/
Author: Любин Дж.
Tags: общее машиностроение технология машиностроения машиноведение инженерия машиностроение автоматика композиционные материалы издательство машиностроение
ISBN: 5-217-00000-0
Year: 1988
Text
HANDBOOK OF COMPOSITE
Edited by
George Lubin
CONSULTANT
Formerly—Chief Scientist
Grumman Aerospace Corporation
Sponsored by the Society of Plastics Engineers
ft? i:<
VAN NOSTRAND REINHOLD COMPANY
NEW YORK CINCINNATI TORONTO LONDON MELBOURNE
СПРАВОЧНИК
по
композиционным
материалам
В ДВУХ КНИГАХ
КНИГА ВТОРАЯ
Под редакцией Дж. ЛЮБИНА
Перевод с английского
канд. техн, наук А.Б. Геллера,
канд. хим. наук Г.Э. Кесслера,
канд. техн, наук А.М. Кнебельмана
Под редакцией
д-ра техн, наук Б.Э. Геллера
МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1988
/ВБК 34.43
С74
УДК 621.002.3 (035)
и|/3
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ГСРЭДСКА1'
ВУЕЛИЧИ.л ЫЬ .ЛЕК1
JUk и, А. Некрасов* ,
Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн.
С74 Кн. 2/Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А. Б. Геллера
и др.; Под ред. Б. Э. Геллера.—М.: Машиностроение,
1988. — 584 с.: ил.
ISBN 5-217-00000-0
Во второй книге описаны различные технологии получения изделий
из композиционных материалов с применением ручных, механизированных
и автоматизированных процессов. Изложены принципы инженерных рас-
четов свойств, а также контроля производства и качества готовых кон-
струкций (в том числе и неразрушающих методов). Содержатся сведения
о состоянии и перспективах применения композиционных материалов
в наземном и морском транспорте, а также в аэрокосмической технике.
Книга завершается приложениями с табличным материалом.
Для конструкторов, технологов и исследователей, а также студентов
и аспирантов вузов.
2702000000—210
С 638 (01)—88
210—88
ББК 34.43
ISBN 5-217-00000-0 (Кн. 2) (СССР) © 1982 by Van Nostrand
ISBN 5-217-00224-7 (СССР) Reinhold Company Inc.
ISBN 0-442-24897-0 (США) © Перевод на русский
язык и предисловие ре-
дактора перевода, «Ма-
шиностроение», 1988
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора перевода ..................................... 16
II. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ 18
13. Технология формования ручной укладкой.......................... 18
13.1. Введение .................................................... 18
13.2. Свойства слоистых пластиков................................. 21
13.3. Конструирование изделий ................................... 22
13.3.1. Типичные примеры ................ ................ 23
13.3.1.1. Коробчатые кожухи механизмов . .................... 23
13.3.1.2. Бак высокого давления ............................. 24
13.3.2. Смола (связующее) .................................... .25
13.3.3. Наполненные смолы....................................... 26
13.3.4. Огнестойкость .......................................... 26
13.3.5. Особенности конструирования ............................ 30
13.3.5.1. Детали сложной формы с изменяющейся толщиной . . 30
13.3.5.2. Изменение толщины слоистого пластика............... 30
13.3,5.3. Отверстия ......................................... 31
13.3.5.4. Соединение и склеивание............................ 31
13.3.6. Рекомендации по конструированию......................... 33
13.3.7. Обсуждение конструкций ................................. 33
13.3.8. Упрощенные расчеты конструкций.......................... 34
13.3.8.1. Предел прочности при изгибе........................ 37
13.3.8.2. Изменение толщины при переходе от металла к пласт-
массе ...................................................... 38
13.3.8.3. Расчет резервуара из стеклопластика................ 38
13.3.8.4. Окружные напряжения................................ 38
13.4. Технологическая оснастка ................................... 39
13.4.1. Введение ............................................... 39
13.4.2. Формы одноразового использования ....................... 40
13.4.3. Формование без формы, модели или вставки ............... 40
13.4.4. Модели и вставки........................................ 41
13.4.5. Подготовка и антиадгезионное покрытие .................. 41
13.4.6. Разделяющие панели и разъемные формы.................... 42
13.4.7. Временные и постоянные формы............................ 42
13.4.8. Конструкции форм ....................................... 42
13.4.9. Конструкционные параметры формы :....................... 43
13.4.9.1. Особенности конструирования разъемных форм ... 44
13.5. Методы формования........................................... 44
13.5.1. Введение................................................ 44
13.5.2. Подготовка формы (антиадгезионная обработка) .... 45
13.5.3. Нанесение наружного смоляного слоя ..................... 46
13.5.4. Ручная укладка ......................................... 49
5
13.5.5. Коррозионная стойкость композитов, полученных ручной
укладкой...................................................... 55
13.5.5.1. Стандартный коррозионно-стойкий слоистый пластик 55
13.5.5.2. Контроль коррозионно-стойких структур.......... 56
13.5.6. Нанесение покрытия напылением ......................... 57
13.5.6.1. Методы контроля процесса ..................... 58
13.5.7. Оборудование для напыления ............................ 58
13.5.7.1. Определения....................................... 58
13.5.7.2. Насосы ........................................... 59
13.5.7.3. Напорные баки для катализаторов .................. 60
13.5.7.4. Напорные баки для растворителей................... 60
13.5.7.5. Рубильные машины.................................. 61
13.5.7.6. Редукторы и измерительные приборы ................ 61
13.5.7.7. Стреловой кран и подвижная тележка................ 61
13.5.7.8. Шланги ........................................... 61
13.5.7.9. Распылительные устройства......................... 62
13.5.8. Обрезка, зачистка, сверление и сборка.................. 65
13.5.8.1. Обрезка и зачистка кромок......................... 65
13.5.8.2. Сверление отверстий .............................. 66
13.5.8.3. Соединение деталей................................ 67
13.5.9. Ремонт изделий из композитов........................... 67
13.5.10. Окончательный косметический ремонт и окрашивание ... 70
13.5.11. Заключительные отделочные операции.................... 70
13.6. Поставщики материалов и оборудования ................... 70
13.7. Автоматизированные формы открытого типа................. 72
13.7,1. Жесткие формуемые термопласты (модифицированные акри-
ловые смолы).................................................. 76
13.7.2. Центробежное литье.................................. 78
14. Процессы формования с эластичной диафрагмой..................... 79
14.1. Введение .................................................. 79
14.1.1. Методы формования с эластичной диафрагмой.............. 79
14.1.2. Промышленные материалы для матриц...................... 83
14.1.3. Промышленные армирующие волокна ....................... 85
14.2. Подготовка форм............................................ 85
14.2.1. Антиадгезионные смазки................................. 88
14.3. Внешние слои и разделительные пленки или ткани............. 90
14.4. Процесс формования с эластичной диафрагмой................. 91
14.5. Многократно используемые поверхностные слои с вентиляцион-
ными отверстиями и диафрагмы из силоксанового каучука .... 95
14.6. Составы композиций......................................... 99
14.6.1. Модификаторы композиций смол........................ 101
14.6.2. Композиции смол с растворителем для намотки препрегов 101
14.6.3. Препреги, получаемые намоткой одиночными нитями ... 101
14.7. Промышленные препреги..................................... 102
14.7.1. Стандарты по контролю качества........................ 103
14.7.2. Контроль состава композиций..................... 103
14.7.3. Контроль содержания летучих компонентов .............. 104
14.7.4. Контроль липкости .................................... 104
14.7.5. Контроль текучести ................................... 105
14.7.6. Продолжительность желатинизации ...................... 106
14.8. Технология послойной укладки препрегов.................... 106
14.8.1. Технология послойной укладки нелипких препрегов . . . 106
14.8.2. Процесс без удаления излишка связующего......... 106
14.8.3. Укладка препрегов с термопластичной матрицей .... 107
14.8.4. Технология послойной укладки серийных препрегов . . . 108
14.8.5. Послойная укладка препрегов из тканых полотен .... 109
14.8.6. Послойная укладка препрегов из нетканых материалов
и ровингов.................................................... 110
6
14.8.7. Применение широких и узких препрегов................... Ill
14.8.8. Уплотнение диафрагмы .................................. 112
Список литературы.................................................... 112
15. Формование реактопластов на матрице.............................. 113
15.1. Армированные формовочные композиции ........................ 114
15.1.1. История вопроса .................................. 115
15.1.1.1. Стеклонаполненные композиции для прессования . . . 115
15.1.1.2. Листовые формовочные материалы.................... 117
15.1.2. Свойства .............................................. 118
15.1.2.1. Электротехнические свойства....................... 118
15.1.2.2. Прочность ........................................ 119
15.1.2.3. Теплостойкость и воспламеняемость................. 121
15.1.2.4. Стабильность размеров ............................ 123
15.1.2.5. Коррозионная стойкость ........................... 123
15.1.2.6. Скорость отверждения ............................. 124
15.1.2.7. Усадка ........................................... 124
15.1.2.8. Давление формования .............................. 127
15.1.2.9. Толщина стенок ................................. 127
15.1.2.10. Цена и другие характеристики..................... 128
15.1.3. Применение............................................. 135
15.1.3.1. Автомобильная промышленность...................... 138
15.1.3.2. Электротехника ................................... 139
15.1.3.3. Приборостроение................................... 140
15.1.3.4. Другие области применения .................... 140
15.2. Материалы .................................................. 141
15.2.1. Смолы ................................................. 141
15.2.2. Армирующие материалы................................... 142
15.2.3. Наполнители ........................................... 143
15.2.3.1. Размер частиц .................................... 144
15.2.3.2. Распределение частиц по размерам ................. 145
15.2.3.3. Маслопоглощение................................... 146
15.2.3.4. Тиксотропия....................................... 146
15.2.4. Антиадгезионные вещества............................... 146
15.2.5. Красители ............................................. 146
15.2.6. Отвердители и ингибиторы............................... 147
15.2.7. Загустители............................................ 148
15.2.8. Добавки для снижения усадки............................ 149
15.2.9. Вещества, увеличивающие ударную прочность.............. 150
15.3. Составление рецептуры....................................... 150
15.3.1. Ингредиенты ........................................... 152
15.3.1.1. Смолы............................................. 152
15.3.1.2. Наполнители....................................... 152
15.3.1.3. Армирующие материалы ............................. 153
15.3.1.4. Пигменты ......................................... 153
15.3.1.5. Внутренняя антиадгезионная смазка ................ 153
15.3.1.6. Отвердители ...................................... 153
15.3.1.7. Загустители ...................................... 156
15.3.1.8. Добавки, снижающие объемную усадку................ 156
15.4. Приготовление композиций ................................... 156
15.4.1. Получение В КМ периодическим процессом ............... 157
15.4.1.1. Смесители......................................... 157
15.4.1.2. Смешение компонентов.............................. 158
15.4.1.3. Экструзия ........................................ 159
15.4.1.4. Прочие соображения ............................... 159
15.4.1.5. Подготовка к формованию .......................... 159
15.4.2. Получение стеклонаполненных композиций непрерывным
смешением .................................................... 159
7
15.4.3. Периодический процесс получения пастообразной смеси
смолы с добавками для производства ЛФМ ......
15.4.4. Периодическо-непрерывный процесс получения пастообраз-
ной смеси смолы с добавками для производства ЛФМ . .
15.4.5. Непрерывный процесс получения пастообразной смеси
смолы с добавками для производства ЛФМ......................
15.4.6. Вторая стадия Получения ЛФМ — соединение пастообраз-
ной композиции с волокном............................... .
15.4.6.1. Машины для получения ЛФМ и принцип их действия
15.4.6.2. Созревание композиции..........................
15.4.6.3. Прочие соображения ............................
15.4.6.4. Дополнительные устройства......................
15.5. Формование...............................................
15.6. Конструкция формы........................................
15.6.1. Выбор материала для формы...........................
15.6.2. Отделка формы.......................................
15.6.3. Конструкция формы...................................
15.6.4. Уплотнения форм.....................................
15.6.5. Формы из цветных металлов...........................
15.6.6. Извлечение и выталкивание деталей нз формы..........
15.7. Литьевые прессы .........................................
15.7.1. Мощность пресса.....................................
15.7.2. Усилие размыкания формы или мощность обратного хода
пресса .....................................................
15.7.3. Ход и расстояние между плитами пресса...............
15.7.4. Пространство, занимаемое формой ....................
15.7.5. Рабочие скорости пресса ............................
15.7.6. Смыкание формы . ...................................
15.7.7. Размыкание формы ...................................
15.7.8. Управление прессом..................................
15.7.9. Прессы с подвижной нижней или верхней плитой . . . .
15.8. Конструкция изделий .....................................
15.9. Формование матов и заготовок.............................
15.9.1. Свойства............................................
15.9.2. Области применения .................................
15.9.3. Процесс получения заготовок.........................
15.9.4. Сетки для заготовок ................................
15.9.5. Связующие для заготовок.............................
15.9.6. Формование .........................................
15.9.7. Композиция .........................................
15.9.8. Конструкция формы...................................
15.9.9. Прессы .............................................
15.9.10. Конструкция........................................
15.10. Холодное прессование....................................
15.11. Литье смолы под давлением...............................
15.12. Формование «вспененной емкостью» .......................
Список литературы.................................................
160
161
161
162
162
165
165
166
166
175
176
176
177
178
179
180
180
180
181
181
181
181
181
182
182
183
185
185
186
188
189
189
191
192
193
193
194
195
196
197
16. Намотка волокном .............................................. 198
16.1. Введение ...................................................... 198
16.2. Основные сырьевые материалы................................... 199
16.2.1. Армирующие материалы...................................... 199
16.2.1.1. Прочность стекловолокна.............................. 201
16.2.1.2. Структура ровинга.................................... 203
16.2.2. Смолы .................................................... 204
16.2.2.1. Эпоксидные смолы..................................... 204
'Лб.З. Процесс намотки .............................................. 212
V 16.3.1. Методы и схемы намотки .................................. 212
v 16.3.2. Станки для намотки....................................... 214
8
16.3.3 . Оправки ............................................. 216
16.3.4 . Торцовые крышки...................................... 218
16.3.4.1 . Геодезический изотензоид........................ 218
16.3.4.2 . Плоская или уравновешенная в плоскости конфигура-
ция ....................................................... 219
16.3.5 . Подача материала и контроль процесса................. 221
16.4 . Механические свойства................................... 226
16.4.1 . Общие сведения..................................... 226
16.4.2 . Аналитические методы................................. 227
16.4.3 . Аналитические решения................................ 229
16.4.4 . Результаты экспериментальной проверки................ 231
16.4.5 . Методы испытаний .................................... 236
16.5 . Заключение ............................................. 237
Список литературы................................................... 237
17. Непрерывные производственные процессы ......................... 239
17.1. Пултрузия.................................................. 239
17.2. Машины для получения непрерывных труб ..................... 248
17.3. Другие непрерывные системы ................................ 249
Список литературы................................................... 249
18. Получение улучшенных композиционных материалов................. 251
18.1. Введение .................................................. 251
18.1.1. Вакуумное формование с эластичной диафрагмой .... 252
18.1.2. Автоклавное формование . . . ......................... 253
18.1.3. Формование композиционных материалов бор—алюминий,
бор—эпоксидная смола, углеродное волокно—эпоксидная
смола на матрице.............................................. 254
18.1.4. Формование препрегов на основе рубленого волокна на
матрице....................................................... 254
18.1.5. Формование под действием теплового расширения......... 255
18.1.6. Оплетка ............................................. 255
18.1.7. Намотка волокном ..................................... 255
18.1.8. Изготовление многослойных конструкций............... 255
18.1.9. Пултрузия............................................ 256
18.2. Композиты с полимерной матрицей............................ 257
18.2.1. Ручная послойная укладка ............................ 257
18.2.1.1. Подготовка отдельных слоев...................... 258
18.2.1.2. Сборка ламинатов .............................. 258
18.2.1.3. Подготовка к отверждению........................ 259
18.2.2. Полуавтоматическая послойная укладка ................ 262
18.2.3. Автоматическая послойная укладка..................... 263
18.2.3.1. Плоские пакеты листов........................... 266
18.2.3.2. Трехмерные пакеты листов........................ 266
18.2.3.3. формование без приспособлений для удаления избытка
смолы .................................................... 267
18.2.4. Намотка волокном .................................... 26?
18.2.5. Слоевая обертка...................................... 268
18.2.6. Вторичные производственные операции................ 270
18.2.6.1. Клеевые соединения ............................. 270
18.2.6.2. Механические методы скрепления ................. 274
18.2.6.3. Механическая обработка ламинатов иа основе эпок-
сидной смолы ............................................. 274
Список литературы................................................... 279
9
19. Влияние окружающей среды на свойства композиционных материалов 280
19.1. Введение................................................... 280
19.2. Коррозия................................................... 280
19.3. Электромагнитные эффекты .................................. 281
19.4. Усталость ................................................. 282
19.5. Горючесть ................................................. 283
19.6. Ударные воздействия ....................................... 284
19.7. Удар молнии................................................ 284
19.8. Воздействие влаги ........................................ 286
19.9. Воздействие ядериого излучения............................ 290
19.10. Воздействие озона ........................................ 291
19.11. Накопление статического электричества ................... 291
19.12. Воздействие температуры................................... 292
19.13. Дождевая эрозия........................................... 293
19.14. Влияние атмосферных воздействий........................... 293
19.15. Естественная инсоляция.................................... 294
Список литературы................................................... 301
III. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОЗИТОВ................................. 302
20. Анализ и проектирование конструкций на основе современных ком-
позиционных материалов.............................................. 302
20.1. Введение .................................................. 302
20.2. Параметрическое изучение .................................. 304
20.3. Свойства слоистых композиционных материалов................ 309
20.3.1. Прочность слоистых пластиков в плоскости слоев ... 316
20.4. Предел прочности слоистых пластиков при одноосных нагрузках 317
20.4.1. Потеря устойчивости слоистых композитов............... 319
20.4.2. Потеря устойчивости слоев ............................ 320
20.4.3. Коробление поверхности................................ 321
20.4.3.1. Потеря устойчивости ламината .................... 321
20.4.3.2. Отслоение сердцевины и облицовочного слоя .... 321
20.4.3.3. Разрушение сердцевины............................ 321
20.4.3.4. Разрушение сердцевины вследствие сдвиговых напря-
жений ...................................................... 322
20.4.4. Прогиб облицовочных пластин .......................... 322
20.4.5. Общий анализ устойчивости............................. 323
20.4.6. Анализ искривлений пластин из композиционных материа-
лов .......................................................... 323
20.5. Предварительный анализ и коиструироваиие панелей из компо-
зиционных материалов............................................. 327
Список литературы...................................................• 330
21. Сандвичевые конструкции........................................ 331
21.1. Введение .................................................. 331
21.2. Материалы для несущих пластин.............................. 333
21.2.1. Пригодность материалов................................ 333
21.3. Материалы для заполнителей................................. 335
21.3.1. Типы материалов ...................................... 335
21.3.1.1. Дерево........................................... 335
21.3.1.2. Пены ............................................ 336
21.3.2. Сотовые структуры .................................... 339
21.3.2.1. Основные данные по сотовым структурам............ 339
21.3.2.2. Сотовые структуры на основе бумаг............. 355
21.3.2.3. Сотовые заполнители иа основе алюминия.......... 355
21.3.2.4. Стеклопластиковые сотовые структуры............. 356
10
21.3.2.5. Сотовые структуры на основе арамидной бумаги . . . 356
21.4. Адгезионные материалы ..................................... 357
21.4.1. Продукты реакции отверждения ......................... 357
21.4.2. Давление при соединении .............................. 358
21.4.3. Нанесение связующего ................................. 358
21.4.4. Адаптируемость ....................................... 358
21.4.5. Контроль линии соединении ............................ 358
21.4.6. Прочность (жесткость) склейки.................... . 358
21.4.7. Фенольные связующие, модифицированные винильными
соединениями, каучуками или эпоксидными смолами . . 360
21.4.8. Эпоксидные смолы, модифицированные найлоном или дру-
гими полиамидами ............................................. 360
21.4.9. Эпоксидные смолы, модифицированные нитрилами . . . 360
21.4.10. Полиуретаны.......................................... 361
21.4.11. Другие полиимиды, термопласты и специфические адгезивы 361
21.5. Конструирование сандвичевых структур....................... 363
21.6. Структурный анализ для специальных видов материалов . . . 368
21.6.1. Требования к конструкциям...................... 369
21.6.2. Виды разрушения................................ 369
21.6.3. Последовательное проектирование сандвичевых конструк-
ций ....................................................... 372
21.6.4. Простейшие формулы, используемые при расчетах. . . . 373
21.6.5. Анализ плоской прямоугольной сандвичевой балки .... 374
21.6.6. Анализ плоских прямоугольных сандвичевых колонн . . . 375
21.6.7. Требования к конструированию................... 376
21.7. Производство сандвичевых структур ......................... 377
21.7.1. Резка заполнителя .................................... 378
Список литературы................................................... 379
22. Соединение композиционных материалов и их механическая обработка 380
22.1. Введение .................................................. 380
22.2. Механические соединения композиционных материалов .... 380
22.2.1. Общие замечания....................................... 380
22.2.2. Конструирование соединений. Механически соединенные
композиты ................................................... 381
22.2.3. Геометрия соединений.................................. 381
22.2.4. Критерии проектирования............................... 381
22.2.5. Эффективность соединения ............................. 386
22.2.6. Требования к материалам при конструировании соединений 386
22.2.7. Запас прочности ...................................... 387
22.2.8. Анализ соединений .................................... 387
22.2.9. Возможные типы и конструкции соединений для компози-
ционных материалов........................................... 388
22.3. Адгезионное соединение композитов.......................... 391
22.3.1. Общие положения....................................... 391
22.3.2. Конструкция соединений................................ 392
22.3.2.1. Основные положения................................ 392
22.3.3. Геометрия соединений ................................. 392
22.3.4. Линейные дифференциальные напряжении в соединениях
(термические напряжения) ....................... 394
22.3.5. Характеристики ползучести............................. 396
22.3.6. Усталостные свойства.................................. 399
22.3.7. Типы адгезивов ....................................... 401
22.3.8. Характеристики термореактивных адгезивов . . '........ 403
22.3.9. Адгезивы эпоксидного типа ...................... 405
22.3.10. Возможности адгезивов.............................. 405
11
22,4. Механическая обработка композиционных материалов .... 410
22.4.1. Основные положения .................................. 410
22.4.2. Раскрой (резка) неотвержденных препрегов............. 410
22.4.3. Резка струей воды.................................... 410
22.4.4. Лазерная резка ...................................... 411
22.4.5. Возвратно-поступательная механическая резка.......... 411
22.4.6. Вырубка с помощью ножевого штампа.................... 411
22.4.7. Механическая обработка композитов на основе реактопла-
стов ......................................................... 412
22.4.8. Сверление и фрезерование пальцевыми фрезами.......... 412
22.4.9. Нарезание резьбы .................................... 413
22.4.10. Фрезерование ....................................... 413
22.4.11. Токарная обработка ................................. 414
22.4.12. Шлифование ......................................... 414
22.4.13. Резка, вырубка и пробивка отверстий................. 414
22.4.14. Распиливание стеклопластиков ....................... 415
22.4.15. Специальные виды механической обработки............. 415
~ 22.4.16. Отделка и полирование ................................ 415
22.4.17. Механическая обработка термопластов................. 416
22.4.18. Распиливание термопластов........................... 416
22.4.19. Сверление........................................... 417
22.4.20. Нарезание резьбы ................................... 417
22.4.21. Фрезерование и токарная обработка термопластов . . . 417
22.4.22. Шлифование термопластов ............................ 417
22.4.23. Другие виды механической обработки .............. 418
22.4.24. Механическая обработка высокомодульных композицион-
ных материалов ............................................... 418
22.4.25. Традиционные методы сверления ...................... 418
22.4.26. Ультразвуковое сверление слоистых композиционных
материалов с термореактивной матрицей ................ 419
22.4.27. Обрезка и зачистка ................................. 419
22.4.28. Резка композитов ................................... 420
22.4.29. Резка струей воды под давлением..................... 420
22.4.30. Фрезерование ....................................... 420
22.4.31. Шлифование.......................................... 421
Список литературы.................................................. 421
23. Смазки и антиадгезивы......................................... 422
23.1. Введение .................................................. 422
23.2. Свойства антиадгезивов..................................... 423
23.3. Внешние антиадгезивы ...................................... 425
23.4. Внутренние антиадгезивы.................................... 428
Список литературы.................................................. 429
24. Испытание армированных пластиков.............................. 430
24.1. Введение ................................................. 430
24.2. Нормативная документация по методам испытаний армирован-
ных пластиков................................................... 433
24.2.1. Пластики, полученные методом намотки ................ 436
24.2.2. Армированные термопласты ............................ 436
24.2.3. Трубы из армированных пластиков...................... 437
24.2.4. Гофрированные панели ................................ 438
24.2.5. Композиты с металлической матрицей .................. 438
24.3. Основные положения ....................................... 439
24.3.1. Конфигурация образцов................................ 439
24.3.2. Кондиционирование образцов и условия испытаний . . . 439
24.3.3. Анизотропия свойств ................................. 441
12
24.3.4. Скорость нагружения .................................. 441
24.3.5. Отбор образцов и обработка результатов............... 442
24.4. Испытания исходных компонентов для производства компози-
ционных материалов.............................................. 443
24.4.1. Связующие поверхностные слои и катализаторы (отверди-
тели) ........................................................ 443
24.4.1.1. Вязкость. Исходные связующие до введения катали-
затора и после него ....................................... 443
24.4.1.2. Визуальный контроль ............................. 444
24.4.1.3. Сохранение свойств при хранении, время жизии и
желатинизации связующего................................... 444
24.4.1.4. Плотность . . 445
24.4.1.5. Твердость ....................................... 446
24.4.1.6. Химический состав................................ 447
24.4.1.7. Физические, механические и электрические свойства
отвержденных ненаполненных связующих ...................... 449
24.4.2. Армирующие материалы ............................. 449
24.4.2.1. Основные стандарты ............................. 449
24.4.2.2. Стандарты AS7M для стекловолокон................. 450
24.4.2.3. Военные стандарты и спецификации................. 450
24.4.3. Методы контроля препрегов и расплавных материалов . . . 453
24.4.3.1. Содержание летучих .............................. 454
24.4.3.2. Содержание связующего............................ 454
24.4.3.3. Определение количества вытекшего связующего . . . 456
24.4.3.4. Свойства отвержденных материалов ............... 457
24.5. Методы испытаний литьевых и слоистых композитов .... 457
24.5.1. Композиты из расплавов........................... . 457
24.5.2. Слоистые пластики (ламинаты).......................... 460
24.5.2.1. Методы испытаний по ASTM армированных слоистых
пластиков ................................................. 460
24.5.2.2. Методы испытаний по ASTM для исследования фи-
зических свойств........................................... 461
24.5.2.3. Методы испытаний по ASTM для изучения тепловых
свойств ................................................... 461
24.5.2.4. Методы испытаний по ASTM для исследования элек-
трических свойств ......................................... 461
24.5.2.5. Методы испытаний по ASTM для исследования
химических свойств......................................... 461
24.6. Другие виды испытаний ..................................... 463
24.6.1. Методы определения пожароопасных свойств............ 464
24.6.2. Дегазация и загрязнение .............................. 465
24.6.3. Стабильность размеров (формоустойчивость) ............ 465
Список литературы................................................... 466
25. Неразрушающие методы контроля армированных пластиков . . . 468
25.1. Введение .................................................. 468
25.2. Визуальные методы неразрушающего контроля.................. 468
25.3. Ультразвуковые методы диагностики ......................... 469
25.4. Звуковые методы контроля .................................. 473
25.5. Радиография ............................................... 475
25.6. Методы неразрушающего контроля на основе электрических
свойств ........................................................ 478
25.7. Микроволновая техника (СВЧ-методы)......................... 479
25.8. Инфракрасные (термические) методы неразрушающего контроля 480
25.9. Другие методы неразрушающего контроля...................... 481
Список литературы................................................... 482
13
IV. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТОВ ............................ 485
28. Композиционные материалы в наземных транспортных средствах 485
26.1. Введение ................................................. 485
26.2. Экономика и объем рынка .................................. 486
26.3. Композиционные материалы, их свойства и применение . . . 488
26.4. Процессы и материалы...................................... 494
26.5. Проектирование композитов ................................ 501
26.6. Возможности использования ................................ 507
26.7. Выводы.................................................... 510
27. Композиционные материалы в судостроении ...................... 511
27.1. Введение ................................................. 511
27.2. Основные материалы ....................................... 511
27.2.1. Полимерные системы .................................. 511
27.2.2. Армирующие агенты ................................... 512
27.2.3. Процессы производства ............................... 513
27.3. Слоистые пластики, армированные стекловолокном .... 513
27.3.1. Механические свойства ............................... 513
27.3.2. Чувствительность к морской среде................... 515
27.3.2.1. Влияние длительной выдержки в воде на статические
свойства композиционных материалов .................. 515
27.3.2.2. Чувствительность композитов к воздействию воды под
давлением................................................. 516
27.3.2.3. Восстановление свойств композитов при сушке........ 517
27.3.2.4. Воздействие воды на свойства композитов в условиях дол-
говременного нагружения ...................................... 517
27.3.2.5. Чувствительность композитов к погодным условиям ... 518
27.3.2.6. Биологическое воздействие. Обрастание.............. 519
27.4. Эксплуатация и ремонт................................... 519
27.5. Проектирование корабельных конструкций из композитов . . . 519
27.6. Применение.............................................. 521
27.6.1. Строительство малых судов ........................... 521
27.6.1.1. Процессы производства........................... 522
27.6.2. Конструирование больших военно-морских судов........ 523
27.6.2.1. Конструирование судов для военно-морского флота 523
27.6.2.2. Программа ВМС Великобритании ...................... 523
27.6.2.3. Программа ВМС США ................................. 524
27.6.2.4. Корабли с большой несущей поверхностью............. 525
27.6.3. Обтекатели и кожухи.................................. 526
27.6.3.1. Обтекатели подводных лодок ................... 526
27.6.3.2. Внешние конструкции корпуса .................. 527
27.6.3.3. Корабельные конструкции......................... 528
27.6.3.4. Мачты и балки................................... 528
27.6.3.5. Рубки судна..................................... 528
27.6.3.6. Резервуары...................................... 529
27.6.3.7. Другие корабельные конструкции. Крышка гидро-
локатора .................................................. 529
27.6.3.8. Поплавки и буйки ............................... 530
27.6.3.9. Защитные покрытия............................... 530
27.7. Современное состояние и перспективы развития.............. 531
27.7.1. Композиты с улучшенными свойствами................. 531
27.8. Выводы.................................................... 534
Список литературы.................................................. 535
14
28. Аэрокосмическое примеиеиие композитов ........................ 538
28.1. Введение.................................................. 538
28.2. История развития.......................................... 539
28.3. Использование АП в летательных аппаратах на раннем этапе
развития авиации ................................................ 541
28.4. Характеристики композитов, учитываемые при разработке лета-
тельных аппаратов................................................ 544
28.5. Первоначальное применение КУС для изготовления летатель-
ных аппаратов ................................................... 546
28.6. Современное использование КУС в летательных аппаратах 548
28.7. Композиты для гражданской авиации......................... 555
28.8. Использование композитов в космических аппаратах.......... 557
28.9. Композиты для спускаемых аппаратов........................ 561
28.10. Композиты на основе термопластов для конструкций космиче-
ской техники .................................................... 562
28.11. Выводы .................................................. 565
Список литературы.................................................. 565
Приложения......................................................... 567
Предметный указатель............................................... 574
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи
с широким внедрением композиционных материалов практически во все отрасли
машиностроения: при создании новых конструкций разработчик должен начи-
нать свое творчество с проектирования композита. Это требует не только обос-
нованного выбора исходных материалов — армирующих волокон, связующих,
наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры ком-
позита, технология его изготовления и переработки в готовое изделие.
В самом деле, только в этом случае может быть реализовано соответствую-
щее инженерное решение, так как без учета возможностей достижения макси-
мальных армирующих эффектов, без выбора целесообразных путей улучшения
технологичности, снижения массы, без учета способов увеличения устойчивости,
изделий к воздействию длительных знакопеременных нагрузок и внешней среды
ие представляется возможным создание экономически оправданных новых из-
делий.
В этом отношении инженерные проблемы оказываются существенно иными,
нежели в традиционном машиностроении, имеющем дело преимущественно с об-
работкой металлов. Стандартные параметрические характеристики металлов
как конструкционных материалов предопределяют возможность выбора обосно-
ванных конструкторских решений и гарантированных эксплуатационных
свойств готовых изделий.
Иное дело, когда предстоит работа с композиционными материалами. В этом
случае регулирование механических, теплофизических и других характеристик,
которые необходимы для эффективной реализации инженерных разработок,
также является этапом проектирования и технологии. Существенным фактором
при использовании композитов в качестве конструкционных материалов является
временная зависимость механических свойств, обусловленная полимерной при-
родой субстрата.
Возможность организации серийного выпуска изделий из композиционных
материалов предопределяется самым тщательным входным и пооперационным
контролем, а гарантия работоспособности изделия может быть даиа лишь иа ос-
новании контроля качества готовой продукции. Сравнительная дороговизна не-
которых композиционных материалов, особенно иа основе углеродных, бориых
и арамидных волокон, вызывает необходимость разработки и внедрения новых
методов неразрушающего контроля всех выпускаемых изделий. Важность ис-
пользования для композитов метода конечных элементов оказывается бесспор-
ной. В этой связи особое значение приобретает проблема стандартизации мето-
дов контроля и оценок по всем операциям технологического процесса. Для ие-
разрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них все шире
используются методы сканирующей электронной микроскопии, «жидкокристал-
лического тепловидения», реитгеиографии, лазерной техники и т. п.
Расширяющиеся комплексные исследования, проводимые в нашей стране
в области создания эффективных композитов под руководством академика
Н. С. Еииколопова и по использованию их в качестве конструкционных материа-
лов в различных отраслях народного хозяйства под руководством академика
16
И. Н. Фридляидера, обусловливают необходимость своевременного обеспечения
специалистов соответствующими информационными материалами.
В настоящее время инженерная работа с композиционными материалами
прочно базируется на строгих физико-химических принципах. Эти принципы
изложены в книге Липатова Ю. С. Коллоидная химия полимеров. Киев: Нау-
кова думка, 1984, 342 с. Разработаны обоснованные методы оценки механиче-
ских свойств этих материалов, описанные, иапример, в книгах Фудзии Т.,
Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Мир, 1982,
230 с. и Еидогура А. И., Вайнберга М. В., Иерусалимского К- М. Сотовые кон-
струкции. Выбор параметров и проектирование. М.: Машиностроение, 1986,
199 с.
В справочнике детально изложены основные технологические аспекты про-
изводства композитов и формования изделий из ицх. Интересно отметить, что
при использовании технологии ручной укладки существенное значение приобре-
тает квалификация рабочих, а само формование изделия становится сродни ис-
кусству.
Вместе с тем во все варианты технологии изготовления и переработки компо-
зитов все активнее внедряется автоматизация, а прогнозирование конечных ре-
зультатов и поиск оптимальных вариантов их достижения становятся возмож-
ными благодаря компьютеризации процессов.
При обсуждении вопросов контроля производства особое внимание авторов
обращено на использование методов неразрушающего контроля и стандартиза-
ции применяемых методов для того, чтобы и производители композиционных ма-
териалов, и их потребители — машиностроители использовали идентичные
приемы для оценки их качества.
Интерес читателя вызовет и знакомство с информацией о работах, проводи-
мых в США по внедрению композитов в транспортное машиностроение (при про-
изводстве наземных, морских и авиационных средств транспорта), а также в воен-
ную технику.
Книга завершается «Словарем терминов», наиболее часто используемых в тех-
нологии производства и переработки композиционных материалов. «Словарь»
может служить полезным информационным материалом при работе с технической
литературой (см. ки. 1).
Гл. 13—19 переведены А. М. Кнебельмаиом; гл. 20—25 (гл. 22— совместно
с Г. Э. Кесслером) и приложения А—В — А. Б. Геллером; гл. 26—28 —
Г. Э. Кесслером.
Б. Э. Геллер
IL Технология производства изделий
из композитов
13. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ
РУЧНОЙ УКЛАДКОЙ
Чарльз Уитман, Джеральд Д. Щук
13.1 Введение
Армированные композиционные материалы (АКМ), состоящие
из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения
являются твердыми телами. Характеристики готового изделия
(такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обуслов-
ливают выбор состава композиции, способа ее получения и фор-
мования.
При изготовлении деревянных или металлических изделий
плоские листы этих материалов соединяют друг с другом, после
чего на наружную поверхность детали наносят соответствующее
покрытие. Противоположные приемы используются при формо-
вании изделий из АКМ при нормальной (комнатной) температуре
методом ручной укладки, когда бесформенный материал отвер-
ждается и принимает очертания формы, в которую его предвари-
тельно загружают. Обычно применяют формы, негативные по
отношению к готовому изделию, покрытые изнутри пигментиро-
ванной полиэфирной смолой, которая образует на изделии по-
верхностную пленку. Детали, формуемые таким методом, состоят
из стекловолокнистого наполнителя и связующего — смеси поли-
эфирной смолы с катализатором. Когда отвержденное изделие
извлекают из формы, его внешняя поверхность оказывается по-
крытой тонким полимерным слоем — гелькоатом \ Таким обра-
зом, в отличие от деревянных и металлических деталей, «окраши-
вание» изделий в этом случае производится раньше, чем они бу-
дут изготовлены.
Контактное формование изделий в открытых формах осуществ-
ляется в основном двумя способами. При формовании ручной
укладкой после нанесения на поверхность формы слоя связую-
щего ее выстилают стекловолокном в виде матов из рубленой
стеклопряжи, ткани или тканого ровинга, пропитывают смолой,
1 Наружный смоляной слой — гелевое покрытие связующим, содержащим
минеральные пигменты и инертные наполнители. Эта композиция перед формо-
ванием наносится на поверхность формы, а после завершения цикла отверждения
переходит на поверхность формуемой детали, образуя наружную поверхностную
пленку. Обычно цвет гелькоата отличен от цвета композита, что обеспечивает
визуальную оценку полноты и равномерности нанесения покрытия. — Прим,
ред. пер.
18
13.1. Области применения СВКМ
Сельское хозяйство: банки туковысевающих аппаратов, планки для подвеши-
вания свиных туш, силосные башни, клетки для скота, конуры для собак, сараи
Автомобильная промышленность: кузова легковых и грузовых автомобилей,
крылья, крыши, прицепы
Соединительные элементы: присоединительные детали, покрытия, ремонтные
элементы конструкций
Бытовые товары: вывески, бочки, оборудование складов, больничная мебель
Строительство: ванны, души, мойки, желобы, водосточные трубы, панели
для крыш, ненесущие стены, фасады зданий, двери, опалубки для отливаемых
бетонных сооружений, элементы сборных конструкций
Коррозионно-стойкое оборудование: установки для нанесения гальванических
покрытий, цистерны, баки, детали бункеров, мешалок, реакторов и скруббе-
ров, трубы, навесы, покрытия, футеровка
Электротехника: корпуса трансформаторов и переключающей электроап-
паратуры
Корпуса оборудования: ограждения машин, корпуса счетных машин и ЭВМ,
шкафы для электроаппаратуры
Мебель: столы, стулья и другая мебель, устанавливаемая внутри помещений
и иа открытом воздухе
Флот: каноэ, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла, обычные, парус-
ные и моторные лодки, тральщики
Предметы для отдыха: автомобили со специальным кузовом для загородных
поездок, снегоходы, оборудование спортивных площадок и парков с аттрак-
ционами
Элементы конструкции плавательных бассейнов: панели солнечных нагрева-
телей, крыш и стен, ступеньки, наклонные спуски, подкидные доски, фильтру-
ющие баки, стартовые тумбы
Оборудование для очистки воды: нижние камеры двухъярусных канализацион-
ных отстойников, покрытия, водосливы, аппаратура для хлорирования воды
13.2. Преимущества и недостатки способов формования СВКМ ручной укладкой
и напылением
Преимущества:
универсальность;
возможность получения изделий сложной формы и большого размера;
минимальные капиталовложения в оборудование;
низкая стоимость оснастки;
для изготовления гнезда формы может быть использовав любой материал,
сохраняющий свою форму;
длительность пускового периода и стоимость минимальные;
можно легко изменять конструкцию изделия;
в изделие можно вводить закладные детали и арматуру;
можно получать слоистые конструкции;
можно изготовлять опытные образцы или опытные партии изделий перед на-
чалом крупносерийного производства;
не требуется очень высокая квалификация персонала; простота обучения
19
[
Продолжение табл. 13.2
Недостатки:
большие затраты ручного труда, низкая производительность;
изделия имеют гладкую поверхность только с одной стороны;
качество изделий зависит от квалификации формовщика;
можно использовать только для выпуска мелкосерийной продукции;
большая продолжительность отверждения;
трудность обеспечения однородности изделий;
образуется много отходов
13.3. Сравнительная техиико-экономическая оценка различных способов
изготовления изделий из СВК.М *
Способ формования Стоимость обо- рудования Пр оизводите ль- иость Прочность из- делий Квалификация формовщика Сложность из- делия Однородность изделий
Ручной укладкой Эластичной диафрагмой: 1 3 3 10 9 1
под вакуумом 2 2 4 10 9 3
в автоклаве 3 1 6 6 7 4
Напылением 4 4 3 10 8 1
Намоткой волокна 6 6 10 2 4 9
Пультрузия 7 9 9 2 2 10
Штамповка листовых формовочных 10 8 7 4 9 10
материалов Центробежное 9 7 8 3 3 6
Непрерывное, протяжкой 10 10 5 2 1 10
Впрыскиванием смолы 3 2 3 7 7 8
Литье под давлением 10 10 6 2 10 10
Покрытие оболочек 9 4 3 5 7 9
Прессование стеклонаполнеиной ком- позиции 9 8 7 4 8 10
* Оценка в баллах: 10 — наивысшая.
зачищают щеткой или прикатывают валиком для уплотнения
материала и удаления пузырьков воздуха.
Метод формования напылением отличается от описанного тем,
что стекловолокно в виде бесконечного ровинга рубится на ко-
роткие отрезки — штапельки и инжектируется в форму одновре-
менно со смесью соответствующей смолы и катализатора.
При обоих способах формования получаемый слоистый пла-
стик можно считать элементарным конструкционным материалом.
Варьирование соотношения смолы и стекловолокнистого напол-
20
нителя, вида армирующего материала и системы его укладки,
типа смолы, вида и количества наполнителей позволяет сущест-
венно изменять физические свойства получаемых стеклопла-
стиков. Следовательно, можно сказать, что структура и состав
АК.М формируются в процессе получения изделия.
Возможность изменения состава композиций, размера, формы
и конфигурации изделий позволяет определить наиболее целе-
сообразный путь их получения формованием либо ручной уклад-
кой, либо напылением.
Несмотря на отдельные недостатки, такие как значительные
затраты ручного труда, низкая производительность, необходи-
мость высокой квалификации оператора, получение гладкой по-
верхности изделия только с одной стороны (обратная сторона
изделия получается шероховатой), способы формования стекло-
волокнистых композиционных материалов (СВКМ) ручной ук-
ладкой и напылением имеют довольно широкое применение
(табл. 13.1).
В табл. 13.2 приведены преимущества и недостатки обоих спо-
собов контактного формования, а в табл. 13.3 даны сравнитель-
ные технико-экономические показатели СВКМ, получаемых всеми
известными способами.
13.2. Свойства слоистых пластиков
Свойства слоистых пластиков зависят от их структуры, типа
смолы, армирующего материала и наполнителей. В табл. 13.4
приведены пределы изменения свойств типичных слоистых пла-
стиков, получаемых формованием ручной укладкой и напылением,
и для сравнения — также некоторых металлов.
13.4. Физические свойства
Свойство Формование ручной укладкой Напыле- ние Алюми- ний Сталь
матов ткани
Плотность р, кг/м3 1400— 1600— 1400— 2750 7850 1800 2000 1600 Предел прочности при 70—140 135—340 60—125 40—185 200—230 растяжении ов, МПа Модуль упругости при 5,5—12,5 10—30 5,5—12,5 70 205 растяжении Е, ГПа Предел прочности при 70—175 140—375 70—175 62 195 сжатии осж, МПа Предел прочности при 135—275 240—445 НО—150 135 205 изгибе ои, МПа Модуль упругости при 5,5—7 8—14 5,5—-7 70 190—205 изгибе Е-^, ГПа Ударная вязкость по 267—1335 1068— 267—1335 1335 2403 Изоду I, Дж/м 1602
21
Продолжение табл. 13.4
Свойство Формование ручной укладкой Напыле- ние Алюми- ний Сталь
матов ткани
Твердость по Барколу (зависит от типа смолы) 40—55 45—65 40—55 — —
Водопоглощение за 24 ч, % Скорость горения 0,05—1,0 Д< 0,05—1,0 0,05—1,0 От медленной самозатухания
Теплостойкость (при не- прерывном нагреве), °C Стойкость к кислотам и щелочам Стойкость к раствори- телям Обрабатываемость реза- нием твердосплавным или алмазным инстру- ментом Диэлектрическая посто- янная (по IM EG/9360 MEG) Тангенс угла диэлектри- ческих потерь tg 6 (по IMEG/9360 MEG) Содержание стеклово- локна Ув. м, % Электрическая проч- ность Епр, МВ/м Теплоизоляция Акустические свойства 50—160 50—160 50—160 — Отличная От плохой до отличной От отличной Отличная до хорошей 4—4,6/4,1—4,5 0,01—0,06/0,01—0,03 30—40 45—60 25—40 (10—25 % напол- нителя) 35,5
1,3—1,8 1,3—1,8 От хороших до отличных 1,3—1,8 810— 260—460 1620 Плохие
Стойкость к атмосфер- ным воздействиям Оптические свойства От хорошей до отличной От полупрозрачных до непрозрачных Корро- дирует Непро- зрачный Ржавеет
Температурный коэффи- циент линейного расши- рения аХ10~8, °C"1 Относительное удлине- ние при разрыве в, % 18—32,5 18—32,5 18—32,5 21,5— 23,5 11—18
1—2 1—2 1—2 30—40 38—40
13.3. Конструирование изделий
При конструировании изделий прежде всего необходимо рас-
полагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать
в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет выбрать
необходимую прочность применяемого материала. При этом тех-
22
нологические вопросы решаются в зависимости от того, как должно
быть сделано изделие.
Предположим, что размер, форма, количество деталей и про-
изводительность предопределили выбор способа формования —
в открытой форме. Тогда подбор окончательной толщины детали,
ориентация и количество армирующего волокна зависят от на-
пряжений, которым будет подвергаться изделие, частоты и про-
должительности их приложения. При этом конструктор должен
учитывать, что прочность изделия закладывается при создании
самого слоистого пластика. Это отличает производство изделий
из СВКМ от формования термопластов, так как в первом случае
изготовление собственно материала и получение изделия проис-
ходят одновременно. Содержание и ориентация волокна в ком-
позите, тип наполнителей и связующего определяют свойства го-
тового продукта.
Изготовитель СВКМ начинает работу с выбора компонентов
(смолы, наполнителя, волокна и т. д.) и, определив необходимый
состав композиции, смешивает компоненты, а затем заливает,
всасывает, вдавливает или впрыскивает смесь в форму, где про-
исходит полимеризация смолы и формование изделия. Поэтому
при конструировании изделий из слоистых пластиков необходимо
не только определять их размер, форму и т. п., но и принимать
во внимание процессы, которые происходят со смесью в (на)
форме, особенно то, как ведет себя волокно в смеси и как все это
может отразиться на свойствах материала.
13.3.1. Типичные примеры
13.3.1.1. Коробчатые кожухи механизмов
Установлено, что стеклопластиковый кожух легче стального
и не ржавеет. Исходя из размеров детали и объема производства
было решено формовать кожухи в открытой форме, при этом за
критический показатель была принята жесткость материала.
Методика расчета. Определим номинальную толщину детали из стекло-
пластика по эмпирической формуле
3/------
^СТП ~ V ^с/^стп*
где /с — толщина изделия из стали; ?стп — толщина стеклопластика; Ес —
модуль упругости стали; £отп — модуль упругости стеклопластика.
Теперь, если известно значение Естш конструктор может рассчитать значе-
ние /стп при любом способе формования стеклопластиков (напылением, ручной
укладкой ткани и т. д.). Ои может также задаться величиной Естп и подобрать
соответствующую композицию, которая обеспечит ему получение изделия, напри-
мер, Естп= 14 ГПа.
1 Используемые здесь формулы и методы расчета напряжений и размеров
применимы в основном для конструкций, получаемых способом контактного
формования и работающих под небольшими нагрузками. См. расчеты для сильно
нагруженных композиций в гл. 20.
23
При толщине стеклопластика 2,5 мм и значении модуля 14 ГПа необходим
текстолит, потому что для достижения такого уровня значений fCTn требуется
композит, армированный непрерывным волокном.
Ассортимент существующих стеклотканей позволяет подобрать конструкцию
толщиной 2,5 мм требуемой прочности при минимальной стоимости. Например,
можно взять один слой тканого ровннга толщиной 1 мм (развес 814 г/м2) н два
слоя мата общей толщиной 1,5 мм (460 г/м2), что даст суммарную толщину около
2,5 мм. При максимальном содержании смолы 60 % и толщине наружного смоля-
ного слоя 0,5 мм окончательная толщина окрашенного стеклопластика составит
2,75—3,0 мм, а развес около 33,6 кг/ма.
Аналогичная деталь из листовой стали толщиной 1 мм имеет развес
~52,7 кг/м2. К преимуществам СВКМ относятся также способность поглощать
звук и высокая коррозионная стойкость. Кроме того, он не является электро-
или теплопроводным материалом. Для получения СВКМ с аналогичными свой-
ствами можно использовать лодочную ткань. На стеклополотно толщиной 0,25 мм
настилается шесть слоев лодочной ткани и два слоя стекломатов, чтобы суммар-
ная толщина армирующей основы была ~2,5 мм, после чего наиоснтся пигмен-
тирующее покрытие, чтобы придать изделию необходимый цвет.
У полученного таким путем материала модуль упругости также равен
14 ГПа, но конструкция будет уже состоять нз восьми, а не нз трех слоев, как
в первом случае. Кроме того, лодочная ткань дороже (в пересчете на единицу пло-
щади илн единицу массы), чем тканый ровинг, нз-за более сложного метода про-
изводства. Поэтому экономические показатели всегда необходимо учитывать при
выборе армирующей системы для стеклопластика.
13.3.1.2. Бак высокого давления
Из классического анализа напряжений следует, что окружное
напряжение вдвое больше продольного (стремящегося «вырвать»
днища).
При конструировании бака из обычных материалов (стали,
алюминия и других металлов) необходимо предусмотреть такую
толщину стенок, чтобы он не разрушился под действием окруж-
ных напряжений, но тогда прочность конструкции в продольном
направлении окажется чрезмерно большой. При использовании
стеклопластиков конструктор имеет возможность сформировать
структуру материала таким образом, что. по окружности бака
окажется вдвое больше волокон, чем в продольном направлении.
Рассмотрим бак высокого давления диаметром 906 мм и дли-
ной 1812 мм с полусферическими днищами. Расчет напряжений
в баке (без учета массы опор, а также содержащегося в нем за-
груженного материала) проводится по формулам: ст0 = pd/(2l)
для окружного напряжения и ап = pd/(4i) для концевых и про-
дольных напряжений, где р— давление; d — диаметр; i — тол-
щина (растягивающие напряжения являются критическими в кон-
струкции бака). Конструктор допускает, что в процессе эксплуа-
тации давление не превысит 0,7 МПа, и принимает пятикратный
запас прочности. Чтобы рассчитать толщину, надо знать возни-
кающее напряжение о. Необходимая прочность готового стекло-
пластика рассчитывается исходя из его структуры и соотношения
компонентов, т. е. смолы, стекломатов и бесконечных волокон.
