v о

У о

М

О ул

IQ

Ю е(е я

1 I

I 1

I I

Е I

I I ! 1

t м 1

1 1 I

I СЧ 1

I 1

1 1

I 1

1 1

1 1

I 1 ее

1 1

I 1

1 1

1 1

I I о

1 л- I

1 1 1

1 О\ 1 ! 1

I 1

I I

I 1 е е

I I

I 1

I 1

1 1 (ее

l I

1 1

1 I

1 1 ! )О 1

1 1

3 — — 1

I 1

1 I

3 1 е е

1 - 1 ! 1

3 М 1 ет

Щ а ! о еее

)X о

Z !

Ig а

1Z

Э х

tg

=У т ,о

Y о

L о

Y (о а о х

Щ

lO

l

m о !

-3 -б" CI

m о л со m л

D 3Ч D л о — oo оъ оо Ф л л л о о о л л

-з. о

ОЪ Ф D

Л I . OO о л л л со з. а О V2 О л

О О л л о л л о о сЧ ! I о о м о ао л

LA LA LA о сп .:е.

«Ч

3Л LA В

О сО о л л л

CV»- СЧ4

3 о со л л о,о

LA LA LA оо -т о о

3Л Н LA л

3Л

D D О

° — СЧ

1 3 1

LA О D л л м

1 L

o OX с m ю

uuczo ох о!=

Z Э

E )X

О О е аe mc= с= т gz

1

I

1

1

1

1

1

I

1

I

1

1

1

I !

I

1

1

I

1

1

Г

I

I

3

1

1

1

1

1 !

1

I

I е

I

I

1

l

3

I !

I

931729

Формула изобретени

Составитель В. Чистякова

Техред M. Tenep Корректор Л. Бокшан

Редактор А. Лежнина

Заказ 3660/31 Тираж 512 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, ><-35, Раушская. наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная„ 4

Композиционный слоистый материал, состоящий из полимерного связующего эпоксидного класса, армированного основными слоями из стеклянных или угольных волокон и стальными короткими волокнами, трансверсально ориентированными относительно слоев основных волокон, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения физико-механических характеристик композиционного материала, он содержит короткие волокна длиной

3-10 мм с загнутыми концами длиной

0,5-2 мм, один из которых образует с центральной частью отрезка острый угол., равный 10 5", а другой перпендикулярен центральной части отрезка и основным волокнам.

5 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции 2196966, кл. В 32 В 5/08, опублик. 1978

2, Авторское свидетельство СССР

1о и 453366, кл. С 03 В 37/00, 1974.

С1алыгин В. Н. и др. Способ повышения прочности армированных полимеров при межслоевом сдвиге и транс-. версальном отрыве. — Сб. Полимерные материалы в машиностроении. Пермь, 1977 с. 134-180 (прототип).