Для этого необходимо сделать и испытать модельные панели и
24
полученные значения разрушающих напряжений использовать
в приведенных выше формулах. Таким способом рассчитывают
окружную t0 и продольную /п толщины стенок бака;
/0 = pd/(2o0) =11,4 мм;
/а = pd/(4oa) = 0,5/о = 5,7 мм
и выбирают метод укладки волокна или структуру стеклопла-
стика (или же можно принять ту же толщину, но при вдвое мень-
шей нагрузке или напряжении). При пятикратном запасе проч-
ности о0 — 140 МПа, р = 0,7 МПа, d = 910 мм.
Если значения напряжений были рассчитаны для стекло-
пластика с чередующимися слоями тканого ровинга и мата, число
слоев (или схема укладки) должно быть достаточным, чтобы
суммарная толщина их составляла И мм, т. е. можно взять че-
тыре слоя тканого ровинга и три слоя мата с развесом (460 г/м2).
Однако полученный таким путем материал будет слишком проч-
ным в осевом направлении. Для получения стеклопластика с со-
отношением окружной прочности к осевой 2 : 1 необходимо
точно рассчитать число волокон, расположенных в двух взаимно
перпендикулярных направлениях, или производить намотку во-
локном так, чтобы векторная сумма спиральных витков дала зна-
чения 2 (окружное) и 1 (осевое), т. е. угол намотки относительно
оси должен составлять примерно 54°.
Другой метод состоит в том, что можно подобрать специаль-
ную ткань с переплетением 2 : 1 и намотать по окружности ци-
линдрические секции до заданной толщины, что обеспечит полу-
чение необходимых значений окружной и осевой прочности без
чрезмерной ее величины в осевом (продольном) направлении, как
это неизбежно бывает при конструировании металлических ба-
ков.
Как ясно из изложенного, изделия из СВКМ по конструкции
практически аналогичны таким же изделиям из обычных кон-
струкционных материалов, но имеют одну принципиальную осо-
бенность, заключающуюся в том, что компоненты материала со-
единяются друг с другом в процессе изготовления изделия. Поэ-
тому конструктор, использующий СВКМ, должен учитывать рас-
положение в материале несущих нагрузку волокон и обеспечи-
вать их фиксацию в правильном положении в процессе формо-
вания изделия.
13.3.2. Смола (связующее)
Выбор смолы для конкретного изделия является важнейшим
этапом проектирования. Тип смолы частично или полностью оп-
ределяет ряд эксплуатационных свойств изделий, таких как хими-
ческую стойкость, горючесть, эластичность, погодостойкость,
25
ударную прочность, коробление, прочность и электроизоляцион-
ные характеристики.
При определении типа смолы необходимо также учитывать
технологические свойства и особенности обращения с материалом
(время гелеобразования и время, в течение которого можно обре-
зать кромки, максимальное количество выделившейся теплоты,
коробление, усадка, непрозрачность, вязкость и тиксотроп-
ность).
Чтобы для каждого конкретного изделия подобрать смолу с нуж-
ными свойствами, необходимо тщательно изучить технические
условия на смолы, выпускаемые их изготовителями.
13.3.3. Наполненные смолы
Дополнительным условием при выборе смолы является воз-
можность введения в нее различных наполнителей. В зависимости
от химической природы и степени наполнения добавки Могут
снижать стоимость изделия, уменьшая расход смолы и (или)
стекловолокна. Наполнители могут также улучшать огнестой-
кость материала, уменьшать выделение токсичного дыма, повы-
шать жесткость, снижать пик тепловыделения и усадку, что при-
водит к уменьшению пропечатывания стекловолокна через на-
ружный смоляной слой, улучшает электроизоляционные свойства
и уменьшает массу изделия.
Наполнители можно применять при формовании ручной ук-
ладкой, но чаще всего их используют при напылении, когда
периодическое смешивание и сама технология напыления обеспе-
чивают возможность получения гомогенной композиции. Исполь-
зование низковязких смол позволяет увеличивать степень на-
полнения. В табл. 13.5 дан перечень наполнителей, наиболее
широко используемых при формовании СВКМ ручной укладкой
и напылением, а также указана их роль и допустимые пределы
наполнения.
13.3.4. Огнестойкость
Выше отмечалось, что выбор смолы оказывает решающее влия-
ние на сопротивление слоистого пластика горению или способ-
ность его к самозатуханию. К наиболее огнестойким полимерам
относятся галоидсодержащие смолы, виниловые полиэфиры и
смолы на основе кислот группы НЕТ.
Скорость горения и расходы, связанные с уменьшением горю-
чести, зависят не только от типа смолы, но и от наличия и коли-
чества наполнителей, особенностей структуры материала (на-
пример, многослойная структура с использованием бальзы) и
от применения покрытий, вспучивающихся при нагревании.
В табл. 13.6 приведены испытания на горючесть и определяе-
мые при этом показатели.
26
13.5. Наполнители, применяемые в композициях для формования
стеклопластиков ручной укладкой и напылением; типы, степень наполнения
и основное назначение добавок «
Наполнитель Типы добавок, изменяющих свойства стеклопластиков
1 2 3 4 5 6 7 8
Тригидрат алюминия ССССССС — (ТГА) Q = Cell ' В, С — — С С С — С Сферы фирмы ЗМ В, С — — С С С — С Шарики фирмы «Поттер» В,С — — С В, СВ, С — — Слюда сузорит С — — С С — С — «Микромикс» С — — С С — — — «Кабосил аэросил» А — — — — — — — Измельченные волокна — — — — А — — —• Песок А — — — А А — — Стеклянные чешуйки — — — В — А А — Трехокись сурьмы — А А — — — — — Тальк — — — — — — — — Глина А — — — — — — —
Наполнитель Типы добавок, изменяющих свойства стеклопластиков
9 10 И 12 13 14 15 16
Тригидрат алюминия — — — — — — С С (ТГА) Q = Cell С— ВВ, СВВ, ССС Сферы фирмы ЗМ С — ВВ, СВВ, СС С Шарики фирмы «Поттер» — — — — В В, СВ, СВ, С Слюда сузорит — — — — В, С — — С «Микромикс» — — — — В, С — — С «Кабосил аэросил» — А — А — ААА Измельченные волокна — — — А — А А — Песок — — — — — А А — Стеклянные чешуйки — — — — А, В — А А Трехокись сурьмы — — — — — — А А Тальк — — АА — — — — Глина — — А А — —- — —
1 — наполнители смолы; 2 — антипирены; 3 — подавители дыма; 4—9,
11, 13—16 — добавки (4 — увеличивающие жесткость; 5 — уменьшающие теп-
ловыделение; 6 — снижающие усадку; 7 — обеспечивающие необходимые элек-
трические свойства; 8 — снижающие массу; 9 — способствующие получению
пенопластов с микросферами; 11 — улучшающие обрабатываемость материала;
13 — обеспечивающие получение химически стойких покрытий; 14 — смеши-
ваемые с компаундом при заливке; 15 — используемые при формовании руч-
ной укладкой; 16 — применяемые при формовании напылением); 10 — тиксо-
тропные вещества; 12 — пасты и шпатлевки.
Наполнение: А ~ 1 ... 10 %; В =10 ...30 %; С = 30 ...50 %.
27
оо 13.6. Методы определения огнестойкости *
слоистых стеклопластиков
Метод
Описание
Определяемые показатели
Примечания
ASTM 0-635
Стендовые испытания
UL 94, горизонтальный
UL 94, вертикальный, ис-
пользуется для оценки тех-
нологического оборудова-
ния UL 478, комнатных
кондиционеров UL 484
и т. п.
Горизонтально расположен-
ный образец поджигается
пламенем газовой горелки
То же
Вертикально расположенный
образец поджигается пламе-
нем газовой горелки
HLT-M>
Вертикально расположенные
образцы поджигаются пламе-
нем газовой горелки
ASTM D-757 (общеприня-
тый стандарт)
Федеральный стандарт ис-
пытаний 406, метод 2023
Пруток с электрическим на-
гревом контактирует с образ-
цом
Поджигание нагревательной
спиралью образца размерами
12Х 12 мм
ASTM £-162
Излучающая панель с газо-
вым подогревом
Длина сгоревшего участка и
продолжительность горения
947/5
(94-V-0), 5 образцов X 2 под-
жигания, среднее время го-
рения 5 с; (94-17-1), 5 образ-
цов X 2 поджигания, среднее
время горения 25 с; (94-5 V),
5 образцов X 5 поджиганий,
максимальное время горения
60 с
0—100 (100 — самый лучший
показатель)
Скорость горения в течение
3 мин, мм/мин
Время поджигания и продол-
жительность горения
Показатель распространения
пламени, рассчитанный по
данным, характеризующим по-
ведение материала при под-
жигании, и количеству тепло-
ты, выделившейся при горе-
нии
Самые мягкие условия испы-
тания; применяется для клас-
сификации материалов
То же
Обычно используется для на-
полненных систем; требуется
для подтверждения UL-, тол-
щина образцов является кри-
тическим фактором
Средние условия испытания,
применяется для смол с содер-
жанием галогенов от среднего
до высокого
Применяется только для смол
с содержанием галогенов от
среднего до высокого
Жесткие условия испытания ма-
териалов, применяемых при вы-
соких температурах в отсут-
ствии открытого пламени
Жесткие условия испытания для
материалов с горючей поверх-
ностью, применяется для на-
полненных систем
Продолжение табл. 13.6
Метод Описание Определяемые показатели Примечания
Стендовые испытания Л ЧТМ Г) 9863 /'ппелельиыЙ Поджигание образцов произ- Кислородный индекс миии- Превосходная воспроизводи ки^омый индекТ водится в атм£фере с кон- мальная концентрация кисло- мость; применяется для напол- кислородныи индек ) ^ируемым содержанием рода, при которой поддер- ненных систем с различным кислорода живается горение; при пока- содержанием галогенов зателе 28 материал считается огнестойким Натурные испытания на горючесть АЧТМ F-84 UL 723 Проводятся в трубе длиной Оценка проводится по шкале Стандартный метод по нормам, NPFA 255 (испытания в 7 6 м на верху которой укре- от 0 (для асбеста) до 100 (для применяемым в строительстве трубе Стейнера)ПЫТаНИЯ плены испытуемые панели; красного дуба ) по скорости и в промышленности и-' н поджигание пламенем газовой распространения пламени и горелки количеству выделяющегося Заводской метод фирмы В стандартных условиях ежи- Метод совершенствуется «Корнер уолл» гается конструкция, выпол- ценная из испытуемых пане- лей
* Многочисленные методы испытаний по определению скорости распространения пламени и других показателей, явля-
ющиеся^производньш^иот'указанньк^ыше способов^не предназначены для оценки огнестойкости материалов в реальных уело-
виях эксплуатации.
13.3.5. Особенности конструирования
13.3.5.1. Детали сложной формы о изменяющейся толщиной
Может показаться, что внести изменения в конфигурацию или
толщину нового изделия достаточно просто. Однако при формо-
вании деталей в открытой форме эти изменения надо вносить
с учетом всех возможных последствий.
Формованию детали предшествует укладка материала в форму
строго по ее очертанию. При наличии острых углов (90° без за-
круглений) маты не закрывают всю поверхность формы, и за на-
ружным смоляным слоем около углов образуются пузырьки воз-
духа. При наличии внутренних прямых углов, выполненных без
закруглений, стеклопластик не будет прилегать к поверхности
формы. Если же форма имеет наружные прямые углы, стеклопла-
стик также не сможет их плотно охватить.
Форма
Для предотвращения этих явлений рекомендуется закруглять
внутренние и наружные углы по радиусу 4,75 ... 12,75 мм. В этом
случае СВКМ будет полнее следовать очертанию формы, т. е.
драпируемость будет лучше. Места резких переходов поверхности
являются зонами концентрации высоких напряжений, где может
происходить расслоение и растрескивание материала. Очевидно,
что в конструкциях следует избегать таких мест и предусматри-
вать самоупрочняющиеся переходные участки умеренного из-
гиба.
13.3.5.2. Изменение толщины слоистого пластика
Для изменения толщины изделия, формуемого в открытой
форме, следует прибавить или убавить число слоев материала.
При необходимости резких изменений слои следует тщательно
укладывать точно по очертанию формы, что, однако, увеличивает
затраты на ручной труд. В местах резких увеличений толщины
происходит концентрация напряжений и, как следствие, частое
расслоение материала. Поэтому надо избегать появления таких
высоконапряженных зон. С этой целью рекомендуется не делать
резких переходов толщины, а изменять ее постепенно, укладывая
слои ступенчато или как кровельную черепицу.
30
13.3.5.3. Отверстия
Наиболее удобным для формования отверстием считается круг-
лое; самым неудобным — отверстие с острыми незакругленными
углами. Для предотвращения роста напряжений рекомендуется
увеличивать радиусы закруглений в углах, а толщину в острых
углах повышать постепенно или предусматривать фланцы вокруг
отверстий.
13.3.5.4. Соединение и склеивание
Изделия из стеклопластиков часто получают сборкой 1 не-
скольких отдельных деталей. Например, парусная шлюпка со-
стоит из корпуса, внутренней облицовки, кабины, крыши каюты
и палубы, и все эти элементы соединяются вместе, причем в каж-
дом случае должен быть свой собственный тип соединения. Клас-
сификация этих соединений по прочности (от большей к меньшей)
следующая: нахлесточные, работающие на сдвиг; стыковые; врас-
щеп; косые нахлесточные, работающие на раздир (на расслаи-
вание).
Нахлесточные соединения являются самыми легкими при из-
готовлении и очень широко используются. Их форма и особенности
нагружения (на сдвиг) предполагают применение клеев, что обес-
печивает максимальную прочность соединения. Такие соединения
реализуют в местах крепления переборок с корпусом корабля,
палубой и крышей кают и т. п. Прочность нахлесточных соеди-
нений рассчитывается просто. Для этого определяют площадь
поверхности перекрытия деталей и умножают ее на номинальные
допустимые значения сдвиговых напряжений, опубликованные
поставщиками клеев или определенные самостоятельно.
Разрушение нахлесточного соединения под действием усилий
сдвига происходит тогда, когда при возрастании нагрузки оно
начинает работать на раздир.
Увеличение нагрузки вызывает поворот места соединения,
так что действующие усилия располагаются на одной оси. Этот
поворот приводит к изгибанию стеклопластика и формированию
на концах нахлеста условий, способствующих расслаиванию КМ.
Если нагрузки продолжают расти, расслаивающие напряжения
1 Подробнее см. в гл. 22.
31
превосходят адгезионную прочность, и соединение быстро раз-
рушается. Однако если края нахлеста скошены, жесткость кон-
струкции уменьшается. Когда место контакта начинает поворачи-
ваться, чтобы соответствовать направлению растягивающего уси-
лия, скошенные края нахлеста, будучи более гибкими, не вызы-
вают перенапряжений клеевого шва. В результате этот простой
прием может повысить прочность соединения без увеличения
площади его поверхности. Более того, при надлежащей подго-
товке материалов можно получить еще более высокие значения
прочности при той же поверхности сдвига, сделав соединение
вскос («в ус»).
Соединение внапуск является разновидностью нахлесточного
соединения, при котором не происходит поворота плоскостей
контакта под сдвиговой нагрузкой. Клеевой шов испытывает
только сдвиговые напряжения, и раздир или вообще не происхо-
дит, или его размеры весьма незначительны. Подготовка таких
соединений более трудоемка и требует специальных зажимных
приспособлений и оснастки для фиксации положения склеивае-
мых деталей в процессе отверждения связующего. Но эти соеди-
нения являются самыми надежными, и их прочность часто почти
равна прочности склеиваемых материалов.
2
3
4
Стыковое соединение со слоем клея 1 и промежуточными
слоями 4 используется при склеивании жестких материалов 2,
3 и работает только на растяжение. Прочность его обычно ко-
леблется от низких до средних значений и легко рассчитывается.
Однако в реальных конструкциях такие соединения встречаются
редко. Кроме того, стыковое соединение должно быть выполнено
очень тщательно, а нагрузка к нему должна прилагаться так,
чтобы возникающие напряжения были сбалансированы. В рек-
ламных передачах по телевидению, посвященных новым связую-
щим, часто показывают каплю клея между двумя дисками на
тросах, прикрепленных к опоре и источнику нагрузки (например,
к автомобилю), демонстрируя быстрое затвердевание клея, опе-
режающее увеличение нагрузки. Это пример идеального стыко-
вого соединения, в котором отсутствуют боковые нагрузки, а
32
производится только растяжение в чистом виде и реализуется
значительная прочность.
Соединение, работающее на раздир, представляет собой кон-
струкцию, где напряжения концентрируются вдоль линии, по
которой один склеиваемый материал отгибается от другого, в ре-
зультате чего в материалах возникают неуравновешенные растя-
гивающие напряжения.
В таком соединении под нагрузкой оказывается только тот
участок клеевого шва, который находится в точке расслаивания,
а остальные участки шва остаются ненагруженными до тех пор,
пока до них не дойдет зона расслоения (поскольку контакт начи-
нает разрушаться).
13.3.6. Рекомендации по конструированию
Везде, где это возможно, детали надо соединять или объединять в единое
изделие.
Нескользящие н декоративные текстурированные поверхности могут быть
отформованы одновременно с изделием (при особенно сложной текстуре исполь-
зуют гибкие резиновые формы).
Места для сверления отверстий могут быть отформованы в изделии или раз-
мечены на форме.
При формовании самоупрочняющнхся изделий надо использовать приемы,
увеличивающие жесткость детали и исключающие или уменьшающие потребность
в последующем введении увеличивающих жесткость элементов (установка выпук-
лых вставок, ребер жесткости).
Конфигурация изделия должна удовлетворять одновременно всем эстетиче-
ским и функциональным требованиям к нему.
Изделие должно иметь радиусы закруглений и технологические уклоны,
максимально допустимые с учетом эстетических и функциональных требований
к нему.
При конструировании надо избегать глубоких, плотно прилегающих секций
с нулевым уклоном.
13.3.7. Обсуждение конструкций
Минимальный радиус закругления внутренних углов 4, 8 ... 6,4 мм (меньшие
радиусы допустимы, но нежелательны).
Минимальный угол технологического уклона 2° (нулевой уклон — только
в разъемных формах).
Поднутрения нежелательны, допускаются только в разъемных и резиновых
формах.
Обрезка кромок в форме (с помощью специального ножа изделие доводится
до требуемого размера).
Отверстия (только большого диаметра) формуются заодно с изделием.
Минимальная реальная толщина изделий: при формовании ручной укладкой
слоев — 0,8 мм, при напылении — 1,5 мм.
П/р Дж. Любина 33
Максимальная реальная толщина, в принципе, не ограничивается, но с уче-
том отверждения — 6 мм.
Стандартная разнотолщинность: при формовании ручной укладкой слоев —
от +0,8 до —0,4 мм и при напылении — от +0,64 до —0,64 мм.
Максимальное увеличение толщины не ограничивается.
Закладные заполнители (сотовых или многослойных конструкций).
Металлические вставки.
Ребра жесткости из металлов или других материалов.
Бобышки должны быть конической формы.
Грат (требуются специальные приспособления для удаления).
Рифленая (или с выпуклостями) поверхность допускается.
Лимитирующие размерные показатели отсутствуют (учитываются размер
формы и удобство обращения).
Максимально допустимый размер детали 370 м2.
Конфигурационные ограничения отсутствуют.
Отделанные поверхности — одна (с помощью специальной оснастки — две).
Поверхность с наружным смоляным слоем (гелевым покрытием) (можно полу-
чить только одну такую поверхность; на противоположную сторону гелькоат
наносится после формования).
Облицовочный мат.
Светопроницаемость — изделия непрозрачны.
Формование маркировки — символы, слова, номера, в виде выступов или
углублений.
Прочностная ориентация — случайная или в определенном направлении
(при напылении — только случайная).
Стандартная массовая доля стекловолокна: при формовании с ручной уклад-
кой 30—55 %, при напылении 25—45 %, при напылении с одновременным введе-
нием наполнителя 10—20 %.
13.3.8. Упрощенные расчеты конструкций
Ниже приводятся основные принципы и формулы для расчета
слабонагруженных стеклопластиковых деталей, которые можно
изготовлять контактным формованием. Дополнительная инфор-
мация для расчета и анализа изделий из композиционных мате-
риалов включена в гл. 16 — по намотке волокном, гл. 20 — по
расчету композиционных материалов и гл. 21 — по трехслойным
конструкциям.
В приведенных ниже формулах используются следующие обозначения:
b — ширина панели, мм;
d — диаметр емкости, м;
Е-м — модуль упругости металла, Па;
50тп — модуль упругости стеклопластика, Па;
h — высота емкости, м;
I—-расстояние между опорами, м;
р — нагрузка (для емкостей — напор воды), кгс («X 10 Н);
t — толщина панели или стенки, мм;
tM — толщина металла, м;
/СТп — толщина стеклопластика, м;
о — растягивающее напряжение, Па;
аи — напряжение при изгибе, Па;
стокр — окружное напряжение, Па.
В табл. 13.7 и в стандарте N BS Voluntary Product Standard
Р. S. 15-69 (табл. 13.8—13.10) приведены свойства и основные
конструкционные размеры различных изделий промышленного
назначения из стеклопластиков: труб, емкостей и соединений.
34
13.7. Физические свойства слоистых пластиков иа основе полиэфирной
смолы, армированной стекловолокном различных типов
Порядковый иомер 1 СВКМ I Конструкция мм ^св. м, % ’в. МПа <*н. МПа Е, ГПа 1, Дж/м Развес, кг/м’ t
Число слоев | Стекломатернал (развес, г/м*) 1 СВКМ 1 В том числе
стекло- волокно связу- ющее
1 2 Мат 610) 3,2 28,2 96,8 161,0 6,33 480 4,3 1,2 3,1
2 1 1 Ткань (339) Мат (610) 2,5 28,4 72,3 128,0 6,13 438 3,3 0,9 2,4 2,7
3 I 2 Ткань (339) Мат (458) 2,8 32,0 95,4 152,0 7,58 523 3,9 1,2
4 1 Ткань (339) 3,3 30,1 103,0 147,5 6,54 523 5,1 1,5 3,6
2 Мат (610) 4,6
5 1 Ткаиь (339) 4,6 32,0 90,9 129 6,33 640 6,8 2,2
3 Мат (610)
6 1 1 Ткань (339) Мат (458) 3,0 24,9 62,6 259 10,13 438 4,5 1,1 3,4
1 Ткань (339)
1 Ткань (339) 5,4
7 2 Мат (458)— 4,6 22,6 72,3 196 8,27 518 7,0 1,6
8 1 1 Ткань /339) Мат (458)
3 2415 «Фэбмэт» (142) . 6,5 39,2 208,7 295 10,95 1665 н,о 4,3 6,7
1 Ткань (339)
9 1 1 I ТР (814) Ткань (339) Ткань (339) 2,3 42,5 127,5 196 5,37 — 3,5 1,5 2,0
10 1 1 Мат (458) ТР (814) 3,2 38,3 117,5 157,5 8,61 1680 4,2 1.6 2,6
11 2 ТР (814) 2,0 52,7 268,4 309,5 12,75 1940 2,9 1,5 1,4
1 ТР (814)
12 I Мат (458) 2,5 53,2 199,8 316 15,15 2445 4,0 2,1 1,9
1 ТР (814)
13 1 Мат (610)
1 ТР (814) 3,2 36,0 79,2 158,5 5,03 —. 5,0 1,8 3,2
1 Ткань (339)
14 1 Мат (458) 2,5 47,0 153,0 288 13,1 2255 4,5 2,1 2,4
15 2 ТР (814)
1 1 Мат (458) ТР (814)
1 Мат (458) 2,5 47,9 171,6 216,5 7,65 1380 4,3 2.0 2,3
1 Ткань (339)
Примечание. Характеристикой матов, тканей и тканой ровницы
(ТР) служит развес, т. е. масса единицы площади, г/ма. В примерах не учиты-
вается гелькоат. 2145 «Фэбмэт» — зарегистрированное торговое наименование
материала, выпускаемое фирмой сФайбергласс индастриз».
2«
35
13.8. Минимальные значения стандартных свойств полиэфирных слоистых
пластиков, армированных стекломатами
Свойство Значения прн температуре 23 °C и толщине, мм
3—4,8 6 8 Св. 10
Предел прочности, МПа:
прн растяжении 60,0 80,0 90,0 100,0
при статическом изгибе 110,0 130,0 140,0 150,0
Модуль упругости прн изгибе (каса- тельный), ГПа 4,8 5,5 6,2 6,9
13.9. Минимальная толщина стенок и днища вертикальных резервуаров в зависимости от диаметра резервуара и расстояния от верха *
Расстояние от верха /. м Толщина стенок н днища t, мм, прн днаметре резервуара dt м
0,6 0,75 0,9 1.1 1,2 1,35 1,5 1.7
0,6 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
1.2 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
1,8 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
2,4 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
3,0 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 6,35
3,6 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 6,35 6,35
4,2 4,76 4,76 4,76 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35
4,8 4,76 4,76 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 6,35
5,4 4,76 4,76 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94
6,0 4,76 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94 7,94
6,6 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94 7,94 7,94
7,3 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94 7,94 7,94
Толщнна стенок н днища t мм, прн диаметре резервуара d, мм
Расстояние
от верха /» м
1.8 2,1 2,4 2,75 3 3,4 3,6
0,6 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
1,2 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76 4,76
1,8 4,76 4,76 4,76 4,76 6,35 6,35 6,35
2,4 4,76 6,35 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94
3,0 6,35 6,35 6,35 6,35 7,94 7,94 7,94
3,6 6,35 6,35 6,35 7,94 7,94 7,94 9,52
36
Продолжение табл. 13.9
Расстояние от верха /, и Толщина стенок к днища t, мм. прн диаметре резервуара d, м
1.8 2,1 2,4 2,76 3 3.4 | 3.6
4,2 6,35 7,94 7,94 7,94 7,94 9,52 9,52
4,8 6,35 7,94 7,94 9,52 9,52 9,52 11,11
5,4 7,94 7,94 9,52 9,52 9,52 11,11 12,70
6,0 7,94 9,52 9,52 9,52 11,11 12,70 12,70
6,6 7,94 9,52 9,52 11,11 12,70 12,70 14,29
7,3 9,52 9,52 11,11 12,70 12,70 14,29 15,88
* Расчеты выполнены с учетом запаса прочности К = 10 : 1, механических
свойств материала и плотности жидкости 1200 кг/м3. Расчет конструкции резер-
вуаров, предназначенных для работы при температуре выше 82,2°, должен быть
сделан с учетом значений физических характеристик материала при этой тем-
пературе. Если резервуар испытывает дополнительные нагрузки, например, от
перемешивания жидкости, расчеты выполняются по специальным формулам.
„ „ Ipd 7,32-11,5-3,05
Пример расчета: t — 105Л0----= ММ’ = '>32 м> Р =
= 11,5 кПа, d = 3,05 м, а — ов/К н ав = 105 МПа.
13.10. Минимальные значения ширины верхних слоев соединений оболочек
резервуаров из армированных полиэфирных смол
Параметр Толщина стенок сосуда, мм
4,8 6 8 9,5 И 13 14,3 16 17,5 19
Минимальная шири-
на верхнего слоя, мм:
наружного 100 100 125
внутреннего 100 100 125
150 175 200 225 250 275 300
125 125 150 150 150 150 150
13.3.8.1. Предел прочности при изгибе
Пусть р = 68 кгс (680 Н), I = 76,2 мм, b — 25,4 мм, d = 3,17 мм. Тогда
3
2
pl 3 680-76,2
ЬсР ~ 2 25,4(3,17)а
»280 МПа.
37
13.3.8.2. Изменение толщины при переходе от металла
к пластмассе
‘СТП - »М V ^-М/^-СТП •
Примем для стали Ем = 207 ГПа, £стп = 5,5 ГПа (слоистый пластик, полу-
чаемый напылением) и tu = 0,76 мм. Тогда
/стп-0,76^207/5,5 =2,55 мм.
13.3.8.3. Расчет резервуара из стеклопластика
Пусть h — 15,2 м, давление воды, примерно равное 11,5 кПа иа 1 м глубины,
р = 0,17 МПа, d= 3,05 м и экспериментально определенное значение растяги-
вающего напряжения слоистого пластика, полученного методом напыления,
а = 105 МПа. Тогда толщина стеики без учета запаса прочности
t =
pd 0,17-3,05 о с
2о 2-105 —2,5 мм.
Принимая запас прочности 10 : 1, получаем толщину стенки вблизи днища
t = 2,5-10 = 25 мм.
13.3.8.4. Окружные напряжения
Напряжение зависит от давления и диаметра резервуара, окружное напря-
жение оокр = pdl2t.
Задаемся напряжением, получаем толщину стенки t, подбираем соответствую-
щий композиционный материал.
Определяем запас прочности исходя нз назначеиня резервуара, химической
природы продукта, который в нем будет находиться, рабочей температуры, срока
службы и других факторов.
Пример. Если напряжение для полученного напылением слоистого пластика
105 МПа, а запас необходимой прочности 4, то аокр = 105/4 МПа. Решим урав-
нение относительно толщины стеиок t.
38
Пусть d = 3,05 м, р = 1,05 МПа. Тогда
pd 1,05-3,05
2сокр ~ 2-26
мм.
Это слишком большая толщина, поэтому резервуар надо изготовлять мето-
дом намотки волокна (аокр = 524/4 = 130 МПа). В этом случае получаем более
приемлемое значение толщины:
. 1,05-3,05
~ 2-130 — ММф
13.4. Технологическая оснастка
13.4.1. Введение
Под словом оснастка в большинстве отраслей промышленности
понимают материалы, оборудование или формы, на которых (или
в которых) изделия изготавливают, собирают или отливают. Ос-
настка для контактного формования имеет ряд особенностей (или
ограничений), зависящих от природы продуктов, входящих в со-
став перерабатываемой композиции, т. е. жидких смол, порошко-
образных наполнителей и армирующих волокон или тканей.
Конструкция оснастки для контактного формования слоистых
пластиков изменяется в широких пределах, начиная от исполь-
зования реальной детали в качестве модели, по которой собирают
или отливают форму, и кончая применением тщательно спроекти-
рованного и специально изготовленного полированного хромиро-
ванного стального инструмента, который может быть таким же
дорогим, как пресс-формы для прессования. Выбор оснастки за-
висит от следующих взаимосвязанных факторов:
количества деталей, которые будут отформованы;
стоимости формуемого изделия;
размера изделия;
допуска размеров изделия;
сложности и внешнего вида изделия.
Если на изделие, которое предполагается выпускать, имеются
чертежи и технические условия, то рекомендуется следующая
последователь ность,
1. По указанным на чертеже размерам изготовляют модель из дерева, гипса,
фанеры или другого материала и снабжают отбортовочными фланцами. Шерохо-
ватость ее поверхности должна быть такой же, как у готового изделия, и сама
модель должна быть подготовлена для последующих операций путем нанесения
соответствующей разделяющей пленки или антиадгезионной смазки.
2. По этой модели методом выкладки или полива получают оболочку —
форму, поверхность которой в точности воспроизводит поверхность модели.
Поверхность формы обычно упрочняют СВКМ и дополнительно жестким мате-
риалом (металлом или деревом), чтобы не повредить или не вызвать коробления
при эксплуатации.
3. После этого форму осторожно отделяют от модели (при этом модель часто
разрушают), осматривают ее поверхность, ремонтируют, если требуется, и поли-
руют для улучшения внешнего вида и облегчения извлечения формуемых изделий.
39
4. Полученная таким путем форма готова для эксплуатации при условии
правильного подбора разделительного слоя (смазки из парафиновых мастик или
пленки), обеспечивающего легкое отделение изделия от формы.
Изделия, которые формуют с помощью описанной выше ос-
настки, имеют только одну отделанную поверхность, что типично
для процесса, проводимого в открытых формах, когда партия из-
делий составляет не менее 100 шт. Оснастка такого типа пригодна
также (с небольшими отклонениями) для формования «вакуум-
ным мешком» и автоклавным методом.
13.4.2. Формы одноразового использования
Если большое изделие из стеклопластика (например корпус
яхты длиной 12 м) требуется изготовить только в единственном
экземпляре, то расходы на изготовление модели и формы не оку-
паются. На самом деле, конструкция модели практически иден-
тична самому корпусу и сама могла бы быть этим корпусом. Бо-
лее того, изготовление формы по модели связано с дополнитель-
ными усилиями и затратами, равными тем, которые требуются
на изготовление корпуса. Поэтому стоимость одного корпуса
длиной 12 м, сделанного с помощью модели и формы, оказывается
в 2—3 раза выше его действительной стоимости.
Чтобы избежать этих дополнительных расходов и, тем не ме-
нее, изготовить стеклопластиковый корпус, оснастку для формо-
вания только одного изделия (корпуса длиной 12,2 м) получают
следующим образом.
1. Из отдельных узлов и стрингеров собирают простой временный каркас,
внутреннее очертание которого соответствует корпусу яхты, и обивают его поло-
сами или листами фанеры, пенопласта или стеклоткани.
2. Затем на эту поверхность напылением или другими методами наносят
слои смолы, стекломатов и ткани до достижения необходимой толщины и проводят
их отверждение.
3. Внешняя сторона корпуса теперь почти готова, но имеет шероховатую,
непригодную для применения поверхность, которая должна быть отделана.
Используемая для этой цели технология практически не отличается от той, что
в настоящее время применяется в мастерских по ремонту автомобильных кузовов,
и заключается в шпатлевании и шлифовании поверхности в две нлн три стадии
с последующим нанесением высококачественной эпоксидной нлн полиуретановой
краски для морских судов (последнюю операцию часто выполняют после того,
как лодка окончательно собрана и готова для снаряжения).
4. После этого корпус переворачивают, устанавливают на опорное седло или
подпоры и убирают временный каркас. В заключение корпус покрывают изнутри
пленкой, монтируют переборки, настил и предметы интерьера.
(Палубу и рубку обычно делают таким же способом, но часто из дерева, что
сокращает издержки на оплату рабочей силы).
13.4.3. Формование без формы, модели или вставки
Часто возникает необходимость воспроизвести какую-то су-
ществующую деталь, например вырезанный из дерева элемент
мебели. В этом случае не делают ни модели, ни вставки, так как
роль модели выполняет сама эта деталь.
40
Модельную деталь необходимо покрыть парафином и разде-
ляющей пленкой, чтобы материалы, из которых сделана форма,
не повредились бы и не прилипли к композиту. Наиболее целесо-
образно применение полиэфирных, полиуретановых, кремний-
органических смол и латексов. Обычно модельную деталь зали-
вают такой смолой, проводят отверждение, покрывают снаружи
жестким материалом и после этого отделяют. Исходный образец
затем отчищают от антиадгезионных покрытий и используют по
основному назначению. Полученная таким путем форма приме-
няется для изготовления новых деталей.
13.4.4. Модели и вставки
Модель — это временное изделие, по которому надо отформо-
вать детали точно такой же формы, очертания и отделки. (Если
требуется получить наружное очертание детали, применяется
модель, имеющая ее внутреннюю форму — вставка.)
Модели и вставки изготавливают из дерева, гипса, комбина-
ций гипса с металлами и многих других материалов и их сочета-
ний. Деревянные и гипсовые модели обычно получают тем же
путем, какой традиционно используется в литейном производ-
стве. Оборудование для изготовления моделей для литья стали,
алюминия и латуни легко может быть приспособлено для пласт-
массового производства. Практически любой материал, сохраняю-
щий свою форму, можно считать пригодным для изготовления мо-
делей. Не следует наносить на модель покрытия из шеллака или
других веществ, которые могут химически взаимодействовать
с антиадгезионными смазками или стиролсодержащими компо-
нентами полиэфирных смол. Приемлемыми покрытиями для мо-
делей являются такие материалы, как шлифующие груншпат-
левки, различные герметики, полиэфирные и эпоксидные смолы.
13.4.5. Подготовка и антиадгезионное покрытие
Подготовка обработанной модели для изготовления формы тре-
бует применения специальных покрытий (смазок), которые, бу-
дучи достаточно тонкими для адекватного переноса деталей по-
верхности модели на форму, в то же время смогут предотвратить
прилипание формы к модели. После шлифовки модели достаточно
тонкой стеклянной шкуркой и полировки ее веществом для ма-
шинного полирования, она готова для парафинирования и/или
нанесения покрытия из поливинилового спирта или какого-
нибудь другого антиадгезионного вещества. При этом необходимо
строго следовать всем рекомендациям изготовителя. При плохом
или неправильном парафинировании форма будет постоянно при-
липать к модели.
41
13.4.6. Разделяющие панели и разъемные формы
Если конфигурация формуемого изделия такова, что его не-
возможно извлечь из формы, то следует применять форму, кон-
струкция которой обеспечит ее разделение на две (или более)
части.
Приспособления для разъема формы размещаются на модели
и называются разделяющими панелями. Их расположение и ко-
личество определяются конфигурацией изделия и эстетическими
требованиями. Поскольку вдоль линии разъема образуются за-
усеницы, она должна находиться на наименее заметном месте.
К факторам, при которых требуется применение разъемных
форм, относятся размер (форма должна быть достаточно легкой
в обращении) и очертания изделия (секции с очень глубокой вы-
тяжкой), наличие поднутрений в виде обратного фланца и недо-
статочная конусность (или вообще ее отсутствие).
13.4.7. Временные и постоянные формы
Временными формами называют формы, имеющие достаточную
прочность, чтобы выдержать без больших повреждений нагрузки
при формовании до 5 деталей.
Постоянные формы — это формы, предназначенные для экс-
плуатации в нормальных условиях в течение нескольких лет,
или очень редко используемые формы, которые должны сохранять
свою геометрию и эксплуатационные свойства в течение длитель-
ных периодов хранения между рабочими циклами. Такие формы
должны иметь большую толщину, слоистую конструкцию и обычно
стальную или деревянную дополнительную арматуру.
13.4.8. Конструкции форм
Конструкция формы зависит от стоимости и планируемой долго-
вечности и (или) срока эксплуатации. Формы для промышленного
применения тщательно делают из лучших материалов самые ква-
лифицированные рабочие. Эти формы проектируют опытные кон-
структоры, которые рассчитывают с учетом их назначения необ-
ходимую толщину, конструктивные армирующие элементы, ме-
таллические вставки и подбирают оптимальные материалы. Форма
для изделий массового производства, таких как душевые головки
для ванны, будет значительно отличаться от формы для опытных
образцов. Например, промышленная форма из стеклопластика
характеризуется следующими особенностями:
медленно отверждаемым наружным смоляным слоем (гелько-
атом) ;
применением теплостойкой смолы;
большой тщательностью изготовления слоистого пластика
с высоким содержанием стекловолокна — обычно более 50 % (часто
применяется слоистая конструкция с бальзовым заполнителем);
наличием опорной конструкции, состоящей из стальной трубы,
42
соединенной со стеклопластиком, с хорошей опорой по краям
формы и приспособлениями для крепления при формовании де-
тали (проушины для крюков транспортных средств и оси для
вращения);
наличием приспособлений для извлечения изделия (домкратики
и проушины), воздушных каналов, закрепленных на шарнире, на
шплинте, или съемных секций (если требуются), а также обрезае-
мой кромки.
формы из стеклопластика для опытных образцов характери-
зуются:
наружным смоляным слоем (гелькоатом) общего назначения;
минимальным числом слоев в стеклопластике, обеспечиваю-
щим необходимую прочность конструкции, и низким содержанием
стекловолокна (менее 40 %);
отсутствием (или малым числом элементов) опорной конструк-
ции из дерева или фанеры;
небольшим числом (или отсутствием) приспособлений для ма-
нипулирования с формой.
13.4.9. Конструкционные параметры формы
Конструкционные параметры формы аналогичны конструк-
ционным параметрам изделия, но имеют ряд дополнительных
показателей.
Устройства для извлечения детали:
отверстия для продува — располагаются в самых вытянутых
местах или узких сечениях (следует отметить, что отверстия для
продува, очень нужные для извлечения изделия, могут вызвать
появление на нем дефектов, в связи с чем их следует располагать
в наименее заметных местах);
подъемные приспособления — винтовые домкраты или клинья;
отдельные формы для поднутрений, секций с большой вытяж-
кой и неучтенных в проекте особенностей конструкции изделия.
Конфигурация боковой поверхности:
наличие отрезаемой ножом кромки у деталей, которые должны
иметь точный размер;
увеличенная высота для обеспечения вторичной обрезки (опи-
ливания) кромок.
Усиление конструкции:
сандвичевая конструкция (бальза, фанера, пенопласт и т. п.);
ребра жесткости, пуклированные прокладки, трубы (деревян-
ные, стальные или бумажные).
Составные (разъемные) формы:
используются при наличии поднутрений или неучтенных
в проекте особенностей конструкции;
предосторожность — несоосность частей формы приводит к об-
разованию уступов на детали (образуется грат, требующий про-
ведения повторной обработки поверхности, это самое опасное
место формы).
43
13.4.9.1. Особенности конструирования разъемных форм
1. Обеспечить идентичные сопряженные фланцы для стягинания деталей
формы.
2. Правильно подобрать центрирующие элементы выпуклости, болты, штиф-
ты и т. п.
3. При изготовлении модели предусматривать линии стыковки частей формы
и правильно выбрать разделяющие панели.
4. Следует усиливать обе полуформы для предотвращения коробления и пере-
крашивания.
5. По возможности избегать использования многоэлементных разъемных
форм.
13.5. Методы формования
13.5.1. Введение
Наиболее простыми способами комбинирования стекловолокна,
смолы и катализатора являются формование ручной укладкой и
напыление. Для того чтобы материал соответствовал специфиче-
ским условиям эксплуатации, в смолу вводят различные армирую-
щие материалы, добавки и наполнители.
Так как обычно к качеству поверхности предъявляются вы-
сокие требования, первой стадией формования в формах открытого
типа является нанесение на их поверхность слоя специальной
полимерной композиции, который называют наружным смоля-
ным слоем (гелькоатом). После его отверждения в форму уклады-
вают или напыляют слои стекловолокна и смолы с добавкой ка-
тализатора, а затем уплотняют материал в форме.
При формовании ручной укладкой применяют стекловолокно
в виде матов из рубленой стеклопряжи, ткани или ровинговой
ткани. Смолу и катализатор или предварительно смешивают
в какой-нибудь емкости, после чего наносят кистью или резино-
вым валиком, или же напыляют с помощью специального распыли-
теля, причем смешение компонентов происходит в момент распы-
ления.
При формовании напылением стекловолокно предварительно
измельчается на короткие отрезки (штапельки) и в процессе раз-
брызгивания перемешивается одновременно со смолой и катализа-
тором. После того как эта смесь попадает в форму, ее уплотняют
зазубренными металлическими валиками.
Метод формования ручной укладкой, основанный на исполь-
зовании заранее подготовленных матов или тканей, обеспечи-
вает высокую однородность продукции по прочности и возмож-
ность контроля показателей.
Контроль производства при формовании напылением, т. е.
методом, который, по существу, является частично автоматизиро-
ванным вариантом формования ручной укладкой, в значительной
степени зависит от мастерства рабочего. Если допускается не
очень высокая однородность деталей, то удается значительно сни-
зить издержки благодаря меньшей стоимости ровинга, по сравне-
44
нию с матами или тканями и уменьшению трудовых затрат за счет
более высокой скорости внесения материала в форму.
Дополнительная экономия при формовании напылением об-
разуется благодаря использованию дешевых наполнителей, ко-
торые заменяют более дорогие материалы (смолу и стекловолокно),
позволяя при этом получать изделия с примерно такой же проч-
ностью.
На практике часто комбинируют методы ручной укладки и на-
пыления, чередуя слои напыленного измельченного волокна со
слоями ткани или тканого ровинга.
Для получения изделий Сандвичевой структуры с централь-
ным слоем из другого материала (например, конструкций, в ко-
торых слой бальзы, пенопласта, фанеры и т. п. заключен между
слоями пропитанного смолой стекловолокна) применяются оба
метода: ручная укладка и напыление.
Все технологические параметры, кроме приемов укладки во-
локна, у обоих методов формования обычно одинаковы.
13.5.2. Подготовка формы (антиадгезионная обработка)
Первой стадией при получении любого изделия в открытой
форме является нанесение на ее поверхность антиадгезионного
покрытия *. Без этого деталь постоянно будет прилипать к форме.
В мировой практике применяется много различных антиад-
гезионных материалов (табл. 13.11). Их выбор зависит от типа
формуемой поверхности, заданной степени глянцевитости гото-
вого продукта и наличия или отсутствия вторичных отделочных
операций (например, окрашивания).
Программа подготовки формы для промышленного применения
начинается с тщательного машинного шлифования и полирования
новой (не бывшей в употреблении) стеклопластиковой формы.
После достижения необходимого блеска наносят несколько слоев
(обычно три или четыре) пастообразного парафина. Каждый слой
должен быть хорошо отполирован чистой салфеткой. После нане-
сения очередного слоя форма выдерживается до затвердевания
парафина.
Для облегчения съема готовых изделий на стадии обкатки
формы периодически (после формования 1—4 шт.) на ее поверх-
ность, поверх парафинового покрытия дополнительно напыляют
поливиниловый спирт (ПВС).
После каждого цикла формования формы всегда надо полиро-
вать. Дополнительный слой парафина наносится после каждых
1—5 или более циклов в зависимости от типа парафина и условий
формования. При этом необходимо следить, чтобы не образовался
избыток парафина на поверхности формы (о чем свидетельствует
шероховатая или матовая поверхность деталей).
1 Подробнее см. гл. 23.
45
13.11. Методы нанесения и типы антиадгезионных покрытий
Тип покрытия Форма при нанесении Примечание
Парафин Пастообразная илн Глянцевая поверхность; воспро- жидкая изводит все детали формы; боль-
ПВС шие партии изделий Жидкая, напыляемая Водорастворимый, одноразо- вого использования, смывается с изделия и формы, превосход- ный антиадгезионный материал; позволяет получить легко окра-
Фторированные угле- водороды: шиваемую поверхность Жидкая, напыляемая Низкий коэффициент треиия
силаны силоксаны Прокладочные бума- ги и антиадгезион- иые пленки Внутренние антиад- гезиоиные смазки Не дают хорошего глянца Более дорогие Бумага с покрытием, Одноразового использования целлофан, пленка из Формование плоских листов ПВС Жидкая (проникает в Глянцевая поверхность; сохра- наружиый смоляной няет форму всех деталей, отпа- слой) дает необходимость в парафи- нировании формы; позволяет по-
лучать легко окрашиваемую
поверхность
Периодически, через каждые 10—20 деталей, форму чистят
(для удаления всех остатков парафина и смолы) с помощью спе-
циального приспособления для зачистки форм.
Тщательная подготовка формы — один из основных этапов
цикла формования. Если он выполнен правильно, изделия будут
иметь хороший внешний вид и легко извлекаться из формы.
Если же этим этапом вообще пренебрегают или его сокращают,
то будет страдать внешний вид изделий, причем при «зависании»
детали в форме и невозможности ее извлечения приходится выбра-
сывать и деталь, и форму.
13.5.3. Нанесение наружного смоляного слоя
Для получения наружного смоляного слоя (гелькоата) обычно
используют полиэфирную смолу, содержащую минеральные на-
полнители и пигменты, но без армирующих добавок. Эта компо-
зиция наносится сначала на поверхность формы, а затем в про-
цессе формования переходит на формуемое изделие, образуя
наружный слой. Тем самым достигается образование декоратив-
ной глянцевой окрашенной поверхности с хорошими защитными
свойствами, которая почти или совсем не требует последующей
отделки (табл. 13.12).
46
13.12. Виды и причины появления брака на наружном смоляном слое
и методы их устранения
Вид брака Причина появления Способы устранения
Образование мор- Недоотвержденный или Толщина невысохшей плен-
щин на наружном слишком тонкий смоляной ки должна быть не менее
смоляном слое при слой. Смоляной слой вспу- 0,38 мм. Смоляной слой на-
формовании чивается и отделяется от какого-то участка поверх- ности изделия из-за недо- статочного отверждения и воздействия стирола, содер- жащегося в формуемой смоле носить равномерно; обеспе- чить необходимую продол- жительность отверждения смоляного слоя
Волнистость иа- Слишком большая продол- Вводить больше катализа-
ружного смоля но- житель ность отверждения тора; подобрать катализатор, обеспечивающий отвержде- ние смолы в атмосферных условиях в течение 1 ч
го слоя стеклопластика
Прожилки на иа- Спекание смоляного слоя, Использовать более тяжелую
ружном смоляном вызывающее неравномер- смолу или делать формы
слое (в основном пастельных тонов) ность цвета покрытия более плоскими
Полые участки под наружным смоля- ным слоем — —
Шероховатая по- верхность изделий Накопление парафина Смыть парафин стиролом или отполировать специальным приспособлением
Отпечатки сте- Мягкий наружный смоля- Применять в дальнейшем
кловолокна на из- делии ной слой теплостойкую смолу
Звездообразные Грубое обращение с изде- Отшлифовать изделие, на-
микротрещины на лием при его извлечении нести наружный смоляной
изделии из формы с помощью дере- вянного молотка слой; использовать парафи- нированную бумагу и ленту; провести повторную отделку
Образование мор- Попал ацетон; вода в смо- Отодвинуть распылитель от
щнн на наружном ляном слое; нехватка ката- формы; увеличить степень
смоляном слое сра- зу же после нане- сения лизатора в смоляном слое распыления; ввести больше катализатора; обеспечить стекание пузырьков; контро- лировать подачу; нагреть форму Увеличить продолжитель-
Вмятины в на- Разделительная пленка из
ружном смоляном слое (при исполь- зовании пленки из ПВО) ПВС не высушена ность сушки; удалить влагу
Растрескивание Слишком тяжелое покры- Не увеличивать толщину
наружного смоля- тие. Нижний слой не отвер- свыше 0,64 мм; обеспечивать
ного слоя дел, что вызывает усадку и растрескивание смоляного слоя быстрое отверждение перво- го слоя
Раковины на на- Попадание посторонних ча- Напылять пленку в поме-
ружном смоляном слое стичек в пленку щении, где нет пыли
47
Продолжение табл. 13.12
Вид брака Причина появления Способы устранения
Неравномерный цвет покрытия Пузырьки воздуха; плохая кроющая способность; не- достаток пигментов Для улучшения растекания использовать стирол; посо- ветоваться с изготовителем смоляного слоя; минималь- ное количество пигмента ие должно быть менее 10 %
Матовая поверх- ность Грубая поверхность формы Вторично отделать поверх- ность
Затрудиеиия при удалении изделия из формы Форма ие притерта; шеро- ховатая форма; поднутрения в форме; мало парафина Применять ПВС; повторить всю процедуру подготовки формы; заполнить поднутре- ния; покрыть парафином все поверхности
Переход отпечат- ков стекла в на- ружный смоляной слой Слишком тонкий смоляной слой; недоотверждение плен- ки смолы Увеличить толщину слоя до 0,4 ... 0,5 мм; удлинить цикл до полного отверждения по- крытия
Накладка ие соот- ветствует наруж- ному смоляному слою Накладка отверждается слишком быстро Уменьшить толщину смоля- ного слоя; снизить концен- трацию катализатора; не вводить наполнитель
Наружный смоля- ной слой прили- пает к форме (при нанесении кистью н распылении) Неправильно подобрана или нанесена смазка для формы Нанести смазку и дать ей отвердеть. При использова- нии парафина дать ему пол- ностью высохнуть, а затем отполировать. Если эти ме- ры ие помогают, поверх па- рафина нанести распылением пленку поливинилхлорид- ного спирта
Белесоватая или иеглянцевая по- верхность Все изделие преждевремен- но извлечено из формы. Загрязнение антиадгезион- иой смазки еще до нанесе- ния смоляного слоя Обеспечить более полное от- верждение смоляного слоя и нижнего слоя стеклопла- стика
Пустоты под на- ружным смоляным слоем Маленькие и большие пло- ские вздутия вызываются отделением смоляного слоя от нижнего слоя стекло- пластика. Смоляной слой не должен отверждаться на воздухе до состояния без отлипа, а должен остаться липким для лучшей адгезии к нижнему слою стеклопла- стика Обеспечить отверждение первого слоя стеклопласти- ка до нанесения второго, третьего и последующих сло- ев; тщательно проверять, не появились ли пузырьки по- сле нанесения каждого слоя; вырубить эти места и про- шпатлевать композицией, состоящей из одной части смолы и трех частей СаСОд
48
Продолжение табл. 13.12
Вид брака Причина появления Способы устранения
Открытые ракови-
ны, вздутия и то-
чечные отверстия
на поверхности на-
ружного смоляно-
го слоя
Воздушные включения, сво-
бодный растворитель, грязь
или слишком большое вы-
деление тепла при отвер-
ждении смоляного слоя илн
стеклопластика
Мягкая поверх-
ность
Неравномерное отвержде-
ние
Образование ос-
пин
Избегать попадания воздуха
в композицию для смоля-
ного слоя при введении ка-
тализатора; дать ей отсто-
яться некоторое время после
смешения и перед распыле-
нием; содержать все емкости
и рабочие поверхности в чи-
стом состоянии
Более тщательно перемеши-
вать катализатор со смолой
для наружного слоя; тща-
тельно подбирать н наносить
разделительную смазку для
форм
Использование антиадгези-
онной смазки со слишком
высоким поверхностным уг-
лом, препятствующим сма-
чиванию смоляным слоем
небольших участков поверх-
ности (1,6 ... 6,4 мм), вслед-
ствие чего материал стекло-
пластика проявляется через
смоляной слой
Способы нанесения и технологическое оборудование
1. Нанесение лакокрасочного покрытия кистью—толщина ие контроли-
руется (нежелательный и непроизводительный метод).
2. Пистолетный распылитель — композиция с предварительно введенным
катализатором распыляется воздухом; смесительный колпачок отсутствует;
питание самотеком; предварительное смешение (дешевый иизкопроизводитель-
иый метод).
3. Красконагиетательный бак — катализатор и смола для покрытия по-
даются под давлением; смешение происходит в форсунке; распыление осущест-
вляется воздухом.
4. Безвоздушный распылитель — аналогичен пистолетному распылителю,
работающему со сжатым воздухом.
Контроль качества:
необходимо заранее взвешивать смолу и катализатор для наружного смоля-
ного слоя (гелькоата);
форма должна по цвету отличаться от распыляемого наружного смоляного
слоя, чтобы легко можно было определить равномерность и полноту нанесения
покрытия;
толщина невысохшей пленки должна быть ие менее 0,46±0,05 мм;
необходимо контролировать содержание катализатора.
13.5.4. Ручная укладка
Следующей операцией процесса формования после правиль-
ной подготовки формы и нанесения наружного смоляного слоя
является подготовка материала.
49
Рис. 13.1. Элементы конструк-
ции формы и изделия при формо-
вании ручной укладкой:
1 — форма; 2 — разделительная
пленка; 3 — наружный смоляной
слой; 4 — стекловолокно; 5 — руч-
ной валнк; 6 — смола в смеси с ка-
тализатором
Все типы армирующих материалов — маты из рубленой стекло-
пряжи, ткани и тканый ровинг — поступают в виде больших
рулонов различной ширины. Лист нужной длины вырубается из
рулона, а затем, при необходимости, обрезается по шаблону с по-
мощью универсального бритвенного ножа, больших ножниц
или электрической машины для резки тканей, аналогичной при-
меняемым в швейной промышленности.
Затем тщательно смешивают заранее отмеренные количества
смолы и катализатора. Композицию можно наносить на стекло-
волокно как вне формы, так и внутри нее. Для полного удаления
воздуха и равномерности пропитки смолу наносят сначала на
участки стекловолокна в верхней части формы. Для уплотнения
материала по форме и удаления пузырьков воздуха используют
щетки, резиновые и зубчатые валики (или в некоторых случаях
мохеровые валики). Как уже отмечалось, смесь катализатора со
смолой можно наносить на стекловолокно распылителем, ко-
торый автоматически дозирует и смешивает компоненты.
Особое внимание следует уделять нанесению первого слоя
(часто это «кожица» из тонкой стекловуали или мата с развесом
229 г/м2), чтобы не допустить образования воздушных пузырьков
между армирующим стекловолокном и наружным смоляным слоем
(гелькоатом).
После этого уже можно наносить необходимое число слоев
мата и (или) тканого ровинга до достижения расчетной суммарной
толщины (и, следовательно, прочности). Слои мата и тканого
ровинга следует чередовать для обеспечения хорошей межслой-
ной прочности сцепления, предотвращения появления воздушных
включений и получения максимальной прочности.
На рис. 13.1 схематически показано расположение всех эле-
ментов стеклопластика при формовании ручной укладкой.
При использовании только стекломатов содержание стекло-
волокна должно быть 25 ... 35 %. Если VCB.M = 30 %, то соблю-
дается эмпирическое правило, согласно которому при развесе
мата 1375 г/м2 толщина ламината будет 3 мм (в табл. 13.13 пока-
зано, какое число слоев требуется для получения стеклопласти-
ков различной толщины).
50
13.13. Соотношение между числом слоев, массой стекловолокна и толщиной
стеклопластика
Армирующий материал (развес, г/м1) Ручная укладка при числе слоев 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 j 10 ( II 12 | 13 | 14 | 15 Толщина стеклопластика, мм
Мат (610) Тканый 1,5 2,8 4,5 6,0 7,6 9,2 10,8 12,3 13,9 15,5 17,0 18,6 20,2 21,8 23,3 0,9 1,8 2,8 3,7 4,7 5,7 6,7 7,6 8,6 9,6 10,5 11,5 12,4 13,4 14,4
ровинг (814)
Ткань (339) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,5 4,9 5,3 5,7 6,1
«Фэбмэт 1,9 3,8 5,7 7,6 9,5 11,4 13,3 15,2 17,1 19,0 21,0 22,9 24,8 26,7 28,6
2415» | Напыление
Масса сте- 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5
кловолокиа,
кг/м2
Толщина, 1,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 8,4 9,6 10,8 12,0 13,2 14,4 15,6 16,8 18,0
мм ___________________________________
Примечание. Толщина матов другого развеса будет пропорцио-
нальной.
13.14. Виды и причины появления брака и методы их устранения
при формовании ручной укладкой
Вид брака Причина появления Способы устранения
При отверждении Преждевременное отвержде-
образуются утол- ние
щенные жгуты или
нитевидные дефек-
ты
Образование мел-
ких и крупных
трещин
Волокнистая
структура: беспо-
рядочно торчащее
волокно из матов
или свитое наис-
кось волокно из
тканого ровинга
Причиной более крупных
трещин являются слишком
толстые участки смоляного
слоя, чрезмерное тепловы-
деление или утоненные ми-
крозоиы в стеклопластике.
Образование мелких тре-
щин происходит вследствие
ударов потока воздуха (спе-
реди или сзади)
Большое тепловыделение;
материал с грубым плете-
нием; волокно расположено
слишком близко к смоля-
ному слою
Емкости для смешения долж-
ны быть чистыми и ие иметь
остатков ранее приготовлен-
ных композиций для наруж-
ного смоляного слоя. Мож-
но использовать бывшие в
употреблении емкости
Обеспечить большую одно-
родность смоляного слоя и
хорошее смешение с ката-
лизатором; избегать случай-
ных ударов, вызывающих по-
вреждения
Проводить поэтапное отвер-
ждение стеклопластика, ис-
пользовать смолы с меиьшим
тепловыделением; уложить
дополнительный мат перед
тканым ровингом. Лучшим
способом является примене-
ние промежуточного слоя из
более жесткой смолы, арми-
рованной волокном «Витро-
стрэнд>
51
Продолжение табл. 13.14
Вид брака Причина появления Способы устранения
Стекание стекло-
пластика с верти-
кальных поверх-
ностей
Пузырьки
Слишком низкая вязкость
смолы; в смоле мало загу-
стители; высокаи темпера-
тура формы или помещения
Попадание воздуха в арми-
рующий материал после его
заливки смолой
Арки над участ-
ками с небольшим
радиусом кривиз-
ны в виде пере-
крытий и т. п.
Армирующий материал
слишком жесткий; радиус
кривизны ниже допустимого
уровня
Тонкие поверхно-
сти
Щели между перекрываю-
щими друг друга слоями
стекловолокна, вызываемые
их неправильной укладкой,
резкой иа слишком корот-
кие штапельки и другими
причинами
Волокна выступа-
ют изнутри через
наружный слой
Обычно этого ие удается
избежать, если маты яв-
ляются единственным ар-
мирующим материалом
Образование тре-
щин и обогащен-
ных смолой участ-
ков обычно иа дне
или в углублени-
ях
Коробление изде-
лия
Деформация из-
делия
Стекание смолы в толстых
слоях в нижние зоны, что
приводит к растрескиванию
вследствие тепловыделения
или слишком большого со-
отношения между смолой и
стекловолокном
Несбалаисироваииый слои-
стый пластик; у изделия
плоская поверхность
Недоотверждеиие в форме
Наиболее реальным путем
является увеличение содер-
жания загустителя в смоле
Ввести в смолу 0,2 % зеле-
ного пигмента, чтобы можно
было рассмотреть пузырьки;
более интенсивно обработать
слои щетками, резиновыми
или зубчатыми валиками; ес-
ли возможно, залить поболь-
ше смолы еще до введения
стекловолокна, так чтобы
смола вытеснила воздух со
диа формы
Подобрать мат или тканый
ровинг с лучшей смачивае-
стью или растворимостью;
использовать рыхлую шпат-
левку для заполнения зон
с небольшим радиусом за-
круглений перед введением
формуемого материала; из-
менить конструкцию формы
Устранить ошибки при ук-
ладке и резке; перед извле-
чением изделия из формы
нанести накладки иа уто-
ненные участки; попытаться
пропитать армирующий ма-
териал смолой перед его
укладкой в форму
Для образования последнего
слоя использовать ткань,
тканый ровинг или тонкий
мат с внутренней стороны;
после отверждения отшли-
фовать абразивной шкуркой
и нанести лакокрасочное
жидкое покрытие
Ввести в смолу больше загу-
стителя; до начала отвер-
ждения отжать избыток смо-
лы резиновым валиком из
точек, куда оиа стекает; вве-
сти дополнительное количе-
ство армирующего материала
Слои укладывать симметрич-
но; поверхность изделия сде-
лать слегка изогнутой
Обеспечить полное отвержде-
ние в форме
52
Продолжение табл, 13.14
Вид брака Причина появления Способы устраиеиия
Твердые включения
Растрескивание
около элементов
жесткости
Низкая ударная
прочность
Мало стекла; слишком боль-
шой изгиб
Смола, входящая в
состав стеклопла-
стика, медленно
отверждается
При прикатыва-
нии матов валики
захватывают во-
локна
Зависит от окружающей тем-
пературы
В углу, где элемент жестко-
сти соприкасается со стекло-
пластиком, сделать утолще-
ние
Перейти иа формование с
эластичной диафрагмой; вво-
дить больше нетканой и тка-
ной ровницы; применять эле-
менты жесткости или слои-
стую конструкцию
Варьировать
тализатора в
окружающей
количество ка-
зависимости от
температуры
Прошло мало времени после
отверждения смолы; испа-
рение стирола; прикатка
проводится слишком быстро
пр одолжитель-
Изменить
иость отверждения; отрегули-
ровать вентиляторы; окунать
валик в стирол или све-
жую смолу; уточнить техно-
логию прикатки
13-15. Типы смол, применяемых прн формовании способом ручной укладки
Тип смолы Свойства Область применения
На основе ортофтале- вой кислоты Большой модуль, низкая удар- ная вязкость, высокая твер- дость по Барколу, низкая стои- мость Неподвижные, негиб- кие конструкции об- щего назначения
На основе изофтале- Высокая ударная вязкость, Лодки, отделка ваи-
вой кислоты большая твердость по Бар- колу, быстрый цикл отвержде- ния, хорошая стабильность и прочность в мокром состоянии, повышенная химическая стой- кость ных комнат, строитель- ный материал, баки, плавательные бассей- ны
Химически стойкая, Обычно большая вязкость и Баки, трубы различ-
жесткая, иа основе медленное смачивание, высокая ных типов, вытяжные
бисфенола А стоимость (по согласованию с изготовителем) шкафы, ванны, буи- керы и т. п.
Химически стойкая, Нормальная вязкость; тиксо- Диища вибрируемых
эластичная, иа основе винилового эфира тропная, отверждаемая смола баков и коррозионно- стойкие наружные смоляные слои
На основе огиестой- Самозатухающая — ие поддер- Государственные за-
кнх га лондсо держа- живает горения, высокая стой- казы, строительные
щих полимеров мость (по согласованию с изго- товителем) материалы, спасатель- ные шлюпки
Эпоксидная Медленно пропитывает стекло, перед отверждением выделяет- ся теплота, хорошая стабиль- ность размеров, темный цвет Высокопрочная оснастка, авиационно- космическая техника
53
13.16. Системы катализатор — ускоритель — ингибитор для отверждения
при комнатной температуре полиэфирных смол
Тип и назиачеиие смолы Система, % Период отверждения при 21 ... 24 °C
до образо- вания геля, мин до достижения твердости по Барколу 35, ч
Для наружного Перекись метилэтилкетона 30 6—8 (или смоляного слоя (МЭК)— 1,5* (большое 30—45 мин (гелькоата) Нафтенат кобальта — 0,4** содержание при нанесении (дополнительные ускорите- наполни- поверх наруж- ли обычно не используются теля) ного смоля- из-за склонности к обес- ного слоя) цвечиванию) Для обычных смол Перекись МЭК — 1,0 32 6—8 Нафтенат кобальта — 0,4 Для быстро от- Перекись МЭК— 1,0 16 2—2,5 верждаемых смол Нафтенат кобальта — 0,4 Диметиланилин — 0,1 Перекись МЭК— 1,0 15 2—2,5 Нафтенат кобальта — 0,4 Четвертичная аммониевая соль — 0,1 Для чередующих- Перекись циклогексано- 30 6—8 ся смол, отвер- на ** — 1,0 ждающихся при Нафтанат кобальта — 0,4 комнатной темпе- Перекись циклогексано- 30 6—8 ратуре ла *** — 1,0 Перекись бензоила — 1,0 20 2 Диметиланилин — 0,1 Влияние ингиби- Перекись МЭК—1,0 оо оо тора Нафтенат кобальта — 0,4 Гидрохинон — 0,1
* В процентах иа 100 частей полиэфирной смолы.
* * Содержание металлического кобальта— 6 %.
* ** Перекиси этого вида дороже, чем перекись МЭК.
В стеклопластиках, полученных с использованием матов и
тканого ровинга, содержание стекловолокна находится в преде-
лах 35 ... 45 %, а при применении только ткани — около 50 %.
В табл. 13.14 перечислены виды брака и способы их устране-
ния при формовании методом ручной укладки, в табл. 13.15 —
типы смол, применяемых при этом методе формования, а
в табл. 13.16 — системы ускоритель — ингибитор, используемые
для отверждаемых при комнатной температуре полиэфирных смол.
На рис. 13.2 представлена зависимость продолжительности от-
верждения от температуры и содержания катализатора для стан-
дартных композиций полиэфирных смол.
54
Рис. 13.2. Типичные кривые зависи-
мости продолжительности отвержде-
ния t полиэфирных смол от температу-
ры Г и содержания катализатора — пе-
рекиси метилэтилкетона (ПМЭК):
1 - 0,3 %; 2 — 0,5 %; 3 — 1 % ПМЭК
t, мин
Ниже даны технологические характеристики смол и компози-
тов.
Продолжительность отверждения при комнатной температуре в присутствии
1 % перекиси метилэтилкетона — 10 ... 20 мин.
Продолжительность пребывания композиции в жидком состоянии с введен-
ным катализатором в присутствии 1 % перекиси бензоила:
при комнатной температуре — 1 ... 14 сут;
при 65 °C — 5 ... 30 мин;
смола при 82 °C — 1,5 ... 5 мии.
Стабильность при хранении без катализатора. Смола хранится в темном
помещении при 21 °C и периодически проверяется изменение продолжительности
ее отверждения при высокой температуре.
Химические изменения на начальной стадии. Старение смолы вызывает уве-
личение продолжительности отверждения на 25—50 %, что свидетельствует о том,
что введенный в смолу ингибитор перешел в процессе хранения в промежуточное
более активно ингибирующее вещество; по данным поставщика, период времени,
в течение которого может происходить это изменение продолжительности отвер-
ждения, может составить от 24 ч до 4 мес.
Химические изменения на последней стадии. Продолжительность отверждения
в дальнейшем начинает падать, приближаясь к нулю, до тех пор, пока все содер-
жимое емкости не отвердеет при комнатной температуре, так как имеющийся
в смоле ингибитор полностью исчерпался; период времени, в течение которого
происходит уменьшение продолжительности отверждения, составляет 4 ... 18 мес.
(по данным фирмы «Эллайд кемикал»).
13.5.5. Коррозионная стойкость композитов, полученных ручной
укладкой
13.5.5.1. Стандартный коррозионно-стойкий слоистый пластик
СВКМ, имеющий коррозионно-стойкую структуру, состоит
из различных слоев стекломата и (или) тканого стекловолокна,
пропитанных тщательно подобранной коррозионно-стойкой смо-
лой. Как показал опыт, определенная последовательность слоев,
принятая в настоящее время в качестве стандарта, обеспечивает
максимальную коррозионную стойкость.
Первый этап работы заключается в проведении операций, при-
водящих к тому, что обогащенный смолой слой оказывается на
поверхности, подвергающейся коррозионному воздействию. С этой
целью на эту поверхность наносят слой смолы, полностью про-
питывают и капсулируют поверхностным покрытием, так чтобы
волокна не выходили наружу. Это покрытие толщиной 0,25 ...
55
0,5 мм (в зависимости от интенсивности воздействия коррозион-
ной среды) получают из С-стекла, дайнела или дакрона (содержа-
ние смолы ~90 %).
На обогащенный смолой поверхностный слой наносят два
слоя стекломатов из /(-стекла (развесом 458 или 610 г/м2) и тща-
тельно пропитывают коррозионно-стойкой смолой, получая ма-
териал, состоящий из 70 % стекла и 30 % смолы. На эти два слоя
стекломатов последовательно укладывают слои матов, ткани или
тканого ровинга до достижения необходимой толщины материала.
Каждый слой пропитывают смолой и прикатывают для обеспече-
ния полной пропитки волокон и вытеснения пузырьков воздуха.
Надо принимать определенные меры для соблюдения постоян-
ной толщины стеклопластика при незначительных изменениях со-
отношения между стеклом и смолой. Особое внимание следует
уделять тому, чтобы площадь плохо смоченных (сухих) поверхно-
стей была минимальной и, наоборот, не было бы чрезмерно обога-
щенных смолой участков. В стеклопластике должно быть как
можно меньше воздушных пузырьков и вообще не должно быть
посторонних включений. Поверхности должны быть равномерно
гладкими, без каких бы то ни было трещин и покрыты наружным
кроющим слоем смолы для защиты всех армирующих волокон.
13.5.5.2. Контроль коррозионно-стойких структур
Визуальный осмотр является одним из наиболее простых и
эффективных методов определения эксплуатационной надежности
слоистого пластика. В некоторых случаях по внешнему виду
нельзя судить о пригодности изделия. Однако существуют от-
дельные легко выделяемые дефекты, которые действительно влияют
на эксплуатационные свойства. Визуальная идентификация та-
ких дефектов в ряде случаев позволяет обойтись без некоторых
сложных методов контроля (таких как испытания на растяжение
и сжатие и определение содержания стекловолокна способом вы-
жигания смолы) и предотвратить разрушение изделия при экс-
плуатации.
Поместив источник света позади стенки или секции из неокра-
шенного стеклопластика, контролер может визуально судить об
однородности материала и определить наличие пузырьков воздуха,
не пропитанных смолой участков, внутренних трещин и других
дефектов, вызывающих ослабление конструкции.
Состояние поверхности — еще один фактор, определяющий
качество стеклопластика. Гладкая точная поверхность является
обычно признаком хорошего, равномерно отвержденного мате-
риала. Места выхода волокон на подвергающуюся коррозионному
воздействию поверхность являются точками, где происходит раз-
рушение защитного слоя композита, обеспечивающего коррозион-
ную стойкость всей конструкции. Пряди выступающих волокон
также свидетельствуют о вероятности отсутствия покровного
слоя.
56
Промышленные нормали часто Предусматривают вырубку об-
разца материала из готового изделия (от кромок, отверстий) для
испытаний. По поперечному разрезу можно судить о глубине
поверхностного слоя, форме и строении слоистого пластика. При
этом сразу можно заметить наличие напряженных зон по распо-
ложению внутренних трещин. Изучение поперечного разреза
позволяет также оценить качество соединения слоев, степень
пропитки волокон, расположение покровного мата и толщину
защитного обогащенного смолой слоя.
Определение твердости по Барколу используется только для
измерения относительной твердости образцов, полученных из
одной и той же смолы. Результаты теряют смысл при сравнении
различных типов смол, потому что каждый полиэфир имеет свою
собственную характерную для него твердость. Если твердость по
Барколу слоистого пластика ниже средних значений, определен-
ных для хорошо отвержденных структур из той же смолы, имею-
щих такую же конструкцию, то сразу можно предположить, что
материал отвержден не полностью, и, следовательно, имеет
плохую коррозионную стойкость.
13.5.6. Нанесение покрытия напылением
Измельченное стекловолокно и смола одновременно вводятся
в открытую форму или на нее. Ровинг стекловолокна проходит
через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который
направляется в форму распылительной системой с наружным
(случай 1) или внутренним (случай 2) смешением компонентов
(рис. 13.3):
1) одна распылительная головка впрыскивает смолу, предва-
рительно смешанную с катализатором, или только катализатор,
в то время как вторая головка впрыскивает заранее полученную
смесь смолы с ускорителем;
2) смола и катализатор подаются в смесительную камеру рас-
пылителя позади единственной распылительной головки.
В обоих случаях полимерная композиция предварительно
покрывает стекловолокно, и объединенный поток равномерно
распыляется оператором в форме по заданной схеме.
После введения в форму смеси смолы со стекловолокном обра-
зовавшийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха,
Рис. 13.3. Безвоздушная
система напыления с дву-
мя емкостями:
/ — ровинг; 2 — смола с ка-
тализатором; 3 — рубильное
устройство; 4 — смола с ус-
корителем; 5 — уплотненный
слой; б — валик; 7 — форма
57
уплотнения волокон и получения гладкой поверхности. Техно-
логия отверждения и обрезки кромок аналогична применяемой
при формовании ручной укладкой.
13.5.6.1. Методы контроля процесса
Гарантия хорошего качества продукции при формовании руч-
ной укладкой и напылением достигается тщательным входным
контролем и проверкой применяемых компонентов, контролиро-
ванием всех стадий технологического процесса оператором, ос-
мотром и испытанием готовых изделий. Поскольку метод напыле-
ния представляет собой фактически автоматизированный вариант
метода формования ручной укладкой, к нему полностью относятся
все рекомендации, касающиеся правильной и достаточной при-
катки материалов, концентрации катализаторов, обрезки кромок
и продолжительности отверждения.
Так как качество готового продукта непосредственно связано
и с квалификацией рабочих, необходимо использовать также до-
полнительные методы контроля.
Состав композита и его толщина зависят от соотношения коли-
честв стекловолокна и смолы. Следовательно, надлежащий кон-
троль поступающего сырья является одновременно и способом
контроля получаемой продукции.
Калибровка распылителя — контроль времени напыления (если распыли-
тель отрегулирован на определенное соотношение смола — стекловолокно, напы-
ление материала в течение заданного времени будет определять общую произво-
дительность распылителя):
1. Напылять смолу (без катализатора) в течение 15 с в пластмассовый мешок.
2. Напылять стекловолокно в течение 15 с в другой мешок.
3. Взвесить оба мешка, установить реле времени со звонком.
Определение массы использованного стекловолокна (толщина слоя стекла
является функцией его массы, приходящейся на единицу площади):
1. Положить кипу ровиига на весы.
2. Отвесить необходимое количество стекловолокна.
Прямые методы измерения'.
1. Напылить материал и измерить толщину.
2. Отвесить необходимое количество стекловолокна.
3. Выжечь смолу, чтобы определить состав покрытия.
Контроль однородности:
1. Для того, чтобы оператор визуально мог определить, насколько гладким
и однородным получилось покрытие, применяется «красный» индикатор.
2. Конфигурация (оператор определяет участок поверхности, на который
напыляется материал).
3. Скорость работы распылителя и его расстояние до поверхности формы
должны оставаться постоянными.
4. Настройка распылителя — регулирование соотношения потока рубленого
стекловолокна и струи смолы.
13.5.7 . Оборудование для напыления
13.5.7.1 . Определения
В состав установки для напыления (рис. 13.4) вх-одят устрой-
ства для подачи смолы и катализатора по шлангам к распылителю,
который диспергирует смолу, катализатор и рубленое волокно
58
(обычно стеклянное) на предвари-
тельно подготовленную поверх-
ность, в результате чего форми-
руется слоистый пластик. Обору-
дование состоит из следующих
групп:
насосы для смолы и (или) ка-
тализатора;
нагнетательные баки для ка-
тализатора;
нагнетательные баки для рас-
творителей, применяемых при
промывке;
рубильное устройство для ар-
мирующего’ материала;
различные регуляторы подачи
воздуха и измерительные приборы;
стреловой кран и подвижная
тележка или шасси;
различные шланги для подачи
материалов;
распылительное устройство для
диспергирования материалов.
Рис. 13.4. Установка для напыления
ровинга и (или) смолы:
1 — микровыключатель; 2 — звонок
13.5.7.2 . Насосы
Применяются только пневматические насосы с принудитель-
ной подачей жидкости, подача и давление в которых устанавли-
ваются с помощью воздушного редуктора. Большинство насосов
являются усовершенствованными вариантами автоматических на-
гнетателей пластичной смазки и отличаются от них наличием уп-
лотнений из тефлона (тип фторопласта) и вайтона (сополимера
перфторпропилена с винилиденфторидом), сальников и прокладок
в узлах, через которые проходят все термореактивные жидкие
смолы и растворители, а также деталей из легированных сталей,
контактирующих с обычными катализаторами. Подача насосов
зависит от размера выпускного отверстия распылителя. Большин-
ство насосов для смол сконструировано таким образом, чтобы они
проходили через наливное отверстие стандартной бочки емкостью
200 л. В последних же конструкциях насосов предусмотрен вса-
сывающий шланг с удлиненным концом, который через наливное
отверстие просто опускается в бочку со смолой, что позволяет
жестко крепить насосы к стреле крана и подвижной тележке.
Для подачи катализаторов применяются насосы двух типов:
поршневые и перистальтические (пульсирующие), рассчитанные
на обеспечение концентрации катализатора в интервале 0,75...
8 %. Поршневые насосы применяются двух типов: «Венус» и
«Бинкс».
59
Насос типа «Венус» является обычным поршневым насосом,
который непосредственно связан буферной штангой с валом
насоса для подачи смолы. Каждый его ход сопровождается ходом
насоса для катализатора, благодаря чему такая система обеспе-
чивает очень точное соотношение катализатора и смолы.
Насос типа «Бинкс» представляет собой сильфонный агрегат
(т. е. работает как поршневой, но не дает утечки жидкости),
который приводится в действие пневматическим двигателем.
Количество поступающего катализатора фиксируется расходоме-
ром и контролируется регулированием давления воздуха в дви-
гателе. Последний работает по сигналу от пускового устройства
на распылителе.
Перистальтический насос типа «Гласкрафт» — это петлеобраз-
ный шланг, зажатый валиками, которые могут уменьшать его
поперечное сечение, тем самым втягивая катализатор и обеспечи-
вая его сравнительно плавное течение. Насос приводится в дей-
ствие пневматическим насосом, причем конструкция остальных
узлов системы такая же, как насоса типа «Бинкс».
Насосы типов «Бинкс» и «Гласкрафт» подают катализатор под
давлением менее 0,5 МПа и втягивают его непосредственно из
расходной емкости так же, как и насос типа «Венус». Помимо
сокращения времени транспортировки перекачивание катализа-
тора прямо из тары, в которой его отгружает поставщик, сводит
к минимуму опасность загрязнения и проливания.
13.5.7.3 . Напорные баки для катализаторов
В большинстве систем для напыления используются напор-
ные баки для диспергирования катализаторов, представляющие
собой наиболее дешевое и эффективное оборудование, подающее
катализатор в сопло распылителя. Однако у этого метода есть
два недостатка.
1. Находящийся под давлением катализатор может представ-
лять опасность для рабочих. Проливание вещества при заполне-
нии напорных баков увеличивает риск поражения кожи и глаз,
а также возможность взрыва. Инструкции изготовителя по тех-
нике безопасности должны неукоснительно соблюдаться.
2. Трудно обеспечить точный контроль содержания катализа-
тора в композиции. Если его количество отличается от заданного
значения, может произойти переотверждение или недоотвержде-
ние материала. Между подачами насоса для смолы и напорного
бака нет прямой взаимосвязи.
13.5.7.4 . Напорные баки для растворителей
Эти баки имеют очень простую конструкцию, обычно регули-
руются с помощью газового редуктора и подают растворитель
в распылитель по шлангу. Промывные системы используются
только в распылителях с внутренним смешением типа «Венус»,
«Гласкрафт», «Поликрафт» и т. п.
60
13.5.7.5 . Рубильные машины
Эти установки предназначены для приема стеклянного ровинга
и рубки его на отрезки длиной 12 ... 50 мм. Машины обычно при-
водятся в действие небольшими пневматическими двигателями,
скорость которых регулируется клапанами, а выходящий газ, как
правило, подается в камеру рубильного устройства, способствуя
тем самым продвижению рубленого ровинга к выходящему из
сопла потоку смолы и катализатора. Рубильное устройство со-
стоит из двух валов, один из которых (называемый прикатываю-
щим) — резиновый или полиуретановый, а второй (называемый
резательным) сделан из алюминия и имеет прорези для крепления
коротких отрезков бритвенных лезвий типа «Шик». Оба вала при-
водятся в движение пневматическим двигателем, а стекловолокно,
попадая в зазор между ними, разрезается, после чего вдувается
в поток смолы и вместе с ним попадает на поверхность формы.
13.5.7.6 . Редукторы и измерительные приборы
Так как все системы для напыления приводятся в действие
воздухом, единственным способом варьирования их производитель-
ности является использование редукторов и измерительных при-
боров.
Большинство редукторов, являющихся простыми серворегуля-
торами, основано на протекании воздуха мимо игольчатого или
подъемного клапана, который регулируется находящейся под
действием пружины диафрагмой. До тех пор, пока детали прибора
находятся в хорошем состоянии, регулирование давления воздуха
(и подачи) осуществляется с большой точностью. Измерительные
приборы контролируют давление воздуха на входе и выходе и
обеспечивают правильный ход работы, но раз в год их необходимо
сверять с эталонным прибором.
13.5.7.7 . Стреловой кран и подвижная тележка
Большинство систем являются съемными, причем тележка
(шасси) имеет четыре колеса, из которых два управляемых. На
ней установлены бак со смолой и стойка, к которой крепятся на-
сосы, измерительные приборы, редукторы и подставки для ем-
костей с катализатором и ровницей. Стреловые краны различных
изготовителей оборудования имеют разную конструкцию, но их
объединяет общая функция — удерживать распылитель, чтобы
уменьшить усталость оператора и при этом обеспечить макси-
мальную свободу перемещения. Краны отличаются друг от друга
общей длиной стрелы и сложностью конструкции.
13.5.7.8 . Шланги
Шланги являются очень важным элементом оборудования.
Они должны выдерживать высокие давления и обладать стойко-
стью к агрессивным химическим веществам, включая термореак-
61
Рис. 13.5. Разновидности распылителей:
а — с наружным смещением, типа 3 («Джонсон»): 1 — катализатор; 2 — рубленое волокно;
3 — полиэфир; б, в — с безвоздушным наружным смешением соответственно типа 1
(реактивный конус) и типа 2 (стекломат)
тивные смолы, растворители и катализаторы. Шланги должны
выдерживать многократные скручивания и сдавливания и при
этом обеспечивать транспортировку смол под давлением 3,4 ...
6,9 МПа.
Большинство шлангов футеруют тефлоном, вайтоном или по-
ливинилфторидом и защищают высокопрочной наружной оплет-
кой и стойкой к истиранию оболочкой.
13.5.7.9 . Распылительные устройства
Применяемые распылительные системы в основном аналогичны
друг другу во всех отношениях, кроме конструкции самого рас-
пылителя. Существует множество разновидностей распылителя,
наиболее типичными из которых являются следующие: с наружным
смешением; с безвоздушным наружным смешением; с воздушным
внутренним смешением; с безвоздушным внутренним смешением;
система с двумя баками.
Распылитель с наружным смешением (рис. 13.5, а) имеет че-
тыре сопла (форсунки): два для смолы и два для распыляемого
воздухом катализатора. Все сопла располагаются в углах ква-
драта с отверстием в середине, через которое вдувается рубленое
стекловолокно. Оно обволакивается смолой и катализатором,
благодаря чему очень малы потери. Рубильное устройство кре-
пится к корпусу распылителя, и для регулировки потока стекло-
волокна нет другого способа, кроме изменения подачи воздуха
в канал для его прохода перед распылителем. Распылитель не
должен промываться растворителями, но переднюю стенку его
корпуса надо отмывать от брызг смолы и катализатора по окон-
чании длительной работы. Это особенно важно, если распылитель
подносили очень близко к поверхности или напыление произво-
дили в углубления, откуда можно ожидать обратных ударов.
Известно несколько вариантов распылителя, работающего по
принципу безвоздушного наружного смешения (рис. 13.5, бив).
62
Рис. 13.6. Различные варианты оборудования для напыления:
а — с внутренним смешением и воздушным распылением (типа «Гласкрафт»); б — с без-
воздушным внутренним смешением (типа «Венус»); в — с наружным смешением и двумя
потоками материала (типа «Венус» и «Биикс»); 1 — 3 — смесь смолы соответственно с ката-
лизатором н воздухом; с катализатором; с ускорителем
Катализатор поступает в сопло из нагнетательного бака, и его
поток дозируется под давлением, достаточным для распыления
катализатора без помощи воздуха. Разработаны различные схемы
расположения сопла для катализатора относительно сопла для
смолы. В одном варианте сопло для катализатора располагается
посредине между двумя соплами для смолы, выходящей из них
под таким углом, чтобы поток катализатора сливался с потоками
смолы на расстоянии 150 мм от распылителя. Во всех таких рас-
пылителях с одним или двумя соплами для смолы рубильное
устройство монтируется на верхней части распылителя, и поток
стекла попадает в точку слияния смолы с катализатором с точ-
ностью, зависящей от правильности настройки рубильного устрой-
ства. Системы с безвоздушным наружным смешением не нужда-
ются в промывке растворителем, но сопла необходимо промывать
по окончании всей работы и в конце каждого рабочего дня.
Распылители с воздушным внутренним смешением (рис. 13.6, а)
типа «Гласкрафт» используются сейчас наиболее часто. Смешение
воздуха, катализатора и смолы происходит во внутренней ка-
мере перед впрыском смолы в форму. Рубленое волокно вдувается
в верхнюю часть смесительного вентилятора, причем потери
некоторого количества волокна неизбежны. Воздух, смешанный
с катализатором и смолой, может образовывать поры в слоистом
пластике, и при использовании таких распылителей трудно полу-
чить хорошие покрытия в глубоких выемках и гнездах формы
вследствие отскоков и потери скорости рубленых волокон при
срыве потока. Более того, в первых конструкциях смесь воздуха
с катализатором подавалась в распылители из карбюратора на-
порного бака для катализатора. Когда такой распылитель вновь
запускали в работу после непродолжительного перерыва, частички
катализатора, осевшие в нижних участках шланга, могли вду-
ваться через распылитель в первые порции материала. В резуль-
тате из-за превышения концентрации катализатора могли появ-
ляться точки, где реакция шла слишком быстро, что приводило
к появлению брака. Поэтому такие распылители надо было очи-
63
Рис. 13.7. Варианты компоновки распылителей
щать от остатков катализатора перед пуском в работу, а эта про-
цедура не только вызывала потерю большого количества дорогих
катализаторов, но и вообще была опасной. В более поздних кон-
струкциях карбюратор стали устанавливать на распылитель,
благодаря чему эта проблема отпала. В таких распылителях
должен быть клапан для подачи растворителя, которым отмы-
вают камеру внутреннего смешения от смолы и катализатора.
Несмотря на эту меру, в конце каждого рабочего дня рекомен-
дуется вынимать сопло и внутренний перемешивающий элемент
и промывать камеру растворителем.
В распылителе с безвоздушным внутренним смешением
(рис. 13.6, б) (типа «Венус») находящиеся под давлением катали-
затор и смола подаются во внутреннюю смесительную камеру,
а затем поступают в сопло под большим давлением (>5,5 МПа).
Для чистки смесительной камеры после каждого цикла напы-
ления имеется клапан, через который подается растворитель.
Рекомендуется в конце рабочего дня вынимать внутренний пере-
мешивающий элемент и сопло и повторно промывать камеру.
Особенностью такого распылителя с безвоздушным внутрен-
ним смешением по сравнению с распылителями других типов
является то, что в нем может быть статическая мешалка (типа
«Кеникс») для накачивания смеси материала в закрытую форму
под давлением (литьевое прессование смолы). Такой распылитель
используется также для переработки фурановых смол с 8 %-ным
64
кислотным катализатором и химически стойких полиэфирных смол
на основе бисфенола А с жидкой перекисью бензоила в качестве
катализатора. Этот распылитель может быть оборудован клапа-
нами с пневматическим или масляным приводом. Выпускаются
распылители большого размера для массового производства из-
делий. Рубильное устройство монтируется на верхней части рас-
пылителя и подает рубленое стекловолокно на вентилятор для
смолы и катализатора, что приводит, однако, к небольшим по-
терям волокна. Смесительная головка представляет собой блок
из коррозионно-стойкой стали, благодаря чему ее можно восста-
навливать выжиганием при закупорке отвержденной смолой.
Другие распылители с внутренним смешением имеют алюминиевые
детали, поэтому их нельзя восстанавливать выжиганием.
Системы с двумя баками (безвоздушные) (рис. 13.6, в) имеют
два сопла, сконструированных таким образом, что потоки мате-
риала сливаются на расстоянии около 150 мм перед ними. Рубиль-
ное устройство смонтировано на верхней части системы и отре-
гулировано так, чтобы рубленое волокно попадало в точку слия-
ния потоков с минимальными потерями. Распылители этого типа
работают под давлением 2,7 ... 7,5 МПа и имеют наиболее простую
конструкцию, так как волокна улавливаются двумя потоками
материала. Они не нуждаются в промывке, потому что смешение
компонентов происходит высоко в воздухе. Их можно просто
выключить в конце работы и на следующий день они готовы к упо-
треблению — особенность, характерная исключительно для рас-
пылителей с двумя баками (рис. 13,7).
13.5.8 . Обрезка, зачистка, сверление и сборка
13.5.8.1 . Обрезка и зачистка кромок
В зависимости от требований к качеству и точности конфигу-
рации кромок изделий из стеклопластиков, полученных формо-
ванием в форме открытого типа, применяют различные методы
обрезки и зачистки.
Большинство этих методов основано на использовании ноже-
вых устройств. При отверждении изделий из композиций с пра-
вильно подобранным катализатором в конце стадии желатиниза-
ции имеется короткий отрезок времени, когда слоистый пластик
становится твердым, нелипким, кожеподобным. Именно в этот
критически короткий временной интервал можно обрезать кромки
отформованного изделия острой бритвой или специальным ноже-
вым устройством.
Если кромки детали обрезают слишком рано, волокна могут
проткнуть еще липкую смолу и образовать пучки. Если же об-
резку проводить слишком поздно, деталь уже становится на-
столько твердой, что все усилия окажутся тщетными (в таком
случае приходится шлифовать или отпиливать кромки, что свя-
зано с большими затратами времени и образованием пыли).
3 П/р Дж. Любаша 65
Если обрезку и зачистку изделий предполагают проводить
внутри формы, это должно быть учтено при ее конструировании.
Форма должна иметь периферический фланец, перпендикуляр-
ный к отформованной поверхности и по высоте точно равный
высоте готового изделия.
Способы обрезки и зачистки деталей после формования, по-
лученных укладкой вручную или напылением, аналогичны при-
меняемым при других методах формования стеклопластиков.
Однако, поскольку лишь с одной стороны изделий формуется
гладкая поверхность, центровку и замеры следует проводить
именно от этой поверхности.
Для обрезки кромок с высокой скоростью надо применять ре-
зательные ножи из твердых сплавов, карбида кремния или ал-
маза. Зазубренные ножи для этой цели не годятся. Если деталь
имеет наружный смоляной слой, необходимо принимать меры,
чтобы он не отслоился (использовать более тонкие ножи).
Рабочий всегда должен надевать специальные устройства для
защиты глаз. Необходимо также носить респираторные маски,
если не производится отсос пыли непосредственно от рабочего
места.
Для обрезки и зачистки обычно применяют следующие ин-
струменты: быстроходную пневматическую или электрическую
фрезерную машину, поперечно-строгальный станок, подвесную
фрезерную машину, ленточную пилу, электрическую дисковую
ручную пилу, пилу, совершающую возвратно-поступательное
движение, т. е. механическую ножовку, пилу со столом, дисковую
шлифовальную машину и 178-мм электрическую или пневматиче-
скую ленточно-шлифовальную машину.
Для обрезки и зачистки изделий их размечают по шаблонам
или с помощью обычных разметочных приспособлений, про-
царапывая линию отпила, и, освободив таким образом руки,
отпиливают отформованные кромки.
13.5.8.2 . Сверление отверстий
Для сверления не требуется специальное оборудование, но
часто применяют твердосплавные сверла и пневматические дрели.
При получении точных отверстий большого размера применяют
сверление и зенкерование инструментом с направляющей цапфой.
Для очень больших отверстий используют однозубую трепани-
рующую фрезу или обычную пилу для вырезания отверстий.
Разметку отверстий со свободным допуском выполняют с по-
мощью чертилок или винтов по детали. Для отверстий с жестким
допуском применяют кондукторные приспособления с направ-
ляющими втулками, специальные наладки или же сверлят от-
верстия с обратной стороны через детали, сопрягаемые с обраба-
тываемой.
66
13.5.8.3 . Соединение деталей
Для крепления деталей механическими способами применяют
болты и винты (такие же, как для деталей из листовых металлов),
«односторонние» крепежные изделия (например, полые заклепки)
или обычные с вытяжным стержнем заклепки.
Соединить детали можно с. помощью различных клеев, как кон-
струкционных (эпоксидных или акриловых) или герметиков
(нолисульфидных или силиконовых), так и применяемых для при-
хватки сопрягаемых деталей перед их формованием методом ук-
ладки слоев стекловолокна и смолы.
Перед окрашиванием, склеиванием или наслаиванием любыми
методами сопрягаемые поверхности деталей должны быть соответ-
ственно подготовлены (зачищены абразивной шкуркой) и очищены
or остатков разделительной смазки для форм, грязи и жировых
пятен. Если на детали должно быть нанесено лакокрасочное по-
крытие, можно применять водорастворимую или внутреннюю
разделительную смазку для форм.
13.5.9 . Ремонт изделий из композитов
Основной принцип, на котором строится проведение ремонта
изделий, полученных формованием ручной укладкой или напыле-
нием, заключается в том, что качество ремонта зависит от подго-
товки и чистоты соединяемых поверхностей исходного и исполь-
зуемого для ремонта (нового) материалов.
При ремонте, изделий из реактопластов (полиэфирных, эпок-
сидных и фурановых смол) надо быть уверенным в том, что ад-
гезионные свойства смолы обеспечат склеивание нового и ре-
монтируемого стеклопластиков. Поэтому необходимо очень тща-
.ельно подходить к подготовке склеиваемых поверхностей. Так
как предел прочности при растяжении равен P/А, нужно чтобы
площадь склеиваемой поверхности (А) была максимально большой
для снижения удельного напряжения в клеевом шве. Например,
если надо заклеить прокол в корпусе лодки со стенкой толщиной
5 мм, то оптимальный диаметр шлифуемого участка поверхности
вокруг отверстия должен быть в 10--12 раз больше толщины кор-
пуса, т. е. 60 ... 70 мм. Этот шлифуемый участок должен быть ско-
шен от края отверстия и его толщина должна сравняться с толщи-
ной изделия на расстоянии 60 ... 70 мм от прокола (рис. 13.8, а).
Более того, шлифовать поверхность надо очень осторожно,
1ак чтобы скос был равномерным по всей окружности обрабаты-
ваемой поверхности. Если корпус сделан из многослойного мате-
риала, след пучков ровинга часто используется в качестве кон-
турной линии (как на карте), так как каждый слой имеет опре-
деленную толщину, а расстояние между этими контурными ли-
ниями определяет наклон обработки режущим инструментом.
Если эти линии расположены параллельно и на одинаковом
расстоянии друг от друга, то обработка поверхности будет равно-
67
60... 10
60... 70
мерной, а качество ремонта — хорошим. Если же расположение
линий такое, как на рис. 13.8, б, то отремонтированный участок
может разорваться, потому что напряжения не будут равномерно
распределены по его поверхности, давая максимум в точке наи-
большего сближения линий, откуда и начнется разрушение из-
делия.
Чистота поверхности — исключительно важный фактор при
ремонтных работах. Все слои материала даже через день после фор-
мования могут иметь посторонние включения, например осев-
шие из воздуха взвешенные мельчайшие частицы различных ве-
ществ. Единственный надежный путь, предотвращающий загряз-
нение ремонтируемых участков, — проведение ремонта немед-
ленно после подготовки их поверхности. Если ремонт почему-
либо нельзя выполнять сразу же после подготовки детали, т. е.
после ее шлифования или пескоструйной обработки, то обрабо-
танную поверхность надо просто закрыть бумагой, но при этом
не прикасаться к ней.
68
Различают два основных типа ремонта: косметический и кон-
струкционный. Косметический ремонт заключается в выполнении
сравнительно простых операций по замене наружного смоляного
слоя (гелькоата) с последующим восстановлением формы детали
и полированием методами, аналогичными применяемым в мастер-
ских, где производится окрашивание автомобилей. Конструк-
ционный ремонт уникален, так как в каждом случае возникают
свои трудности, требующие различной последовательности опе-
раций и подхода. Но, безотносительно к этим различиям, новый
материал всегда приклеивают к старому (исходному) сте-
клопластику, соблюдая при этом правила подготовки поверх-
ностей.
Хороший ремонт может быть выполнен заменой слоев ткани
или ровинга (рис. 13.8, в). По общему признанию, такой ремонт
выглядит логичным: удаление сместившегося куска материала и
укладка его на старое место в такое же положение, какое было
до повреждения. Такой ремонт описан в технической литературе,
но при этом прочность отреставрированного участка оказывается
значительно ниже исходной. Лучший способ проведения конст-
рукционного ремонта заключается в использовании куска нового
материала, который должен быть введен в исходное изделие та-
ким образом, чтобы прочность соединения была максимальной.
Другими словами, новый материал должен быть уложен парал-
лельно поверхности (рис. 13.8, г), так как в этом случае удается
почти полностью избежать трудностей, связанных с неравномер-
ным распределением смолы и отсутствием непрерывности в по-
граничном слое. Если заплата необязательно должна быть за-
делана заподлицо, можно рекомендовать закрыть поврежденный
участок накладкой с напуском, сведя на конус выступающие
края материала.
Максимальная прочность отремонтированных участков тре-
буется в тех случаях, когда поверхность изделия находится под
большим напряжением или сильно вибрирует, т. е. одной ад-
гезионной прочности смолы может оказаться недостаточно и
тогда применяют «анкерные винты» (рис. 13.8, д). При таком ре-
монте обычно шлифуют поверхность с уклоном от 10 : 1 до 12 : 1.
Затем, как показано на рисунке, на наклонной поверхности де-
тали просверливают несколько направляющих отверстий под
винты, которые обычно применяют для крепления листовых ме-
таллов. После этого поверхность смачивают смолой и покрывают
несколькими слоями пропитанных смолой стекломата и стекло-
ткани. Вставляют винты в отверстия, но не затягивают их, а
заполняют полость оставшимся количеством стеклопластика.
После отверждения ремонтируемый участок полируют до тех пор,
пока его поверхность не сравняется с поверхностью всего исход-
ного стеклопластика, и покрывают смесью смолы с катализато-
ром и еще одним слоем стекломата, выступающего на 50 ... 80 мм
за края заплаты. В тех случаях, когда таким способом ремонти-
69
руют ту сторону изделия, которая покрыта наружным смоляным
слоем, для отделки используется оборудование, применяемое при
ремонте кузовов автомобилей.
13.5.10 . Окончательный косметический ремонт и окрашивание
Для отделки деталей, полученных формованием ручной ук-
ладкой и напылением, применяется то же оборудование, что и
при обработке кузовов и крыльев автомобилей. Однако между
нанесением лакокрасочного покрытия на автомобильный кузов
и покрытием гелькоатом или окрашиванием изделия из слоистого
пластика имеется одно существенное различие, заключающееся
в том, что в первом случае покрытие «высушивается» благодаря
испарению растворителя, а во втором «отверждается» в резуль-
тате сшивания полимерных макромолекул.
Качество «отверждающихся» покрытий в последние годы зна-
чительно улучшилось, и сейчас многие изделия из слоистых
пластиков, получаемые формованием с ручной укладкой и (или)
напылением, грунтуют, а затем окрашивают напылением поли-
эфирной, полиуретановой или эпоксидной смолы, полностью
переходящей в твердое состояние под действием отверждающих
агентов. Одна фирма прессует ванны и окрашивает их полиурета-
новыми смолами. Некоторые судостроительные фирмы пришли
к выводу, что удобнее всего формовать корпуса без наружного
смоляного слоя, а затем, после их соответствующей обработки,
на заключительном этапе нанести окрашенное покрытие. Это поз-
воляет избежать многих проблем, связанных с нанесением доро-
гого наружного смоляного слоя, и предотвратить образование
дефектов, которые можно заметить только после извлечения из-
делия из формы (и после того, как масса уже выполненной работы
окажется сделанной впустую).
13.5.11 . Заключительные отделочные операции
После отверждения последнего наружного смоляного слоя из-
делия шлифуют, используя последовательно несколько все более
тонких абразивных материалов зернистостью от 150 до 400 и
даже 600. Начиная от зернистости 200, применяют мокрое шлифо-
вание и промывают поверхность струей жидкости в количестве,
достаточном для предотвращения образования царапин. Следую-
щая операция — глянцевание — осуществляется при слабом при-
жатии к отшлифованной поверхности войлочного полировального
круга, шаржированного пастой крокуса. Затем, когда в резуль-
тате глянцевания поверхность становится блестящей, ее промы-
вают, сушат и парафинируют.
13.6. Поставщики материалов и оборудования
Производство армированных волокном композитов (АВКМ)
является одной из наиболее быстро растущих отраслей промыш-
ленности в США. Многие компании откликнулись на призыв
70
поставлять сырье и оборудование для удовлетворения нужд
этого растущего производства. Ниже приводится перечень ма-
териалов, применяемых при формовании ручной укладкой и на-
пылением, и несколько основных поставщиков каждого из них
(за отсутствием места в список не включены все поставщики, свя-
занные с производством слоистых пластиков).
Ускорители-. «Эподжи продакт» (отделение фирмы «Эм энд ти кемикалз»), «Рэм
кемикалз манюфекчуринг», «Уитко кемикал».
Катализаторы: «Балтек» («Контуар кор»), «Лусидол» (отделение фирмы
«Пеиуолт»), «Нури кемикалз», «Ю. С. Пероксиджеи».
Наполнители: «Кабот», «Кэлсиам карбонат», «Фрипорт кейолин», «Филадел-
фиа куортс» (стеклянные шарики, микросферы «Ку-селл»), «Поттере индастриз»
и «ЗМ» (стеклянные шарики), «Мэриэтта рисорсиз Интернешнл» (слюда «Сузо-
рит»), «Майкро матиариалз» («Майкро-Микс»).
Материалы для подготовки форм.
Моющие составы: «Коста кемикалз» (жидкий очиститель «Формула 5»),
«Миррор брайт полиш» (автомобильный очиститель «Миррор глэйз»).
Смазки для форм — пастообразный парафин: «Миррор брайт полиш» (авто-
мобильный парафин «Миррор-глэйз»), «Спешиалти продакте» («Хонивэкс»).
Смазки для форм — жидкие: «Контуар кемикал» (поливиниловый спирт),
«Файбергласс кемикал» (жидкий парафин «Оскаре 500»), «Фрекоут» (силаны, не со-
держащие кремний соединения типа «Эф-эрпи» и 44), «Спешиалти продакте»
(жидкий «Хаии вэкс», поливиниловый спирт, внутренние смазки), «Эм энд эйч
Лаборатриз».
Полиэфирные смолы для гелькоата: «Кук пэйнт энд варниш», «Калор» (отделе-
ние фирмы «Ферроу»), «Эдванс коутингс», «Коутингс энд резин» (отделение фирмы
«ППГ индастриз») и «Рэм кемикалз манюфекчуринг» (для покрытия изделий
только медицинского назначения).
Полиэфирные смолы !; «Плэстикс» (отделение фирмы ЭМЦ), «Кемикал про-
дакте» (отделение фирмы «Эшлэнд кемикал» (ОС, И, ХС, ВЭ, Ф), «Кук пэйнт
энд варниш» (ОН, И), «Фримэн кемикал» (ОН, И), «Тар энд кемикал» (отделение
фирмы «Коппэрз» (ОН, И, С), «Оуэнз-корнинг файбергласс» (ОН, И, ОС), «Коу-
тингс энд резин» (отделение фирмы «ППГ Индастриз» (ОН, И), «Рейчхолд кеми-
калз» (ОН, И, ОС), «Ю-эс-эс кемикалз» (ОН, И), «Ай-си-ай Эмериказ» (ХС, ВЭ, Ф).
Воздушные компрессоры: «Бинкс манюфекчуринг», «Де Вилбис».
Инструменты для обрезки кромок: «Эро», «Дотко», «Скил», «Тунко» (дисковые
пилы), «Ремингтон» (ленточные полотна пил).
Пневматические мешалки: «Биикс манюфекчуринг», «Де Вилбис», «Миксинг
иквипмент».
Оборудование для вспенивания: «Бинкс манюфекчуринг», «Глас крафт» (отделе-
ние фирмы «Рэнсбург электро-коутинг»), «Поли крафт» (отделение фирмы «Бинкс
манюфекчуринг»), «Мартин свите».
Рубильные машины и системы: «Плэстикс» (отделение фирмы «Бинкс маню-
фекчуринг»), «Де Вилбис», «Глас крафт» (отделение фирмы «Рэнсбург электро-
коутинг», «Рэнсбург электро-коутинг» («Глас-Мэйт»), «Поли крафт» (отделение
фирмы «Бинкс манюфекчуринг»), «Плюарал компоунентс», «Винас продакте»
«Джонсон энд санз», «Финн энд Фрэм».
Печи: «Бинкс манюфекчуринг», «Блу эм электрик».
Насосы для смол: «Плэстик» (отделение фирмы «Бинкс манюфекчуринг»,
«Де Вилбис», «Глас крафт» (отделение фирмы «Рэнсбург электро-коутинг»),
«Грэй», «Винас продакте».
Безопасные контейнеры: «Игл манюфекчуринг», «Протектосил».
Весы: «Хобарт манюфекчуринг», «Толедо скейл», «Детекто», «О’Хаус скейл».
1 ВЭ—виниловый эфир, И—изофталевая, ОН — общего назначения,
ОС — огнестойкая, Ф — фурановая, ХС — химически стойкая.
71
Зубчатые валики: «Бинкс маиюфекчурииг», «Глас крафт» (отделение фирмы
«Рэнсбург электро-коутинг»), «Винас продакте».
Различные валики и подающие устройства: «Юнайтед индастриал сэйлз» (ва-
лики и всевозможные подающие устройства), «Вотеке файбергласс», «Хэстиигс
плэстикс», «Уайт манюфекчуринг» (колпачки распылителей).
Распылительные камеры: «Бинкс манюфекчуринг», «Де Внлбис», «Хесс ин-
дастр из».
Распылительное оборудование и принадлежности: «Плэстикс дивижн», «Бинкс
манюфекчуринг» (любое необходимое оборудование), «Глас крафт» (отделение
фирмы «Рэисбург электро-коутинг») (отдельные сопла, оборудование для впрыска
катализатора н воздушного распыления, распылители с внутренним смешением),
«Джонсон энд санз» (оборудование для безвоздушного наружного смешения
с катализатором), «Рэнсбург электро-коутинг» (системы «Глас-Мэйт», тройные
сопла, системы дли впрыска катализаторов, установки для безвоздушного и воз-
душного наружного смешения, рубильные машины «Глас-Мэйт»), «Винас про-
дакте» (распылители, «Вет Аут», «Эр-тз-эм»), «Плюарал компоунент системз»,
«Поли крафт системз» (отделение фирмы «Бинкс манюфекчуринг»).
Приборы для измерения мокрых пленок: «Нордсон» (приборы для измерения
толщины наружного смоляного слоя в мокром состоянии с диапазоном измерений
0,064 ... 0,51 мм), «Кей-ди» (прибор для измерения толстых пленок).
Приборы для измерения толщины неотвержденных материалов: «Оуэнз-
кориииг файберглас» (приборы измеряют толщину иеотверждеиного стеклопла-
стика).
Вискозиметры: «Брукфилд энджиниэринг лаборатриз», «Гардиер лабора-
триз», «Дженерал электрик» (вискозиметр Цана).
Измерители времени гелеобразования: «Шойду инструменте».
Муфельные печи: «Шойду инструменте».
Стекловолокно: «Сертин тид» (маты, ровинг, тканый ровииг), «Оуэнз-кориинг
файберглас» (маты, ровинг), «ППГ Индастриз» (маты, ровииг, тканый ровинг),
«Файбергласс индастриз» (ткани, маты, тканый ровинг).
Пенопласты: «Кук пэйнт энд варниш» (пенополиуретаны и вспенивающие
системы), «Рейчхолд кемикалз» (пенополиуретаны и вспенивающие системы),
«Апджон» (листы из пенополиуретанов, плиты, доски).
Концентраты пигментов: «Кук пэйнт энд варниш», «Калор» (отделение
фирмы «Ферро»), «Пигмент диспершнз».
Оснастка для получения наружного смоляного слоя: «Кук пэйит энд варниш»,
«Рэм кемикалз манюфекчуринг», «Калор» (отделение фирмы «Ферро»),
Дополнительные сведения о фирмах-поставщиках описаны в «Модерн плэс-
тикс инсайклопидиа» (современная энциклопедия пластиков), «Эс-пи-ай даярек-
Тори энд байэрз гайд оф мемберз» и «Томас реджистер».
13.7. Автоматизированные формы открытого типа
По мере роста производства слоистых пластиков у многих
компаний объем заказов вырос с 25—50 до 500—5000 изделий из
КМ. Хотя этот прирост еще не является достаточно большим, чтобы
служить основанием для внедрения штампов для формования из-
делий или полной автоматизации производства, частичная авто-
матизация вполне оправдана, поскольку она позволяет увеличить
производительность и снизить затраты ручного труда.
Первый шаг к полуавтоматизации заключался в использова-
нии большого числа форм и конвейеризации производства, что
позволило сократить обслуживающие операции и увеличить про-
изводительность. При этом требования к квалификации опера-
тора не снизились, но потребность в высоком его мастерстве оста-
72
лась лишь на отдельных участках. Следующим этапом явилось
создание таких механизированных форм открытого типа, какие
применяются при формовании напылением, где некоторые или
все операции выполняются на машине. В более совершенных си-
стемах был автоматизирован практически весь процесс, начиная
от подачи компонентов композиции и кончая получением изделия,
готового к отгрузке, с минимальным количеством ручных опера-
ций.
Вначале было автоматизировано производство наименее слож-
ных изделий, которые можно было формовать в простых формах
и продавать потребителям в больших количествах. К таким из-
делиям относятся гладкие и гофрированные панели. В машину
на ленточном транспортере поступали маты рубленой стекло-
пряжи, в них вводили смолу и катализатор, и смесь отвержда-
лась в печи над транспортером. Затем были созданы машины, ко-
торые автоматически выполняли следующие операции: получе-
ние матов рубленой стеклопряжи из ровинга, перенос этих ма-
тов на подложку из полиэтиленовой или целлофановой пленки,
введение окрашенной смолы, покрытие сверху вторым слоем
пленки, уплотнение смеси смолы со стекловолокном между двумя
пленками, профилирование композиционного материала протяж-
кой его через фасонные шаблоны, установленные в печи. Когда
полностью отвержденный материал выходил из печи, его наре-
зали на панели передвижными пилами с водяным охлаждением,
управление которых осуществлялось по перфокартам, введенным
в управляющее устройство. Отходы и обрезки кромок поступали
в мусоросборники, а панели перемещались на обдирочно-обточный
станок для удаления пленок и воды и подавались оттуда сухими
на браковочный стол.
В начале 60-х годов были сконструированы машины для формо-
вания больших гладких панелей размером 4,9x12,2 м, основан-
ные на использовании нового типа распылителя, названного «рас-
пылителем волокна и эпоксидной смолы». Этот распылитель, раз-
работанный в Европе и импортированный в США, устанавли-
вался на специальном мостике и, совершая возвратно-поступатель-
ное движение над подвижным столом с формой, равномерно за-
полнял ее рубленым волокном и смолой. Затем материал прохо-
дил через ряд рифленых валиков для удаления воздуха и уплот-
нения. Полученные таким образом панели отверждались и посту-
пали на дальнейшую обработку. Было сконструировано несколько
типов столов для форм, которые крепили к стреле крана и тянули
с нужной скоростью цепью и кабестаном. Столы были связаны
челночной направляющей таким образом, что процесс формова-
ния становился непрерывным.
Следующим наиболее вероятным кандидатом для автоматиза-
ции процесса формования ручной укладкой стало производство
цилиндрических изделий, например сосудов высокого давления.
Намотка волокном — хорошо известный процесс, который стал
73
Рис. 13.9. Схема процесса формования намот-
кой волокном:
1 — ровинг; 2 — натяжное устройство; 3 — ем-
кость со смолой; 4 — челнок; 5 — вал; б — элек-
особенно популярным в
60-х годах как часть кос-
мической программы. На-
мотка волокном — про-
цесс, который осущест-
вляется в формах откры-
того типа, но он должен
быть таким точным и спе-
цифичным по конечному
назначению изделия, что
его разработка проводи-
лась совершенно само-
стоятельно. Однако для
обычных целей (а не в со-
ответствии с правитель-
ственной программой) та-
кие изделия, как баки,
водосточные и другие ти-
пы труб, сравнительно
простые по конструкции,
имеют значительно менее
тродвнгатель; 7 — редуктор; 8 — цепь; 9 — су- жесТКИе ДОПУСКИ НЭ раз-
харь; 10 — рельсовый путь; 11 — изделие; I — .. _л
ход; t— выстой Меры И ПрИМбНЯЮТСЯ В
гораздо больших количе-
ствах, чем изделия для космических исследований. Разрабо-
танные и запущенные в эксплуатацию в середине 60-х го-
дов машины для изготовления больших подземных резерву-
аров для хранения бензина основаны на комбинировании трех ме-
тодов формования: ручной укладкой, напылением и намоткой
волокном. Концевые раструбы таких резервуаров делали с помо-
щью снабженного программированным управлением «распыли-
теля с рубильным устройством» (распылителя волокна), напыляя
под управлением опытного оператора материал на вращающийся
сердечник с последующим уплотнением его между валиками. В
более поздних конструкциях этих машин необходимость в опера-
торе отпала.
В настоящее время сконструированы машины для формования
гладких панелей, больших панелей, труб, резервуаров и водосточ-
ных труб, работающие по основным принципам укладки материа-
лов и их уплотнения в форме тем или иным способом. Одна из-
вестная машина для формования непрерывных цилиндрических
изделий основана на применении так называемого «исчезающего
сердечника». Сердечник-оправка имеет вращающуюся крестовину,
на которую намотана неразъемная полоса из коррозионно-стой-
кой стали шириной около 125 мм. Шаг намотки 125 мм на 1 оборот.
Когда намотанная полоса приближается к концу крестовины,
она оттягивается с помощью нескольких валиков с буртиками на
концах через полую ось («исчезая» таким образом), а затем пода-
74
ется другой группой валиков обратно на вращающуюся кресто-
вину, и этот цикл многократно повторяется. Такой механизм
позволяет разрешить все трудности, связанные с работой сердеч-
ника и нанесением материалов на него.
В обычных установках для намотки волокна (рис. 13.9) исход-
ные материалы (смола и волокно) поступают из неподвижных ем-
костей и наматываются на вращающийся сердечник конечной
длины. В этих машинах из-за перемен направления хода всегда
теряется материал на обоих концах сердечника, а для получения
длинных труб требуются сердечники и машины большой длины,
причем сердечники должны извлекаться.
В установках для намотки волокном непрерывного действия
сердечник не вращается, а движется вдоль оси вращающихся
бобин, с которых сматывается волокно и которые периодически
останавливают и заменяют. Эта операция ограничивает количе-
ство и тип применяемых в такой технологии волокон. После от-
верждения материала сердечники извлекаются.
В установках с «исчезающим сердечником» (процесс Дрост-
холма) длина формуемого изделия ничем не ограничена, так как
сердечник в обычном понимании вообще отсутствует. Кроме
того, поскольку «исчезающий сердечник» сам вращается, материал
поступает из неподвижного источника, благодаря чему процесс
может быть запрограммирован и работа установки не будет пре-
рываться из-за отсутствия материала. Более того, этот способ
позволяет использовать волокна и смолы многих различных типов
и получать настоящие слоистые конструкции или многослойные
конструкции с плотной поверхностной пленкой.
При массовом производстве методами формования ручной
укладкой и напылением таких изделий, как лодки, раковины,
ванны, бассейны для лилий, садовая и парковая мебель, обычно
применяют роботы (рис. 13.10). Такие многоосевые, сервоуправляе-
мые и управляемые с помощью перфоленты роботы, которые ши-
роко используются в автомобильной промышленности, специально
приспособлены для нужд данной отрасли. Тем не менее для конт-
роля процесса отверждения слоев здесь также требуется квалифи-
цированный оператор.
Преимущество робота состоит в том, что его применение при
формовании напылением позволяет выполнять все жесткие тре-
бования Управления по охране здоровья на производстве. По-
скольку роботам не надо дышать и им не страшна аллергия, они
могут работать в закрытом помещении практически без участия
человека, за исключением операций по замене форм и обеспече-
нию сырьем.
Автоматизация затронула также некоторые операции вакуум-
ного формования, особенно при получении конструкционных мно-
гослойных материалов. Для выкладки многослойных поверхност-
ных слоев используются рубильно-распылительные установки,
совершающие возвратно-поступательное движение, причем мон-
75
Рис. 13.10. Трехкоординатный роботизированный автомат для напыления:
1 — привод продольного перемещения; 2 — форма; 3 — распылительное сопло; 4 —
поворотная головка; 5 — подача стекловолокна; 6 — привод вертикального перемещения;
7 — привод поперечного перемещения; 8— кабель; 9*— подача смолы; 10 — ленточные
программоносители
таж сердечников производится автоматически. Затем весь агрегат
соединяется с вакуумной камерой, герметизируется вместе с фор-
мой, и воздух отсасывается, в результате чего материал уплот-
няется и обеспечивается плотное обжимание сердечника поверх-
ностными слоями. Наличие вакуумной камеры почти полностью
исключает выделение стирола при проведении процесса.
13.7.1. Жесткие формуемые термопласты (модифицированные
акриловые смолы)
Метод формования жестких термопластов заключается в том,
что листовой материал нагревается до размягчения (рис. 13.11);
затем формуется под вакуумом или давлением или подвергается
вакуумному формованию с предварительной механической вы-
тяжкой в соответствующей форме, после чего охлаждается и за-
твердевает. Полученные листы заданной конфигурации помещают
затем в зажимные приспособления, напыляют на них рубленое
волокно и смолу и уплотняют обратную сторону этих листов.
Для этих целей применяют специальную композицию смолы,
которая обладает адгезией к полиакрилатному листу, благодаря
чему после отверждения лист и армированная волокном смола
образуют единый материал. Таким образом формируется прочный
слоистый пластик, в котором термопластичный лист, или «кожица»,
образует поверхность детали и выполняет роль наружного слоя
и (или) лакокрасочного покрытия.
76
Рис. 13-11. Схема процесса формования кожуха с покрытием:
а — нагрев полнакрнлатного листа; б — форма для вакуумного формования; в — из-
влечение формы, переворачивание и установка ее в зажимы; г — напыление на полн-
акрнлатный лист; д — прикатка и отверждение; е — извлечение изделия и обрезка кромок
Метод формования жестких термопластов очень широко рас-
пространен и применяется, главным образом, для получения комп-
лектов «ванна—душ», раковин, стульчиков, небольших лодок,
верхней части транспортеров для перевозки автомобилей, перехо-
дов товарных вагонов, наружных эмблем и многих других изде-
лий, которые должны обладать водостойкостью и стойкостью
к действию солнечного света. Среди термопластов наибольшее
применение находят листы из полиметилметакрилата («плекси-
гласа», «перспекса», «сведкаста» и других) и некоторых специаль-
ных марок полимеров, которые обладают адгезией к стирольной
составляющей полиэфирных смол, таких как поливинилхлорид
(ПВХ) и поликарбонат («лексан»).
Основная причина того, что переработчики пластмасс прила-
гают большие усилия для получения термоформованной «кожицы»
на изделиях из стеклопластиков, заключается в трудности контро-
лирования процесса образования полиэфирного наружного смоля-
ного слоя при формовании напылением. Если оператор не имеет
достаточной квалификации, меры по преодолению трудностей при
образовании гелькоата могут вызвать увеличение стоимости из-
делия, не пропорциональное стоимости материала и продолжи-
тельности процесса нанесения покрытия. Например, при полу-
чении комплекта ванны с душем, имеющего наружный смоляной
слой, процесс можно считать полностью завершенным, а материал
отвержденным только после того, как оператор, вынув изделие
из формы, обнаружит дефекты и проведет необходимые значитель-
ные ремонтные работы по удалению пятен, морщин и микротре-
щин на гелькоате. С другой стороны, при получении идентичного
изделия с использованием жесткого термопласта процесс преры-
77
Рис. 13.12. Схема центробежного литья:
а — обертывание оправки; б — вращение; в — отвержденне; г — снятие отвержденной
обертки с оправки
вается на стадии формования заготовки из листа и лишь после
ее осмотра и качественного признания производится напыление
стеклопластика.
Описанный процесс в несколько измененном виде использу-
ется для формования химически стойких емкостей для фтористо-
водородной кислоты и других коррозионных химических веществ.
Он заключается в том, что листы из поливинилхлорида, полипро-
пилена или таких фтор полимеров, как поливинилфторид и поли-
винилиденфторид («тедлар»), в нагретом состоянии соединяют
с субстатом или подложкой из стеклоткани. На ткань напылением
или ручной укладкой наносят полиэфирную или эпоксидную смолу,
армированную стекловолокном. При промышленном производстве
химически стойкий наружный слой формуют на оправке, края
сваривают, проводят отверждение по заданному режиму и после
снятия с оправки швы между панелями, включая наружный
слой, сваривают изнутри. Контроль качества каждого шва вы-
полняется методом высоковольтного искрового разряда (провода
к каждому сварному шву подсоединяют еще на стадии изготовле-
ния наружного слоя). Любая пустота будет причиной искрового
разряда, что потребует повторной сварки и испытания.
13.7.2. Центробежное литье
По этому способу (рис. 13.12) изделия из слоистых пластиков
цилиндрической, конической или параболической формы отвер-
ждаются под действием центробежных сил, возникающих при
вращении вокруг продольной оси.
14. ПРОЦЕССЫ ФОРМОВАНИЯ
С ЭЛАСТИЧНОЙ ДИАФРАГМОЙ
А. Слободзинский
14.1. Введение
При формовании с эластичной диафрагмой (мембраной) полу-
чают композиционные материалы и клееные композиции, которые
представляют собой армированную волокном органическую мат-
рицу. Эти материалы должны соответствовать различным стан-
дартам качества и критериям воспроизводимости. Диапазон при-
менения композиционных материалов очень широк: от украшений
и декоративных архитектурных панелей до высококачественных
несущих конструкций сложной формы. Усовершенствование тех-
нологии и определение оптимальной конструкции изделия очень
часто позволяет получать методом формования с эластичной диаф-
рагмой такие композиты, которые по эксплуатационным харак-
теристикам оказываются конкурентоспособными по сравнению
с другими типами конструкционных материалов.
Конструкция композитов и возможность использования ме-
тода формования с эластичной диафрагмой (мембраной) взаимо-
связаны и определяются как производственными задачами и не-
обходимостью минимизировать заводскую себестоимость, так и
требованиями к изделию в процессе эксплуатации. Перечень
требований, удовлетворение которых распределяется между из-
готовителями и конструкторами изделия, состоит из следующих
основных пунктов:
воспроизводимость, доступность и наличие необходимых тех-
нологических свойств у рекомендуемых материалов;
требования к оборудованию и оснастке;
обеспечение устройствами для монтажа, осмотра и контроля
качества изделий.
Наиболее существенным из введенных к настоящему времени
усовершенствований процесса формования с эластичной диафраг-
мой является создание унифицированной единичной конструкции
на основе волокнонаполненных композиционных материалов
(В КМ).
14.1.1. Методы формования с эластичной диафрагмой
К этим методам относятся вакуумное формование (рис. 14.1),
формование под давлением (рис. 14.2 и 14.3) и автоклавное фор-
мование (рис. 14.4). Диафрагмы, т. е. тонкие эластичные мембраны
79
Рис. 14.1. Вакуумное формование с эластичной диафрагмой и вертикальным
выпускным отверстием:
I — штуцер для подсоединения вакуума; 2 — плита формы; 3 •— коллектор для отсоса
воздуха; 4 — уплотнение диафрагмы; 5 — боковое выпускное отверстие; 6 — слон с вен-
тиляционными отверстиями; 7 — диафрагма; 8— перфорированные слон; 9— впиты-
вающие слои; 10 — разделительная ткань; 11 — слоистый пластик; 12 — внешний слой;
13 — промежуточная плита', 14 — эластичная перегородка; 15 — выбрасываемый слой;
Р — атмосферное давление
Рис. 14.2. Формование с эластичной диафрагмой под давлением (зажимы не по-
казаны):
1 — эластичная диафрагма; 2 —* крышка формы; 3 — канал для подачи Сжатого газа;
4 — боковое выпускное отверстие; 5 — канал для соединения с атмосферой нлн вакуумом;
6 — композиционный материал; 7 — вертикальное выпускное отверстие
Рис. 14.3. Формование с эластичной диафрагмой под давлением в прессе:
1 — верхняя плита пресса; 2 — Нагреватели; 3 — камера, заполняемая сжатым газом*
4 — коллектор для подачи сжатого газа; 5 — защитный слой из силоксанового Каучука^
6 — форма; 7 — композиционный материал; 8— выпускное отверстие; 9— плунжер;
10 •• коллекторы для соединения с атмосферой или вакуумом; 11 нижняя плита пресса
80
Рис. НЛ. Автоклавное формование с вертикальным выпускаемым отверстием
(предусмотрена надежная защита диафрагмы от перфорирования под действием
высокого давления в автоклаве Рав):
1 — канал для соединения с атмосферой или вакуумом; 2 — плита формы; 3 — коллектор
для отсоса воздуха нз формы; 4 — уплотнение диафрагмы; 5 — боковое выпускное отвер-
стие; 6 — эластичная перегородка; 7, 8— слон с вентиляционными отверстиями; 9—
диафрагма; 10 — промежуточная плнта; 11 — перфорированный слой; 12 — впитываю-
щие слон; 13 —’ разделительная ткань; 14 —• выбрасываемый слой; 15 — внешний слой;
16 слоистый пластик
или формы из силоксанового каучука, отделяют стеклопластик от
находящихся под давлением газов в процессе отверждения мате-
риала. Из герметичной полости, образующейся между стеклопла-
стиком и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там
было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образую-
щемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происхо-
дят придание изделию необходимой формы и уплотнение матери-
ала. Затвердевание наблюдается при соединении вместе отдель-
ных слоев препрегов и подложек (если они имеются) стеклопла-
стика. Уплотнение композиции происходит в результате устра-
нения пустот и удаления избытка смолы. При отверждении изде-
лий, получаемых формованием с эластичной диафрагмой, необ-
ходимо избегать образования пузырей в композите, а также тща-
тельно контролировать давление, температуру и массовое соотно-
шение между волокном и смолой.
Уплотнение материала при вакуумном формовании с эластич-
ной диафрагмой может быть достигнуто с использованием атмо-
сферного давления путем вакуумирования слоев стеклопластика
в процессе его отверждения. При формовании под давлением и ав-
токлавном формовании сжатие композитов во время отверждения
производится горячими газами. Вентиляционные отверстия, свя-
занные с атмосферой или вакуумом, предназначены для вывода
81
летучих побочных продуктов реакции и захваченного воздуха из
отверждающегося стеклопластика. Из трех перечисленных выше
методов формования с эластичной диафрагмой вакуумный способ
менее других лимитируется размерами получаемого изделия.
В некоторых случаях отверждение композитов при вакуумном
формовании с эластичной диафрагмой происходит при комнатной
температуре. Однако для улучшения свойств изделия отвержде-
ние, как правило, проводится при нагревании. При этом лучше
всего использовать воздушные сушилки, но применяются также
сушильные установки с инфракрасными нагревателями, а также
конвекционные сушилки пассивного типа.
Получили распространение и другие методы отверждения:
индукционный, диэлектрический, токами сверхвысокой частоты,
под действием ксеноновой вспышки, ультрафиолетового света,
пучка электронов и гамма-излучения. Из методов отверждения
под действием света наибольшее промышленное применение
имеют ультрафиолетовое и ксеноновое излучение. Эти способы
отверждения достаточно успешно используются для тонких не-
симметрично уложенных неокрашенных стеклопластиков, которые
сильно деформируются при отверждении нагреванием. Техноло-
гия отверждения диэлектрическим методом и токами сверхвысокой
частоты в настоящее время продолжает развиваться. Отверждение
пучком электронов, как было установлено, эффективно только для
тонких пленок. Отверждение ускоренными частицами пока еще
находится на стадии лабораторных разработок.
Стоимость оснастки при вакуумном и автоклавном формова-
нии с эластичной диафрагмой ниже, чем при формовании на мат-
рице. Формы и плиты при этих методах не деформируются и не
разрушаются под действием нагрузок, возникающих при отвер-
ждении материала, а также во время манипуляций, обусловленных
технологическим процессом. Они не подвергаются и несбаланси-
рованным давлениям.
Более высокая стоимость оборудования для автоклавного фор-
мования может компенсироваться его более широкими воз-
можностями для формования изделий сложной формы. Стекло-
пластики, которые обычно требуют повторного склеивания, часто
экономически целесообразно соотверждать в автоклавах, так как
амортизационные расходы на дорогостоящее оборудование сни-
жаются при одновременном отверждении сразу многих изделий.
Методы формования с эластичной диафрагмой под давлением
эффективны при получении как глубоких, так и мелких (неглубо-
ких) изделий. К первым относятся обтекатели гидролокаторов
(сонаров), обтекатели и кожухи антенн радиолокаторов. Во вто-
рую группу входят архитектурные панели, филенки дверей, об-
текатели самолетов.
Для изготовления глубоких изделий делают тяжелые формы.
Каждую форму, предназначенную для конкретного изделия, кон-
струируют таким образом, чтобы она выдерживала необходимые
82
при отверждении повышенные температуры и высокие давления.
Иногда большие формы можно использовать в качестве автокла-
вов для изделий меньшего размера, получаемых формованием
с эластичной диафрагмой.
Неглубокие детали часто можно формовать в модифицирован-
ных прессах для прямого прессования. При этом в нижних плитах
пресса устраивают воздушники и вакуумные магистрали. Верх-
ние плиты пресса делают полыми для установки внутри них формы
вместе с пресс-компаундом. Для повышения универсальности
установки к ней часто подводят линию для нагретого сжатого
газа. Над формой, установленной на нижних плитах пресса, по-
мещают защитные слои из силоксанового каучука или обычные,
работающие под давлением диафрагмы. После смыкания плит
пресса образуются герметичные камеры, в которых создается
давление при одновременном нагревании, т. е. воспроизводят
условия формования, аналогичные автоклавным. В отличие от
специализированных форм для формования с эластичной диаф-
рагмой (под давлением), пресс-камерный метод используется для
отверждения многих различных конструкций из слоистых пла-
стиков.
При формовании с эластичной диафрагмой в автоклаве и под
давлением температура обычно составляет 177 °C, а давление
1380 кПа. В новых автоклавах, изготовленных по специальным
требованиям, можно создавать более жесткие условия отвержде-
ния: температуру свыше 260 °C и давление более 3450 кПа. Все же
размер большинства специальных автоклавов ограничен, что
затрудняет их использование для некоторых изделий. Оборудова-
ние, предназначенное для эксплуатации при более высоких тем-
пературах и давлениях, сейчас модифицируют, с тем чтобы на
нем можно было перерабатывать композиты на полиимидной смоле,
из которых изготовляют наиболее теплостойкие конструкции.
При повышенных температурах и давлениях значительно воз-
растает опасность загорания автоклавов. Она может быть сведена
к минимуму при переработке огнестойких материалов, а также
при использовании сжатых инертных газов. Меры по снижению
пожарной опасности включают в себя применение диафрагм из
силоксанового каучука, найлона или «Тедлара». Перед началом
отверждения все полости автоклава продувают. Когда термоот-
верждение заканчивается, автоклав и все, что в нем находится,
охлаждают до 68 °C и лишь после этого снижают давление и от-
крывают автоклав (или форму с эластичной диафрагмой).
14.1.2 . Промышленные материалы для матриц
В качестве полимерных матриц (связующих) для композици-
онных материалов используются как термопластичные, так и
термореактивные смолы. Однако в настоящее время первые при-
меняют в меньших количествах, чем вторые. Полисульфон — наи-
83
более типичный термопласт для препрегов. Термореактивные смо-
лы в виде лаков используются только при «мокром» формовании
слоистых пластиков. Эти смолы, а также твердые реактопласты
на В-стадии отверждения служат материалами для препрегов.
Некоторые полиимидные препреги содержат мономерные реа-
генты, которые сополимеризуются на В-стадии и отверждаются.
Полисульфоновые препреги — это сухие жесткие материалы.
Температура их формования выше 193 °C. Их подвергают фор-
мованию при повышенных температурах для того, чтобы добиться
получения хорошо отформованных поверхностей. Иногда такие
КМ формуют вручную с помощью подогретого распылителя. Ча-
сто слои материала по отдельности формуют с эластичной диаф-
рагмой, а затем завершают процесс формования в автоклаве.
После этого их укладывают стопкой на заранее отформованную
поверхность и формуют с эластичной диафрагмой при температуре
~204 °C и давлении ~ 1380 кПа. Материал переходит в вязкоте-
кучее состояние, и в результате образуется монолитный слоистый
пластик.
Применение термопластичных препрегов дает следующие пре-
имущества:
неограниченный срок годности при хранении;
расплавление в течение нескольких минут в условиях равно-
весия;
свойства при повышенных температурах практически не за-
висят от влажности.
Открытым остается вопрос, имеют ли модифицированные кау-
чуком эпоксидные смолы какие-нибудь преимущества перед тер-
мопластами в процессе их эксплуатации при высоких температурах
после выдержки в очень влажной среде. Разрабатываемые в на-
стоящее время модифицированные эпоксидные смолы сулят очень
радужные перспективы в отношении высокотемпературных свойств
после экспозиции в условиях высокой влажности. Кроме того,
новые эпоксидные смолы способны очень хорошо перерабаты-
ваться.
При «мокром» формовании слоистых пластиков и получении
конструкций методом намотки волокном рекомендуется исполь-
зовать лаковые типы эпоксидных, полиэфирных и фенольных смол
без добавления инертных растворителей. Последнее связано с тем,
что оастворители, улетучиваясь в процессе отверждения, увели-
чивают вероятность образования в КМ пустот. Можно все же при-
менять разбавленные растворителем пропитывающие полимерные
композиции, так как большинство инертных растворителей уле-
тучивается, в то время как промышленные препреги продолжают
находиться в В-стадии, т. е. сохраняют необходимые технологиче-
ские свойства и с ними еще можно легко обращаться. Если по
условиям формования слоистых пластиков не допускается содер-
жание растворителей в препрегах, то для пропитки волокна
используют смолы в В-стадии в виде горячего расплава. Поли-
84
имидные смолы, содержащие незаполимеризовавшиеся мономерные
вещества, применяются для пропитки армирующих материалов
в жидком виде. Затем они частично полимеризуются на самом во-
локне, что обеспечивает получение препрега с необходимыми
характеристиками.
14.1.3 . Промышленные армирующие волокна
Стеклянное, арамидное, углеродное и борное волокна описаны
в первой книге этого справочника. Однако необходимо подчерк-
нуть, что большинство армирующих волокнистых материалов
нуждается в поверхностной обработке для улучшения их адгези-
онного взаимодействия со специфическими типами смол. Требо-
вания изготовителей препрегов к составам, применяемым для
обработки волокна, должны быть четко сформулированы в специ-
фикациях, входящих в контракты на поставку.
14.2. Подготовка форм
Температурные коэффициенты линейного расширения (а) ма-
териалов, обычно используемых для изготовления оснастки, и
самих слоистых пластиков приведены в табл. 14.1. По значению
этого коэффициента из металлов ближе всех к композитам стоит
сталь. Она обладает и другими ценными свойствами: превосход-
ной износостойкостью, способностью работать при повышенных
температурах и хорошей теплопроводностью.
Наиболее благоприятными для изготовления форм свойствами
характеризуется керамика. Она имеет самый низкий коэффициент
теплового расширения, а по теплостойкости почти не отличается
от закаленной инструментальной стали. Однако при температурах
14.1. Температурные коэффициенты линейного расширения сплошных
слоистых пластиков и материалов, применяемых для изготовления оснастки
Материал а при 24 ... 204 °C, %
Слоистые пластики, армированные волокном: арамидным или углеродным 0,016—0,033
борным 0,081—0,162
стеклянным 0,12
Керамика, полученная шликерным литьем и обож- 0,015
женная Инструментальная сталь 0,20
Железо, получаемое гальванопластикой 0,21
Никель, получаемый гальванопластикой 0,23
Стал истый чугун 0,24
Термообработанный литой гипс 0,25
Теплостойкая эпоксидная смола 0,35
Алюминий 0,42
85
окружающей среды керамика хрупкая. Она должна быть защи-
щена от повреждений, которые ей грозят в процессе обработки.
Одним из способов защиты керамики является помещение ее
в стальной кожух.
Стальные формы с керамическими вставками и без них наи-
более широко применяются в производстве высококачественных
композиционных материалов. Благодаря низкому коэффициенту
теплового расширения керамические вставки обеспечивают высо-
кую точность укладки в форме компонентов слоистого пластика.
Такие формы очень удобны для производства больших партий
соотверждаемых конструкций, в которых клеевой шов отвержда-
ется одновременно со стеклопластиком. Однако такая оснастка
дорогая, а объем производства изделий часто оказывается недоста-
точным для амортизации ее стоимости при конкурентоспособных
ценах на выпускаемую продукцию. В этих условиях для изго-
товления форм желательно использовать менее дорогие мате-
риалы.
Алюминиевые формы относятся к наименее дорогой оснастке,
изготовляемой из литых и ковких металлов. Несмотря на то, что
алюминий имеет лучшую теплопроводность, чем сталь, получен-
ные из него формы менее долговечны и, кроме того, обладают
слишком большим температурным линейным расширением. При
работе с плитами плоской формы или небольшого размера тем-
пература отверждения обычно ограничивается 177 °C. Металличе-
ская оснастка включает в себя также формы из сталистого чугуна
(«Миханита»), корковые формы и гальваноформы, усиленные от-
литой основой.
Получаемые гальванопластикой никелевые формы, которые ис-
пользуются уже более 15 лет, в результате последних усовершен-
ствований представляют собой плотную конструкцию без пор,
с хорошо отполированной формующей и гладкой задней поверх-
ностями. Стоимость таких форм снизилась, и разработаны методы
изготовления форм со сложной конфигурацией. Фирма «Груммэн
эароспейс» применяет никелевые формы, получаемые гальвано-
пластикой, для формования деталей самолетов. Температурный
коэффициент линейного расширения никеля того же порядка,
что и у стеклопластиков.
Для успешного применения форм из сталистого чугуна тре-
буется, чтобы толщина всех стенок была почти одинаковой. При
термообработке форм, конфигурация и поперечное сечение ко-
торых резко изменяются, литой металл может растрескаться или
покоробиться. Теплопроводность сталистого чугуна сравнительно
низка. В местах изменения толщины стенок формы температура
на ее поверхности может колебаться в широких пределах.
В результате затрудняется контроль процесса отверждения фор-
муемого композита. Если допускается увеличение массы оснастки,
а стадии нагрева и охлаждения поверхности, находящейся под
эластичной диафрагмой, адекватны, то литая форма должна быть
86
достаточно массивной, чтобы обеспечить равномерность темпера-
туры по всей поверхности.
Легкоплавкие сплавы, фазовые изменения которых происходят
выше температур отверждения слоистых пластиков, обычно отли-
вают в заранее подготовленные корковые формы или гальвано-
формы. Другие типы отлитой основы включают в себя теплопро-
водные пластмассы и различные деформирующиеся при нагрева-
нии совместимые материалы, в которых можно смонтировать на-
гревательные элементы и охлаждающие каналы. К совершенно
иному типу оснастки относятся формы из слоистых пластиков,
для изготовления которых обычно используются очень теплостой-
кие литые или ламинированные эпоксидные смолы.
Модельные формы для изготовления оснастки из слоистых
пластиков методом наслаивания листов также могут быть изго-
товлены из любого из описанных выше материалов. Для этой
цели можно использовать модель изделия в натуральную величину
или снятый с нее гипсовый слепок. Качество гипсовых слепков
зависит от деформационной совместимости между гипсом и арми-
рующими материалами и состояния отвержденной поверх-
ности.
При правильном проведении стадий отливки, схватывания и
вызревания смеси «Гидрокэл» с водой в массовом соотношении
100 : 50 прочность на раздавливание материала достигает 24,1 ...
26,4 кПа. После схватывания гипс расширяется на 0,5 %, а под-
вергнутый термообработке йри 204 °C обратимо расширяется еще
на 0,25 %. Формующие поверхности гипсовой формы затверде-
вают при пропитке лаками и выдержке при температуре выше пред-
полагаемой температуры эксплуатации. Для получения лаков на
растворителях обычно применяют новолачные эпоксидные смолы
с температурой отверждения 204 °C.
Оснастку из слоистых пластиков можно получать выкладкой
слоев, причем волокно должно быть так ориентировано, чтобы оно
наилучшим образом соответствовало расширению изделий, кото-
рые будут формовать. Обычно для этих целей применяют стеклян-
ное или графитированное волокно. Наиболее выгодно армиро-
вать ткаными волокнистыми материалами.
Техническое обслуживание форм должен проводить специали-
зированный персонал, а их подготовку к формованию с эластич-
ной диафрагмой — производственный персонал. Практика эксп-
луатации показала, что последний должен быть обеспечен мяг-
кими инструментами и растворителями, которые не повреждают
формующие поверхности. Для очистки поверхностей форм наи-
более широко применяют метилэтилкетон. Если используемые
инструменты и растворители не подходят для удаления загрязне-
ний и чистки, то формы быстро выходят из строя и требуют до-
полнительного осмотра, ремонта или замены. Перед повторным
использованием форм их необходимо протереть растворителем и
покрыть антиадгезионной смазкой.
87
14.2.1. Антиадгезионные смазки
В число антиадгезионных смазок, применяемых при формова-
нии с эластичной диафрагмой, входят: пастообразный парафин
восконосной пальмы; аэрозольные композиции, содержащие этот
парафин; фторполимеры или силиконовые смолы; полимерные
пленки и металлическая фольга. Как правило, антиадгезионные
смазки, содержащие парафин и смолы, почти не загрязняют по-
верхности стеклопластиковых изделий и не затрудняют последую-
щее их склеивание или нанесение покрытий. Иногда для снятия
глянца поверхность изделий протирают растворителем или слегка
шлифуют. В ряде случаев для защиты чистых поверхностей, под-
лежащих в дальнейшем склеиванию, используют специальные
наружные слои. Полимерные пленки, металлическая фольга и
напыленные металлические покрытия служат также в качестве
антиадгезионных смазок, когда они составляют одно целое с от-
вержденным материалом.
Как отполированные парафином поверхности, так и нанесен-
ные напылением парафиновые покрытия являются превосходными
антиадгезионными смазками для композитов, отверждающихся
при температурах ниже 121 °C. Однако при более высоких тем-
пературах парафин вызывает разрушение и обесцвечивание слоис-
того пластика. В этих случаях для смазывания рекомендуется
применять промышленные марки фторированных углево-
дородов.
Сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, используе-
мый в качестве антиадгезионной смазки, образует на поверхностях
формы сплошную пленку. Условием эксплуатации такого покры-
тия является поддержание температуры отверждения не выше
177 °C: при более сильном нагреве оно разрушается. Фтор, явля-
ющийся вредным для здоровья, корродирующим, высокотоксич-
ным газом, выделяется из сополимера при температуре выше
177 °C.
Политетрафторэтилен — стабильное полимерное вещество, ко-
торое часто вводят в состав антиадгезионных смазок, работающих
при температурах выше 260 °C. Эти смазки содержат суспензии
мелкораспыленного «Тефлона» в летучем диспергаторе. При по-
падании на поверхность форм такая смазка не образует сплошной
пленки, но частички «Тефлона» обеспечивают превосходное сухое
смазывание, гарантирующее отделение от нее отвержденного
изделия. Более того, частички, перешедшие на поверхность гото-
вого изделия, легко снимаются при протирании растворителем.
Поскольку рынок предлагает большое количество промыш-
ленных антиадгезионных смазок, содержащих фторированные
углеводороды, необходимо скрупулезно следовать всем ре-
комендациям производителя по их применению и ограни-
чениям.
Фирма «Фрекоут» выпускает антиадгезионную смазку на базе
88
силановой смолы (а не силиконовой), которая стабильна до
482 °C. В то же время некоторые силиконовые смазки могут ис-
пользоваться только до 204 °C. Композиции этих смол адекватны
при условии четкого соблюдения рекомендаций их изготовителей.
Некоторые из них позволяют получать поверхности, которые можно
окрашивать или склеивать без дополнительного шлифо-
вания.
При формовании с эластичной диафрагмой в качестве раздели-
тельного слоя часто применяют пленки из целлофана, ПВС,
полиэтилена, полиэтилентерефталата «Майлар» и найлона. Исполь-
зование снимающихся пленок при производстве обычно допускае-
тся только на поверхностях с одним изгибом или при формова-
нии изделий плоской формы.
Фторопластовую пленку «Тедлар» и металлическую фольгу
часто ламинируют с соответствующим слоистым пластиком для за-
щиты его от вредного воздействия окружающей среды или ультра-
фиолетового излучения (о влиянии окружающей среды — см.
гл. 19). Металлическая фольга обеспечивает также защиту дета-
лей самолетов от многих видов излучений и ударов молнии и часто
используется в качестве декоративной или отражающей поверх-
ности, для защиты от электромагнитного излучения и для обра-
зования электропроводных каналов. Если полимерные пленки
и металлическую фольгу ламинируют со слоистым пластиком в про-
цессе его отверждения, в форму сначала помещают пленку или
фольгу. В форме часто делают вакуумные отверстия для обеспече-
ния плотного прилегания к ее поверхностям тонких пленок,
чтобы они не смещались при укладке слоев формуемого матери-
ала. Антиадгезионные смазки используют только для того, чтобы
облегчить уход за формой и ее чистку.
Вместо алюминиевой фольги на поверхность иногда наносят
распылением алюминиевые покрытия. В этих случаях форму сна-
чала покрывают антиадгезионной смазкой ПВС, а затем напыляют
слой алюминия толщиной 0,13 мм. Слои композиционного матери-
ала укладывают непосредственно на напыленный металл. Иногда
покрытие полируют, чтобы оно по внешнему виду соответствовало
примыкающим деталям.
Следует избегать применения силиконовых масел и смазок,
так как эти вещества являются наиболее устойчивыми загрязните-
лями поверхности отформованных композиционных материалов.
Они способствуют отслаиванию от КМ вторичных покрытий и
слоев так же эффективно, как и отделению самого отвержденного
изделия от формы. Силиконовые масла и смазки мигрйруют, и
никакими способами не удается их удалить. Они попадают в смо-
ченные растворителем ткани и наждачную бумагу, и в результате
вместо извлечения кремнийсодержащих веществ происходит их
размазывание по поверхности. Загрязненные поверхности могут
быть окрашены после их пескоструйной обработки не бывшим
в употреблении абразивом.
89
14.3. Внешние слои и разделительные пленки
или ткани
Незагрязненные прилегающие друг к другу поверхности и
склеенные поверхности должны воспроизводимо сохранять вы-
сокую прочность соединения. Для этой цели прилегающие друг
к другу поверхности покрывают наружными слоями, которые за-
щищают их в процессе последующих технологических операций
до нанесения клея. Эти слои обычно удаляют непосредственно
перед склеиванием или нанесением вторичных покрытий.
Антиадгезионные (или разделительные) пленки и ткани выпол-
няют много различных функций. Некоторые используются для раз-
деления последовательных слоев препрегов. Другие служат под-
ложками для подачи в форму предварительно нарезанных слоев
препрега. Третьи применяются для прослаивания между слоис-
тым пластиком и впитывающими слоями, предназначенными для
абсорбирования избытка смолы из материала в процессе его от-
верждения при формировании с эластичной диафрагмой.
Некоторые антиадгезионные пленки и ткани хоть и не остав-
ляют загрязнений, но не могут использоваться в качестве внеш-
них слоев, потому что не обладают адгезией к поверхности компо-
зиционного материала. С другой стороны, в качестве внешних
слоев часто применяются неотделанные стеклоткани, несмотря на
то, что после их снятия на поверхности слоистого пластика оста-
ется след масляно-крахмального аппарата. Однако перед прове-
дением последующих операций или склеиванием остатки аппрета
удаляют шлифованием или протиранием растворителем. Возмож-
ность склеивания подготовленных таким образом поверхностей
должна быть проверена экспериментально.
Внешние слои из суровых стеклотканей используются при
получении некоторых архитектурных конструкций и украшений
интерьера. После снятия этих слоев текстура экспонируемой по-
верхности дополняется отпечатками армирующих материалов или
декоративных элементов.
Наиболее широко применяемыми материалами для внешних
слоев являются выпускаемые в промышленных масштабах отчища-
емый при нагревании и промытый найлон, отчищаемая при нагре-
вании легкая стеклоткань и подходящие полиэфирные раздели-
тельные ткани. Требования потребителей к текстуре поверхно-
стей различных типов варьируются. Некоторые предпочитают
более прочные ткани и допускают более грубое переплетение.
Повторное шлифование для очистки фактуры — менее дорогая
операция, чем снятие тонкотканых внешних слоев. Известны
компании, которые используют ткани с таким тонким переплете-
нием, что после их удаления не требуется дополнительной за-
чистки поверхности. В промышленности большей частью приме-
няются внешние слои из тканей полотняного переплетения, кото-
рым трудно придать сложную по конфигурации или вогнутую
90
14.2. Материалы, применяемые при формовании с эластичной диафрагмой
Внешние слои
«Милтекс* — вычищенная щеткой при нагревании и подвергнутая усадке
найлоновая ткань
«Милтекс 3921» — тонкотканый артикул
«Дакрон» — разделительные ткани, выпускаемые изготовителями препрегов
Стеклоткани: тонкие— с артикулами 2112, 2116 и 2120; с более грубым пере-
плетением — тканые ровинги для декоративных архитектурных панелей
Разделительные ткани
«Тефлон»—покрытый грубым холстом материал из стекловолокна № 104
«Дакрон»
Впитывающие слои
«Мохбург» — ткань
Стеклоткани с артикулом 2120 или 7791
Стекломаты с развесом до 915 г/м’, выпускаемые с интервалом 76 г/м’
«Пеллон» — нетканая подкладочная ткань
Целлюлоза
Полиэфирные маты
Перфорированные слои
«Тедлар» с диаметром отверстий 0,5 мм и расстоянием между их центрами
13 ... 25 мм
Найлои со сделанными вручную отверстиями диаметром 0,5 ... 0,08 мм при
расстоянии между их центрами 13 ... 25 мм
«Тефлон»—материал, покрытый грубым холстом из стекловолокна № 104
Слои, через которые проходят коллекторы
«Мохбург» — ткань
Стеклоткань с артикулом 7781
Уплотнение диафрагмы
Уплотнительная лента из цинкового крона
Диафрагма
«Кантон» — используется при температурах до 316 °C
Защитный слой из силоксанового каучука толщиной 3,2 мм
Силоксановый каучук, армированный стекловолокном
Найлон — используется при температурах до 179 °C
Пленка из ПВС— используется при температурах до 121 °C
форму. В стандарте MIL Y 1140 приведен перечень более прием-
лемых тканей с атласным переплетением из отчищаемого при
нагреве стекловолокна. Предпочтение отдается более легким пере-
плетениям с артикулами 120 и 2120.
В табл. 14.2 приведены некоторые материалы, наиболее часто
применяемые при формовании с эластичной диафрагмой.
14.4. Процесс формования с эластичной диафрагмой
При формовании с эластичной диафрагмой под вакуумом диаф-
рагма (мембрана) служит для отделения воздуха от ламината и
91
Рис. 14.5. Система с боко-
вым выпускным отвер-
стием:
1 — уплотнение диафрагмы;
2 — боковое выпускное от-
верстие; 3 — диафрагма;
4 — перфорированный слой;
5 — слоистый пластик; 6 —
внешний слой; 7 — выбра-
сываемый слой; 8— канал
для соединения с атмос-
ферой нлн вакуумом;
9 — плита формы
передачи на него атмосферного давления, необходимого для уплот-
нения материала в форме. При формовании под давлением диаф-
рагмы используются также в качестве емкостей для сжатых га-
зов во время отверждения. Если давление под диафрагмой соиз-
меримо с действием приложенного к ней давления сжатых газов,
диафрагма остается инертной и уплотнения материала не проис-
ходит. Для создания пониженного давления под формуемым ма-
териалом предусмотрена система выпускных отверстий. До тех
пор, пока давление под диафрагмой остается пониженным, сжа-
тый газ сдавливает ее, а диафрагма, в свою очередь, давит на слои
композиционного материала. Приложенное давление должно вы-
полнить следующие функции:
уплотнить последовательные слои материала;
завершить пропитку волокна смолой;
выдавить из пустот летучие побочные продукты реакции и
увлеченный воздух;
выдавить избыток смолы из слоев материала.
В устройствах для формования деталей с эластичной диаф-
рагмой предусматривается система выпускных отверстий. Они
могут располагаться вертикально или сбоку. Принципиальное
различие между этими двумя вариантами можно заметить, сравни-
вая рис. 14.5 с рис. 14.1 и 14.4. На рис. 14.5 показана последова-
тельность укладки слоев при расположении выпускных отвер-
стий сбоку. При этом рекомендуется следующая очередность
проведения операций:
1, . Нанести иа поверхность формы антиадгезионную смазку.
2. На приготовленную поверхность положить выбрасываемый слой (как
правило, это слой стеклоткани артикула 120, пропитанной смолой, которая сов-
местима со смолой формуемого материала).
3. Скрепить внешний слой с выбрасываемым слоем.
4. Уложить слои композиционного материала в соответствии с направле-
ниями, предусмотренными конструкцией изделия, и отполировать наружную
поверхность внешнего слоя (рис. 14.6).
92
1
2
3
4
Рис. 14.6. Послойная укладка препрега:
1 — разделительная пленка; 2 — воздушное включение; 3 — инструмент для полирова-
ния; 4 — пакет слоев материала; 5 — внешний слой; 6 — выбрасываемый слой; 7 — плита
формы
5. Боковое выпускное отверстие расположить на расстоянии не менее 13 мм
от наружного края пакета листов и соединить его с каналами вентиляционной
системы.
6. Поверх слоев композиционного материала положить пористую раздели-
тельную ткань и подтянуть ее к боковому выпускному отверстию (разделительная
ткань должна быть такого размера, чтобы перекрыть зазор шириной 13 мм между
пакетом листов и боковым выпускным отверстием, а ее выступающий край отре-
зают, так как ткань не должна переходить за выпускное отверстие).
7. Поставить уплотнительную прокладку (если диафрагма сделана не из
самоуплотняющегося силоксанового каучука) на расстоянии 13 ... 25 мм от на-
ружного края бокового выпускного отверстия.
8. Обратить особое внимание на уплотнение участка диафрагмы, закрываю-
щего пакет листов, чтобы не было утечки.
9. Создать разрежение (вакуум) под диафрагмой, проверить систему на гер-
метичность и все места утечки уплотнить.
10. Провести отверждение слоистого пластика.
Описанная система неприменима при значительном вытекании
смолы и обеспечивает только частичное удаление летучих. Из-
делия из слоистых пластиков, отвержденные в установке такого
типа, обычно имеют скошенные кромки на расстоянии около
50 мм от края материала. Их, как правило, отрезают от отвержден-
ной конструкции и иногда используют для проведения контроль-
ных испытаний.
На рис. 14.1 и 14.4 изображена схема укладки слоев при верти-
кальных системах выпускных отверстий. В этих конструкциях
93
предусмотрен контроль вытекания смолы для поддержания задан-
ной толщины слоев, Ниже приведена последовательность операций:
1) на поверхность формы наносят антиадгезионную смазку;
2) укладывают выбрасываемый слой и протягивают его таким образом, чтобы
можно было скрепить с эластичной перегородкой;
3) тщательно укладывают внешний слой и крепят так, чтобы он не мешал
креплению эластичной перегородки;
4) слои композиционного материала нумеруют, выкладывают и протирают
наружную сторону внешнего слоя;
5) 'эластичную перегородку скрепляют с выбрасываемым слоем на расстоя-
нии примерно 3,2 мм от края собранного пакета;
6) поверх перегородки и собранного пакета помещают разделительную ткань;
7) иа разделительную ткань укладывают заранее определенное количество
впитывающих слоев и растягивают их только до краев собранного пакета (иногда
нх прикатывают к разделительной ткани);
8) иа впитывающие слои кладут слой перфорированного материала «Тедлар»
н растягивают его до эластичной перегородки (диаметр отверстий в материале
«Тедлар» 0,75 мм, расстояние между их центрами 25 мм);
9) боковое выпускное отверстие соединяют с вентиляционными каналами;
10) поверх собранной конструкции укладывают два слоя сухой стеклоткани
с артикулом 181 и растягивают их до боковых выпускных отверстий;
11) на полученный слоистый материал кладут промежуточные или изоли
рующие плиты; необходимую защиту от резких увеличений температуры обеспе-
чивают стальные или алюминиевые переходные плиты толщиной 3,2 мм, назна-
чение которых состоит в том, чтобы обеспечить одинаковую скорость нагрева и
охлаждения по всему сечению формы и предотвратить локальную продувку смолы
при герметизации; промежуточные плиты применяют также для того, чтобы полу-
чить изделие с гладкой, неволиистой поверхностью;
12) для защиты диафрагмы от образования перфораций промежуточные
плиты покрывают двумя или более слоями сухой стеклоткани;
13) боковые выпускные отверстия герметизируют по всему периметру;
14) устанавливают и уплотняют диафрагму;
15) создают разрежение под диафрагмой и разглаживают, проверяют диаф-
рагму на герметичность и уплотняют, чтобы не было утечки;
16) находящийся под диафрагмой многослойный материал готов для отвер-
ждения.
В описанной системе удаления избытка связующего количество
впитывающих слоев заранее рассчитывается, чтобы снизить содер-
жание смолы до заданного уровня. На рис. 14.4 представлены все
составляющие элементы, которые могут входить в систему любого
типа.
На рисунках приведены различия между вертикальной и бо-
ковой системами выпускных отверстий специально для лучшего
понимания принципов формирования пакетов. Расхождения ме-
жду отдельными вариантами одной и той же системы при этом
не рассматриваются.
Основная цель, которая преследуется при изменении
конструкции системы — это добиться лучшего уплотнения
материала изделия и максимально увеличить эффективность
его применения. При этом целесообразно опять возвратиться к
табл. 14.2, где приведен перечень и области применения матери-
алов, используемых при переработке.
94
14.5. Многократно используемые поверхностные
слои с вентиляционными отверстиями
и диафрагмы из силоксанового каучука
Промышленное производство композиционных материалов с ис-
пользованием слоев с вентиляционными отверстиями диафрагм
из полимерных пленок разового применения имеет ряд технико-
экономических недостатков, к которым относятся:
чрезмерная стоимость многократно повторяемых ручных опе-
раций и неэкономное использование перерабатываемых материа-
лов;
большая вероятность получения бракованных материалов из-за
дефектов, вызываемых сморщиванием слоев с вентиляционными
отверстиями, утечками или разрывом диафрагм, сделанных из
тонких полимерных пленок;
большая вероятность повреждения поверхности формы в ре-
зультате многократных операций по ее очистке и установке;
дополнительные расходы, снижающие конкурентоспособность
слоистых пластиков в сравнении с конструкциями из других
материалов.
Слои с вентиляционными отверстиями одноразового исполь-
зования представляют собой отдельные полотнища сухой ткани,
которые растянуты и подогнаны под конфигурацию полуфабри-
ката слоистого пластика. Выполнение этой операции связано не
только с расходом материала, но и с большими затратами труда
квалифицированного персонала. Восстановление слоев с венти-
ляционными отверстиями после отверждения отформованных
с диафрагмой изделий обходится дороже, чем их замена.
Периодические издержки на оплату рабочей силы и материа-
лов разового использования могут быть сокращены путем комби-
нирования специально подготовленных слоев с вентиляционными
отверстиями с соответствующим перфорированным слоем и объе-
динения их в многократно используемый поверхностный слой
с отверстиями («чехол»). Операции по раздельной укладке слоев
с вентиляционными отверстиями и перфорированных слоев могут
быть заменены одной операцией — укладкой «чехла». Полученные
таким путем поверхностные слои пригодны для удаления газов
как из клеевых соединений во время их отверждения, так и из
слоистых пластиков. Внешнее различие между этими двумя обла-
стями применения поверхностных слоев с отверстиями состоит
в том, что впитывающие слои обычно разделяют уложенные в па-
кет листы слоистого пластика (см. рис. 14.2 и 14.4) и редко ис-
пользуются при отверждении адгезионных соединений или соот-
верждении получаемых в одну стадию слоистых конструкций.
Диафрагмы одноразового использования и укладка в форму
полимерных пленок и герметиков также являются причиной до-
полнительных затрат. Такие диафрагмы можно использовать
только один раз, так как при сборке конструкции и термическом
95
отверждении слоистого пластика они разрушаются. Полимерные
пленки даже при осторожном обращении с ними в процессе ра-
боты легко рвутся. Кроме того, уплотнения диафрагмы могут
оказаться недостаточно надежными, что приводит к утечкам.
Необходимое уплотнение достигается сжатием герметика между
полимерной пленкой и поверхностью формы. Перед подачей дав-
ления для отверждения материала при формовании с эластичной
диафрагмой следует выявить и ликвидировать все места утечек.
Даже при термическом отверждении не исключена возможность
того, что ослабленные полимерные пленки могут лопнуть при по-
даче повышенного давления. При этом часто наблюдается, что
дорогая деталь из композиционного материала отформовывается
неправильно, потому что пакет листов не был достаточно отвер-
жден или уплотнен. Использование толстых поверхностных слоев
из силоксанового каучука и самоуплотняющихся диафрагм мно-
гократного применения и других «чехлов» снижает стоимость
изготовления КМ и количество образующихся бракованных из-
делий благодаря упрощению технологического цикла и более на-
дежному контролю за соблюдением условий отверждения [1].
Рис. 14.2 и 14.3 иллюстрируют применение механически за-
крепленных обычных и армированных стекловолокном диафрагм
(«чехлов») из силоксанового каучука. Диафрагмы уплотняют,
зажимая силоксановый каучук между двумя плоскими и доста-
точно гладкими металлическими поверхностями. При этом до-
полнительная уплотнительная прокладка не требуется.
Другое, более дешевое торцовое уплотнение обеспечивает пере-
крытие полости внутри диафрагмы затвором вакуумного типа,
который соединен с отдельной вакуумной линией (диафрагму
следует располагать над пакетом слоев в форме). Затем подготав-
ливают соединительные детали для вакуумного затвора и уплот-
няют диафрагму относительно формы за счет отсоса. После этого
удаляют воздух из-под диафрагмы или соединяют эту полость с ат-
мосферой в зависимости от того, как это предусмотрено условиями
формования.
Штуцера для подсоединения к вакуумной линии могут быть
вплавлены внутрь диафрагмы из силоксанового каучука при ее
изготовлении. На рис. 14.7, а и б показаны приспособления для
быстрого отключения вакуумных линий, которые вплавлены
внутрь диафрагм, сделанных из силоксанового каучука, арми-
рованного стекловолокном, а на рис. 14.7, в — вид снизу изоб-
раженной на рис. 14.7, б диафрагмы, который поясняет, как
вспомогательные металлические детали могут быть вплавлены
внутрь каучуковых диафрагм. В этом случае используется при-
веденный на рисунке перфорированный трубчатый коллектор,
через который удаляется воздух из диафрагмы. Аналогично вплав-
ляют упрочняющие рамы для больших диафрагм, изготовленные
за одно целое нагревательные элементы и термопары для контроля
температуры. На рис. 14.8 изображены два варианта наиболее
96
Рис. 14.7. Форма с диафрагмой различных типов:
а форма с резиновым колпачком н диафрагмой; б и в “ соответственно вид сверху и
снизу диафрагмы из силоксанового каучука о отлитой в ией вакуумной линией
4 П/р Дж. Любина
97
Рис. 14.8. Типы многоканавочных уплотнений:
а — основной тип; б — модифицированный вариант; / — взаимосвязанные канавки; 2 —
компенсационный сальник; 3 — диафрагма из армированного стекловолокном силокса-
нового каучука; 4 — оснастка; 5 — вакуумная линия; б — вкладыши из мягкого сило-
ксанового каучука
легко собираемых затворов, где а — затвор для диафрагмы из
армированного стекловолокном силоксанового каучука, отлитый
из PTV 92-048, и видоизмененный вариант, в котором использо-
ван предварительно отлитый вкладыш из силоксанового каучука
с низкой твердостью по Шору. Уплотнение с предварительно
отлитым вкладышем лучше облегает поверхность формы. Все
уплотняемые поверхности должны быть чистыми, не иметь цара-
пин и вмятин. На рис. 14.9 показан более надежный затвор в виде
металлической рамы с резиновыми уплотнениями.
Многократно используемые «чехлы» с вентиляционными отвер-
стиями и диафрагмы из силоксанового каучука выдерживали до
1600 циклов формования. Известны случаи, когда стоимость по-
требляемых материалов для систем с вертикальными выпускными
отверстиями снижалась более чем на 90 %, а связанные с заменой
материала затраты на рабочую силу уменьшались более чем на
80 %.
К материалу для получения литых диафрагм из силоксанового
каучука предъявляются следующие требования:
текучесть, достаточная для получения мембран сложной кон-
фигурации;
способность пропитывать стекловолокно;
способность вулканизоваться при комнатной температуре;
мягкость, достаточная для точного прилегания к уплотняемой
поверхности;
долговечность, обеспечивающая работоспособность после мно-
гократных длительных выдержек при температурах до 179 °C
без снижения прочности и упругости;
стабильность размеров;
возможность ремонта.
В число материалов, рекомендованных разработчиками диаф-
рагм многократного использования для фирмы «Груммэн эароус-
пейс», входят:
латекс силоксанового каучука RTV 92-048 фирмы «Дау Кор-
нинг»;
98
Рис. 14.9. Наружная уплотняющая
рама:
1 — вакуумная линия; 2 — винт; 3 —
верхняя рама; 4 — нижняя рама; 5 —
диафрагма из армированного стеклово-
локном силоксанового каучука; 6 —
компенсационный сальник; 7 — оснаст-
ка; 8— литые резиновые уплотнении
дисперсия DC 92-009 RTV фирмы «Дау Корнинг», разбавленная
тяжелым бензином в соотношении 1 : 1 для смачивания стекло-
волокна;
RTV 630 фирмы «Дженерал электрик»;
стеклоткань артикула 1000 с нейтральным pH, очищенная от
аппретуры нагреванием;
стеклоткань с трикотажным переплетением фирмы «Ютайтед
мэрчент» для изделий, имеющих форму свернутой спирали;
вулканизованный и невулканизованный каучук и листы из
него марок «Мосайтс» и D фирмы «Эаркрафт продакте».
Диафрагму обычно устанавливают над формуемым собранным
пакетом листов с выпускными отверстиями и поверхностными
слоями с отверстиями. На этот пакет кладут разделительную плен-
ку, после чего устанавливают диафрагму из силоксанового кау-
чука и вакуумом подтягивают всю сборку как можно плотнее
к форме. Вакуум поддерживают все время, пока крепят диаф-
рагму. По периметру форму обкладывают полосками парафина
для образования зубцов, между которыми будут уложены ва-
куумные уплотнения. Затем форму по периметру обматывают
также экструдированными полосками мягкой резины.
14.6. Составы композиций
Для улучшения свойств слабо нагруженных конструкций «мок-
рое» формование слоистых пластиков иногда сочетают с формова-
нием с эластичной диафрагмой. Поскольку сухое волокно трудно
пропитать небольшим количеством смолы, исходное объемное со-
отношение смолы и армирующих материалов обычно берут не
менее 2:1. Массовое соотношение этих компонентов я^1 : 1.
При контактном формовании заготовок для компенсации высокого
содержания смолы приходится увеличивать толщину компози-
ционного материала. К таким изделиям относятся архитектурные
панели и ограждения, арматура и облицовка ванных комнат, а
также составные конструкции в легковых и грузовых автомоби-
лях. Однако при получении ответственных опорных деталей иногда
встречаются пространственные ограничения. Для уменьшения
содержания смолы и улучшения конструкционных свойств можно
использовать различные способы удаления излишка связующего.
4* 99
В зависимости от размеров и конфигурации пакета листов,
применяя некоторые приемы, удается снизить объемную долю
смолы до 5 %. В изделиях большого размера или свернутых спи-
рально можно удалить не более 1 % излишка смолы. При избы-
точном содержании смолы в слоистых пластиках наблюдаются
размыв волокна, сморщивание слоев, большая разнотолщинность
материала и его неполное отверждение вследствие чрезмерных по-
терь химически активных летучих веществ. Эти явления приводят
к ухудшению эксплуатационных свойств готовых изделий. При
правильном проведении процесса отверждения объемное содержа-
ние пор в слоистых пластиках не превышает 2 %.
Технологические приемы укладки в пакет сухих армирующих
материалов со смесью смолы и катализатора аналогичны применяе-
мым при ручной укладке для контактного формования. При ис-
пользовании в пакете отверждаемых при комнатной температуре
смол их композицию подбирают с таким расчетом, чтобы жизне-
способность была максимальной. Смесь смолы с катализатором
наносят валиками, щетками или другими подходящими приспо-
соблениями, а для обеспечения пропитки армирующих материалов
и вытеснения захваченного воздуха смолу вручную втирают в
волокна.
Если объемное содержание смолы меньше 60 % (менее 43 %
массы смолы в готовом стеклопластике), пропитать волокнистый
армирующий материал становится трудно. Часто приходится
с усилием прикатывать смолу валиком через толстую пленку,
помещенную сверху на собранный пакет. Иногда при этом при-
кладывается такое большое усилие, что разрушаются волокна и
нарушается их ориентация. В этих случаях приходится выбирать
наименьшее из зол: увеличенное содержание смолы, разруше-
ние армирующего материала или большое количество пор в ком-
позите.
Однородность распределения смолы в толще армирующих ма-
териалов зависит от квалификации рабочего, вязкости смолы,
адекватной ее жизнеспособности, и ориентации армирующей ком-
поненты. Трудности, встречающиеся при получении изделий
сложной формы,заключаются в скапливании смолы в углублениях
и провисании уложенных слоев армирующих материалов вблизи
наклонных стенок.
Основное отличие от контактного формования связано с ис-
пользованием приемов для удаления избытка связующего и за-
кладки пакета в эластичную диафрагму. Дешевое стекловолокно
почти всегда используются при «мокром» формовании композици-
онных материалов. Как правило, снижение массы или увеличение
прочности или жесткости конструкции — недостаточно однознач-
ные факторы, чтобы они могли служить основанием для примене-
ния более дорогих армирующих материалов. Однако достижение
большей жесткости и усталостной прочности часто оправдывает
использование углеродных волокон.
100
14.6.1. Модификаторы композиций смол
Композиции жидких смол, применяемые для «мокрого» фор-
мования слоистых пластиков и получения препрегов намоткой
одиночными нитями, содержат все необходимые компоненты для
перехода в отвержденное состояние. Композиция подбирается
таким образом, чтобы она обладала жизнеспособностью, достаточ-
ной для завершения процесса формования с эластичной диаф-
рагмой. Добавками служат обычно антипирены, светостабилиза-
торы и загустители. Инертные растворители, как правило, при
этом варианте технологии не применяют. Известны случаи, когда
при использовании растворителей для уменьшения вязкости
смолы предпринимались попытки их испарения до начала стадии
отверждения.
Применение загустителей в жидких смолах дает ряд следую-
щих преимуществ:
1) увеличение структурной монолитности отвержденных слоис-
тых пластиков и соотвержденных клеевых соединений;
2) удержание армирующего материала на наклонных поверх-
ностях формы во время технологических операций;
3) удержание смолы армирующими материалами во время тех-
нологических операций;
4) контролирование соотношения компонентов и размеров от-
вержденного материала.
Обычно желаемые результаты достигаются при введении загу-
стителей с массовой долей менее 10 %.
14.6.2. Композиции смол с растворителем для намотки препрегов
Иногда инертные растворители используются для сохранения
смол в состоянии, достаточно жидком для пропитки армирующих
материалов в процессе намотки препрегов. При употреблении
таких систем требуется дополнительное оборудование. Помимо
приборов, измеряющих количество смолы, оставшейся на волокне,
необходимо устройство для испарения растворителей на стадии
образования препрегов. Применяют усовершенствованные тон-
нельные сушилки и ступенчатые колонны. Это позволяет наматы-
вать многослойные препреги, не содержащие такого избытка
растворителя, которое может вызвать образование пор.
14.6.3. Препреги, получаемые намоткой одиночными нитями
Процессы намотки одиночными нитями описаны в гл. 16.
В отдельных случаях, с экономической или конструкционной точ-
ки зрения целесообразно наматывать многослойные препреги.
После намотки их снимают с оправки для последующего формо-
вания с эластичной диафрагмой.
Оправки предварительно обматывают мягкими полимерными
пленками, которые в дальнейшем служат подложкой для препре-
101
гов. Препреги, получаемые намоткой волокном, должны иметь
определенный порядок чередования слоев под заданными углами,
необходимый для данного пакета листов. Когда волокна сведены
в параллельный пучок, объемное их содержание сохраняется на
уровне 60 ... 65 %.
Число слоев в препреге ограничивается его толщиной, при
которой он может быть выложен на поверхности формы без нару-
шения ориентации волокна или сморщивания отдельных слоев.
Оптимальные толщины препрега определяются диаметрами оп-
равки, возможностями подгонки их под конфигурацию поверхно-
сти формы и площадью поверхности, которая Должна быть по-
крыта препрегом.
После завершения намотки удаляют избыток намотанного ма-
териала по краям оправки. Подложку вместе с намотанным пре-
прегом нарезают параллельно оси оправки. Затем ее снимают с
оправки и переносят на поверхность формы. Укладывать препрег
на поверхность с обратной кривизной не рекомендуется. При ра-
боте с позитивной формой подложка должна находиться на ее по-
верхности. Когда применяется негативная форма, то препрег
опускается в ее полость смолой вниз. Если препрег находится до-
статочно глубоко в форме, подложку можно удалить после за-
вершения укладки слоев в полость или размещения вспомогатель-
ной подложки для укладки препрега в позитивной форме. В про-
тивном случае подложка должна оставаться на своем месте до
отверждения композита.
При ступенчатом получении препрегов они по своим качествам
приближаются к свойствам материалов, применяемых для аэро-
космических аппаратов. Укладка слоев материала производится
в заданной последовательности, отверждение происходит на оп-
равке, удаление излишка связующего почти (или совсем) не тре-
буется, а контроль процесса может осуществляться непрерывно
во время намотки.
14.7. Промышленные препреги
Это армирующие материалы, пропитанные заранее определен-
ным количеством равномерно распределенной смолы и перерабо-
танные таким образом, что сохраняются оптимальные технологи-
ческие характеристики и обеспечивается воспроизводимость свойств
отвержденного композита. Для пропитки применяют эпоксидные,
полиэфирные, фенольные, кремнийорганические, полиимидные
и термопластичные (например, полисульфон) смолы. Композиции
смол используют в виде жидкостей, горячих расплавов и раз-
бавленных растворителем систем, а также как олигомерные смеси.
В качестве армирующих материалов применяют, помимо стек-
ловолокна, борные, углеродные и высокомодульные арамидные
волокна. Они могут быть в виде тканей, лент или тесьмы шириной
свыше 457 мм. По сравнению с «мокрыми» полуфабрикатами эти
102
препреги обладают превосходными конструкционными свойствами
и используются, главным образом, для удовлетворения наиболее
жестких требований авиационно-космической промышленности.
14.7.1. Стандарты по контролю качества
Точный состав большинства препрегов запатентован фирмами.
Изготовители препрегов гарантируют их физические и техноло-
гические свойства и соответствие нормам на качество композитов,
приведенным в приобретаемых у компании спецификациях. Во-
енные и промышленные технические условия устанавливают об-
щие стандарты по контролю качества препрегов. Спецификации
компаний на поставку материалов и их переработку вносят в эти
стандарты специальные добавления, учитывающие специфику
применения изделий или особенности их конструкции. Стандарты,
регламентирующие контроль качества композиций и технологи-
ческие параметры, включают в себя определение следующих
показателей.
Массовое соотношение смолы, армирующего материала и летучих:
1. Содержание смолы или армирующих материалов, определенное экстрак-
цией растворителем, пиролизом или методом химической идентификации.
2. Содержание летучих, определенное неполным пиролизом в стандартных
условиях испытания.
Технологические параметры:
1. Липкость, т. е. величина, характеризующая качество адгезии.
2. Текучесть, т. е. количество смолы, которое можно выдавить из стандарт-
ного образца после его отверждения между плитами пресса при стандартных
значениях температуры и давления.
3. Продолжительность желатинизации (время гелеобразования) — отрезок
времени, в течение которого стандартный образец должен находиться между
нагретыми плитами до полного прекращения прилипания смолы к эталонному
материалу.
Для проверки гарантированных изготовителем свойств пре-
прега необходимо провести контроль качества отвержденных па-
нелей. Соответствие материала техническим условиям оценива-
ется по результатам определения предела прочности при растяже-
нии и изгибе и межслоевой прочности на сдвиг по главным направ-
лениям препрега.
14.7.2. Контроль состава композиций
Оптимальные свойства слоистых пластиков конструкционного
назначения наиболее воспроизводимо обеспечиваются, когда объ-
емное содержание пор в материале не более 2 %, а среднее объем-
ное содержание армирующего материала УСр соответствует при-
веденным ниже значениям:
Армирующий материал У„_, %
и у
Бориые волокна диаметром 0,1 мм, соответствующие стеклохол-
сту артикула 104............................................... 0,50
Тканые в двух направлениях ткани (для авиационно-космических
целей)......................................................... 0,55
103
Тканые в одном направлении ткани (для авиационно-космических
целей) объемного переплетения...............................0,60—0,65
Тканые в одном направлении ткани (для авиационно-космических
целей) с поперечными прядями................................0,55—0,60
Сведенные в параллельный пучок волокна без канвы............ 0,65
В тех случаях, когда вытекающий на поверхность излишек
смолы не должен превышать 2 %, наблюдается сморщивание слоев,
ухудшение внешнего вида и разнотолщинность материала. Кон-
струкционные композиты с повышенными характеристиками по-
лучить значительно сложнее, чем «мокрые» слоистые пластики.
Минимальное массовое содержание волокна mln может быть
установлено анализом препрегов, а в препрегах, предназначен-
ных для высокоэффективных конструкций, оно определяется по
следующему уравнению!
________(Еср 0,02) рв____
в “ах__________________________(уср — 0,02) рв + (1,02 — V) рсм ’
где рв — плотность волокна; рсм — плотность смолы.
Более высокое содержание армирующего компонента в КМ,
за исключением армированных термопластов, часто препятствует
выжиманию излишка связующего и приводит к увеличению ко-
личества пор в ламинате. Повышенное содержание смолы может
вызвать плохую воспроизводимость свойств готовых изделий.
14.7.3. Контроль содержания летучих компонентов
Обычно при контроле качества препрегов инертные летучие
вещества не отделяют от химически активных летучих компонентов.
Тем не менее даже общее содержание летучих веществ дает ка-
чественную оценку сорта препрега, летучести растворителей и
степени деструкции в результате старения. Если сравнить со-
держание летучих компонентов непосредственно перед укладкой
препрега в форму с результатами анализа в момент получения его
от поставщика, то можно судить об интенсивности его старения.
14.7.4. Контроль липкости
Липкость — это адгезионная характеристика, контроль кото-
рой необходим для облегчения послойной укладки. Она зависит
от содержания смолы и инертных летучих, степени подготовки
препрега, температуры и влажности в помещении. Иногда лип-
кость повышается с увеличением содержания смолы и летучих,
при замедленной подготовке препрега и некотором повышении
окружающей температуры при послойной укладке. В других
случаях повышение липкости происходит при перераспределении
композиции смолы или введении в нее новых добавок. Состав ком-
позиции нельзя изменять без ее перепроверки изготовителем.
104
Свойства препрегов часто изменяются в такой степени, что при-
ходится проверять характеристики и долговечность отвержден-
ного слоистого пластика.
При работе с препрегами, обладающими очень большой липко-
стью, обычно сильно нарушается распределение смолы и ориента-
ция волокон или происходит образование сгустков армирующего
материала. Соотношение компонентов оказывается непостоянным,
так как при снятии с препрега разделительной пленки или под-
ложки всегда удаляется какое-то неизвестное количество смолы.
В принципе, все недостатки систем, используемых при «мокром»
формовании слоистых пластиков, присущи и чрезмерно липким
препрегам.
Если препреги не имеют липкости, это значит, что или их
подготовка доведена до слишком высокой стадии, или истек срок
их годности при хранении. Такие материалы уже не могут нор-
мально отверждаться, и их выбрасывают. Исключение составляют
кремнийорганические и некоторые полиимидные смолы, которые
после подготовки всегда не имеют липкости. Применение этих
смол допускается в тех слоистых пластиках, в которых снижение
механических свойств оправдано благодаря увеличению тепло-
стойкости или электрических показателей. Отсутствие липкости
в термопластичных препрегах не препятствует их отверждению.
Подготовку большинства препрегов прекращают на стадии,
допускающей широкую возможность регулирования их липкости.
Уровень липкости должен, с одной стороны, обеспечивать при-
липание препрега к подготовленной поверхности формования
или прилегающим слоям при послойной укладке, но, с другой
стороны, быть не слишком большим, чтобы изделие можно было
отделить от пленки-подложки без потери смолы. Таким образом,
уровень липкости можно сформулировать как значение показателя,
при котором препрег остается приклеенным к подложке вплоть
до приложения заранее определенного усилия отслаивания.
При отсутствии неблагоприятных воздействий на отвержденные
слоистые пластики требования к липкости можно варьировать
с учетом конкретных условий производства. Влияние локальных
колебаний температуры и влажности сводится к минимуму при
кондиционировании воздуха, а высокие значения липкости под-
даются изменению при снижении температуры. Клейкость в су-
хом состоянии можно улучшить с помощью пульверизации ма-
териала горячим воздухом.
14.7.5. Контроль текучести
Результаты измерения текучести смолы свидетельствуют о ее
способности сплавлять последовательные слои ламината, вытес-
няя газообразные побочные продукты реакции, которые образуют
поры. Величина текучести характеризует также пригодность или
уровень подготовки препрега. Часто для сохранения необходи-
105
мой текучести устанавливаются оптимальные значения содержа-
ния смолы и липкости. В некоторых случаях для регулирования
текучести в смолу добавляют загустители.
14.7.6. Продолжительность желатинизации
Продолжительность желатинизации (время гелеобразования)—
показатель, характеризующий степень подготовки препрегов.
Срок их службы ограничен количеством стадий или этапов под-
готовки. Состав большинства препрегов позволяет хранить их
^>8 сут. в нормальных атмосферных условиях. Срок службы
может быть увеличен, если препреги хранить при —40 °C, но
всякий раз, когда препрег длительное время хранится при ком-
натной температуре, его срок службы сокращается. Определение
продолжительности желатинизации используется как гарантий-
ная контрольная проверка качества. По результатам, полученным
при этих измерениях, судят, надо ли проводить более дорогие
испытания материала или срок годности препрега истек, и его
следует выбросить в отвал.
14.8. Технология послойной укладки препрегов
Технология укладки и ориентации пропитанных смолой арми-
рующих материалов на формующую поверхность в соответствии
с конструкцией слоистого пластика определяется липкостью и
драпировочными свойствами препрегов. Подготовка большинства
препрегов доводится до стадии, когда они приобретают оптималь-
ное сочетание липкости и драпировочных свойств.
14.8.1. Технология послойной укладки нелипких препрегов
Технология послойной укладки сухих нелипких препрегов
(на основе кремнийорганических и полиимидных смол) находит
ограниченное применение и не подходит для формования опор-
ных конструкций. Как правило, для армирования используется
стекловолокно и лишь для аэрокосмических летательных аппара-
тов — углеродные волокна. Появление специальных тканей сде-
лало возможным применение сшитых оплеток, скоб или зажимов.
Обычно укладываемые листы размещают так, чтобы была возмож-
ность обрезки застежек после отверждения слоистого пластика.
Иногда препреги укладывают поверх позитивной формы и нагру-
жают их края, чтобы плотно натянуть слои на формующую по-
верхность. Применение препрегов с плохими драпировочными
свойствами ограничивается изделиями слегка вогнутой формы
и одинарной кривизны. Очень часто успешная послойная укладка
зависит от мастерства рабочего.
14.8.2. Процесс без удаления излишка связующего
Метод отверждения улучшенных композиционных материалов
без системы выпускных отверстий был разработан с целью сни-
жения стоимости и сложности оснастки. Увеличение объемного
106
содержания волокна при сохранении легкости обращения с ма-
териалом достигается при использовании препрегов с более низ-
ким, чем обычно, содержанием смолы. Например, препрег для
формования ленты из армированной углеродными волокнами эпо-
ксидной смолы, без удаления избытка связующего имеет 35 %
смолы, а не 40 %, как обычно. Уложенные в пакет такие слои
герметически заделываются пластмассовой пленкой «Тедлар» или
непористой стеклотканью, покрытой «Тефлоном». Захваченный
воздух удаляется из слоистого пластика диффузией через полимер-
ную пленку или стекложгуты, соединяющие собранный пакет
и расположенную по периметру отводящую систему. Как правило,
слоистые пластики, полученные без удаления избытка связую-
щего, обладают меньшей прочностью из-за пористости и повышен-
ного содержания смолы. Однако можно ожидать, что ведущиеся
сейчас исследования приведут к улучшению их свойств.
14.8.3. Укладка препрегов с термопластичной матрицей
Несмотря на то, что при комнатной температуре термопластич-
ные препреги являются жесткими и сухими материалами, их
можно формовать при нагревании выше температуры стеклования
и плавить после непродолжительной выдержки при температуре
плавления. Термопластичные препреги можно неограниченно
долго хранить при комнатной температуре без всяких специаль-
ных предосторожностей. Они не подвергаются деструкции под
действием влаги в такой степени, как препреги на основе термо-
реактивных смол.
Среди препрегов, предложенных для получения слоистых
пластиков, работающих при температурах до 179 °C, следует от-
метить полисульфоновые препреги. Создаются препреги на основе
жгутов, ровингов и тканей. Технология их получения еще не пол-
ностью разработана.
В применяемых в настоящее время препрегах излишек смолы
не удаляется. Листы материала порознь термоформуют примерно
при 204 °C, охлаждают до комнатной температуры и укладывают
стопкой в форму. Полученный пакет листов затем подвергают фор-
мованию с эластичной диафрагмой под вакуумом или в автоклаве
при 315 °C. Продолжительность выдержки при температуре плав-
ления зависит от толщины пакета. Для плавления восьмислойного
слоистого пластика, армированного углеродным волокном, тре-
буется не более 30 мин.
Полному расплавлению полимера мешают наличие деструкти-
рованного материала на поверхности препрега и загрязняющих
примесей, а также неоднородные условия плавления. Из-за по-
верхностных загрязнений происходит расслоение материала и уве-
личивается его пористость. Препреги на основе жгутов и ровин-
гов наиболее пригодны для изделий плоской формы или имеющих
107
поверхность одинарной кривизны. Препреги, армированные тка-
нью, целесообразно использовать для деталей изогнутой формы.
В качестве термопластичных матриц находят применение по-
лиарилсульфоны, полиэфирсульфоны и акриловые смолы. Л. По-
вермо с соавторами [2] описывают очень многообещающее по-
тенциальное использование лент из акриловой смолы и графити-
рованного волокна на работающих на солнечной энергии косми-
ческих орбитальных станциях. Предварительные испытания пока-
зали, что эти материалы имеют очень высокую механическую проч-
ность и долговечность.
14.8.4. Технология послойной укладки серийных препрегов
Подготовка препрегов для получения изделий конструкцион-
ного назначения должна завершаться на стадии, когда они приоб-
ретают необходимые значения липкости и драпировочных свойств.
Липкость должна обеспечивать прилипание препрега под дейст-
вием небольшого давления к подготовленной поверхности фор-
мования или к прилегающим слоям при послойной укладке.
В то же время липкость не должна быть слишком большой, чтобы
не препятствовать отделению препрега от подложки без потери
смолы. Драпировочные свойства препрега должны обеспечивать его
достаточную мягкость, чтобы он легко мог принять конфигурацию
формующей поверхности. Оптимальное сочетание регулируемых
липкости и драпировочных свойств проще всего достигается в пре-
прегах, армированных тканями с атласным переплетением. Арми-
рующие материалы из нетканого ровинга имеют низкую прочность
в поперечном направлении. Иногда многослойные или поперечно
уложенные жгутами препреги используются для увеличения проч-
ности в поперечном направлении у пакетов на основе тканых по-
лотен шириной свыше 457 мм.
Чтобы отвержденные слоистые пластики обладали достаточной
долговечностью и необходимыми конструкционными свойствами,
в их состав вводят препреги, липкость и драпировочные свойства'
которых подобраны в соответствии с применяемым оборудованием
или конкретными условиями производства.
В идеальном случае чувствительность материала к колебаниям
температуры и влажности сводится к минимуму в герметичных
«чистых комнатах» с кондиционированным воздухом. Давление
в «чистых комнатах» поддерживается фильтрованным воздухом,
который подается воздуходувкой под избыточным давлением.
Это давление должно быть достаточно большим, чтобы не допу-
скать попадания в «чистую комнату» находящихся в воздухе ча-
стиц из окружающей атмосферы. Как правило, идеальные условия
при этом не достигаются, и в зависимости от времени года при-
ходится варьировать те свойства препрегов, которые определяют,
как с ними можно обращаться.
108
14.8.5. Послойная укладка препрегов из тканых полотен
Драпировочные характеристики препрегов, армированных ма-
териалом с атласным переплетением, наиболее приемлемы. Значи-
тельно хуже проявляются драпировочные свойства у препрегов
с саржевым ломаным атласным переплетением, а самые лучшие —
у препрегов с полотняным переплетением с одинаковой плотно-
стью по основе и утку и переплетением типа «рогожка».
Препреги из полотен могут быть сметаны так, чтобы они при-
нимали очертания слабонагруженных изогнутых деталей. Сметка
практикуется при продольной резке препрегов в местах, где при
послойной укладке обычно образуются складки. Избыток матери-
ала в этих местах может быть полностью удален, а оставшиеся
кромки соединяют встык. Другой способ заключается в продоль-
ной резке препрега там, где обычно образуются сгибы в склад-
ках, после чего избыток материала, если в нем нет морщин, соеди-
няют внахлестку. При использовании первого способа требуется
дополнительный слой материала для компенсации слабых сты-
ковых соединений в пакете. Сметка не рекомендуется для сильно
нагруженных конструкций. В этих случаях препреги надо на-
резать на заготовки заранее определенной формы, в которых стыки
в последовательных слоях не совпадают. Расположение нахле-
сточных швов должно быть строго определено, а их ширина дол-
жна контролироватья. Шаблоны для предварительно нарезаемых
препрегов обычно допускают перекрытие шириной порядка 13 мм.
Если армирующий материал в виде тканой ткани укладывают
на изогнутую поверхность, ткацкий рисунок нарушается и изме-
няется направление волокон. Для предотвращения этих нежела-
тельных явлений используется волокно с ориентацией (0°, ±60°)
или (0°, ±45°, 90°). При такой последовательности слоев арми-
рующий материал в плоскости слоистого пластика обладает квази-
изотропными свойствами. Однако центровка слоев слоистого пла-
стика из армированных стекловолокном препрегов с хорошими
драпировочными свойствами трудно поддается контролю. Вплетение
в ткани специально окрашенных волокон упрощает послойную
укладку и осмотр слоистых пластиков.
Фирма «Вурлингтон» поставляет для армирования стеклоткань
с вплетенными в основу сигнальными коричневыми волокнами,
расположенными с интервалом 128 мм. Фирма «Стивенс» выпу-
скает аналогичный армирующий материал с голубыми сигналь-
ными волокнами, расстояние между которыми 76 мм. Эти цвета
различны при использовании неокрашенных эпоксидных и поли-
эфирных смол. Правильность ориентации и число слоев в пакете
при этом проверяется оптическими методами. Иногда в основу
специально изготовленных тканых полотей вводят волокна, не-
прозрачные для рентгеновских лучей, что облегчает возможность
осуществления неразрушающего контроля материалов и из-
делий.
109
Конструкция композиционных материалов, работающих под
большими нагрузками, должна обеспечивать воспроизводимость
их свойств. Конфигурация изделий не должна препятствовать
ориентации слоев в заранее заданных направлениях. Основные
принципы послойной укладки одни и те же, независимо от того,
производится ли она вручную или автоматически. Если конфи-
гурация изделия это допускает, то наибольшая воспроизводи-
мость свойств достигается при укладке слоев, которые вырезаны
по размеру, а затем уложены на трансферные пленки. Эти транс-
ферные пленки или шаблоны из материала «Майлар» имеют метки,
указывающие, как размещать те или иные слои и как их ориенти-
ровать относительно формы. Слои, которые укладывают на шаб-
лоны, переносят в форму без дополнительных деформаций, после
чего шаблоны удаляют. Анизотропия армированного тканью
препрега в любом слое компенсируется ровной, но противополож-
ной анизотропией соседних слоев. Для того чтобы отвержденные
слоистые пластинки не деформировались, необходимо обеспечить
симметрию слоев при укладке. Для создания ортотропной струк-
туры иногда проводят корректировку пакета, укладывая слои
с поперечными прядями, компенсирующие нарушение регули-
ровки.
14.8.6. Послойная укладка препрегов из нетканых материалов
и ровингов
Препреги из ровингов наматывают или укладывают в заданной
последовательности любым из трех способов. Первая система —
это ориентация (0°, ±45°, 90°), или последовательность л/4.
Вторая—ориентация (0°, ±0, 90°). Третья, с углом смещения
слоев ±0, используется в конструкциях, получаемых намоткой
волокном. Находит применение также система (0°, ±60°), или
л/3. В пределах допусков по толщине изделия последовательность
слоев делают симметричной относительно средней плоскости
слоистого пластика, чтобы предотвратить появление изгибающих
взаимосвязанных эффектов.
Чтобы при последовательности л/4 получить изделие с опти-
мальными свойствами при минимальной массе, увеличивают число
слоев в преимущественных направлениях, а в направлениях, где
избыточная масса — уменьшают. Для сохранения симметрии по
главным направлениям добавление или уменьшение числа слоев
под углом ±45° производится парами. Часто слои, укладываемые
под углом ±45°, заменяют, чтобы свести к минимуму добавление
других слоев. Однако послойная укладка при последовательно-
сти (0°, ±0, 90°) наиболее трудно воспроизводится и поддается
проверке, а уменьшение массы, как правило, незначительно.
Для получения ламината с заданной анизотропией свойств на-
мотку слоев под оптимальным углом ±0 комбинируют с наматы-
ванием их по окружности.
ПО
Для облегчения послойной укладки и более эффективного ис-
пользования форм и оснастки рекомендуется широко применять
вспомогательные устройства и приспособления. Продолжитель-
ность укладки слоев в форму сокращается при помощи шаблонов
из «Майлара» с метками. Листы заданного размера предварительно
укладывают и ориентируют на шаблоне. Когда форма готова для
послойной укладки, собранный пакет переносят и аккуратно ук-
ладывают в нее. Точная установка в определенном положении
достигается с помощью меток, используемых для индексации.
В большинстве случаев на форме для этой цели имеются специаль-
ные штыри, над которыми должны точно располагаться соответ-
ствующие отверстия в шаблонах. Иногда шаблоны имеют такую
конфигурацию, что их можно установить в форме только единст-
венным путем. Пакет слоев извлекают из шаблона прямо в форме
уже в нужном положении, подсоединяют систему для удаления
излишка связующего, после чего всю сборку помещают под элас-
тичную диафрагму и отверждают.
Препреги, армированные ровингом, используют в виде много-
слойных лент шириной 76 мм. Широко применяется лента шири-
ной 600 мм. Обычно слои материала перед укладкой в форму на-
резают на куски заданного размера. Для этого внутри оснастки
устанавливается дополнительная подложка. Иногда в оснастке
делают отверстия для подключения вакуума с целью закрепления
подложки в заданном положении. Слои материала ориентируют
с точностью до ± 1° с помощью лентоукладочных головок или вруч-
ную, используя нанесенные на столе направляющие линии, ли-
нейки или чертежные машины с делительной головкой. При при-
менении различных типов лент шириной более 457 мм или тесьмы
укладываемые на стол листы имеют приблизительный размер.
Затем их обрезают до нужных размеров лазером или водяной стру-
ей. На листы, все еще находящиеся на столе для послойной ук-
ладки, устанавливают шаблон с метками и приклеивают его к верх-
нему слою. Только после того как этот слой соединяется с шабло-
ном, удаляют дополнительную подложку. Тем же путем на шаб-
лон можно перенести несколько слоев.
Существующие укладочные машины могут укладывать непо-
средственно в форму ленты и тесьму шириной ^76 мм, но их
применение ограничено сложностью формы изделий.
14.8.7. Применение широких и узких препрегов
С экономической точки зрения, использование узких препре-
гов выгодно, так как приводит к минимальным потерям матери-
ала: как правило, отходы не превышают 7—10 %. Узкие пре-
преги (шириной до 76 мм) идеально подходят для очень дорогих
материалов, таких как ленты из борного волокна и эпоксидной
смолы, цена 1 м которых составляет ~49 долл. Однако при при-
менении узких лент значительно возрастают затраты на рабочую
111
силу, и эти затраты должны компенсироваться экономией от
снижения расхода материала.
Затраты на рабочую силу при послойной укладке зависят от
принятой технологии. При использовании автоматической укла-
дочной машины они самые низкие, причем кромочные отходы ми-
нимальны. Составление соответствующей программы вырезания
заготовок с помощью машины является, вероятно, самым эконо-
мичным способом работы, который может успешно применяться
как для широких, так и для узких лент. Однако этот способ огра-
ничен тем, что позволяет в данный момент укладывать только
один слой. Предварительно нарезанные заготовки можно исполь-
зовать как в одногнездных, так и в многогнездных формах. Их
можно также хранить для последующего применения. Способ
применяют для тесьмы и лент.
Второй способ основан на использовании стола для нарезания
заготовок, на который укладывают не менее восьми слоев матери-
ала. Поверх стопки листов кладут различные шаблоны, подгоняя
их друг к другу для наиболее экономичного расположения. Затем
вырезают заготовки и хранят их, пока не потребуются. Этот
способ, часто используемый на современных предприятиях, наи-
более пригоден для тесьмы шириной более 457 мм и широких лент.
Третий способ заключается в раскатывании ленты или пре-
прега избыточной длины, раскладке материала на оснастке и об-
резании кромок до нужного размера. В зависимости от размера и
сложности изделия отходы могут превышать 50 %. Обычно при
нарезании полотнищ по всей длине точный контроль не произ-
водится. Его удается осуществить только для небольшого числа
наиболее сложных деталей, когда применение заготовок стано-
вится неэкономичным.
14.8.8. Уплотнение диафрагмы
При формовании с эластичной диафрагмой применяются уплот-
нения следующих основных типов: термостойкие герметики, ме-
ханические уплотнения, вакуумные уплотнения и кольцевые уп-
лотнительные прокладки с канавками. Термостойкие герметики —
это резиновые композиции с хорошими адгезионными свойствами
и очень высокой тепло- и огнестойкостью. Они обычно поставля-
ются в виде лент шириной 25 мм, готовых к немедленному при-
менению. Их выпускают фирмы «Файбер резин» и «Эйртех интер-
нэшанл».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lubin G., Dastin S., Mahon J., Tanis C., «The Self-Sealing, Reusable Silicone
Rubber Blankets for Composite Molding and Assembly Bonding Operations»,
29th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composite Institute,
SPI, Washington, D. C„ 1974.
2. Povermo L. M., Muench W. K-, Marx W., Lubin G., «Composite Beam Builder»,
SAMPE Journal, January/February 1981, p. 7.
112
15. ФОРМОВАНИЕ РЕАКТОПЛАСТОВ
НА МАТРИЦЕ
П. Роберт %нг
В настоящее время половину всех изделий из армированных
пластмасс получают методом формования реактопластов на мат-
рице. Этот процесс применяется в той или иной форме, когда тре-
буются высокая производительность, точность и воспроизводи-
мость деталей. При этом достигается очень высокое качество из-
делий при минимальной стоимости, причем оно лишь незначи-
тельно зависит от мастерства персонала.
Даже в тех случаях, когда объем производства невелик, на-
пример, при получении деталей аэрокосмических аппаратов и дру-
гих изделий с высокими эксплуатационными свойствами, требова-
ния к точности и воспроизводимости деталей иногда заставляют
использовать методы формования на матрице.
В общем случае метод формования реактопластов на матрице —
это процесс, в котором заполнение и смыкание формы заставляет
формуемый материал принимать заданную конфигурацию, при-
чем отверждение его происходит в самой форме. Такое определение
предполагает столь бо.т.шое число различных подпроцессов и
материалов, что удобнее идентифицировать процесс в каждом
случае каким-либо подзаголовком. Так, в данной главе способы
формования матов и предварительно отформованных заготовок
будут объединены термином «мат и заготовка»; премиксы из ар-
мированных формовочных композиций; стеклонаполненные компо-
зиции для прессования (СК.П); листовые формовочные материалы
(ЛФМ); формовочные композиции с повышенным содержанием
стекловолокнистого наполнителя (ТМС) и листовые формовоч-
ные композиции с диагональным переплетением волокон (ХМС),
а также процессы прямого прессования, литьевого прессования и
литья под давлением реактопластов объединяются термином
«армированные формовочные композиции»; холодное прессование
и совместное формование определены как «холодное прессование»,
а вопросы литья под давлением смол и формования емкостей из
пенопластов освещены в соответствующих разделах. Все широко
применяемые методы будут рассматриваться довольно детально.
Однако в первую очередь внимание будет уделено армированным
формовочным композициям (премиксам, С КП., ЛФМ и самым
113
последним — ТМС и ХМС), так как их доля в общем объеме про-
изводства композиционных изделий постоянно растет.
Во всех случаях формования реактопластов на матрице ис-
пользуются форма или штамп. Форма, или комплект формующих
деталей, обычно состоит из двух основных частей: матрицы и пуан-
сона, причем одна из них входит в другую/с соблюдением задан-
ного зазора между ними. Для получения сложных изделий иногда
требуются специальные формы, состоящие из нескольких основ-
ных элементов, причем простая терминология для их характери-
стики еще не разработана. /
Свойства материалов, обычно применяемых для формования,
очень подробно рассмотрены в других Главах и поэтому упомина-
ются здесь только при обсуждении каких-то конкретных вопро-
сов.
15.1. Армированные формовочные композиции
В этом разделе будут рассмотрены только те армированные
волокном формовочные композиции (ВКП), которые в пластмас-
совой промышленности обычно именуются как СХП, премиксы
или формовочные пасты из полиэфирной смолы и рубленого
стекловолокна (DMC). Они очень напоминают, но при этом и
несколько отличаются от ЛФМ, которые тоже имеют ряд модифи-
каций: ТМС, формовочные композиции с высоким содержанием
стекловолокна (НМС) и ХМС (эти термины будут объяснены
ниже).
Премиксы определяют следующим образом: «Армированная
волокном термоактивная формовочная композиция, которая после
получения не нуждается в дальнейшем отверждении, сушке для
удаления летучих или других технологических операциях и го-
това для переработки на литьевом прессе [ 1 ] и которая может быть
отформована без образования побочных продуктов реакции при
приложении давления, достаточного только для течения и уплот-
нения материала 1».
Несмотря на то, что приведенное определение относится как
к СКП, так и к ЛФМ, эти материалы имеют принципиальные раз-
личия, касающиеся методов их получения, формы, в которой они
поступают на дальнейшую переработку, и механических свойств.
В состав как тех, так и других материалов входят или могут вхо-
дить одни и те же основные компоненты.
СКП получают, перемешивая все ингредиенты в высокопроиз-
водительных смесителях. Из них материал выходит в виде во-
локнистой мастики, которую сразу же можно пускать на последую-
щую переработку (после взвешивания порций). Некоторые компо-
1 В отличие от композиций фенольных, меламиноформальдегидных и карба-
мидных смол, которые выделяют воду в качестве побочного продукта реакции
и требуют приложения высокого давления для предотвращения образования пара,
а в дальнейшем и пор в изделии.
114
зиции можно уплотнять и экструдировать в виде прутков или
стержней с простым поперечным сечением, что облегчает дальней-
шее обращение с ними. ЛФМ поступают на переработку в виде
тонких полулипких листов, которые нарезают и укладывают стоп-
кой по конфигурации, соответствующей формируемому изделию.
Эти операции производятся в машине, где предварительно полу-
ченная смесь смолы, наполнителя и прочих компонентов соеди-
няется с армирующим волокном таким образом, что смачивание
волокон не приводит к их слишком сильному перемешиванию,
благодаря чему их исходные прочностные характеристики в зна-
чительной степени передаются композиции.
Большинство изделий формуют из полиэфирных смол, армиро-
ванных стекловолокном. Однако для получения СКП применяют
и другие не содержащие растворителей смолы, такие как эпоксид-
ные и виниловые полиэфиры, а также другие типы волокон:
лубяное, асбестовое, углеродное, арамидное, рубленые найло-
новые отходы и даже рубленая древесина. Для получения же
ЛФМ должна быть подобрана такая композиция смолы, которая
после смачивания или пропитки армирующего материала загу-
стевает до необходимой для формования вязкости. ЛФМ, содер-
жащие высокопрочные экзотические волокна, являются реаль-
ностью, но еще не выпускаются в промышленном масштабе.
15.1.1. История вопроса
15.1.1.1. Стеклонаполненные композиции для прессования
Первые СКП нашли практическое применение в 1949 г., когда
началось промышленное производство стеклянных ровингов.
До этого отдельные армированные формовочные полиэфирные
композиции получали рубкой на мелкие куски стекловолоконных
препрегов. Несмотря на многие недостатки, такие как высокая
стоимость, наличие остатков растворителя, отсутствие внутренней
смазки для форм, наполнителей и т. д., из этих композиций ус-
пешно формовали различные изделия, обладающие комплексом
свойств, который не могли обеспечить никакие другие известные
материалы.
Трудно установить, когда появились первые СКП нового по-
коления. Впервые они были получены около 1950 г. пропиткой
ровинга смесью смолы, наполнителей и других веществ с после-
дующей рубкой на куски заданной длины в «мокром» состоянии.
Поскольку пропитка стекловолокна смолой с большим содержа-
нием наполнителя — сложная и продолжительная операция, по-
лучаемые композиции содержат много стекловолокна.
В начале 50-х годов появилась идея введения предварительно
нарубленного стекловолокна в смесь смолы с наполнителем, и
к середине 50-х годов метод формования премиксов уже получил
промышленное применение. Однако развитию этого метода пре-
115
пятствовало то, что ни изготовители композиций, ни их перера-
ботчики не имели никакого опыта в этом вопрбсе. Вначале ника-
кой заинтересованности не проявляли и поставщики обычных
термореактивных композиций. Лишь спустя длительное время
появилась внутренняя смазка для форм. Переработчики пластмасс
прессованием не желали загрязнять свои цеха липкими веществами
с неприятным запахом, в результате чего дх богатый опыт в кон-
струировании форм, устройстве выталкивающих систем, нагре-
вательных приспособлений и т. п. не находил применения в только-
только начинавшей развиваться отрасли промышленности.
Первым толчком к крупносерийному/производству было созда-
ние высоконаполненных композитов на основе лубяного волокна
сизаля и освоение производства корпусов для радиаторов автомо-
билей, самых крупных (по площади) изделий, когда-либо вы-
пускавшихся в промышленном масштабе из формовочных компо-
зиций вплоть до настоящего времени. Несмотря на то, что эти
композиции не обладали выдающимися физическими свойствами,
уникальные особенности лубяного волокна позволили проводить
интенсивное смешение, не вызывая повреждения волокон, и
способствовали получению изделий большого размера, чего не
удавалось достичь в дальнейшем при использовании стеклово-
локна.
В то время как легко формуемые дешевые композиции на основе
сизаля продолжали доминировать в автомобильной промышлен-
ности с ее огромными объемами производства, создание полимер-
ных покрытий для пучков стекловолокна (стренг), которые сохра-
няли бы их монолитность (т. е. обеспечивали бы целостность
стренг в процессе смешения), сделало возможным получение из-
делий с большой поверхностью, обладающих необходимой проч-
ностью, химической стойкостью, электроизоляционными и дру-
гими ценными свойствами. В результате широкое распростране-
ние получили тяжелые детали большого размера для электротех-
нической и химической промышленности, а также некоторые про-
мышленные изделия (такие как внутренние детали приборов,
качество поверхности которых не играет большой роли). Волни-
стость поверхности деталей и проблемы, связанные с их окраской,
ограничивали применение этих материалов только изделиями,
которые обычно покупатель не может рассмотреть.
Композиции, армированные сизалем и стеклянным волокном,
оказались непригодными для изготовления водо- и коррозионно-
стойких деталей. Это послужило причиной появления в начале
60-х годов материалов, армированных рублеными волокнистыми
отходами из найлона, которые нашли большое применение в се-
рийном производстве таких изделий, как основания для душа раз-
мером до 910x 1830 мм и массой ~34 кг.
Как уже отмечалось, использование армированных стеклово-
локном композиций заметно сдерживалось из-за неравномерного
коробления поверхности отформованных деталей. Достигнутые
116
к 1960 г. в ФРГ и Великобритании успехи в применении химиче-
ских загустителей и термопластичных добавок позволили суще-
ственно снизить усадку при отверждении таких композиций,
что улучшило качество поверхности и уменьшило коробление
изделий. К сожалению, эти достижения потребовали определенных
компромиссов, и до настоящего времени продолжаются исследо-
вания, целью которых является получение изделий без короблений
при одновременном сохранении основных свойств.
Использование гидратированной окиси алюминия (ГОА) в ка-
честве наполнителя для увеличения огнестойкости и предотвра-
щения образования электропроводного следа на поверхности
диэлектрика при пробое привело к тому, что СКП стали стандарт-
ными материалами практически для любых электротехнических
изделий.
В последнее время усовершенствование метода литья СКП
под давлением и создание композиций с низкой усадкой и незна-
чительным короблением позволили перейти к прецизионному
литью, что изменило принципы конструирования многих изделий,
в частности небольших ручных слесарных инструментов. Такие
преимущества литья под давлением, как формование поверхности
без дефектов, независимость от мастерства обслуживающего’пер-
сонала и высокая производительность, привлекли внимание фирм
из автомобильной промышленности, где ранее доминировало прес-
сование ЛФМ.
15.1.1.2. Листовые формовочные материалы
Почти все изделия с большой поверхностью получали штам-
повкой заготовок и матов. При этом способе на мат или заготовку,
установленные в прессе, наносили смесь смолы с наполнителем,
после чего смола более или менее однородно распределялась
в массе армирующего материала под действием давления при за-
крывании формы. Несмотря на разработку различных технологи-
ческих приемов для устранения характерных недостатков этого
процесса, он пока еще остается грязным, трудно поддается меха-
низации и требует высокого мастерства персонала.
Очевидное упрощение процесса путем предварительного соеди-
нения смолы и мата, что было успешно реализовано в препрегах
из тканых полотен, в данном случае осуществить не удалось.
В большинстве случаев лист материала в неотвержденном состоя-
нии должен быть сухим. Матами со связующим, достаточно не-
растворимым для пропитки обычной системой «смола—раствори-
тель», при последующем пропускании материала через сушильную
камеру нельзя покрывать композиции, которые обладают боль-
шой текучестью при формовании. Усовершенствование процесса
химического загущения, о чем говорилось выше, позволило полу-
чить низковязкие смолы без растворителей, которые легко пропи-
тывают армирующий компонент. Загустевание до оптимальной для
формования вязкости занимает от нескольких часов до несколь-
117
ких суток, после чего материал закатывают в паронепроницае-
мую полиэтиленовую пленку и хранят в контролируемых усло-
виях в умеренно теплом помещении.
Несмотря на то, что ЛФМ не заменили полностью маты и за-
готовки, возможность формования из них изделий сложной формы
с ребрами жесткости, бобышками и поднутрениями сделало
ЛФМ наиболее предпочтительным материалом для всех областей
применения, кроме ответственных конструкционных изделий.
Широкое использование ЛФМ в производстве передних и задних
деталей автомобилей привело к тому, что автомобильная промыш-
ленность стала самым крупным потребителем армированных
пластмасс.
15.1.2. Свойства
СКП и ЛФМ обладают уникальным сочетанием ценных свойств.
Практически неограниченная возможность варьирования типов
смол, наполнителей и армирующих материалов и их соотношений
позволяет подбирать композицию для получения изделий любой
конструкции и с любыми эксплуатационными свойствами.
При правильном составлении композиции достигаются сле-
дующие важные свойства материалов:
превосходные электрические характеристики, особенно со-
противление образованию электропроводного следа на поверх-
ности изолятора при пробое;
высокая прочность, в частности ударная;
тепло- и огнестойкость;
стабильность размеров;
химическая стойкость;
большая скорость отверждения;
малая усадка при формовании;
возможность формования деталей большой, малой и перемен-
ной толщины;
низкая стоимость.
15.1.2.1. Электротехнические свойства
Одним из важнейших электротехнических свойств является
дугостойкость. Это качество в сочетании с прочностью, тепло-
стойкостью, стабильностью размеров, формуемостью и приемле-
мой стойкостью обусловило широкое применение этих пластмасс
для получения деталей, работающих под высоким напряжением.
Искрогашение обусловлено в основном наличием в композиции
таких инертных неорганических наполнителей, как ГОА, кремне-
зем и каолин. Установлено, что дугостойкость повышается также
при добавлении небольших количеств тонкого порошкообразного
полиэтилена (массовая доля «*5 %) и применении рубленого
найлонового волокна. Для достижения максимальной дугостой-
кости необходимо свести к минимуму содержание смолы и стеклово-
локна, что, правда, приводит к снижению механических свойств.
118
15.1. Влияние состава
композиций на дугостойкость
15.2. Влиииие содержании волокна на
механические свойства КМ
км
при мм, % /, ан. ли. ’в- Цена за 1 кг
Содержание % Л о. о -
МПа МПа ГПа МПа в 1978 г..
. я А я X X ДОЛЛ.
ч* * о | КС 3 Дугос по А D = < и
s§ я
и 0
10 195 68 10,6 24 0,66
15,0 64 21 202 20 327 110 11,3 44 0,84
9,0 73 18 240 30 393 135 11,5 55 0,98
7,5 75 17,5 264 40 568 154 11,9 66 1,17
0 85 15 300 50 588 160 11,0 48 1,32
В табл. 15.1 приведены некоторые данные, характеризующие
зависимость дугостойкости от содержания смолы, стекловолокна
и наполнителя [6]. При удовлетворительной дугостойкости можно
ожидать, что и другие свойства, такие как электрическая проч-
ность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент рассея-
ния, удельное объемное сопротивление и гашение дуги, будут
на уровне, достаточном для достижения большинства электротех-
нических целей.
15.1.2.2. Прочность
Прочность и жесткость — основные механические характери-
стики композитов — зависят от содержания, типа и длины арми-
рующих волокон, а также в некоторой степени и от свойств дру-
гих компонентов композиции. Последние должны предотвращать
перемещение волокон и защищать их от повреждения. Большое
значение имеют количество и длина волокон. Волокно длиной
более 6,4 мм практически не улучшает механические свойства
СК.П, а при длине свыше 12,7 мм возникают трудности со смеще-
нием и формованием. На рис. 15.1 приведена типичная кривая
зависимости ударной вязкости от длины волокна. Аналогично
изменяются и другие механические свойства. При литье компо-
зиций под давлением увеличение длины волокна может дать еще
меньше преимуществ, вероятно потому, что более длинные волокна
легче повреждаются при течении через центральный и распреде-
лительные литники.
В СКП прочность значительно более чувствительна к изме-
нению содержания волокна, чем любые другие свойства. В то
время как механические показатели обычно растут с увеличением
содержания волокна VB. и, как эт0 видно из данных табл. 15.2,
оптимум, после которого начинается ухудшение свойств, если
принимать во внимание перемешивание и формуемость компози-
ций, а также качество поверхности изделий, достигается при
119
Ув.м = 35 %. Благодаря
существованию несколь-
ких способов введения
волокна в композициях
для ЛФМ допускается
более широкий диапазон
длин волокна и его кон-
центрации, чем в СКП.
В то же. время, однако,
почти все ЛФМ содер-
жат 25 ... 30 % волокна
длиной 25,4 мм. При
использовании более ко-
ротких волокон (длиной
6,4 ... 12,7 мм) ЛФМ по
свойствам почти не от-
Рис. 15.1. Зависимость ударной вязкости об-
разца с надрезом по Изоду I от длины волок-
на I
личаются от СКП, но стоимость их компаундирования оказы-
вается несколько выше. Применение более длинных волокон
(длиной 50,8 ... 76,2 мм) не препятствует переработке материала
на обычных машинах для ЛФМ, но оно при незначительном
увеличении прочности резко ухудшает формуемость (особенно
при заполнении бобышек, ребер жесткости и т. п.) и чистоту по-
верхности изделий.
Очень длинные или непрерывные волокна, расположенные за-
ранее заданным образом, т. е. параллельно друг другу или под
определенным углом, придают материалу очень высокую проч-
ность в направлении волокон и очень низкую прочность в попе-
речном направлении. При загрузке материалов в форму таким
образом, чтобы волокна располагались в направлении наиболее
вероятного действия нагрузок на изделие при его эксплуатации,
обеспечивается очень высокая эффективная прочность ЛФМ.
Для компенсирования снижения прочности в поперечном направ-
лении в ЛФМ чередуют слои с параллельным расположением
волокна с обычными слоями, где волокно хаотически распреде-
лено. В табл. 15.3 приведены свойства ЛФМ с хаотически распре-
деленными и непрерывными волокнами, а также при сочетании
этих двух вариантов армирования.
Недостатками таких материалов являются плохие формуе-
мость и качество отделки поверхности, но в тех случаях, где
последнее не играет существенной роли, замена стали и алюминия
на такие композиты вполне допустима.
В ЛФМ, как и в СКП, содержание волокна оказывает суще-
ственное влияние на прочность материала.
Ранее инженерное конструирование изделий из ЛФМ прово-
дилось, как правило, на основе эмпирических данных, методом
проб и ошибок. Если деталь разрушалась в процессе испытаний
или эксплуатации, то добавляли ребра жесткости или в отдельных
местах изделия увеличивали толщину. При таком подходе основ-
120
15.3. Механические свойства ЛФМ различного строения **
Обозначение Тип и распределение волокна ^В.М’ % аи. МПа ГПа ав- МПа /. Дж/м
ТМС-25 *а Хаотическое прн 1— 25 117 6,9 48 533 = 12,7 мм *6 ТМС-28 *а Хаотическое 28 186 9,7 97 533 SMC-.R15*3 » 15 103 9,7 55 426 SMC-R30*3 » 30 159 13,1 76 — SMC-R40*3 > 40 207 13,8 117 — SMC-R5O*3 > 50 255 15,2 159 — SMC-R65*3 » 65 331 15,9 207 — ЯМС-65 *4 > 65 407 15,2 210 1092 SMC-C30R20 *3 Непрерывное и хаотиче- 30/20 586 22,8 379 — ское ХМС-3 Непрерывное (85°) и хао- 50/25 862 38,0 517 — тическое SMC-C60 Непрерывное 60 897 37,3 559 — ХМС-2 *4 Непрерывное (85°) и хао- 75 1069 38,0 621 —
тическое
В направлении волокна прн использовании непрерывных волокон.
*а «Ю-эс-эс кемикалз».
*3 «Оуэнз-Корнииг Файберглас».
*4 «ППГ Индастриз».
*6 Во всех остальных случаях длина хаотического волокна 25,4 мм.
ная трудность заключалась в том, что не было метода определения
мест с чрезмерной прочностью и (или) избыточной массой. Так как
применение ЛФМ может, очевидно, дать снижение массы по
сравнению с традиционными материалами, такими как сталь или
алюминий, то в более тщательном конструировании не было не-
обходимости. Однако, когда наступление энергетического кри-
зиса потребовало более эффективного использования материалов,
эмпирический подход к конструированию оказался неприемлемым.
Усовершенствование техники проектирования конструкций, в част-
ности применение анализа конечных элементов, может привести
к созданию высокоэффективных конструкций, но при этом, не-
сомненно, потребуется более широкое исследование механических
свойств материалов, чем это обычно практикуется для ЛФМ.
Механические свойства ЛФМ с 50 % хаотически распределенного
волокна исследованы уже достаточно тщательно [2]. Настоя-
тельная потребность в такого рода информации, без сомнения,
вызовет проведение дополнительных исследований материалов
как изготовителями, так и потребителями ЛФМ.
15.1.2.3. Теплостойкость и воспламеняемость-
Теплостойкость, кратковременная прочность в нагретом со-
стоянии и воспламеняемость обычно рассматриваются одновре-
менно, но они не обязательно являются общими свойствами данной
121
15.4. Огнестойкость композиций для СКП, содержащих ГОА или
галоидсодержащее соединение и трехокись сурьмы
Материал и свойства Номер смеси
1 2 3 4 5
Компоненты композиций
Смола «Плэскон 9520» 30 30 —. — 30
Галоидсодержащая смола (28 % С1) — — 34 34 —
Пастообразная перекись бензоила 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
ГОА «Хидрэл-710» 53 38 — 15 —
Глина ASP-400 —. 15 44 29 53
Трехокись сурьмы — — 5 5 —
Стекловолокно (/ = 6,35 мм) 15 15 15 15 15
Стеарат цинка 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4
Огнестойкость
По ASTMD-&35 По методу федеральных ТУ 2023: НМ НМ НМ НМ СзМ
продолжительность поджигания, с 154 135 95 150 93
продолжительность горения, с 31 60 56 27 234
Сокращения: НМ — негорючий материал; СзМ — самозатухающий
материал.
формовочной композиции. Теплостойкость — это длительное со-
противление термостарению при температуре ниже температуры
воспламенения. Кратковременная прочность в нагретом состоя-
нии, или просто прочность при нагреве, характеризует термопла-
стичность смолы. Теплостойкость и прочность при нагреве зави-
сят в основном от типа смолы, хотя очевидно, что некоторые напол-
нители существенно влияют на теплостойкость, правда, механизм
этого воздействия еще не изучен. Воспламеняемость — показа-
тель, характеризующий открытое горение материала. Несмотря
на то, что все органические материалы загораются (при нагрева-
нии выше температуры воспламенения), композиции в зависимости
от легкости их поджигания, способности прекратить горение после
удаления источника огня и скорости горения делятся на него-
рючие, самозатухающие и трудносгораемые. Кроме того, поскольку
формовочные композиции применяются сейчас для изготовления
деталей зданий (или целых строений), в которых могут находиться
люди, необходимо учитывать и такие факторы, как дымовыделение
и распространение пламени. Огнестойкость полиэфирных смол
достигается путем их галогенирования (плюс введение трехокиси
сурьмы для максимального эффекта), добавлением галоид- и
фосфорсодержащих соединений и при использовании гидратиро-
ванной окиси алюминия в качестве основного или единственного
наполнителя композиции. В табл. 15.4 приведены некоторые дан-
122
Рис. 15.2. Зависимость усадки S ВКМ от продолжительности выдержки t и тем-
пературы Т".
1 — 200; 2 — 150; 3 — 125; 4 — 100 °C
ные, характеризующие горючесть различных полиэфирных ком-
позиций для СКП [7].
Фенольные смолы сами по себе являются огнестойкими поли-
мерами. Для придания достаточной огнестойкости эпоксидным
смолам в них добавляют галоид- или фосфорсодержащие соеди-
нения, а также используют хлорэндиковый ангидрид (^>50 %)
в качестве отвердителя.
15.1.2.4. Стабильность размеров
СКП и ЛФМ, состоящие из полиэфирной смолы, стекловолокна,
каолина, двуокиси кремния, окиси алюминия и некоторых других
наполнителей, обладают непревзойденной стабильностью размеров
и минимальной усадкой после формования, т. е. высокой формо-
устойчивостью. Благодаря очень низкому водопоглощению их
масса меняется незначительно, а изменение размеров зафиксиро-
вать довольно трудно. Температурный коэффициент линейного
расширения а почти такой же, как у алюминия, а иногда даже
ниже. При продолжительной выдержке материалов при повы-
шенных температурах изменение этих показателей может быть
минимальным. На рис. 15.2 приведены данные, характеризующие
стабильность СКП на основе полиэфирной смолы общего назна-
чения.
15.1.2.5. Коррозионная стойкость
Химическую или коррозионную стойкость композиций обычно
можно считать очень высокой. При выборе смолы и наполнителя
необходимо учитывать специфические условия эксплуатации из-
делия. Однако нельзя забывать, что важны все свойства выбранной
смолы.
Никакие наполнители или армирующие материалы не могут
компенсировать разрушение смолы. Для получения СКП можно
применять кислото- и щелочестойкие полиэфиры, виниловые
эфиры, фурановые смолы, а также кислотостойкие эпоксидные
123
смолы. Фактором, ограничивающим выбор смолы для ЛФМ, яв-
ляется необходимость ее соответствия определенному механизму
химического загустевания. Создание новых механизмов загусте-
вания, которые действовали бы до некоторой степени независимо
от химической природы смолы, могло бы расширить номенклатуру
ныне применяемых смол. Из стандартных наполнителей каолин
и двуокись кремния пригодны во всех случаях, а карбонат каль-
ция обладает хорошей стойкостью к щелочам, но плохой кислото-
стойкостью. Лучшие эксплуатационные свойства можно было бы
ожидать от так называемого коррозионно-стойкого стеклово-
локна, но полученные результаты не подтверждают это предпо-
ложение.
15.1.2.6. Скорость отверждения
Скорость отверждения композиций на основе сложных поли-
эфиров может изменяться от высокой до очень высокой при более
низких, чем у других реактопластов, температурах. Экзотерми-
ческий характер отверждения полиэфиров вызывает дисбаланс
между скоростью отверждения и толщиной пластика, вследствие
которого толстые участки изделия отверждаются быстрее, чем
это ожидалось. Кроме того, многие детали (номинально тонко-
стенные, но имеющие толстые ребра жесткости или бобышки)
можно извлекать из формы на более ранней стадии, так как отвер-
ждение толстых участков необходимо продолжать до полного
завершения. Продолжительность отверждения стандартных СКП
и ЛФМ на основе полиэфиров составляет 45 ... 60 с на каждые
2,5 мм толщины при 138 ... 149 °C. Состав композиций, предназна-
ченных для применения в ближайшее время (в пределах 2 ...
3 сут.), подбирается так, чтобы быстрое и эффективное отвержде-
ние проводилось при температурах не выше 107 °C.
15.1.2.7. Усадка
Можно ожидать, что армированные стекловолокнистым мате-
риалом композиции имеют очень низкую усадку при формовании.
Максимальное значение усадки S = 4 мкм/мм является типич-
ным, но во многих композициях оно близко к нулю. Основной
вклад в эту суммарную невысокую усадку при формовании вносят
стекловолокно и неорганические наполнители, имеющие неболь-
шую усадку при нагреве. Однако при комбинировании высоко-
прочных волокон с малой усадкой и обычных быстроотвержаю-
щихся смол, дающих усадку при нагреве, на границе матрицы
с волокном развиваются значительные напряжения. Это приводит
к возникновению таких вторичных эффектов, как волнистость по-
верхности, коробление, поверхностные трещины и внутренние
пустоты. Указанные недостатки характерны для композиций,
не содержащих загустителей или добавок с низкой усадкой. Про-
цесс химического загустевания, реализуемый в ЛФМ и некоторых
СКП, уменьшает как усадку при отверждении, так и ориентацию
124
Рис. 15.3. Изменение объема обычной полиэфирной смолы в процессе полимери-
зации при 141 °C под давлением 1,4 МПа в присутствии 0,5 % катализатора трет-
бутилпероктоата:
А — термическое расширение; Б — усадка при полимеризации и при охлаждении; В —
завершение полимеризации (141 °C); Г — охлаждение; Д — окончательный объем; Е —
начальный объем; X — усадка смолы (7,1 %)
и разрушение волокон при заполнении материалом формы, что
приводит в дальнейшем к снижению вероятности образования
таких дефектов без изменения механических свойств. Однако для
обеспечения очень высокого качества поверхности и почти пол-
ного отсутствия короблений необходимо предпринимать и другие
меры, в частности вводить в композицию те или иные термопла-
стичные материалы, к которым относятся полиэтилен, полисти-
рол, поливинилацетат, а также метилметакрилат и др. Механизм
действия акриловых мономеров, в частности метилметакрилата,
приводящий к снижению усадки, заключается в следующем.
Мономер не сшивает полиэфирные макромолекулы, а гомополи-
меризуется за счет тепла, выделяющегося при отверждении поли-
эфира, что приводит к возникновению пеноподобных окклюзий,
Рис. 15.4. Изменение объема смолы «Параплакс Р19А* в процессе полимеризации
при 141 °C под давлением 1,4 МПа в присутствии 0,5 % катализатора третбутил-
пероктоата:
А — тепловое расширение; Б — максимум расширения Р19\ В — усадка при охлажде-
нии: Г — завершение полимеризации (141 °C); Д — охлаждение; £ — окончательный
объем; X — расширение смолы (2,8 %); 3 — начальный объем
125
S)
Рис. 15.5. Профиль поверхности изделий из ВКМ иа основе:
а — смолы Р19А", б— обычной полиэфирной смолы
которые, по-видимому, создают при своем образовании некоторое
давление, препятствующее проявлению усадочных явлений при
полимеризации полиэфира (рис. 15.3 и 15.4). Точный механизм
действия других термопластичных добавок окончательно еще не
установлен.
Наиболее заметно преимущества полимерных композиций с низ-
кой усадкой проявляются в том, что изделия имеют гладкую по-
верхность. Это очевидно из анализа кривых на рис. 15.5, где
сравниваются полученные с помощью микрокор дера (постав-
щик —• отделение «Майкрометрикэл» фирмы «Бендикс») значения
волнистости поверхности образцов из СКП на основе малоуса-
дочной и обычной смол [9]. Одновременно существенно снижаются
и другие обычные недостатки композиций, например коробление.
Несмотря на то, что малоусадочные композиции имеют указан-
ные выше преимущества, условия эксплуатации слоистых пла-
стиков столь разнообразны, что в каждом случае приходится под-
бирать специальные композиции, всесторонняя оценка которых
еще не проведена. Как правило, механические свойства малоуса-
дочных систем хуже, но несомненно и то, что механические,
электрические и химические характеристики, приемлемые для
широкого диапазона условий эксплуатации изделий, могут быть
достигнуты и в малоусадочных композициях, а для получения
из них деталей заданного цвета в композицию можно заранее
вводить пигменты или окрашивать готовые изделия при мини-
мальной подготовке поверхности.
126
15.1.2.8. Давление формования
Главным преимуществом СКП
и ЛФМ является низкое давление
формования. Наиболее высокое
давление соответствует нижнему
пределу давлений при формовании
стандартных композиций фенол-
альдегидных, меламиноформаль-
дегидных и карбамидных смол.
Однако оно не выше давления,
необходимого для затекания ма-
О 5 10 IS 20 25 30 35 П,кПа с
Рис. 15.6. Зависимость давления
прессования Р при формовании то-
тализаториых ящиков от вязкости
смолы т]
териала в самые труднодоступные
участки формы. При этом не надо
предпринимать никаких мер
для предотвращения образования
вздутий или пор побочными
продуктами реакции (водой, ос-
таточным растворителем). Можно получать композиции для
формования из СКП изделий простой формы под давлением
690 кПа. Для химически загущенных композиций требуются
более высокие давления (3,45 ... 10 МПа). Чем выше вязкость
загущенных композиций, тем лучше качество изделий, но, как
правило, тем большее давление формования необходимо. Для
облегчения укладки ЛФМ в пресс желательно, чтобы они не были
липкими. Отсутствие липкости у некоторых композиций дости-
гается при вязкости 2... 12 кПа.с, но у большинства — лишь
при л > 30 кПа-с. На рис. 15.6 приведена типичная кривая за-
висимости давления формования от вязкости.
15.1.2.9. Толщина стенок
При формовании изделий, у которых толщина стенок меняется
в широких пределах, не возникает особых проблем, если пра-
вильно сконструированы переходные зоны от одной толщины
к другой. Если не принять специальных мер предосторожности,
то на тонких плоских участках изделий из обычных композиций
напротив ребер жесткости появляются раковины или вмятины
(часто с небольшими трещинами). Максимальная толщина ребер
жесткости не должна превышать толщину укрепляемой стенки.
С конструкционной точки зрения желательно, чтобы линии
перехода имели определенный радиус закругления, но при этом
возникает проблема появления раковин. Вместо одного толстого
ребра жесткости рекомендуется делать два тонких. Для укрепле-
ния граней, не имеющих опоры, лучше их развернуть, чем уве-
личивать толщину, кроме тех случаев, когда утолщение грани
предотвращает повреждение изделия при обращении с ним.
Другие типы дефектов на толстых и тонких участках изделий
являются следствием ориентации волокон. Волокна стремятся
127
выпрямиться в направлении течения в тонких секциях и в по-
перечном направлении в участках перехода от тонких секций
к толстым. В результате если и не появляются какие-либо особые
дефекты, то часто неожиданно и резко изменяется прочность.
Введение в композицию химических загустителей и наполнителей,
регулирующих течение, способствует поддержанию кинетической
независимости отдельных волокон.
15.1.2.10. Цена и другие характеристики
Несмотря на то, что стекловолокно и некоторые другие ин-
гредиенты формовочных композиций имеют сравнительно высокую
стоимость, возможность использования больших количеств деше-
вых наполнителей при сохранении превосходных свойств мате-
риала позволяет стеклопластикам занимать почетное место на
шкале стоимость — эксплуатационные свойства. В табл. 15.5 [10]
приведены цены на сырье и ЛФМ с различным содержанием стекло-
волокна (по состоянию на конец 1978 г.). Очевидно, что эти цены
нельзя непосредственно сравнивать со стоимостью листа стали,
предназначенного для штамповки. Принимая во внимание от-
ходы, вспомогательные материалы и стоимость переработки, сле-
дует увеличить эти затраты на 5 ... 30 % в зависимости от объема
производства и коэффициента перевода.
В табл. 15.6 приведены стандартные физико-механические
свойства большого числа армированных формовочных композиций,
15.5. Стоимость материалов, входящих в ЛФМ
Поли- эфирная смола Напол- нитель—= карбонат кальция Арми- рующий матери- ал —1 стекло- волок- нистый ровинг Катали- затор трет-бу- тил — пербеи- зоат Смазка Для форм —* основной стеарат цинка Загуститель окись магния Итого
Цена за 1 кг, долл.
В. № % 1,08 0,11 1,19 4,51 1,7 1,21 & Цена 1 кг, долл.
Масса, кг/стоимость, долл.
30 15,9 15,9 13,6 0,14 0,27 46,05 0.79
17,15 1,75 16,20 0,62 0,46 36,47
40 15,9 11,4 18,1 0,14 0,27 46,05 0,90
17,15 1,25 21,60 0,62 0,46 0,24 0,29 41,37
50 15,9 6,8 22,7 0,14 0,27 46,05 1.01
17,15 0,75 27,00 0,62 0,46 46,27
60 15,9 2,3 27,2 0,14 0,27 46,05 ВП
17,15 0,25 32,40 0,62 0,46 51,17
65 15,9 29,5 0,14 0,27 46,05 1,16
17,15 35,10 0,62 0,46 53,62
128
lOtOCOiO СО*
СО
со со’м*
СО СО СО
ю
СМ
00 СО СО СО СО оо 00
». •* * л * *
о> со
о> со
ь* ю
in
О
к
os'*
К I
8G
I III I и
X
Q
СМ СМ сч
8R
00 о>
15.8. Физико-механические свойства армированных формовочных композиций
« и *
s s а
S’ s ®
° ft, °
е в ®
§
£
Ч
Й5
X
ft.
V
а
£
ю ю
uougoo & & g} &
ес>=[ ц « й с
5 П/р Дж. Любниа
ю ю о о ю о
— —< СМ СМ ТГ со
129
Продолжение табл. 15.6
Материал Смола Массовая доля арми- рующего материала, % Форма приме- нения р, кг/м* Обозначение по MCI-M-14F Ударная вязкость образца с надрезом по Изоду по ASTM D = 256, Дж/м
Дешевый премикс общего назначения ПЭС GL-10 ВШ 2000 106,6
Самозатухающий коррозионно-стойкий премикс ПЭС GL-25 ВШ 1900 — 319,8
Самозатухающий премикс без токопроводящего ПЭС GL-30 ВШ 1850 __ 666,3
следа при пробое Премикс с низкой усадкой ПЭС GL-20 ВШ 1690 453
Низкопрочный премикс на акриловом мономере ПЭС GL-15 ВШ 266,5
ПЭС GL-2Q ВШ 1800 138,6
Премикс с низкой усадкой ПЭС GL-30 ВШ 1870 392,8
Премнкс, наполненный ГОА Премикс на основе галоидзамещенной смолы ПЭС GL-15 ВШ 2000 266,5
ПЭС GL-15 ВШ 2000 266,5
Дугостойкий премикс ПЭС GL-9 ВШ 1960 138,6
ЛФМ ПЭС GL-30 Л __ 533
ЛФМ «Флоумэт» ПЭС GL-35 Л 1850 533
ЛФМ без токопроводящего следа при пробое ПЭС GL-30 Л 1750 533
Трудносгораемый ЛФМ ПЭС GL-30 Л 1740 319,8
ЛФМ на твердом мономере ПЭС GL-35 Л 2000 820,8
Ламннат на основе матов из непрерывных ПЭС GL-40 1650 1066
прядей Формование предварительно отформованной ПЭС GL-25 — 1610 533
заготовки
Сокращения: ВК — волокнистые комки; Bill — волокнистая шпатлевка; Гр — гранулированный; ДФ____________________диал-
лилфталат; КОС — кремнийорганическая; Л — лист; МФС — меламиноформальдегидная; Нг — негорючий; ПЭС____________ поли-
эфирная; Сз — самозатухающий; ФС — фенольная; ЭЖ — экструдированный жгут; ЭС — эпоксидная; ASB — асбестовое
волокно; GL — стекловолокно; OR — органическое волокно.
Продолжение табл. 15.6
Материал стн по ASTM D = 790, МПа Ен по ASTM D = 790, ГПа ав по ASTM D = 638, МПа Е по ASTM D=638, ГПа ®сж по 43 ТМ D = 695, МПа Водопогло- щенке по ASTM D=570 Теплостой- кость иод нагрузкой 1,86 МПа, по ASTM D=648, °C
Фенопласт, наполненный древесной мукой 75,9 48,3 8,3 207 0,6 160 316 204
Высокоударопрочный фенопласт Фенопласт, наполненный асбестом 138 96,6 13,8 48,3 48,3 20,7 17,3 113,9 151,8 0,8 0,9
Ударопрочная меламиноформальдегидная смола 138 — 41,4 16,6 158,7 0,15 0,12 204 482 204
Стеклонаполненная кремнийорганическая смола 96,6 14,5 31 — 69
Стеклонаполненная эпоксидная смола с мине- 86,3 10,4 48,3 — 172,5 O,2u
ральными добавками Высокоударопрочная алкидная смола 100 15,9 48,3 — 179,4 0,08 0,20 0,20 204 204 129
Алкидная смола со средней ударной прочностью I ьь,з 13,8 41,4 — 213,9
Полидиаллилфталат «Дапон», армированный орлоном (полиакрилонитрильным волокном) 69 4,8 8,3 41,4 38 207 172,5
0,20 163
Полидиаллилфталат «Дапон», армированный 69
асбестом Полидналлилфталат «Дапон», армированный 124,2 8,6 48,3 — 179,4 0,08 204
длинным стекловолокном Трудносгораемый премикс без токопроводя- 103,5 — 41,4 — 124,2 0,10 149
щего следа при пробое Самозатухающий премикс'без токопроводящего 96,6 9,7 31 — 110,4 0,15 288
следа при пробое Дешевый премикс общего назначения 103,5 96,6 9,4 27,6 34,5 — 138 144,9 0,2 0,16 232 321
Трудносгораемый премикс со средней ударной 103,5 — 48,3 — 138 0,1 149
прочностью Самозатухающий премикс со средней ударной 131,1 11 41,4 — 138 0,18 221
прочностью Высокопрочный премикс 172,5 186,3 15,2 55,2 69 — 172,5 151,8 0,16 0,1 149 293
ы
Продолжение табл. 15.6
Материал стн ПО ASTM D=790, МПа £н по ASTM D=790, ГПа ов по ASTM D=638, МПа Е по ASTM D=638, ГПа стсж по ASTM D=695, МПа Водопогло- щенне по ASTM 0=570 Теплостой- кость под нагрузкой 1,86 МПа, по ASTM D=648, °C
Дешевый премикс общего назначения 82,8 41,4 117,3 0,1 149
Самозатухающий коррозионно-стойкий премикс 103,5 — 48,3 124,2 0,1 204
Самозатухающнй премикс без токопроводящего 159 55,2 172,5 0,01 204
следа при пробое Премикс с низкой усадкой 96,6 8,6 58,6 8,6 . . 0,16 204
Низкопрочный премикс на акриловом мономере 103,5 8,3 41,5
83,5 11,9 35,9 12,6 —— 0,17 201
Премикс с низкой усадкой 135,2 54,6 __ __
Премикс, наполненный ГОА __ __ 0,19
Премнкс на основе галовдзамещенной смолы -— __ __
Дугостойкнй премнкс 69,7 — —— __ 232,5 0,08
ЛФМ 207 11 89,7
ЛФМ «Флоумэт» 213,9 10,5 103,5 9 207 <0,25
ЛФМ без токопроводящего следа при пробое 172,5 — 96,6 __ 276 0,1
Трудносгораемый ЛФМ 176 9,7 102 —— 179,4 0,16 204
ЛФМ на твердом мономере 248,4 15 109 0,1 190
Ламинат на основе матов из непрерывных 244,3 9,5 148,4 9,7 172,5 0,2 204
прядей Формирование предварительно отформованной 172,5 7,6 103,5 7,6 138 0,2 204
заготовки
Сокращен ня: ВК — волокнистые комки; ВШ — волокнистая шпатлевка; Гр — гранулированный; ДФ _______________диал-
лилфталат; КОС — кремннйорганнческая; Л — лист; МФС — меламиноформальдегвдная; Нг — негорючий; ПЭС — поли-
эфирная; Сз—самозатухающий; ФС—фенольная; ЭЖ— экструдированный жгут; ЭС—эпоксидная; ASB — асбестовое
волокно; GL — стекловолокно; OR — органическое волокно.
Продолжение табл. 15.6
Материал Воспламеняемость по ASTM D = 685 Продолжатель- ность поджигания/ горения LP-406-2023-2, с Электрическая прочность (кратко- времеииая/ступеи- чатая) по ASTM D = 149, В/мм Коэффициент рас- сеяния при частоте 60/10* циклов по ASTM D = 150 Сопротивление об- разованию токо- проводящих сле- дов на поверхно- сти при пробое по ASTM О2303-64Т, ч Сопротивление изо- ляции по ASTM D = 257, МОи Дугостойкость по ASTM D = 495 Коэффициент уплотнения
Фенопласт, наполненный древесной мукой Высокоударопрочный фенопласт — 60/270
Фенопласт, наполненный асбестом — —
Ударопрочная меламиноформальдегвдная смола Сз 600/0
Стеклонаполненная кремннйорганнческая смола Сз 90/120
Стеклонаполненная эпоксидная смола с мине- ральными добавками Сз 190/55
Высокоударопрочная алкидная смола Нг 90/90
Алкидная смола со средней ударной проч- ностью Сз
Полндналлилфгалат «Дапон», армированный орлоном (полиакрилонитрильным волокном) Сз —-
Полндналлилфгалат «Дапон», армированный асбестом Нг 90/90
Полидиаллилфталат «Дапон», армированный длинным стекловолокном Сз 95/60
Трудносгораемый премикс без токопроводя- щего следа при пробое Сз 127/90
Самозатухающий премнкс без токопроводящего следа при пробое —“
Дешевый премнкс общего назначения Сз 85/85
Трудносгораемын премикс со средней ударной прочностью Сз 125/55
Самозатухающий премнкс со средней ударной w прочностью —
350/275 0,06/0,035 — —— —- 2,5
400/300 0,05/0,02 — — — 4,6
90/— — —— 6,0
150/125 0,18/0,014 IX 104 185 6,0
275/— 0,006/0,004 4Х 10? 240 6,0
330/350 —/0,011 — IX 10а 180+ 2,5
375/325 0,025/0,018 __ — 180+ 4,5
325/300 0,02/0,02 — — 180+ 1+
375/325 0,026/0,018 — 1X10? 100 2
350/340 0,03/0,016 — 1X10? 105 4,5
300/— — >400 — 180 1
425/— 0,03/0,013 >1375 — 190 1+
300/— —/0,025 — — 180 1,1
400/— 0,046/0,034 __ — 180 1+
350/— 0,03/— — 130 3
375/— 0,038/0,013 — — 180 3
300/— — — 130 3
Продолжение табл. 15.6
КИИЭИХОХГиЛ хиэиниффеоу CO CM vo coco ~ in
96* = a W1SV ои чхэояуохэолХ^/ 130 130 ООО CO CO Ю о ю
wow 'zsz = а W1SV он ииИшг -оси эинэ1гаихоёиоэ 1 1 1 1 1 |
h ‘lV9-€0Wa W1SV ou aopodu udu ихэ -oHxdaaou eh sotf -giro XHtaifoaodu -снох oiHHesoeBd >90 эинэвдиходиоэ 1 1 300 |
OSI « СГ W1SY ou aoifHHU *01/09 аюхэсн Hdu иииваэ osd хиэиНиффсо^ 0,03/0,015 cD О "5 со о о*
ии/я ‘6fi = a WJ.SV OU (вяхвь -нэиХхэ/ивииэмэёа -ouxsdu) noonbodu BBM33hBdXM3ir£ 400/— 300/— 350/— 300/— 300/— —/оое
0 ‘Z-€S03-90W7 ou EHHddoj /ыинваижЯои чхоон -«waxHiKifotfodu 1 1 120/30 80/40 1
S89 « a WXSVou чхэояэкиэнв1гиэод 1 1 co co 1 OU 1 1
Материал Высокопрочный премикс 0 0 Я 1- X £ 3 К ~ CO « >s 0 S X nL я « e <D >S О Jr p X л h 0 X ? H 2 0 „ S к S o'0 О a и Si 8 s d ex s Ю 0, <D 0 0 ex o а В * ’S >« к s x § 9 5? q.2 S e я л и и »я >> >> 3 Й Й S 8 8 a s s Л л d Цои следа при пробое »Х О Я с=( Л >* ’о Я со а я о я я 2 о сх С
1 1 1 ) 1 с- 1,1 диал- поли- о о я о
| 1 я хо
1 1 1 ) 1 О со со . СО СО СО 1 ) ДФ ПЭС я 1
1 1 1 1 1 О X 1 1 1 1 ) »s 3 X в я я о >х X п* 2 сх о CQ со я я
1 1 1 ) 1 1 о . о со • 1 1 ) Си S ч >> « « & & я 1 £ i я о е л
со со и Гр- КО gm J=t X [J
1 1 1 г — — 345/— — ;оо/— —/szs ) 400/— 0,011/0,01 о § 1 см о o' S - 1 0 1 0 см 1 юлокнистая шпатлевке ср >•» e( Ь я S8» ex 2 0 a •& я о я я я а о S & я s ч £ <р >•» s н* 1 а
1 1 V сх <Р 2 о я о 2 2 о со о ч X Я *я 2 0 а « о 5 ¥ 3 X id 2 £>х S' 0 с я »х 2 Й я S Я в 5 ° сх о я я о я ье 2 со во X СХ хс СО СМ ь- Й S 1 1 1 S 1 1 1 ХИ 1 luuu 1 3 « Я § 1 § 2 2 я ° С Л _ О. о » о. я Е- к я с <и о я в Й " 3 « 1 з < С=( rt Я ns £ 2 о г О в; S" t"" u 5 9 s S « E § 0 s 3 О Я Я <У я OV о CJ я я s 5^ 2 5 «os 2 2 Я Я О 2 S ч У сх и £ 3 О X обе m $ s ч: ° с 2 о сх d Й »Х >> Р л « Л хях о с.? я ж Я Ч о, р Н и о »х А о h d н * “ £ О и g s § 8^^^s СХ СХ >,0 0 0 £?0 >х о <=t к е »х о X X сЗ « о 2 о •е* о о X 1 я CU сЗ а g е о я я я а о я 2 О е заготовки Сокращения: ВК — волокнистые комки; ВШ — £ и 7 ® 16 ..т ° | «§ Ч Й и 1 X о я я 2 § 8 S г 5 s § 1 §- Яе ' S “«о о-g . ° & о ’=5 S И я S я я S о 2 Ц.Ч ® ь 8 &g § 1 Я S о о b 1 1 я . я . - . „ ч к о я я д s ьс О сх о ч х ч S «0 О Ч Л Я
134
а в табл. 15.7 — их технологические характеристики. Включены
также выпускаемые в промышленном масштабе армированные
композиции на основе фенопластов, меламиноформальдегидных
и кремнийорганических смол, которые формально не подпадают
под определение материалов, обсуждаемых в данной главе, но
нигде в этой книге отдельно не рассматриваются. Большая часть
данных заимствована из технической документации фирм-постав-
щиков. Некоторые данные по ЛФМ и СКП взяты из технических
отчетов. В отдельных случаях значения свойств приведены из
авторских досье или представляют собой средние величины из
опубликованных данных.
Для сравнения приведены также значения некоторых типичных
свойств фенопластов общего назначения (неармированных) и от-
штампованных из матов и заготовок изделий. Фенопласты —
наиболее хорошо изученный и широко применяемый класс поли-
меров. Если не принимать во внимание давление прессования,
то это самая технологичная пластмасса, где термин «технологич-
ность» подразумевает способность полностью заполнять формы
очень сложной конфигурации, в том числе ребра жесткости и т. п.,
не растрескиваться и не образовывать спаев, давать гладкую по-
верхность и легко отделяться от грата; возможность загружать
и выгружать форму, а также получать заготовки механическими
способами; способность быстро отверждаться, перерабатываться
литьем под давлением и литьевым прессованием; обеспечивать как
однородность изделий по всей массе, так и идентичность всех
деталей данного типа. Несмотря на то, что формование предвари-
тельно отформованных заготовок и матов не так хорошо известно,
как формование фенопластов, они уже получили устойчивую
репутацию качественных формовочных пластиков. Наибольший
успех достигается, когда в формовочных композициях (как в СКП,
так и в ЛФМ) соединяются свойства, характерные для фенопла-
стов (формуемость) и армированных заготовок (конструкционные
характеристики).
15.1.3 Применение
Возможность варьирования свойств армированных формовоч-
ных композиций в очень широких пределах обусловила большое
разнообразие областей их применения. При этом единственным
общим свойством всех получаемых деталей является возможность
их использования как конструкционных изделий для замены
дерева, металлов, керамики и армированных слоистых пластиков.
Помимо ценных конструкционных свойств, специально подобран-
ные композиции отличаются низкой стоимостью, коррозионной
стойкостью, теплостойкостью, хорошими электрическими показа-
телями, огнестойкостью и т. д. Армированные формовочные ком-
позиции не только могут, но и действительно успешно приме-
няются вместо таких разнообразных материалов, как бетон,
135
5 15.7. Технологические свойства армированных формовочных композиций
Материал Способ предва- рительного фор- мования Давление формования, МПа Срок годности при хра- нении, сут. Усадка при фор- мовании по ASTM D=955, мм/мм Волни- стость поверх- ности, мкм/мм Технологич- ность Формуемость Твер- дость по Барколу/ Роквел- лу Цвет Цена 1 кг, долл.
Фенопласт, наполненный древесной му- кой Маш 13,8/27,6 270 0,006 Пр Пр —/113 Чер 0,55
Высокоударопрочный фенопласт Руч 10,3/20,7 >270 0,0009 Ср Пл —/87 Кор Нат 1,15
Фенопласт, наполненный асбестом Руч 10,3/20,7 >270 (эксп.) 0,001 Хр Хр Нат
Ударопрочная меламиноформальдегид- ная смола Руч 13,8/27,6 >180 0,003 — Хр Хр Нат —
Стеклонаполненная кремнийорганнче- ская смола Руч 6,9/34,5 >90 0,0005 Хр Хр —/88 Кр —
Стеклонаполнеиная эпоксидная смола с минеральными добавками Руч 6,9/13,8 90 0,003 Хр Хр 65/— Вар 3,20
Высокоударопрочная алкидная смола Руч 10,3/13,8 180 0,003 Хр Хр 70/— Сер 1 65
Алкидная смола со средней ударной проч- ностью Обр 4,1/6,9 180 0,004 — Хр Хр 75/— Сер 1,10
Полидиаллилфталат «Дапон», армиро- ванный орлоном (полиакрнлонитрнль- Маш 3,5/20,7 >180 0,009 — Хр Хр — Люб 2,20
иым волокном)
Полидиаллнлфталат «Дапон», армиро- ванный асбестом Маш 3,5/20,7 >180 0,006 — Хр Хр — Люб 2,20
Полидиаллнлфталат «Дапон», армирован- ный длинным волокном Руч 3,5/13,8 >180 0,003 — Хр Хр 65/— Люб 2,20
Трудносгораемый премикс без токопро- водящего следа при пробое Обр 3,5/6,9 >60 0,002 >80 Хр Хр — Чер 0,99
Самозатухающий премнкс без токопро- водящего следа при пробое Обр 3,5/6,9 >60 0,003 >80 Хр Хр 60/90 Люб 1,12
Дешевый премикс общего назначения Обр 3,5/6,9 >90 0,003 >80 Хр Хр Нар Вар 0,86
Дешевый премнкс общего назначения Обр 3,5/6,9 >60 0,002 >80 Хр Хр 65/90 0,84
Трудносгораемый премикс со средней Руч 3,5/6,9 30 0,002 >80 Хр Хр — Кр 1,17
ударной прочностью Самозатухающий премикс со средней Руч 3,5/6,9 60 0,001 >80 Хр Хр 60/85 Вар 0,82
ударной прочностью Высокопрочный премикс Руч Руч 3,5/6,9 3,5/6,9 60 60 0,001 0,001 >80 >80 Хр Хр Хр Хр 70/85 Нат Вар 1,03 1,01
Дешевый премикс общего назначения Самозатухающий коррозионно-стойкий Руч Руч 3,5/6,9 3,6/6,9 60 60 0,001 0,001 >80 >80 Хр Хр Хр Хр — Вар Вар 0,62 0,73
премикс Самозатухающий премикс без токопро- Руч 3,5/6,9 60 0,001 >80 Хр Хр — Вар 1,37
водящего следа при пробое Премнкс с низкой усадкой Руч Руч 1,7/3,5 3,5/6,9 90 60 0,0015 0,001 7,9 5,9 Хр Хр Хр Хр — Вар Вар 0,93 0,31
Ннзкопрочный премнкс на акриловом Руч 3,5/6,9 60 0,0001 11,4 Хр Хр 66/— Бел 0,33
мономере Премнкс с низкой усадкой Премикс, наполненный ГОА Премикс на основе галоидзамещенной Руч Руч Руч 2,1/6,9 3,5/6,9 3,5/6,9 60 60 60 0,001 0,001 0,001 15,7 >80 >80 Хр Хр Хр Хр Хр Хр 63/— Вар Вар Вар 0,44 0,44 0,55
смолы Дугостойкнй премнкс Руч Обр 3,5/6,9 6,9/13,8 60 60 0,001 0,001 >80 12,8 Хр Хр Хр Хр — Вар Вар 0,44 0,77
ЛФМ ЛФМ «Флоумат» ЛФМ без токопроводящего следа при Обр Обр 3,5/20,7 3,5/13,8 60 60 0,001 0,001 13,8 13,8 Хр Хр Хр Хр 40/— Вар Вар 1,13 1,32
пробое Трудносгораемый ЛФМ ЛФМ на твердом мономере Ламинат на основе матов из непрерыв- Обр Обр 1,4/13,8 2,8/6,9 0,5/3,5 60 180 0,0015 0,001 0,001 19,7 40 59 Хр Хр Ср Хр Хр Хр 45/— 50/— 55/97 Вар Вар Вар 1,25 1,21 0,77
ных прядей Формование предварительно отформо- — 0,5/3,5 — 0,001 39,4 Ср Хр 50/94 Вар 0,55
ванной заготовки
Сокоащения: Бел — белый; Вар — варьируется; Кор — коричневый; Кр — красный; Люб — любой; Маш —
машинный? Нат - натуральный; Обр - обрезкой; ПЛ - плохая; Пр - превосходная; Руч - ручной; Сер - серый; Ср-
средняя; Хр — хорошая; Чер — черный.
папье-маше, дерево, листовая сталь, различные пластмассы,
алюминий, цинк, чугунные и бронзовые отливки, причем почти
во всех случаях при этом снижается стоимость и улучшаются
какие-либо важные характеристики изделия.
С появлением малоусадочных материалов с добавками, сни-
жающими объемные усадки и шероховатость поверхности, внедре-
ние армированных формовочных композиций уже не ограничи-
вается только производственно-техническими изделиями, которые
обычно не попадают в поле зрения потребителя. Возникло много
новых областей применения, в которых изделия, помимо функцио-
нального назначения (конструкционная деталь), несут и декора-
тивные функции, и конструктор в своей работе может учитывать
любой из этих аспектов или все сразу.
Приведенные ниже примеры успешного применения армирован-
ных формовочных композиций наглядно иллюстрируют, где они
полезны и где их следует использовать. В тех случаях, когда это
можно, приводится альтернативный материал с указанием пре-
имуществ армированных формовочных композиций.
15.1.3.1. Автомобильная промышленность
Большой объем потребления материалов в автомобильной про-
мышленности привлекает к ней особый интерес. Применение
армированных пластмасс для получения деталей отопительных и
вентиляционных систем, передних панелей, которые включают
в себя удлинители крыльев, корпуса фар и облицовку радиатора,
для капота и других ответственных элементов кабины грузовых
автомобилей, а также многих других деталей привело к тому, что
на автомобильную промышленность приходится самая большая
доля потребления этих материалов.
Корпуса отопителей и соединенные с ними трубопроводы,
отформованные из полиэфирного ВКМ, армированного сезалем,
используются почти во всех моделях автомобиля. Они заменяют
узлы, состоящие из многих деталей, сделанных из листового ме-
талла и листовой фибры, причем при этом упрощается сборка,
улучшаются эксплуатационные свойства (снижается шум, вну-
тренние поверхности становятся более гладкими, оптимизируется
воздушный поток), отпадает необходимость в окрашивании и
уменьшается стоимость. Определенную конкуренцию ВКМ можно
ожидать от термопластов, но более дешевые из них уступают ВКМ
по эксплуатационным характеристикам, а те, которые имеют вы-
сокие эксплуатационные свойства, проигрывают по стоимости.
Выполненные из ЛФМ передние напели с проемом под обли-
цовку радиатора, являются стандартными деталями в автомобиль-
ной промышленности. Одновременное изготовление вспомогатель-
ных деталей для монтажа фар, отделки облицовки радиатора
и т. п. методом одноразового формования позволяет заменить 15
и более металлических штамповок и отливок, полученных литьем
под давлением. Эти детали, окрашенные под цвет автомобиля,
138
можно изготовлять только из материала такого же гладкого, как
листовой металл, и способного выдерживать температуру термо-
обработки лакокрасочного покрытия. Композиции смол с добав-
ками, снижающими объемные усадки и шероховатость поверх-
ности, позволяют формовать детали, у которых поверхность почти
такая же, как у изделий из листового металла, теплостойкость
выше, чем у конкурентоспособных по стоимости термопластов,
а стоимость ниже, чем у штампованных из металла узлов, цинко-
вых отливок или теплостойких термопластов.
Капоты двигателя и элементы кабины грузовых автомобилей
уже более 20 лет делают из армированных пластмасс методами по-
слойной укладки и распыления связующего (при мелкосерийном
производстве) или методами формования на матрице предвари-
тельно отформованной заготовки (при более крупном производ-
стве). Несмотря на то, что в ЛФМ несколько меньшие и менее
стабильные значения механических свойств, произошел постепен-
ный переход от заготовок к ЛФМ, особенно при формовании таких
деталей, когда достигаемые преимущества складываются из воз-
можности получения сложных узлов, состоящих из меньшего
числа отдельных деталей, и снижении стоимости монтажных работ.
Хотя бамперы из ЛФМ и не применяются на американских авто-
мобилях, они успешно используются на некоторых европейских
моделях, что дает определенное снижение массы. Имеются све-
дения, что первыми деталями бампера из ЛФМ в США будут не-
заметные снаружи опорные, кронштейны, в которых высокая
прочность ЛФМ позволяет заменить несколько деталей из ме-
талла.
Для серийных моделей ограниченного выпуска из ЛФМ были
сделаны наружные детали кузова, такие как капот и крышка
складного верха, что позволило снизить стоимость оснастки и
сократить время подготовки производства. Однако задние двери
грузо-пассажирских автомобилей-фургонов открывают более ши-
рокие возможности для применения ЛФМ, что обусловлено слож-
ностью их конструкции из-за наличия вертикальных и горизон-
тальных шарнирных подвесок и связанных с ними многочислен-
ных автоматических затворов.
15.1.3.2. Электротехника
Детали электрических и электромеханических устройств лишь
отчасти можно отнести к тем сферам применения армированных
композиций, в которых они дали большой технический и экономи-
ческий эффект. Корпуса электрических приборов управления и
защиты, которые ранее изготовляли из листовых слоистых пла-
стиков в металлическом каркасе, сейчас формуют из СКП или
ЛФМ, что снижает их стоимость и размеры и улучшает электри-
ческие характеристики. Отсутствие металлических элементов и
превосходная дугостойкость армированных композиций позво-
ляют уменьшать зазоры, необходимые для предотвращения искре-
139
Рис. 15.7. Пол душевой кабины из
В КМ
ния под высоким напряжением.
Несмотря на то, что одно из са-
мых первых применений ЛФМ
(в ФРГ), не потерявшее значе-
ния и до настоящего времени
(это корпуса низковольтных
электрораспределительных ус-
тройств), неокрашенные изде-
лия из армированных формо-
вочных композиций для экс-
плуатации на открытом воз-
духе используются редко из-за
недостаточной погодостойкости
этих материалов. Однако на-
несение полиуретановых покрытий оказалось очень эффек-
тивным методом и позволило использовать ЛФМ для полу-
чения таких деталей, как изолирующие консоли для подзем-
ных силовых распределительных устройств повышенного
напряжения. Из этих материалов делают также корпуса механи-
зированных инструментов (электрических дрелей, шлифовальных
машин и т. п.). Прецизионное формование отверждающихся с ма-
лой усадкой смол изменило принципы конструирования этих
инструментов. Стабильность и прочность армированных формовоч-
ных композиций позволяют использовать их как для несущих на-
грузку корпусов, так и для электрической изоляции.
15.1.3.3. Приборостроение
Армированные формовочные композиции нашли широкое при-
менение в приборостроении, например в производстве кондицио-
неров, что обусловлено такими их качествами, как коррозионная
стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, механическая
прочность и способность формоваться в изделия сложной конфигу-
рации. Корпуса кондиционеров могут быть отформованы заодно
с улитками вентилятора, воздуховодами, деталями крепления орга-
нов управления, двигателем вентилятора, переключателями и т. п.
Материал обеспечивает достаточную термо- и звукоизоляцию и не
нуждается в окраске. Детали из ЛФМ и СКП применяются также
в приспособлениях для размещения продуктов, холодильниках,
увлажнителях, посудомоечных машинах и в оборудовании для
прачечных.
15.1.3.4. Другие области применения
На рис. 15.7 изображен пол душевой кабины, отформованный
из В КМ на основе полиэфирной смолы, армированной синтети-
ческим волокном. Несмотря на то, что это изделие весит более
27 кг, оно легче, чем легко бьющийся литой бетон типа «террацо»
(с заполнителем из цветной каменной крошки), вместо которого
его используют. Такой пол отличается водонепроницаемостью
140
и коррозионной стойкостью, значительно легче монтируется,
позволяет снизить затраты на транспортировку, не содержит пор
и легко очищается, имеет нескользкую поверхность, может быть
окрашен в различные цвета и очень конкурентоспособен по стои-
мости.
15.2. Материалы
Так как основные материалы достаточно подробно описаны
в других главах, здесь будут рассмотрены только требования
к материалам и их свойства, специфичные для В КМ и ЛФМ.
В состав обычных композиций входят смола, армирующий ма-
териал, наполнитель, смазка для форм, пигмент, отвердитель,
загуститель и, в отдельных случаях, добавки, снижающие объем-
ные усадки и шероховатость поверхности.
15.2.1. Смолы
Вязкость смолы в идеальном случае должна быть настолько
низкой, чтобы она могла легко перемешиваться со всеми компо-
нентами, и в то же время достаточно высокой, чтобы не происхо-
дило расслоения компонентов во время течения композиции в фор-
ме. Смола должна быстро отверждаться, иметь высокую прочность
в нагретом состоянии, чтобы деталь не повреждалась при извлече-
нии из формы, и одновременно быть достаточно упругой, чтобы
деталь могла немного деформироваться, не растрескиваясь.
Большинство полиэфирных смол, предназначенных для арми-
рованных формовочных композиций, различаются по вязкости
в пределах 2,5 Па-с, хотя, в принципе, применяются смолы с вяз-
костью от 1 до 250 Па-с. Перемешивание смол с вязкостью до
600 Па-с может проводиться в обычном оборудовании без при-
менения снижающих вязкость растворителей, которые затем нужно
было бы удалять. Классификация полиэфирных смол для фор-
мовочных композиций часто проводится по наименованию основ-
ного полимерного компонента [например, ортофталевый, изофта-
левый, Не^-ангидрид (ангидрид 1, 4, 5, 6, 7, 7 гексахлор-5-нор-
борнен-2, 3-ди кар боновой кислоты) или бисфенол] или по наиме-
нованию «сшивающего» мономера [стирол, винилтолуол, диаллил-
фталат (ДАФ) и др.]. Наиболее дешевым материалом является
полимер, получаемый при взаимодействии ортофталевого ан-
гидрида со стиролом. Изофталевый ангидрид повышает механиче-
ские свойства, бисфенолкоррозионную стойкость, а Яе£-ангидрид
снижает воспламеняемость. Винилтолуол менее летуч, чем сти-
рол, благодаря чему из композиций, получаемых с использова-
нием винилтолуола, мономер при выдержке на воздухе полностью
не испаряется. Еще меньшей летучестью отличается ДАФ, улуч-
шающий также и электрические свойства материала.
Самыми лучшими прочностными и химическими свойствами
обладают эпоксидные смолы. Однако сравнительно более высокая
141
15.8. Свойства отливок из иенаполнеиных формовочных композиций
различных смол
Свойство Полимер на основе
о я л »? 3 Я X д Н О. с- •G < о о X (X g о я и иэофталевого ангидрида н стирола иэофталевого ангидрида и винилтолуола г» о я о я ч g Я X н С. с •©* ct о о X сх н х CU X н о я и ортофталевого ангидрида и диаллил фталата винилового । эфира и стирола Нейкислоты и стирола
Вязкость, Па-с 2,6 2,7 2,6 2,4 40,0 0,5 0,5
Плотность, кг/м3 1220 1200 1090 1170 1250 1040 1040
Температура коробления, °C 72 80 101 74 200 88 100
Предел прочности при изгибе, МПа 121 121,4 127,6 158,7 89 138 110,4
Модуль упругости при изгибе, ГПа 3,9 2,9 3,8 3,1 3,1 3,4 3,45
Предел прочности при растя- жении, МПа Относительное удлинение при разрушении, % 61,4 65,6 53,3 89,7 55,2 75,9 82,8
1,8 6,5 2,9 4,0 1,5 5,2 4,0
стоимость, узкий выбор композиций, низкая скорость отверждения
и другие недостатки ограничивают их применение в армированных
формовочных композициях. В то же время виниловый эфир —
близкое производное эпоксидной смолы с таким же строением
макромолекул основной цепи, но сшитое стиролом и отвержденное
перекисью, — придает композициям повышенную ударную вяз-
кость, химическую стойкость и эластичность, что, несмотря на
более высокую стоимость этого продукта, позволяет использовать
его для получения наиболее ответственных изделий.
Кроме того, разработано несколько специальных смол для хи-
мически загустевающих и малоусадочных композиций, как это
уже отмечалось в п. 15.1.2. Основные характеристики некоторых
систем смола—мономер приведены в табл. 15.8.
15.2.2. Армирующие материалы
Для армирования ВКМ используют стеклянное, асбестовое и
различные органические волокна, в том числе и сизаль. Приме-
няются три типа стекловолокна: рубленая стеклопряжа (штапе-
лированное волокно), рубленый крученый ровинг (короткие
волокна, исполненные в виде отрезков нитей) и покрытая смолой
рубленая стеклопряжа — сильношлихтованные стренги (США).
Длина применяемого волокна обычно 6,4 и 12,7 мм. Стекловолокно
последнего типа (СШС) отличается хорошим сопротивлением раз-
рушению при смешении (т. е. пряди не расщепляются на отдель-
ные волокна) и придает материалу наиболее высокие механические
142
показатели, особенно при получении удлиненных деталей. Другие
типы стекловолокна имеют лучшие цветовые характеристики (ме-
нее заметны в смеси) и способствуют получению поверхности более
высокого ка чества.
Если применение стекловолокна обычно приводит к максималь-
ному увеличению механических свойств, то сизаль повышает теку-
честь композиций, что очень важно при формовании крупных
деталей средней сложности, к которым не предъявляются высо-
кие требования по водостойкости. Иногда применяется комбина-
ция этих волокон. Асбестовое волокно используется в тех слу-
чаях, когда требуется особая химическая стойкость.
Очень дешевые изделия с превосходной водо- и коррозионной
стойкостью и хорошими электрическими свойствами могут быть
получены при армировании найлоновым трикотажем с шашечным
рисунком. Материал дает довольно большую усадку при формо-
вании, но так как она примерно одинакова у найлона и смолы,
поверхность изделий получается достаточно гладкой. Цвет и
структуру найлоновой ткани трудно замаскировать, но у деталей
из этого материала сравнительно низкие механические свойства.
Благодаря меньшей плотности композиции можно увеличивать
толщину отдельных секций, что иногда компенсирует снижение
прочности. В некоторых композициях используются углеродное
и арамидное («Кевлар-49») волокна, которые увеличивают те или
иные механические показатели, но не пропорционально своей
собственной, более высокой, прочности.
ЛФМ армируют обычно рубленым стеклоровингом длиной
12,7 ... 76,2 мм, но чаще всего — 25,4 мм. В зависимости от от-
делки волокна различают ровинги двух типов: жесткие и мягкие.
Жесткий ровинг легко рубится, хорошо формуется, но плохо
пропитывается смолой. Мягкие типы ровинга труднее рубятся,
хуже формуются, дают плохую поверхность, но легко пропиты-
ваются смолой и придают материалу более высокие механические
характеристики. Вначале ЛФМ получали из матов рубленой
стеклопряжи с длиной волокна 50,8 мм и растворимого (мягкого)
связующего. Этот метод еще и сейчас используется для некоторых
ЛФМ (в основном в Европе), но в последнее время с целью уве-
личения прочности материала в ЛФМ стали вводить непрерывную
нить из стеклянного, углеродного и арамидного волокон.
15.2.3. Наполнители
Применяемые наполнители по химическому составу можно
разделить на четыре группы: кремнеземы и силикаты, карбонаты,
сульфаты, окиси. Практически, однако, можно использовать любой
материал, размер частиц которого не превышает 0,5 ... 50 мкм.
В первую группу входят асбест, тальк, каолин, двуокись кремния
(песок), диатомовая земля и вулканический пепел; во вторую —
только различные типы карбоната кальция; в третью — сульфаты
143
бария (бариты) и кальция; в четвертую — гидратированная окись
алюминия (ГОА). К этим группам относятся так называемые «при-
родные» материалы, которые доводят до нужного состояния «мок-
рым» или сухим измельчением или химическим осаждением.
В последнем случае обеспечиваются минимально допустимый
размер частиц и максимальная однородность по составу (почти
постоянная), что, правда, является сомнительным преимуще-
ством, как это будет показано ниже. Плотность наполнителей
колеблется в пределах от 2000 (у диатомовой земли) до 4450 кг/м3
(у баритов), а у наиболее часто применяемых материалов (каолина,
карбонатов кальция)—2600 ... 2700 кг/м3. Стоимость 1 кг са-
мых дешевых наполнителей — каолина и карбоната кальция —
11 центов и ниже. Специальный наполнитель ГОА стоит около
33 центов.
К увеличивающим объем наполнителям относятся в основном
глина и карбонаты кальция. Последние обладают самым низким
маслопоглощением, что позволяет вводить их в композицию в боль-
ших количествах, при этом, однако, ухудшается текучесть ма-
териала.
Композиции, наполненные глиной, обладают лучшей теку-
честью, а изделия из них — более высокими значениями многих
показателей, кроме качества окраски. Применение смеси глины
с карбонатом кальция часто позволяет увеличивать содержание
наполнителей в композиции, не оказывая отрицательного влия-
ния на ее текучесть. Введение в композицию, уже содержащую
карбонат кальция, небольших количеств талька, который харак-
теризуется высоким маслопоглощением, также улучшает ее те-
кучесть и лишь незначительно ухудшает цвет.
Следующие требования, предъявляемые к наполнителям, су-
жают огромный перечень минералов, предлагаемых для исполь-
зования в армированных пластиках: низкая плотность; малое
маслопоглощение, отсутствие пор, неабразивность, низкая стои-
мость, легкая диспергируемость без агломерации, химическая
чистота и белизна, широкий диапазон распределения частиц
по размеру (1 ... 15 мкм при среднем диаметре 5 мкм).
Ряд добавок, применяемых для специальных целей, также
можно классифицировать как наполнители. Так, например, для
увеличения огнестойкости вводят смесь трехокиси сурьмы с гало-
идсодержащими смолами или другими веществами; для химиче-
ского загущения — окись магния и гидроокись кальция, а для
снижения усадки — тонкий порошкообразный полиэтилен.
Ниже будут детально описаны различные характеристики и
свойства наполнителей.
15.2.3.1. Размер частиц
Классификация наполнителей обычно проводится по размеру
их частиц, определяемому тониной сита, через которое проходит
заданная процентная доля материала (например, 99,8 % через
144
Рис. 15.8. Кривые распределения размеров частиц разных марок каолинитов,
полученные исследовательским отделом фирмы «Джорджия каолин» ва сите
325 меш:
1 — «Гидрит МР»; 2 — «Гидрит Флэт D»; 3 — «Гидрит 121»; 4 — «Гидрит R и RSt;
5 — «Гидрит РХ и RXS»; 6 — «Гидрит 10 и 70S»; 7 — «Гидрит £/»; S — пластина; 9 —
набор пластин; dg — эквивалентный диаметр сферы; массовая доля частичек раз-
личного размера, %
сито 325 меш), или выраженному в микрометрах. В рассматривае-
мом случае приведенное число — это нижний приемлемый пре-
дел. Расстояние между проволочками сетки в сите 325 меш со-
ставляет 44 мкм, и никакое количество частичек большего раз-
мера через это сито не пройдет.
15.2.3.2. Распределение частиц по размерам
Приведенная выше классификация частиц по размеру дает
информацию об их максимальном размере, но ничего не говорит
ни о минимальном размере, ни о количестве частичек того или иного
размера внутри этого интервала. Эти данные для большинства
наполнителей можно получить из анализа кривых распределения
частичек по размеру (рис. 15.8). Можно предположить, и экспе-
рименты это подтверждают, что наполнитель с довольно широким
распределением размеров частиц, когда самые мелкие из них
располагаются между средними, средние — между более крупными
и т. д., обеспечивает создание компактной упаковки, требующей
минимального количества смолы для заполнения пространства
между частицами.
Максимальный экономический эффект и самые лучшие
механические свойства достигаются тогда, когда коли-
чество смолы оказывается достаточным для заполнения этих про-
межутков, но не настолько большим, чтобы раздвигать частицы.
145
Необходимость обеспечения других характеристик формуемой
композиции может ограничить соблюдение этого оптимального
условия К
15.2.3.3. Маслопоглощение
Этот показатель, который выражают как долю льняного масла
в процентах, необходимую для пропитки данного количества
наполнителя, определяет примерные относительные количества
веществ, допускаемые для получения композиции с заданной
вязкостью. Маслопоглощение является функцией удельной по-
верхности частиц. Пористые частицы имеют большее маслопогло-
щение, чем непористые того же размера. Наполнители с самым
низким маслопоглощением можно вводить в композицию в наи-
больших количествах. Обычно в качестве основного наполнителя
наполненной системы применяют вещество с низким маслопогло-
щением.
15.2.3.4. Тиксотропия
Это явление заключается в том, что номинальная вязкость
материала заметно снижается при его деформировании и прини-
мает исходное значение после прекращения механического воздей-
ствия. Некоторые наполнители с высоким маслопоглощением не
только увеличивают вязкость композиций, но и дают большой
тиксотропный эффект. Усилия смыкания формы являются обычно
достаточно большими, чтобы вязкая тиксотропная система смола-
наполнитель приобретала текучесть, характерную для нетиксо-
тропных систем с меньшей вязкостью.
15.2.4. Антиадгезионные вещества
Внутренняя антиадгезионная смазка вводится во все компо-
зиции. Наиболее широко применяются стеараты цинка, кальция
и алюминия, стеариновая кислота (при формовании при низких
температурах) и алкильное производное фосфорной кислоты
фирмы «Дюпон» под названием «Зелек UN-». Это — жидкое ве-
щество, которое легко отмеряется и перемешивается. Стеараты
представляют собой пылевидные порошки.
15.2.5. Красители
Широко применяется введение дисперсий пигментов в совмести-
мые смолы, но экономически иногда целесообразнее использо-
вать в ВКМ более дешевые сухие красители. Интенсивные методы
смешения, характерные для производства ВКМ, обеспечивают
обычно высококачественное смешение большого количества сухих
пигментов. Некоторые пигменты оказывают ускоряющее или, на-
1 Автор не учитывает структурорегулирующую роль частиц наполнителя,
которую они пгпаю’ в гпо-ц,- < < . ч ия c-bi'ivi'чдего. - Прим., ред. пер.
146
оборот, ингибирующее воздействие на смолу, вследствие чего при
выборе пигментов необходимо учитывать их влияние на стабиль-
ность смол при хранении и продолжительность их отверждения.
15.2.6. Отвердители и ингибиторы
Перекись бензола является хорошим, экономичным отверди-
телем для ВКМ, действие которого проявляется сразу же после
смешения, но она не годится при длительном хранении материала.
Трет-бутилпербензоат (ТБП) требует более высокой температуры
формования, но он очень стабилен и позволяет увеличивать
температуру смешения. ТБП является стандартным отвердителем
в производстве ВКМ и ЛФМ. В последнее время для этой цели
стали использовать пероксиэфиры и пероксикетали. При этом
стабильность композиций при хранении такая же, как и при при-
менении ТБП, а отверждение происходит несколько быстрее.
Комбинирование ТБП с более реакционноспособными перекисями
типа mpem-бутил пероктоата позволяет значительно сократить
продолжительность отверждения, но допускается только тогда,
когда стабильность при хранении не играет существенной роли.
В табл. 15.9, составленной по данным отделения «Ю-эс Перокси-
френ» фирмы «Уитко Кемикал», приведены некоторые параметры
технологического режима для стандартных ЛФК на основе изо-
фталевых полиэфиров с использованием типичных перекисей и
их комбинаций. Приведенные значения продолжительности жела-
тинизации в прессе при 146 °C позволяют довольно точно прогно-
зировать текучесть материала при формовании.
15.9. Технологические параметры формования композиций с различными
перекисями *
Перекись Массо- вая кон- центра- ЦНЯ, % Продолжительность Продолжи- тельность желатини- зации в прессе прн 146 °C, с
желати- низа- ции тепло- выде- ления т 1 max» °C
Трет-бутилпербензоат 1,0 152 179 165 27
Трет-бутил пербензоат 1,4 142 168 166 25
Пероксиэфир 1,0 124 152 156 22
Пероксикеталь 1,0 106 133 152 18
Т рет-бутилпербензоат 0,8 104 133 153 19
Tpem-бутил пербензоат 0,7 99 127 154 15
Трет-бутилпероктоат 0,3 99 127 154 15
Трет-бутилпербензоат 0,5 86 112 157 13
Трет-бутилпероктоат 0,5 86 112 157 13
* Материал — ЛФМ на основе изофталевого полиэфира; прибор — для
испытания модифицированных горячих блоков при 132 °C.
147
При работе с некоторыми отверждающимися при комнатной
температуре формовочными композициями применение ускорите-
лей или активаторов не допускается, потому что в этом случае
материал практически полностью теряет стабильность при хра-
нении. Однако металлоорганические комплексы под торговым
названием «РЕР» фирмы «Эар продакте энд кемикелз» снижают
продолжительность отверждения, не оказывая при этом отрица-
тельного воздействия на возможности хранения материала и
свойства изделий.
Ингибиторы, помимо своего основного назначения — стабили-
зировать смолу, используются для повышения стабильности ком-
позиций при хранении, предотвращения желатинизации при сме-
шении и, в отдельных случаях, для регулирования скорости от-
верждения. Гидрохинон, бензохинон, тре/п-бутилкатехин и мно-
гие другие хиноны стабилизируют композиции, почти не оказы-
вая влияния на скорость отверждения. Их вводят в очень малых
количествах — с массовой долей от 0,005 до 0,02 %.
15.2.7. Загустители
Это вещества или системы, которые увеличивают вязкость ком-
позиции, не вызывая ее отверждения. Обычно в качестве загусти-
телей используют окислы металлов группы Па периодической
системы, т. е. окиси и гидроокиси магния и кальция: MgO,
Mg(OH)2, СаО и Са(ОН)2. Относительно новым материалом, кото-
рый, видимо, имеет много преимуществ, является система, основан-
ная на образовании сразу же после введения в композицию про-
странственной сетки полиуретанового каучука, распределенной
в полиэфирной матрице. Этот метод, разработанный фирмой
«Ай-си-ай Эмерика», назван «взаимопроникающий процесс за-
густевания».
Загуститель выполняет две функции. Во-первых, переводит
композицию в такое состояние, чтобы с ней было удобно обра-
щаться, т. е. делает ее сухой, нелипкой, легко режущейся и фор-
мующейся. Во-вторых, поддерживает вязкость матрицы на таком
уровне, чтобы при затекании композиции в форму сохранялась
гомогенность смеси армирующий материал — наполнитель — пиг-
мент— смола. Оптимальный загуститель — это такое вещество,
действие которого не проявляется до тех пор, пока смола пол-
ностью не пропитает все ингредиенты до равновесного состояния,
после чего загустевание быстро происходит до достижения задан-
ной вязкости, которая сохраняется до начала формования.
К сожалению, все окиси и гидроокиси металлов начинают
загущать композицию сразу же после перемешивания со смолой,
причем этот процесс не прекращается даже тогда, когда его ско-
рость сильно замедляется и наступает период времени, в течение
которого композиция сохраняется в наиболее приемлемом для
формования состоянии.
148
Если продолжительность за-
густевания, или «созревания»,
должна быть небольшой, напри-
мер 24 ч, композиция будет иметь
короткую жизнеспособность —
3 ... 4 сут. В тех случаях, когда
требуется большая жизнеспособ-
ность или в процессе компаунди-
рования не допускается рост ис-
ходной вязкости, необходимо уве-
личение продолжительности соз-
ревания до 3 ... 5 сут. (рис. 15.9).
Непрерывное увеличение вязкости
Рис. 15.9. Зависимость вязкости т]
от продолжительности хранения t
для полиэфирных смол, содержащих
добавки, снижающие объемные
усадки, и загустители:
1 — 1,4 % Mg (ОН)2; 2 — 0,3 % MgO:
3 —• зона формования
в системах, содержащих окиси
или гидроокиси металлов, явля-
ется причиной еще одной проб-
лемы — необходимости соответст-
вующего изменения условий фор-
мования, причем особенно это от-
носится к давлению прессования
(см. рис. 15.6). При использовании взаимопроникающего процесса
загустевания, т. е. при введении в композицию полиуретанового
каучука в качестве загустителя, имеет место ограниченная хими-
ческая реакция. Когда взаимодействие компонентов (изоцианата,
катализаторов и высокомолекулярного спирта) завершается, про-
цесс загустевания прекращается, и вязкость системы больше не из-
меняется. Период созревания может быть очень коротким, но прак-
тически, как и при введении систем окись—гидроокись металла,
какое-то время затрачивается на пропитку всех ингредиентов.
Период созревания обычно составляет 16 ... 24 ч [3].
15.2.8. Добавки для снижения усадки
Основной причиной вытеснения металлов и других пластмасс
ВКМ и ЛФК послужило применение специальных добавок для
снижения усадки, в роли которых выступали только термопласты.
Последние при введении в термореактивные композиции способ-
ствуют получению изделий с гладкой поверхностью и стабильными
размерами. Для окрашивания таких изделий шлифовка поверх-
ности часто вообще не требуется или проводится в незначительной
степени. При использовании некоторых из этих добавок после
формования получаются изделия отличного цвета. Коробление,
характерное для обычных полимеров, в данном случае практически
отсутствует. Точность размеров отформованных изделий, выпу-
скаемых при массовом производстве, такая же или даже выше,
чем при прецизионном литье металлов.
Имеются сведения о применении с той или иной степенью
успеха многих обычных термопластов, как по одному, так и в со-
149
четаниях. К ним относятся: полиэтилен, акриловые смолы, по-
листирол, ацетобутират целлюлозы, поливинилхлорид, поливи-
нилацетат, поликапролактон.
Тонкоизмельченный порошкообразный полиэтилен, исполь-
зовавшийся сначала для уменьшения размера пор, улучшения
погодостойкости и электрических свойств, оказался веществом,
способствующим также снижению усадки. Акриловые гомополи-
меры, применение которых в композитах было запатентовано
в 1968 г., продолжают оставаться стандартными добавками, с кото-
рыми сравнивают все последующие разработки.
Добавки для снижения усадки обычно ухудшают все механи-
ческие свойства, кроме ударной прочности, которая, наоборот,
часто увеличивается. Некоторые из них имеют значительно мень-
ший модуль упругости, чем основная смола композиции, и дей-
ствуют аналогично каучукоподобным повышающим ударную проч-
ность веществам, т. е. увеличивают способность изделия деформи-
роваться без разрушения.
Некоторые добавки влияют на скорость загустевания, при-
чем обычно увеличивают ее. Другие же, например модифициро-
ванный кислотой поливинилацетат, вызывают загустевание неза-
висимо от типа смолы.
15.2.9. Вещества, увеличивающие ударную прочность
Установлено, что многие синтетические каучуки увеличивают
ударную прочность и удлинение при разрыве формовочных ком-
позиций, снижая, однако, их прочность при изгибе и жесткость.
Аналогично действуют и некоторые термопластичные добавки,
вводимые в композицию для снижения усадки Одним из основных
недостатков термореактивных армированных пластмасс является
хрупкость. Использование этих добавок, даже при небольшом
уменьшении хрупкости, оказывается полезным во многих от-
ношениях.
1 5.3. Составление рецептуры
Составление рецептуры — это задача, целью которой является
получение композиции, которая может быть достаточно легко
переработана в изделие с необходимым комплексом свойств.
Состав композиций может быть подобран таким образом, чтобы
обеспечить прочность, жесткость, ударную вязкость, электроизо-
ляционные свойства, коррозионную стойкость, огнестойкость
и т. д. или любые комбинации этих свойств материала, но прежде
всего и самое главное, — его технологичность.
Понятие «технологичность» в общем виде было сформулировано
выше в данной главе. Помимо этого, армированные композиции
должны в максимальной степени сохранять гомогенность при
заполнении формы и затекании в ее самые труднодоступные
участки. Если при этом происходит расслоение системы смола—
150
15.10. Маслопоглощенне наполнителей, применяемых в армированных
формовочных композициях
Наполнитель Размер частиц, мкм Плотность, кг/м3 Масл ©погло- щение, г/(100 см*) Цена 1 кг, центов
Трехокись сурьмы 44,0 5700 11 330
Асбест 50,0 2560 38 13
Бариты 7,5 4400 11 12
Карбонат кальция 2,5 2710 14-16 9
5,0 2710 9—10 7
7,5 2710 5,5—6,5 5
14,0 2710 5—6 3
Каолии штата Джорджия 1,0 2580 60 12
5,0 2580 32 12
Диатомовая земля 7,0 2050 88 15
Тальк 5,0 2710 55—59 5
Тригидрат алюминия 12,0 2420 30 18
1,0 2420 60 31
Полевой шпат 14,0 2600 30 4
9,0 2600 35 6
наполнитель—армирующий материал, свойства формуемого из-
делия значительно ухудшаются и положительный эффект от арми-
рования в значительной степени теряется.
Идеальная композиция должна также легко течь и заполнять
все труднодоступные участки и детали формы. Эти две техноло-
гические характеристики обычно трудно объединить в одной
композиции со всеми другими требованиями к ней, и, как правило,
приходится идти на определенный компромисс.
Текучесть композиции в значительной степени является функ-
цией степени абсорбирования или адсорбирования смолы наполни-
телем и армирующим материалом. Каждый сухой компонент имеет
свою собственную, характерную для данной смолы абсорбцион-
ную способность, или влияет на динамику высушивания смолы.
Например, из двух стандартных наполнителей каолин более чем
вдвое превосходит карбонат кальция по абсорбционной способ-
ности. С увеличением длины волокон их способность впитывать
смолу снижается, а у подшлихтованной пряди она ниже, чем
у обычного волокна. Чем суше композиция, тем меньше ее пла-
стичность или текучесть. Трудность составления композиций
усугубляется тем, что абсорбционная способность различных
компонентов по отношению к смолам недостаточно изучена,
а имеющиеся сведения не полностью опубликованы. Некоторую
информацию по наполнителям можно почерпнуть из опублико-
ванных для лакокрасочной промышленности данных по абсорб-
ции льняного масла. В табл. 15.10 приведены значения масло-
поглощения в граммах льняного масла, расходуемого на 100 см3
наполнителя для некоторых широко применяемых наполнителей.
151
В зависимости от вязкости смолы, ее химического строения, 1
типа и количества мономера, а также других факторов изме- 1
няются не только абсорбционные свойства наполнителей, но и .
способность смолы их смачивать. j
Решение проблемы составления рецептуры композиции, кото- =
рая имела бы удовлетворительную текучесть и сохраняла доста- 1
точную гомогенность, заключается, главным образом, в правиль- ]
ном выборе комбинации смола — наполнитель. Высоковязкая 3
смола не будет отделяться от наполнителя и армирующего мате- j
риала при течении, но в этом случае осложняется смешение ком-
позиции. Комбинирование небольших количеств наполнителей
с высокой абсорбционной способностью, таких как каолин и
асбест, с наполнителем, имеющим низкую абсорбционную спо-
собность, например карбонатом кальция или двуокисью кремния,
позволяет достаточно успешно решать проблемы, связанные с ре-
гулированием текучести и гомогенности. 1
Процесс химического загущения, используемый в производ-
стве ЛФК, может быть также применен для регулирования теку- ;
чести при получении В КМ. В смолу с низкой исходной вязкостью i
легко можно вводить большие количества наполнителя или арми- i
рующего материала. Происходящее после смешения загустевание
композиции аналогично по производимому эффекту применению 1
высоко вязкой смолы или наполнителей с большой абсорбционной j
способностью. s
15.3.1. Ингредиенты
15.3.1.1. Смолы
Массовое содержание смолы в композиции может меняться от
18 до 50 %, но чаще всего необходимое сочетание свойств в мате-
риале достигается при ее 30 %-ном содержании и при использо-
вании наполнителей с очень низким поглощением, например
карбонатов кальция; хорошо формуемая композиция может быть
получена при малом содержании смолы. Если же требуется при-
менение наполнителя со специальными свойствами, обладающего
очень высокой абсорбционной способностью, такого, как асбест,
то содержание смолы будет на верхнем допустимом пределе.
15.3.1.2. Наполнители
Содержание наполнителя в композиции обратно пропорцио-
нально количеству армирующего материала, необходимого для
получения изделия с заданными механическими характеристиками.
Однако при составлении электроизоляционных или огнестойких
композиций действует противоположный принцип. Для обеспече-
ния комплекса заданных свойств вводится необходимое коли-
чество наполнителя, например гидрата окиси алюминия, а затем
максимально возможное в этом случае количество армирующего
материала.
152
Как правило, при замене армирующего материала на напол-
нитель формуемость композиции меняется незначительно.
15.3.1.3. Армирующие материалы
Массовое содержание стекловолокна в СКМ может колебаться
в пределах 5 ... 50 %. При введении менее 5 % волокна улучше-
ния конструкционных свойств КМ не наблюдается, а при добавле-
нии свыше 75 % возникают трудности при формовании. Если
содержание волокна не превышает 20 %, то композиции можно
экструдировать или прессовать, что облегчает обращение с ними.
При большом количестве стекловолокна образуются рыхлые
упругие композиции, которые плохо уплотняются. При высоком
содержании смолы композиции, наоборот, становятся очень влаж-
ными и липкими. Волокно сизаль можно вводить в В КМ в коли-
честве до 20 %, причем даже при его содержании 5 % эффект
упрочнения достаточно заметен, а при увеличении его добавки до
10 % материал еще удобен в обращении. Найлоновый трикотаж,
рубленый или с шашечным рисунком, можно использовать в ко-
личестве почти до 15 %. При этом получается рыхлая смесь, кото-
рая с трудом уплотняется и для работы с которой удобнее всего
использовать глубокие поддоны.
Композиции для ЛФМ обычно содержат около 30 % рубленого
стекловолокна длиной чаще всего 25 мм. ЛФМ можно получать
(и на практике действительно получают) с содержанием армирую-
щего материала не более 18 %. В то же время применяются компо-
зиции, содержащие до 65 % короткого волокна или до 75 % не-
прерывного волокна (или смеси волокон обоих типов). При введе-
нии непрерывного волокна применяются не только стеклянное,
но и другие типы волокон: углеродное и арамидное («Кевлар 49»).
15.3.1.4. Пигменты
Концентрация пигментов может изменяться в широких пре-
делах в зависимости от требуемой глубины окраски, и очень
трудно указать реальный максимум или уровень, выше которого
некоторые пигменты начинают превращаться в наполнители.
15.3.1.5.Внутренняя антиадгезионная смазка
Стеараты алюминия, кальция и цинка, а также стеариновая
кислота применяются в количестве 1 ... 3 %. «Зелек UN» фирмы
«Дюпон» эффективен при содержании 0,5 %. При избытке вну-
тренней антиадгезионной смазки можно ожидать некоторого
ухудшения свойств, поэтому ее количество должно быть мини-
мальным.
15.3.1.6. Отвердители
Концентрация катализатора пропорциональна количеству
смолы и обычно выражается в процентах от ее содержания. Средние
значения концентрации отвердителей стандартных полиэфирных
153
55 15.11. Состав типичных композиций
Материал Армированный стекловолокном премикс обще- го назначения Дугостойкнй премнкс Быстроотвержда- ющийся премикс, армированный стекловолокном Трудиосгораемый премикс, напол- ненный ГОА Трудносгораемый премикс, содержа- щий галоидзаме- щенные смолы Химически загу- щенный премикс
Смола Ортостирол, 28% Изовинилто- луол, 18 % «Акпол 42-2671», 30% «Плэскон 9520», 30 % Г алоидзамещен- ная смола, 34 % Ортостнрол, 32,9 %
Катализатор Перекись бен- Перекись бен- «Луперокс 118», Пастообразная Пастообразная Дикумиловая пе-
зоила, 0,3 % зоила, 0,2 % 0,3 % перекись бензо- ила (50 %), 0,06 % перекись бензо- ила (50 %), 0,6 % рекись «Дикуп 40С», 0,8 %
Аитиадгезион- Стеарат цин- Стеарат цин- Стеарат цинка, Стеарат цинка, Стеарат цинка, Стеарат цннка,
ная смазка ка, 1 % ка, 1 % 0,07 % 1,4 % 1.4 % 0,8 %
Пигмент ТЮ2, 5 % — — — — —
Наполнитель Каолни, 15 % Гидратирован- ная окись алюминия, 72 % Каолин, 26 % Гидратированная окись алюминия, 53 % Каолин, 44 % СаСОз, 49,3 %
СаСО3, 35 % СаСО3, 20 % MgO, 1,7 %
—- Асбестовые клопья, 3 % — — —
Армирующий Сильношлнх- Сильношлих- Снльношлихто- Снльношлнхто- Снльношлнхто- Снльношлнхтован-
материал тованное стек- тованное стек- ванное стеклово- ванное стеклово- ванное стеклово- ное стекловолокно
ловолокно, 15% ловолокно, 9% локно, 20 % локно длиной 6,4 мм, 14 % локно длиной 6,4 мм, 15 % длиной 6,4 мм, 14,5 %
Продолжение табл. 15.11
ЛФМ Премикс, моди- фицированный акриловым мономером для снижения усадки Премикс, содер- жащий термо- пластичную до- бавку для сни- жения усадки Химически загу- щенный премикс, содержащий тер- мопластичную до- бавку для сниже- ния усадки Дешевый премикс общего назначе- ния, армированный рубленой найлоно- вой ветошью и стекловолокном Премнкс, армиро- ванный рубленой найлоновой ветошью ЛФМ
«Деракейн QX3923», 33 % «Параплекс Д-/9А», 35 % «Этлак 382-13», 43,5 % «Стнпол 40-2366», 25% «Ламинак POL-7-991»,25% «Ламинак РОД-7-991», 32 % «Стнпол 40-2732», 40 %
Перекись бен- зоила, 0,3 % Трет-бутил- пероктоат, 0,3 % «Луперокс 118», 0,8 % Дикумиловая пе- рекись «Дикуп 40С», 0,44 % и «Луперокс 118», 0,06 % Пастообразная перекись бензо- ила (50 %),0,4 % Пастообразная перекись бензо- ила (50 %), 0,4 % Тре/п-бутнлпер- бензоат, 0,5 %
Стеарат цин- ка, 1 % «Зелек UN», 0,2 % Стеарат цин- ка, 2 % Стеарат цннка, 0,5 % Стеарат цинка, 1,8% Пигмент, 0,8 % Стеарат цинка, 1,8 % Пигмент, 0,8 % «Зелек UN», 0,3 %
Каолин, 33 % Каолин, 34,5 % СаСО3 «Сур- фекс Л42И», 17 % СаСОз, 49,6 % Каолин, 17 % Каолни, 18 % Каолни «ASP-400», 25,7 %
MgO, 1 % — Каолин «ASP-100», 17 % Са(ОН)2, 0,7 % СаСОз, 34 % СаСОз, 36 % —
— — Полиэтилен «Микротен F/V510», 5 % Полиэтилен «Мн- кротен FX510», 3,8 % — — —
Мат, обрабо- танный раство- римым связу- ющим, 32 % Сильношлнх- тованное стек- ловолокно длиной 6,4 мм, 25 % Сильношлих- тованное стек- ловолокно длиной 6,4 мм, 22 % Сильношлнхто- ванное стеклово- локно длиной 6,4 мм, 20 % Рубленая нанло- новая ветошь, 8 % и снльно- шлнхтованное стекловолокно длиной 6,4 мм, 8% Рубленая нанло- новая ветошь, 12 % Мат, обработан- ный растворимым связующим, 33,5 %
смол приведены в табл. 15.9. В зависимости от заданного срока
годности при хранении, температуры отверждения и принятого
цинка формования эти концентрации можно уменьшать или уве-
личивать. Часто применяют комбинации перекисей, из которых
одна — «пусковая» — вступает в реакцию при меньших темпе-
ратурах.
15.3.1.7. Загустители
Количество и тип применяемого загустителя зависят от мно-
гих факторов, в частности от свойств полимерной композиции,
требуемой и в то же время реальной скорости загустевания (т. е.
период загустевания должен быть таким, чтобы обеспечить над-
лежащую пропитку наполнителей и других веществ, но не больше),
периода до достижения материалом такого состояния, чтобы он
потерял липкость и с ним было удобно обращаться, и временного
интервала, в течение которого вязкость композиции сохраняется
в приемлемых для формования пределах. Содержание наиболее
широко применяемых загустителей MgO и Mg(OH)2 составляет
1 ... 1,5 % и 3 ... 5 % массы смолы соответственно. Загуститель
MgO быстрее вызывает загущение смолы, a Mg(OH)2 медленнее
увеличивает ее вязкость, но композиция остается в приемлемом
для формования состоянии в течение большего времени (см.
рис. 15.9). При использовании взаимопроникающего процесса
загустевания содержание полиизоцианата составляет 3 % ко-
личества смолы.
15.3.1.8. Добавки, снижающие объемную усадку
Большинство добавок, снижающих объемную усадку (напри-
мер акриловые смолы, полистирол, поливинилацетат), применяют
в виде 30 ... 40 %-кого раствора в стироле. Этот раствор добав-
ляют в композицию в количестве 50 % массы основной смолы.
Низкомолекулярный, мелкодисперсный полиэтилен обычно вво-
дят непосредственно в композицию в количестве 3—5 % содержа-
ния смолы.
Состав некоторых типичных композиций различного назначе-
ния приведен в табл. 15.11.
15.4. Приготовление композиций
Технология получения композиций для ВКМ и ЛФМ имеет
много общих черт, но наряду с этим и ряд различий. Приготовле-
ние ВКМ, причем даже в больших количествах, обычно произ-
водится порциями, а для ЛФМ применяется, как правило, непре-
рывный процесс. В обоих случаях процесс всегда состоит из двух
отдельных стадий: первой, на которой происходит смешение
смолы, красителей, катализатора, антиадгезионной смазки и
части или всего количества наполнителя, и второй, когда эти ве-
щества смешивают с армирующим материалом.
156
На первой стадии смешение обычно не бывает слишком интен-
сивным или очень продолжительным (при этом может выделиться
большое количество теплоты). На второй стадии смешение (или
комбинирование) должно быть достаточным только для того, чтобы
обеспечить смачивание и однородное распределение армирую-
щего волокна. Интенсивное смешение стекловолокна может при-
вести к значительному уменьшению его эффективности как арми-
рующего материала вследствие разрушения или расщепления.
При работе с композициями, содержащими быстродействующие
загустители, такие как MgO, может быть введена промежуточная
фаза, когда загуститель вводят в заранее приготовленный замес
непосредственно перед подачей армирующего материала. В ре-
зультате вязкость не успевает увеличиваться до такой степени,
чтобы затруднилась пропитка волокна. Ниже будут описаны
методы компаундирования ВКМ, получения пасты смолы с напол-
нителем для ЛФМ и, наконец, соединения пасты смола—наполни-
тель с армирующим волокном для получения ЛФМ, поставляемых
на переработку.
15.4.1. Получение ВКМ периодическим процессом
15.4.1.1. Смесители
Основное оборудование состоит из двух смесителей: одного
для предварительного замеса смолы, красителя, катализатора,
антиадгезионной смазки и (в отдельных случаях) части наполни-
теля, и второго — для получения готовой смеси из предвари-
тельного замеса, оставшегося наполнителя и армирующего ма-
териала (стеклянного или другого волокна, сизаля).
Первый смеситель может быть практически любого типа: от
простой лопастной мешалки типа «Лайтнин» с зубчатым редукто-
ром и электродвигателем мощностью 2,24 кВт, которая пригодна
для медленного перемешивания 95 ... 113 л материала в барабане
объемом 208 л, и до смесителей или мешалок, обычно применяе-
мых в лакокрасочной промышленности. Мешалки Коулса типа
«Диссолвер» мощностью 7,47 кВт быстро перемешивают порцию
композиции 182 ... 227 кг. Для удобства обращения они снабжены
устройствами для подъема и откидывания мешалки в сторону, но
основными показателями работы являются эффективность и ско-
рость перемешивания. Более сложные и быстро действующие мо-
дели имеют свои преимущества, о чем свидетельствует их большая
стоимость.
Для окончательного смешения применяются смесители, из-
вестные под разными названиями: клеемешалки, тестомешалки,
мешалки с сигмоидальными лопастями или двухлопастные ме-
шалки. Для ВКМ используется самый тяжелый вариант смесите-
лей этого типа. В табл. 15.12 приведены значения производитель-
ности и мощности типичных мешалок.
157
15.12. Мощности и производительности двухлопастных мешалок
Рабочая емкость, л Производи- тельность, кг Мощность, кВт Рабочая емкость, л Производи- тельность, кг Мощность, кВт
75,7 18 14,9 189,3 182 22,4
132,5 135 22,4 378,5 364 37,3
В то время как существующие смесители имеют так называе-
мые сигмоидальные лопасти, представляющие собой разновидность
зигзагообразных лопастей, мешалки с лопастями в виде линей-
чатой спирали со значительным зазором (6,4 ... 9,5 мм) между
лопастями и желобом дают компромиссное решение двух задач —
тщательного перемешивания и минимального разрушения воло-
кон. Лопасти должны вращаться с невысокими, но разными угло-
выми скоростями, причем максимальная частота вращения одной
из них не должна превышать 30 ... 40 мин-1. Желоб мешалки дол-
жен быть снабжен рубашкой для регулирования температуры
подачей горячей воды, что очень важно для некоторых компози-
ций, смешиваемых при высоких температурах. Применяются
и другие типы мешалок. Особенно эффективным представляется
упрочненный вариант с двумя планетарными лопастями. Его пре-
имуществами являются легкость очистки и меньшее разрушение
армирующего волокна. Смесители этого типа имеют многоско-
ростной привод, что позволяет применять их как на первой стадии
перемешивания (с высокой скоростью), так и для смешения тя-
желых наполнителей и армирующих материалов (с низкими ско-
ростями).
15.4.1.2, Смешение компонентов
Обычный порядок проведения периодического процесса сме-
шения композиций для В КМ общего назначения состоит из сле-
дующих операций:
1) в мешалку Коулса (или аналогичный смеситель) загружают
смолу, катализатор, антиадгезионную смазку и краситель и пере-
мешивают 10 мин;
2) добавляют 50 % наполнителя и перемешивают 5 мин;
3) переносят замес в двухлопастную мешалку;
4) добавляют оставшийся наполнитель и перемешивают 10 мин;
5) вводят армирующий материал и перемешивают 5 мин;
6) переносят композицию в герметичный контейнер (для пред-
отвращения улетучивания мономера);
7) выдерживают 4 ч при 25 °C.
Если образуется густая композиция, готовую смесь надо пере-
рабатывать экструзией или календрованием сразу же после
выгрузки из смесителя. В противном случае необходимая для фор-
мования вязкость будет достигнута вне формующего инструмента.
158
15.4 1.3. Экструзия
Композиции с пониженным содержанием стекловолокна (ме-
нее 20 %) и повышенным содержанием загустителей легко можно
экструдировать в прутки различного типа. Экструдеры обычно
оборудованы гильотинными ножами для резки экструдата, выходя-
щего из выпускного отверстия на подвески для загрузки формы,
В промышленности применяются экструдеры червячного типа,
вызывающие заметное разрушение волокна. Некоторые постав-
щики композиций и переработчики применяют изготовленные
по заказу плунжерные или поршневые экструдеры, которые ра-
ботают с более низкой производительностью, ио при этом значи-
тельно меньше разрушают волокно.
15.4.1.4 . Прочие соображения
Все операции с материалом как внутри, так и вне смесителей
представляются элементарными, но могут вызвать серьезные
проблемы, если не принять соответствующие меры предосторож-
ности. Даже среднего размера клеемешалка имеет довольно боль-
шую высоту, и установка ее в яму только усложнила бы проблему
извлечения готовой смеси. Погрузочно-разгрузочные приспособ-
ления барабанного типа и подъемные тележки занимают много
места и довольно дороги, если снабжены электромеханическим
приводом. Наиболее приемлемым путем представляется располо-
жение всего оборудования — весов, мешалок и т. п. — в одну
линию с транспортно-загрузочными средствами различных типов.
Простые подъемные устройства барабанного типа с цепным накло-
няющим механизмом позволяют переливать смолу из цилиндров
в смесители или перемешивающие емкости.
15.4.1.5 . Подготовка к формованию
В интервале между смешением и формованием материал дол-
жен быть защищен от любых воздействий, которые могут вызвать
в нем какие-либо изменения, наиболее распространенным из
которых является улетучивание мономера. Храпение смеси в хо-
рошо закрытых мешках или под покрытием из полимерной пленки
(целлофановой или полиэтиленовой) оказывается надежным обычно
лишь на короткий период времени. При длительном хранении
необходимо использовать герметичные контейнеры и охлаждае-
мые хранилища, причем решение проблемы, естественно, зависит
от состава композиции.
15.4.2 . Получение стеклонаполненных композиций непрерывным
смешением
При непрерывном смешении в смеси:еле со сквозным потоком
сухие компоненты подаются подвижными ленточными весовыми
питателями, волокнистый армирующий материал—рубильной
159
Рис. 15.10. Схема непрерывного процесса компаундирования СКП:
1 — васос для подачи смолы; 2 — емкость для загрузив смолы; 3 — емкость для смешения
смолы с добавками; 4 — загрузка полиэфирной смолы, катализатора и пигмента; 5 —
бобииодержатели стеклянной ровницы; 6 — машина для рубки стекловолокна; 7 — гра-
виметрический питатель; в— бункер для наполнителя; 9 — ковшовый элеватор; 10 —
пылеуловитель; И — засыпка наполнителей из мешков; 12 — мешалка с ленточной вин-
товой лопастью; 13 — смеситель; 14 — двусторонняя направляющая перегородка; 15 —
литьевые машины; 16 — ленточные транспортеры
машиной регулируемой производительности, а жидкости — дози-
рующими насосами. Очевидно, что такая установка должна быть
обеспечена специальной системой управления для точной регу- j
лировки подачи всех веществ и не может использоваться при j
частых изменениях производительности или соотношения компо- j
нентов. Практически не существует действительно непрерывных j
систем, в которых все исходные компоненты подавались бы раз-
дельно. Вещества, добавляемые в небольших количествах, такие *
как катализаторы, антиадгезионные смазки, загустители и пиг-
менты, обычно предварительно вводят в тот или иной из основных
компонентов в смесителях периодического действия. На рис. 15.10 ;
приведена принципиальная схема процесса непрерывного сме-
шения СКП.
15.4.3 . Периодический процесс получения пастообразной смеси
смолы с добавками для производства ЛФМ
Первая стадия периодического процесса компаундирования
ЛФМ практически такая же, что и при получении СКП, с той
только разницей, что в ЛФМ всегда вводят загуститель. При ис-
пользовании быстродействующего загустителя порция переме-
шиваемого материала должна быть сравнительно небольшой,
обычно рассчитанная не более чем на 1 ч работы формующей ма-
шины. В противном случае вязкость композиции может увеличи-
ваться в такой степени, что не будет обеспечена нормальная про-
питка волокна. Однако и в этом случае порция не так уж мала.
Даже при ширине формующей машины 610 мм за 1 ч перерабатыва-
160
ется до 900 кг пасты. Периодический про-
цесс получения пасты смола—наполни-
тель для композиций ЛФМ проводится,
как правило, по следующему режиму:
1) в мешалку Коулса (или анало-
гичный смеситель) вводят смолу, ка-
тализатор, антиадгезионную смазку,
пигмент и добавки, снижающие объ-
емную усадку и шероховатость поверх-
ности, и перемешивают композицию
не менее 10 мин;
2) вводят наполнители и переме-
шивают 15 ... 20 мин;
3) добавляют загуститель и пере-
мешивают 5 мин;
4) переносят полученную пасту в
дозирующий узел машины для полу-
чения ЛФМ.
15.4.4 . Периодическо-непрерывн ый
процесс получения пастообразной смеси
смолы с добавками для
производства ЛФМ
Модификацией описанной системы
является процесс, иногда называемый
периодическо-непрерывным, при котором менее остро стоит
проблема нерегулируемого загустевания пасты после смешения
компонентов периодическим способом. В этом процессе приме-
няются две смесительные емкости, в одну из которых за-
гружают смесь загустителя с негустеющим компонентом компози-
ции, например раствором добавки для снижения усадки. В другую
емкость подают основную смолу и соответствующее количество
остальных ингредиентов. После перемешивания материалы из
обоих резервуаров через статический или динамический смеси-
тель поступают в заданном соотношении в дозирующий узел
машины для получения ЛФМ (рис. 15.11).
Для непрерывной работы этой машины применяют два ком-
плекта таких емкостей.
Рис. 15.11. Схема периоди-
ческо-непрерывного процесса
смешения композиций для
ЛФМ
/ — загуститель и добавка для
снижения усадки; 2 — смола,
наполнитель, катализатор и ан-
тиадгезионная смазка; 3 — до-
зирующий насос; 4 — смеситель;
5 — к машине для получения
ЛФМ
15.4.5 . Непрерывный процесс получения пастообразной смеси
смолы с добавками для производства ЛФМ
Метод непрерывного смешения аналогичен описанному выше
для СКП, схема которого представлена на рис. 15.10, и основан
на использовании весовых питателей для сухих ингредиентов и
дозирующих насосов для жидкостей. Как уже было отмечено,
реальные смесительные системы не являются полностью непре-
рывными по отношению ко всем ингредиентам. Компоненты, при-
6 П/р Дж. Любина 161
меняющиеся в малых количествах, такие как загустители, ката-
лизаторы и антиадгезионные смазки, предварительно перемеши-
вают в смесителях периодического действия с одним или несколь-
кими ингредиентами, которые используются в больших коли-
чествах.
15.4.6 . Вторая стадия получения ЛФМ — соединение
пастообразной композиции с волокном
Как уже было отмечено, процесс получения композиций как
для СКП, так и для ЛФМ, состоит из двух стадий, причем раз-
личия в технологии для этих двух типов материалов проявляются
именно на второй стадии.
15.4.6.1 . Машины для получения ЛФМ и принцип их действия
В настоящее время применяются три основных разновидности
машин для получения ЛФМ: стандартные, для формовочных ком-
позиций с повышенным содержанием стекловолокнистого напол-
нителя (ТМС) и для листовых формовочных композиций с диа-
гональным переплетением волокон (ХМС).
Так называемые стандартные машины имеют много модифика-
ций, принцип действия которых одинаков. Две пластмассовые
пленочные ленты непрерывно покрываются пастой смолы, а ар-
мирующее волокно непрерывно рубится и оседает на одной из
покрытых пастой пленок. Пленки пропускаются вместе через
ряд валиков таким образом, чтобы рубленое волокно оказалось
между ними и пропиталось пастообразной смолой. Получаемый
материал наматывается на приемный валик (рис. 15.12). Другой
вариант машин этого типа отличается тем, что для втирания пасты
в волокно вместо нажимных валков применяются роликовые цепи.
9
Рис. 15.12. Схема машины фирмы «Е. Б. Блу» для получения ЛФМ:
1 — ЛФМ-намоточиая машина с револьверной головкой, поставляемая в комплекте
с высокопроизводительными установками; 2, 5, 12, 14 — ширительные валки; 3, 16 —
иажимиые валки; 4, 13 — рулоны полиэтиленовой пленки; б, 11 — подача композиции;
7 — ракля и прибор для измерения толщины; 8 — ножи рубильной установки; 9 — ро*
винг стекловолокна; 10 — ракля; 15 — основные ролики, линия циркуляции горячей
воды
162
4
5
Рис. 15.13. Схема машины отделения «Полиэстер юнит» фирмы «Ю.-эс.-эс кеми-
калз» для получения ТМС:
1, S— полиэтиленовая пленка; 2 — протирочные валки; 3 — пропитывающие валки;
4— стекловолокно; 5 — резательная машина; 6 — рубленое стекловолокно; 7 — ком-
позиция смолы; 9 — композиция для ТМС; 10 — готовая ТМС
Могут применяться также приспособления для введения беско-
нечных прядей волокна с целью придания формуемым изделиям
специфических механических свойств.
ТМС получают на машинах, которые имеют внешнее сходство
с обычной простой машиной для ЛФМ, но фактически больше на-
поминают двухвалковую краскотерку (рис. 15.13). Пастообраз-
ная смола находится между двумя вращающимися в противопо-
ложные стороны валками. Волокно рубится, попадает непосред-
ственно в пасту и перемешивается с ней под действием валков.
Полученная композиция проходит между валками, наносится на
поверхность пластмассовой пленки, одновременно покрываясь
второй пленкой, и пропускается сквозь ленточно-роликовый кон-
вейер, где толщина материала регулируется варьированием поло-
жения роликов и скорости ленты. В отличие от обычных ЛФМ,
на этих машинах можно получать более толстые листы (до 51 мм)
и повышать производительность. С другой стороны, однако, на
них нельзя увеличить прочность материала ни повышением со-
держания волокна, ни введением ориентированного волокна.
Машины для получения ТМС могут использоваться не только для
ЛФМ, но и для высокопрочных стекловолоконных материалов
(СВМ) на непрерывной основе.
Специальных машин для ХМС фактически не существует.
Их можно получать практически на любых установках для на-
мотки изделий нитью. ХМС — это вариант ЛФМ, в котором не-
прерывное волокно имеет диагональное плетение, что придает
материалу очень высокую прочность в направлении основной ори-
ентации волокон, но при этом низкую прочность в поперечном на-
6* 163
5
Рис. 15.14. Схема машины фирмы «ППГ Индастриз» для получения ХМС:
1 — нитеводнтелн шпулярника; 2 — формующая качающаяся рамка (или рамки) с паков-
ками; 3 — паковки (360 шт.) с формуемым стекловолокном; 4 — одиночные нити стекло-
волокна (400 шт.); элементарные ннти/одиночные инти (300 шт.);5 — жгутораэделительная
рама; 6 — ванна со смолой; 7 — фильеры; 8— распорная планка; 9— рубильная уста-
новка; 10 — ленты стекловолокна; 11 — зонт вытяжной вентиляции; 12 — оправка;
13 — намоточная машина V7-2 («Эквивалент») фирмы «Мак-Клин Андерсон»; 14 —
зубчатые передачи; 15 — стойка для ванны со смолой; 16 — пряди стекловолокна (5 оди-
ночных нитей в одной пряди, 60 прядей); 17 — две емкости со смолой; 18— расположен-
ное в одну линию смесительное устройство
правлении. Чтобы несколько нивелировать значения прочности
в разных направлениях, иногда добавляют немного хаотически
распределенного короткого волокна.
Самый простой способ получения ХМС заключается в про-
пускании волокна через ванну со смолой с последующей намоткой
его на оправку по заданной схеме (рис. 15.14). После достиже-
ния необходимой толщины «Д,6 мм на оправке диаметром 762 мм)
материал обматывают защитной пленкой, срезают с оправки и раз-
равнивают для хранения и созревания. Для придания заданных
свойств материалу в различных направлениях варьируют угол
наклона волокна (наиболее часто он составляет 85°), а для уве-
личения прочности в поперечном направлении добавляют корот-
кое рубленое волокно. Рекомендуется, чтобы его содержание было
до 60 % от общего количества волокна. ХМС можно получить
с более высоким содержанием волокна, меньшим количеством
смолы и большей прочностью, чем все остальные типы армиро-
ванных формовочных композиций. Однако производительность
процесса (341 кг/ч) ниже, чем на обычных машинах для ЛФМ
(1818 кг/ч), и, кроме того, формуемость ХМС существенно огра-
ничена.
164
15.4.6.2 . Созревание композиции
Не будучи, по существу, частью процесса компаундирования,
созревание является основной операцией между получением ком-
позиции и ее формованием. Созревание можно определить как ин-
тервал времени после компаундирования, в течение которого ма-
териал переходит в пригодное для формования состояние, или,
точнее, как продолжительность перехода композиции в нелипкое
состояние, когда она уже становится удобной в обращении, т. е.
с нее можно снять защитную пленку, придать заданную конфигу-
рацию, не опасаясь прилипания к инструменту, и т. д., но еще
сохраняет необходимую для формования вязкость. Этот процесс
обычно занимает довольно много времени, причем иногда нельзя
точно определить момент завершения реакции.
Чтобы свести к минимуму возможные отклонения свойств,
созревание проводят при заданной температуре. Для ускорения
процесса его обычно проводят при повышенной температуре.
Предотвращение испарения мономера достигается обычно зама-
тыванием каждого рулона в алюминиевую фольгу, а иногда и по-
мещением его в герметично закрытую тару. Продолжительность
созревания зависит от типа и количества используемого загусти-
теля, что, в свою очередь, определяется условиями компаундиро-
вания и периодом, в течение которого композиция должна оста-
ваться в формуемом состоянии. Этот период может изменяться
от 24 ч до 7 сут.
Упомянутые выше рекомендации относятся, главным образом,
к композициям, в которых в качестве загустителя используются
окиси и гидроокиси металлов II группы.
Процесс загустевания полиуретанов марки ITP фирмы «Ай-си-
ай Эмерика» менее чувствителен к окружающей среде, но и его
лучше проводить в контролируемых условиях.
15.4.6.3 . Прочие соображения
Помимо ЛФМ, ТМС и ХМС существует много подобозначений
или дополнительных обозначений в основном тех же самых мате-
риалов, полученных на таком же оборудовании. К ним относятся:
SAfC-II — ЛФМ, формуемый при низком давлении;
SMC-R (обычно с числом на конце, например SMC-R50, где R50 указывает
на 50 %-ное содержание хаотически распределенного рубленого волокна в ЛФМ);
НМС — ЛФМ с высоким содержанием стекловолокна, но обычно без напол-
нителей;
SMC-C — ЛФМ, содержащий непрерывное волокно, который получают на
модифицированной стандартной машине; иногда обозначают SMC-C, R с числами
(SMC-C30, R20), указывающими, что в композиции содержится 30 % непрерыв-
ного волокна и 20 % хаотически распределенного рубленого волокна; такой мате-
риал тоже получают на модифицированной стандартной машине;
SMC-D, где D указывает на ограниченную длину волокон, расположенных
в одном направлении;
XAfC-З — ЛФМ, содержащий короткое рубленое волокно и бесконечные пряди.
165
15.4.6.4 . Дополнительные устройства
Это оборудование вызывает наибольшую озабоченность для
организаций, занимающихся вопросами охраны окружающей
среды и безопасности персонала. Страховые компании и состави-
тели строительных норм считают его опасной зоной, которая
должна быть надежно отделена от прочих частей установки, —
огнестойкими стенами, самозакрывающимися дверями и т. п.
Обычно требуется наличие противовзрывного вентилирования,
спринклерных систем и дренажных каналов или перемычек около
дверей для предотвращения вытекания горячих жидкостей.
Должно быть определенное соотношение между допустимыми вре-
менем пребывания рабочих в атмосфере, содержащей вредные и
токсичные газы, и загрязнением окружающей среды. Наряду
с тем, что все пространство должно хорошо вентилироваться и,
в идеальном случае, температура и влажность — контролиро-
ваться, каждая единица оборудования, являющаяся источником
газовыделения, должна иметь свою индивидуальную систему вен-
тиляции, расположенную как можно ближе к месту выброса
газов. В большинстве случаев для этой цели лучше всего исполь-
зовать небольшие воздуховоды с высокой скоростью подачи воз-
духа (13 ... 16 м/с).
15.5. Формование
СКП (ВКМ) и ЛФМ можно перерабатывать прямым и литьевым
прессованием и литьем под давлением. Наибольшее применение
получил первый из этих способов.
Преимущества литьевого прессования и литья под давлением,
очевидные при переработке неармированных термореактивных
композиций, лишь частично проявляются при формовании арми-
рованных материалов. Однако эти методы позволяют достаточно
полно реализовать такие преимущества, как более высокое ка-
чество поверхности и более точные размеры, но лишь при исполь-
зовании композиций, содержащих специально введенные для этих
целей добавки. У изделий не образуется грат, и они имеют точно
воспроизводимые размеры (форма закрывается до заполнения;
она не может раскрыться при перегрузке). Механические показа-
тели изделий ниже. Диапазон используемых длин и содержания
армирующего волокна ограничен; можно применять более корот-
кое волокно и в меньших количествах.
В большинстве случаев можно ожидать дальнейшего снижения
механических свойств вследствие ориентации волокна при тече-
нии материала через центральный и распределительный литники
и литниковые отверстия. Продолжительность отверждения при
предварительном нагреве загрузочной камеры сокращается в зна-
чительно меньшей степени, чем при переработке, например, фе-
нольных смол общего назначения.
166
В некоторых случаях приходится снижать температуру формы
и удлинять цикл отверждения, потому что продолжительность
переноса материала в форму может оказаться больше, чем время
ее смыкания. Формование большого числа мелких изделий в мно-
гогнездной форме значительно упрощает обращение с материалом
и загрузку формы. При формовании больших деталей основное
преимущество литья под давлением заключается в обеспечении
высокого качества их поверхности. Для большинства изделий
существенные дополнительные расходы, связанные с увеличением
капитальных затрат на оборудование для литьевого прессования
или литья под давлением по сравнению с оборудованием для прес-
сования эквивалентной производительности, не представляются
оправданными.
Возможной альтернативой, позволяющей получать изделия
с такой же поверхностной отделкой, как при литье под давлением,
является так называемый процесс нанесения покрытия «в форме»,
при котором в какой-то момент во время формования форма ча-
стично открывается и в пространство между формуемой деталью
и поверхностью формы впрыскивается пигментирующее ве-
щество.
Метод прямого прессования армированных композиций в прин-
ципе не сильно отличается от формования обычных реактопластов.
Главное различие заключается в природе самой композиции.
Вместо свободно текущих порошков или чистых сухих заранее
приготовленных таблеток на формование поступает или липкая
волокнистая масса, заготовка, которая должна быть нарезана,
или лист, от которого надо предварительно отделить защитную
полиэтиленовую пленку, причем во всех случаях материал необ-
ходимо тщательно взвешивать, так как форма должна быть запол-
нена полностью и в то же время не остаться приоткрытой из-за
перегрузки.
Высокая скорость отверждения композиций на основе поли-
эфирных смол является, конечно, их большим преимуществом,
но создает ряд проблем при формовании. Период времени от мо-
мента загрузки до окончательного закрытия формы должен быть
минимальным, чтобы предотвратить преждевременную желати-
низацию композиции при контакте с горячей формой. Аналогичное
явление может произойти и при низкой скорости течения компо-
зиции в узких сечениях формы. С другой стороны, при слишком
высокой скорости течения в узких сечениях может произойти
разупорядочивание армирующего материала. В результате этих
нежелательных явлений прочность формуемых изделий будет
неравномерной.
Колебания свойств могут иметь различный характер и наблю-
даться внутри:
1) групп идентичных деталей, полученных из одного и того же
или разных замесов;
2) различных частей той или иной детали;
167
3) разных деталей, изготовленных из одной и той же компо-
зиции.
Среди переработчиков и потребителей армированных формо-
вочных композиций наблюдается тенденция считать их гомоген-
ными материалами, хотя они таковыми не являются.
При получении композиций для ВКМ всегда следует стре-
миться к оптимальной продолжительности смешения, которая
должна быть достаточной для равномерного распределения воло-
кон в среде смолы и наполнителей и в то же время не слишком
большой, чтобы не нарушить целостность волокон. Качество сме-
шения никогда не бывает совершенным. Как правило, концентра-
ция волокон, степень их переплетения и разрушение не бывают
одинаковыми по всей массе материала. ЛФМ характеризуются
минимальными колебаниями свойств и наименьшим повреждением
волокон при компаундировании, но они никогда не бывают совер-
шенно однородными, причем никакие манипуляции, происходя-
щие при формовании и вызывающие различные эффекты, тем
не менее не изменяют их неоднородность. Уже первая операция —
взвешивание — является, вероятно, причиной возникновения не-
однородности. Навеска доводится обычно до нужной массы до-
бавлением или снятием небольших кусочков материала. При до-
бавлении кусочков не достигается сцепления находящихся в них
волокон с волокнами в основной массе материала и образуются
потенциально ослабленные участки. Если же из массы материала
отрывают отдельные кусочки для доведения ее до нужной массы,
то их обычно возвращают обратно в емкость, где они, будучи
уже поврежденными, передают эти дефекты следующим на-
вескам.
Придание навеске нужной конфигурации и ее загрузка в форму
также привносят свои эффекты, влияя, главным образом, на
ориентацию волокна и линии спая. Волокна имеют тенденцию рас-
прямляться в направлении течения в тонких сечениях и под пря-
мым углом к этому направлению в местах перехода от тонких
к толстым сечениям. Легко заметить, что изменение поло-
жения навески в форме может повлиять на ориентацию
волокна.
Формование армированных формовочных композиций прово-
дится при различных давлениях, которые могут достигать 20,7 МПа
и снижаться при переработке некоторых ВКМ, имеющих высокую
текучесть, до 0,69 МПа. Минимальное давление, указываемое
изготовителями композиций, относится к формованию очень мел-
ких деталей простой формы. В то же время при получении вытя-
нутых сложных изделий из композиций с высокой текучестью
давление может достигать 6,9 МПа.
При формовании армированных материалов встречается много
проблем. В табл. 15.13 приведен перечень основных трудностей
и дефектов, которые при этом наблюдаются, и возможные способы
их устранения.
168
15.13. Руководство по исправлению неполадок
Непо- ладки Детализация Возможные причины возникновения Способ устранения
Форма Форма Мала загрузка Увеличить массу загруз-
не за- не заполняет- ки до появления мате-
полняет- ся около риала у телескопической
ся кромок Слишком высокая тем- пература; композиция желатинируется до за- полнения формы Слишком большая про- должительность смыка- ния пресса; композиция желатинируется до за- полнения формы Недостаточное давление Мала поверхность за- грузки Смещение или деформа- ция инструмента кромки Снизить температуру Сократить продолжитель- ность смыкания Увеличить давление Подобрать загрузку с большей поверхностью Сместить загрузку в сто- рону незаполняемой по- верхности
Форма Мала загрузка Увеличить массу загруз-
не заполняет- ся около кромок только ки до появления мате- риала у телескопической кромки
в отдельных Загрузка вытекает до Более тщательно разме-
точках закрытия формы Зазор телескопической кромки слишком боль- шой или телескопиче- ское устройство очень короткое, из-за чего композиция вытекает до заполнения формы стать загрузку Уменьшить зазор или сде- лать телескопическое уст- ройство глубже (при не- большом дефекте может помочь увеличение темпе- ратуры или добавка не- большого избытка мате- риала) Увеличивать массу за- грузки, пока материал не начнет вытекать из теле- скопической кромки
Форма не заполняет- ся в отдель- ных точках, Мала загрузка
но все кромки Воздух не может выхо- Разместить загрузку та-
заполнены дить из формы Глухие отверстия и кар- маны не позволяют вы- ходить воздуху ким образом, чтобы воз- дух не мог быть захвачен ею, а мат толкал его впе- реди себя в процессе те- чения Для удаления воздуха из полостей применяют кон- струкцию формы из трех отдельных деталей или за выталкивающими шпиль- ками размещают выпуск- ные воздушные отнерстия (при небольшом дефекте можно помочь увеличе- нием давления)
169
Продолжение табл. 15.13
Непо- ладки Детализация Возможные причины возиикиовеиия Способ устранения
Подго- Темно-корнч- Из-за сжатия захвачен- Подобрать загрузку, ко-
ранне невая нли ного воздуха и паров торая воздух не захваты-
закопченная стирола температура вает, а толкает его по ме-
поверхность увеличивается до точки ре течения впереди себя.
в местах неполного заполнения формы воспламенения Уменьшить скорость смы- кания (если эти коричне- вые пятна появляются в глухих отверстиях или карманах, для удаления воздуха из иих надо при- менять формы из трех от- дельных частей или уст- раивать воздушные кана- лы вокруг выталкиваю- щих шпилек)
Наличие Пузырьки воз- Захваченный воздух ме- Удалить захваченный воз-
пузырь- духа вокруг жду слоями матов дух из загрузки предва-
ков воз- выступающих рительным ее сжатием.
духа участков на поверхности детали Слишком большая тем- пература формы (моно- мер испаряется) Слишком короткий пе- риод отверждения (мо- номер испаряется) В композиции содер- жится непропитанное стекловолокно или воз- дух Уменьшить поверхность загрузки, чтобы облегчить выход воздуха из иее Увеличить вязкость, при которой проводится фор- мование Снизить температуру фор- мы Увеличить продолжитель- ность отверждения Увеличить уплотнение ЛФМ
Пузырьки воз- Только в деталях с тол- Уменьшить поверхность
духа вокруг стыми стенками. Вну- вырубленного куска, так
выступающих треннее напряжение чтобы стеклянные волок-
участков на раздирает ламинат ме- на из разных слоев лучше
поверхности отвержденной толстостенной детали жду отдельными слоями Недопрессовка вдоль стыка Снижение прочности в одном направлении в местах с очень длин- ным путем течения ком- позиции (ориентация стекловолокна) сцеплялись друг с дру- гом. Снизить температуру формы Изменить каталитическую систему Придать загрузке такую форму, чтобы стыки не могли образоваться. Уменьшить путь течения за счет увеличения по- верхности загрузки
170
Продолжение табл. 15.13
Непо-
ладки
Детализация
Возможные причины
возникновения
Способ устранения
Наличие Пузырьки воз-
пузырьков духа вокруг
воздуха выступающих
участков на
поверхности
отвержденной
толстостенной
детали
Дефекты, образующие-
ся при извлечении изде-
лия из формы, вызы-
ваются следующими
причинами:
а) поднутрения (непре-
дусмотренные);
б) выталкивающие
шпильки имеют слиш-
ком малую поверхность
выталкивания;
в) недостаточное число
выталкивающих шпи-
лек;
г) прилипание к форме;
д) неполное отвержде-
ние
Внутрен-
ние тре-
щины
Только в толстостенных
изделиях. Растрескива-
ние ламината происхо-
дит вследствие больших
усадочных напряжений
между отдельными сло-
ями
Прили- Затрудняется
паиие извлечение
готового изде-
лия из формы.
Матер иал
в отдельных
местах прили-
пает к форме
Недостаточная темпе-
ратура формы
Недостаточная продол-
жительность отвержде-
ния
ЛФМ слишком долго не
распаковывали. В ру-
лонах ЛФМ открытыми
были только наружные
слои
Форма еще не была
в употреблении. Форма
новая или не использо-
валась в течение дли-
тельного времени, нли
применялась для фор-
мования другого мате-
риала
У формы слишком ше-
роховатая поверхность
Нехромированная по-
верхность
Ликвидировать поднутре-
ния
Увеличить поверхность
выталкивания
Увеличить число вытал-
кивающих шпилек
См. подраздел «Прилипа-
ние»
Увеличить продолжи -
тельность или температу-
ру отверждения
Уменьшить поверхность
загрузки, так чтобы стек-
лянные волокна из раз-
ных слоев лучше сцепля-
лись друг с другом. Сни-
зить температуру формы.
Взять другой катализатор
Увеличить температуру
формы
Увеличить продолжитель-
ность отверждения
Хранить рулоны до при-
менения герметически
упакованными в защит-
ную пленку
Прн формовании несколь-
ких первых деталей нано-
сить на форму антнадге-
зионную смазку
Отполировать поверх-
ность
Увеличить содержание аи-
тиадгезнонной добавки
в композиции
171
Продолжение табл. 15.13
Непо- ладки Детализация Возможные причины возникновения Способ устранения
Прили- Затрудняется Слишком большая по- Уменьшить поверхность
пание извлечение отвержденно- го изделии. Материал в отдельных местах прили- пает к форме. Одновременно на поверхности образуются поры и рубцы верхность загрузки. Из-за короткого пути течения материала воз- дух с поверхности не успевает удалиться. За- хваченный воздух тор- мозит отверждение загрузки.. Поверх основ- ной массы материала по- ложить еще небольшую порцию
Зависа- ние ма- Затрудняется извлечение Несоответству юща я усадка Изменить состав смолы
тернала отвержденных изделий. Нет явного прили- пании к форме Прилипание грата к по- верхности формы Увеличить содержание внутренней антиадгезн- онной смазки. Почистить и покрыть парафином по- верхность формы, контак- тирующей с гратом
Пори- При большом Слишком . большая по- Уменьшить поверхность
стая по- количестве пор верхность загрузки. загрузки. Поверх основ-
верх- затрудняетси Из-за короткого пути ной массы материала по-
ность извлечение изделий течения материала воз- дух не успевает улету- читься с поверхности Избыток отвержденно- го связующего на по- верхности Наличие в композиции непропитанного стекло- волокна илн воздуха Ннзковязкая компози- ция дожить еще небольшую порцию Снизить температуру или быстрее закрывать форму Увеличить сжатие Увеличить вязкость при созревании
Износ формы Появление темных и чер- ных пятен на поверхности отвержденного изделия Истирание от формы Отхромировать форму (ни- келирование не помогает). Использовать более мяг- кие наполнители или пиг- менты Примечание. Глав- ная неприятность идет от двуокиси титана. Реко- мендуется заменить его иа сульфид цинка (SC33-33)
Короб- Изделие Коробление вызывается Охлаждать деталь в оп-
ленне нем иого коробится усадкой при отвержде- нии и охлаждении равке. Использовать в композиции смолы с не- большой или нулевой усадкой
172
Пр одолжение, табл. 15.13
Непо- ладки Детализация Возможные причины возникновения Способ устранения
Короб- Изделие Одна полуформа нагре- Снизить разницу темпера-
ление немного коробится Изделие силь- но коробится та значительно сильнее второй Несимметричная кон- струкция Коробление обусловле- но ориентацией стекло- волокна, вызванной очень длинным путем течения композиции тур полуформ Положить избыток арми- рующего мата внутрь за- грузки, а не на ее поверх- ность Уменьшить путь течения, увеличив поверхность за- грузки. Использовать в композиции смолы с не- большой или нулевой усадкой
Вол ни- Волны обра- Сложная конструкция В большинстве случаев
стая по- зуются на препятствует равномер- это явление полностью
верх- иость длинных, вертикальных тонких стен- ках перпенди- кулярно к на- правлению те- чения. При различных неблагоприят- ных условиях течения (при резких измене- ниях толщины стенки) обра- зуете поверх- ность с нерав- номерной вол- нистостью ному течению устранить не удается. Ча- стичное улучшение по- верхности достигается: 1) увеличением давления; 2) изменением конструк- ции формы; 3) изменением положения загрузки. Использовать в компози- ции смолы с небольшой или нулевой усадкой
Вмятнны Неравномерная усадка при формовании Использовать в компози- ции смолы с небольшой или нулевой усадкой. Уве- личить температуру полу- формы (обычно достаточно на 5 °C). Уменьшить дли- ну рубленого волокна. Из- менить положение загруз- ки. Уменьшить зазор те- лескопической кромки
Эрозия Металл Неправильно сделанные Обеспечить точное управ-
отжим- отламывается или слабые направля- ление формой (нижней
кого ранта на форме в направлении приложения осевой нагрузки ющне колонки Неправильно установ- лена форма частью). Упрочнить на- правляющие колонки. Расположить загрузку та- ким образом, чтобы свести к минимуму боковое дав- ление Отрегулировать положе- ние формы
173
Продолжение табл. 15.13
Непо- ладки Детализация Возможные причины возиикновения Способ устранения
Пятна У отверждеи- иой детали Недостаточная передача давления через мате- Увеличить давление; лик- видировать ограиичеиия
иегл яйцевая поверхность риал Загрязнение формы снаружи и внутри Почистить форму и дове- сти до нужного состояния
Матовая Поверхность Мало давление Увеличить давление
поверх- недостаточно Мала температура фор- Увеличить температуру
ность . блестящая мы Некачественная поверх- ность формы Недоотверждеиие формы Вторично отполировать и отхромировать форму Увеличить продолжи- тельность отверждения
Линии Локальная Механизм смыкания Следовать рекомендациям
стыка волнистость формы неправильно спроектирован или по- врежден Мала температура фор- мы Ориентация стеклово- локна в местах с очень длинными или обрат- ными траекториями те- чения материала Смещение формы, вызы- вающее резкое сниже- ние давления с одного края по конструированию ин- струмента Увеличить температуру формы Уменьшить путь течения, увеличив поверхность за- грузки Улучшить управление формой
15.6. Конструкция формы
Часто заявляют, что армированные формовочные композиции
можно формовать, используя оборудование и формы, предназна-
ченные для других материалов, перерабатываемых прессованием.
Эта позиция правомочна при переходе от каких-то материалов
к ВКМ или ЛФМ только на существующем оборудовании. Если же
производство нового изделия организуется с самого начала, пер-
воначальная стоимость формы и трудности, встречающиеся при
формовании, могут быть уменьшены, если оборудование проекти-
руется специально для армированных формовочных композиций. ,{И
Эти материалы по формуемости различаются в широких пределах
но, в принципе, давление прессования выше, чем при переработке
отформованных заготовок или армированных матами пластмасс,
и ниже, чем для фенольных смол общего назначения. Обычно оно
составляет 3,5 ... 6,9 МПа, но в ряде случаев может достигать
17,3 МПа, а для многих изделий, к которым не предъявляются
высокие требования, — опускаться ниже 3,5 МПа.
174
15.6.1. Выбор материала для формы
Формы для больших деталей полу-
чают механической обработкой загото-
вок из различных типов стали, в том
числе ДЛ$/-1045 и 4140, а также спе-
циальной марки Р20. Если формы могут
иметь слегка пористую поверхность, их
отливают из стального чугуна «Миха-
нит» и различных литых сталей, что
значительно экономичнее механической
обработки кованых стальных загото-
вок. Получаемые при отливке поло-
сти для пара обеспечивают лучший
и более быстрый теплоперенос, чем
высверленные паропроводные каналы.
Рис. 15.15. Элементы уплот-
нения формы:
I — пуансон; 2 — матрица;
3 — участки с твердостью
HRC 50 ... 52
Для форм среднего и небольшого размера предпочтительнее
использовать предварительно закаленные марки стали (с твер-
достью HRC 32 ... 35). Их легко механически обрабатывать и
полировать до высокого качества поверхности. Для мелких вы-
пускаемых в больших количествах форм применяют самозакали-
вающиеся инструментальные марки стали, которые легко под-
даются механической обработке в отожженном состоянии. Затем
их подвергают термообработке до твердости HRC 50 ... 55 при
минимальном короблении. Контактирующая со смолой поверх-
ность должна быть подвергнута пламенной закалке до твердости
HRC 50 ... 52 (рис. 15.15).
15.6.2. Отделка формы
Очень высокое качество отделки некоторых форм для термо-
пластов не представляется обязательным для армированных ком-
позиций. Наличие наполнителей и волокон накладывает опреде-
ленные ограничения на глянец изделия, независимо от качества
полированной поверхности формы, в которой получают изделие.
Степень отделки большинства форм определяется показателем 600,
который соответствует номеру зернистости абразивного материала,
применяемого на последней стадии полирования формы, между
механической обработкой и глянцеванием мягким кругом, шар-
жированным абразивной пастой. При этом используются последо-
вательно все более тонкие абразивные материалы с номерным
интервалом примерно 100, начиная с достаточно грубого абразива,
предназначенного только для удаления следов инструмента, остав
ленных при механической обработке. Уже при толщине хромиро-
ванного слоя 0,0075 ... 0,025 мм поверхность формы оказывается
защищенной от коррозии и небольших абразивных воздействий
и способствует отделению готовых изделий. Высокий глянец,
подчеркивающий неровности поверхности, может быть скрыт рав-
175
номерной матовой отделкой формы, получаемой пароабразивной
обдувкой или жидкостным хонингованием, т. е. процессами, при-
меняемыми для удаления окалины, образующейся при термо-
обработке.
15.6.3. Конструкция формы
Общая конструкция форм такая же, как и у форм для прямого
и литьевого прессования, с той только разницей, что меньшее
давление прессования позволяет делать более тонкие стенки и
использовать для стоек, подкладок планок выталкивателя и дру-
гих опорных деталей алюминиевые сплавы, что облегчает тепло-
передачу при нагревании форм плитами пресса.
15.6.4. Уплотнения форм
Большинство прессованных деталей получают в формах одного
из двух обычных типов, называемых поршневыми или полу-
поршневыми.
В поршневой форме сочленение или соединение позитивной и
негативной полуформ (матрицы и пуансона) по краям формуемого
изделия делается телескопическим с зазором, достаточным для
выхода воздуха, но не пропускающим материал (рис. 15.16, а).
В формах этого типа при получении изделий с очень точными раз-
мерами масса загрузки — навеска является определяющей вели-
чиной. При этом материал сжимается до максимально возможной
плотности, что в некоторых случаях является единственным прием-
лемым путем формования деталей, к которым предъявляются вы-
сокие требования в отношении механических и электрических
свойств. В поршневых формах обычно имеется наружный отжим-
ной рант, который при небольшом избытке навески (примерно 1 %)
обеспечивает формование плотных деталей с минимальными откло-
нениями размеров.
В полупоршневой форме негативная (имеющая оформляющую
полость) полуформа имеет уклон (рис. 15.16, б), так что избыток
материала может выдавливаться, обеспечивая закрывание формы,
хотя при этом и испытываются нарастающие ограничения вплоть
до абсолютного закрывания на коротком заключительном пути
смыкания. Такой тип уплотнения нечувствителен к превышению
навески на 2 ... 5 % и обеспечивает получение деталей, одинако-
вых по массе, размерам и плотности. Существует, естественно,
множество разновидностей этих двух типов уплотнений форм,
Рис. 15.16. Варианты уплотнения
форм:
а — поршневая форма с наружным отжим-
ным рантом; б — полупоршневая форма с
наружным отжимным рантом; 1 — отжим-
ной рант; 2 — пуансон; 3 — матрица; b —•
зазор 0,13 ... 0,25 мм; с зазор 0,076 ...
0,25 мм
176
7
Рис. 15.17. Уплотнение
с отжимным рантом:
1 матрица; 2 >-* пуансон
формы
Рис. 15.18. Детали вентиляцион-
ного устройства:
1 — пространство, частично заполняе-
мое композицией; 2 — верхнее поло-
жение шпильки для очистки ее от композиции после каждого цикла; 3 •— проход
воздуха после поднятия шпильки; 4 — форма; 5 1— планка выталкивателя
в которых грат образуется в горизонтальной плоскости или реа-
лизуются другие цели.
Формы для литья под давлением и литьевого прессования
обычно устроены не по телескопическому принципу. Позитивная
и негативная полуформы соединяются в горизонтальной плоскости
(рис. 15.17). Так как полуформы смыкаются до попадания в них
материала, отпадает необходимость в спускных отверстиях для
удаления избытка загрузки. Поскольку практически невозможно
обеспечить идеально точное стыкование двух поверхностей, обычно
остается достаточно пространства для удаления захваченного
композицией воздуха. Если вентилирование связано с большими
трудностями, локальные области могут быть сошлифованы на
глубину нескольких сотых долей миллиметра.
Вентилирование глухих углублений успешно осуществляется
с помощью разъемных трехсекционных форм и специальных вен-
тиляционных устройств.
Для продувки сильно углубленных деталей с глухими выем-
ками на дне применяют разъемные трехсекционные формы, благо-
даря чему образуется вторая линия разъема на дне формы. Хотя
при этом стоимость формы сильно увеличивается, использование
ее целесообразно: при такой системе вентилирования в деталях
не образуются пустоты. Вентиляционные устройства могут при-
водиться в действие плитой выталкивателя (и действовать так же,
как выталкивающие шпильки). Ход шпилек малого диаметра дол-
жен быть достаточно большим, чтобы они могли выдвинуться для
полной очистки (см. рис. 15.18).
15.6.5. Формы из цветных металлов
Формы могут быть изготовлены не только из упомянутых выше
материалов, но, по мнению автора, ни один другой материал,
кроме алюминия, не годится для этих целей, разве только для
получения небольших партий опытных образцов. Формы, изго-
товленные из низкомедных алюминиевых сплавов с последующим
177
анодированием и пропиткой фторированными углеводородами, мо-
гут успешно применяться для ограниченного производства. Этот
процесс изготовления форм, запатентованный фирмой «Дженерал
мэгнаплейт» и известный в промышленности под названием «Туф-
рэм», обеспечивает легкое извлечение из формы изделий. Оформля-
ющая поверхность формы стойка к абразивному изнашиванию
и имеет твердость до HRC 70.
Формы для опытных работ можно также изготовлять из пласт-
масс и цинкового сплава «Кирксайт». Их стоимость обычно состав-
ляет не менее 50 % стоимости стальных форм. Так как технология
производства слоистых пластиков изучена настолько хорошо, что
свойства формуемых изделий можно заранее достаточно точно
прогнозировать, нет надобности в дорогих модельных испытаниях.
Опытные образцы для оценки рыночной конъюнктуры или дру-
гих целей можно изготовить вручную послойной укладкой или
аналогичным способом, не требующим дорогой оснастки.
15.6.6. Извлечение и выталкивание деталей из формы
Первый этап работ по облегчению извлечения изделий из формы
проводится уже на стадии их проектирования. Каждое изделие,
безотносительно к его конструкции, надо проектировать с учетом
метода получения, причем стадия извлечения его из формы яв-
ляется самой критической в процессе формования.
Второй этап — это определение, в какой из двух полуформ
деталь должна оставаться после раскрытия формы. Очевидно, она
должна остаться в той полуформе, из которой рабочему легче
ее вынуть.
Третий этап — выбор метода фиксирования детали в выбран-
ной для этой цели полуформе. Здесь можно рекомендовать следу-
ющие приемы:
1) предусмотреть в изделии участки без уклона;
2) сделать мелкие поднутрения, главным образом, на больших
плоских поверхностях; они будут не только способствовать удер-
жанию изделия на месте при открывании формы, но и пружинить,
когда оно выталкивается;
3) если все поверхности детали являются ответственными, под-
нутрения на отжимном ранте иногда могут удержать ее в нужном
месте, а для большей эффективности рант в этом случае может
быть утолщен;
4) установить удерживающие штыри (аналогичные выталки-
вающим шпилькам), действующие на коротком расстоянии, когда
форма открывается, и заставляющие деталь остаться в нужной
полуформе.
Четвертый этап — разработка методов извлечения изделия из
той полуформы, где оно удерживается. Если деталь имеет простую
конфигурацию и осталась в оформляющей полости, суммарный
эффект усадки при отверждении и охлаждении материала часто
178
способствует освобождению изделия, так что его удается извлечь
вручную (при наличии достаточно больших плоских поверхностей
используют всасывающий колпачок). Некоторые детали выталки-
ваются обдувкой сжатым воздухом по периметру. Воздух можно
также эффективно применять, правда, несколько более сложным
путем, вводя в форму пружинные подъемные клапаны, подсоеди-
ненные к воздушным коллекторам. Давление воздуха будет слегка
приподнимать клапан, что позволит воздуху затекать внутрь и
вокруг изделия, выталкивая его.
Наиболее употребительными и эффективными устройствами
являются выталкивающие шпильки того же типа, что применяются
при традиционном прямом прессовании. При переработке арми-
рованных пластмасс с большой прочностью обычно можно исполь-
зовать шпильки значительно меньшего размера, но для материалов
с низкой прочностью в нагретом состоянии нужны шпильки боль-
шего диаметра. Прямые шпильки с плотным зазором весьма эф-
фективны при переработке СКМ и ЛФМ, но лыски отверстия
должны быть сняты на глубину 1,5—2 диаметра от поверхности
формы, чтобы образовалось пространство для вытекания мате-
риала за шпильку.
15.7. Литьевые прессы
Существует несколько типов прессов различного назначения,
которые с тем или иным успехом были приспособлены для формо-
вания армированных пластмасс.
Наиболее широко и успешно применяются четырехколонные
гидравлические прессы прямого действия с подвижной нижней
или верхней плитой.
С увеличением требований к жесткости конструкции и парад- .
дельности направляющих более популярными становятся прессы
со сварной станиной, имеющие четыре прямоугольные параллель-
ные направляющие, по которым перемещаются подвижные плиты.
Регулируемые истирающиеся клинья на подвижных плитах обес-
печивают очень точный контроль их параллельности. Недостатком
этих прессов по сравнению с круглыми колонными прессами яв-
ляется то, что при одной и той же полезной площади формования
они больше по размеру и в них труднее производить замену форм,
загрузку материала и тому подобные операции.
Только в последние годы основные изготовители прессов раз-
работали конструкции оборудования для формования армирован-
ных пластмасс. Предприятия, впервые начинающие заниматься
прессованием, часто приобретают подержанные прессы, мало
приспособленные для формования именно армированных пласт-
масс.
Ниже рассмотрены некоторые наиболее существенные факторы,
которые следует учитывать при выборе пресса.
179
Рис. 15.19- Детали и параметры
пресса:
1—деформирующая насадка; 2 *—под-
вижная плита; 3, 7 — изоляция; 4 —
полуформа (пуансон); 5 — извлекаемая
готовая деталь; 6 — полуформа (матри-
ца); 5— станина пресса; а — простран-
ство для выталкивающего приспособле-
ния; Ъ — расстояние между плитами;
D — глубина детали; s — 2D — мини-
мальный ход между плитами
15.7.1. Мощность пресса
Пресс для переработки ВКМ
и ЛФМ в идеальном случае дол-
жен обеспечивать давление на из-
делие 27,6 МПа. Для этого при
площади формования 254x254 мм
необходим пресс усилием 200 тс
(2 МН). Так как практически
удельное давление формования не
превышает 3,45 МПа, поверхность
плит должна быть достаточной для
изделий размером 635x635 мм.
15.7.2. Усилие размыкания
формы или мощность обратного
хода пресса
Это требование иногда выпу-
скают из вида. Прессы простого
действия с обратным ходом под
воздействием силы тяжести, при-
меняемые для формования неко-
торых материалов, для армиро-
ванных пластмасс непригодны.
Обычно на обратный ход тре-
буется 20—25 % мощности
пресса. Обратный ход может быть совершен с помощью вспомо-
гательных цилиндров или основного цилиндра двойного действия.
15.7.3. Ход и расстояние между плитами пресса
Эти две характеристики в совокупности определяют глубину
изделия, которое может быть отформовано. Расстояние между
плитами должно быть в 3 раза больше глубины самого крупного
изделия плюс припуск на толщину формы, выталкивающие при-
способления, нагревательные плиты и т. д. Ход пресса должен
быть по крайней мере вдвое больше глубины самого крупного
изделия. В то время как он может быть еще длиннее, что упрощает
обращение с мелкими деталями, экономически целесообразно при
чрезмерно большом расстоянии между плитами помещать туда
амортизаторы (подкладки) под формы меньшего размера или
плунжерный удлинитель (подкладку, которая закрепляется ме-
жду подвижными плитами и плунжером). Некоторые прессы
имеют подвижные упоры, которые управляют глубиной дефор-
мации благодаря варьированию расстояния между плитами
(рис. 15.19).
180
15.7.4. Пространство, занимаемое формой
Пространство, занимаемое формой, часто определяют двумя
показателями: расстоянием между растягивающими рычагами
в одном направлении (например, слева направо) и размером плит
в другом (от лицевой стороны к тыльной). Такой подход часто
вводит в заблуждение, так как наиболее простым способом крепле-
ния форм к плитам является использование болтов или хомутиков,
которые сами занимают часть поверхности. Большинство форм
можно закреплять адекватно с двух противоположных сторон
таким образом, чтобы минимальное пространство для формы было
примерно на 305 мм больше самой крупной формы в одном на-
правлении (или спереди назад, или слева направо).
15.7.5. Рабочие скорости пресса
Скорость должна быть максимально большой, согласующейся
со стоимостью и техническими требованиями. Та стадия цикла
формования, в которой полуформы еще не заняли нужное поло-
жение (смыкание или размыкание), должна быть минимальной.
На остальных стадиях скорость обычно ограничивается характе-
ром самого процесса.
15.7.6. Смыкание формы
Требуются две разные скорости, но лучше иметь три: высокая
скорость продвижения вперед, пока полуформы займут нужное
положение, промежуточная и малая конечная скорости прессова-
ния. Некоторые последние модели прессов имеют следующие ско-
рости: быстрый ход — 10 м/мин; регулируемая промежуточная
скорость — 2,5 м/мин; регулируемая конечная скорость прессо-
вания — 0 ... 0,4 м/мин.
15.7.7. Размыкание формы
Необходимо иметь три скорости: медленное разъединение полу-
форм, быстрое возвращение в исходное положение и замедление
перед началом работы выталкивающего механизма. Скорость на
первой и третьей стадиях обычно примерно равна конечной ско-
рости прессования, а на второй —• быстрому движению вперед.
15.7.8. Управление прессом
Большинство прессов — полуавтоматического действия. Опе-
ратор запускает машину двойной кнопкой включения после за-
грузки формы. Когда плиты перемещаются в пределах их хода,
регулируемые эксцентрики контактируют с предельными выклю-
чателями, вызывая тем самым изменение скорости от высокой
к промежуточной и к окончательной низкой. После достижения
давления прессования реле давления включает реле времени отвер-
ждения. Когда это время истекает, автоматически включается
181
обратная фаза цикла, начиная с медленного разъединения, с пе-
реходом на быстрое движение, а затем замедление к концу обрат-
ного хода и возвращение плит в исходное положение. Для уста-
новки полуформ и выполнения некоторых других операций дол-
жен иметься селекторный переключатель на ручное управление,
позволяющее поднимать и опускать плиты с той же скоростью,
при которой проводится окончательное прессование. Имеются
прессы с ручным управлением, которые на 10 ... 15 % дешевле,
но, по мнению автора, это неблагоразумная экономия даже на
лабораторном или экспериментальном оборудовании.
15.7.9. Прессы с подвижной нижней или верхней плитой
Прессы с подвижной нижней плитой даже среднего размера
должны быть установлены в приямок, чтобы плиты оказались на
обычной, удобной для рабочего, высоте. Должен быть обеспечен
доступ к снимаемому настилу пола. Гидравлический насос монти-
руют отдельно, что требует дополнительного пространства. Прессы
с подвижной верхней плитой могут быть установлены непосред-
ственно на полу. Как правило, все гидравлические установки
можно монтировать на подвижном упоре. Недостатком такой кон-
струкций является отверстие в крыше помещения с низким потол-
ком и необходимость создания какого-то тента над верхней частью
пресса. Стоимость тента обычно не больше, чем приямка. Неожи-
данным преимуществом таких прессов даже большого размера
является легкость их опускания краном через отверстие в крыше
по сравнению со сложной процедурой их сборки внутри здания.
15.8. Конструкция изделий
Основные принципы конструирования изделий всех типов ха-
рактерны и для армированных формовочных композиций. Прак-
тически можно получить изделие любой конфигурации, если
стоимость и сложность формы не являются лимитирующими фак-
торами. Как уже говорилось, деталь может иметь толстые и тон-
кие сечения, и примеры, приведенные в 15.1.3, демонстрируют
высокую сложность многих изделий. Тем не менее следует избе-
гать резких переходов от толстых сечений к тонким.
Изделия могут иметь прямые углы, но лучше делать закругле-
ния с большим радиусом. Получение очень тонких секций (тол-
щиной менее 1,6 мм) вызывает определенные трудности, завися-
щие от направления формования. Создание отверстий в направле-
нии формования не является проблемой, но при этом происходит
некоторое снижение прочности из-за стыков, образующихся при
обтекании композицией штифтов, которые формируют отверстия.
Требования к технологическим уклонам формы малы по сравне-
нию с металлическими отливками, и иногда минимальный уклон
достигается в пределах допустимых отклонений размеров. Однако
182
рекомендуется, чтобы уклон был минимальным из допускаемых
назначением изделия. Заформовывание в деталях металлических
или других вставок, снабженных резьбой, вызывает примерно
те же трудности, что и получение отверстий. Как правило, вставки
(закладные детали), которые отформованы заодно с деталью,
лучше сопротивляются воздействию крутящих и осевых усилий,
чем вставки, помещенные внутри детали после формования.
При конструировании изделий из армированных композиций
возникают специальные вопросы, связанные с низкой деформи-
руемостью или растяжимостью этих материалов. По терминоло-
гии, принятой для металлов, их предел текучести и предел проч-
ности идентичны. Это означает, что сравнительно небольшая де-
формация (даже при высоком напряжении) приведет к разруше-
нию детали. Например, образец для испытания на изгиб толщиной
3,2 мм и шириной 25,4 мм, имеющий предел прочности при изгибе
сти = 138 МПа, разрушится при приложении нагрузки 113 Н,
а при толщине 1,6 мм — 27 Н. Таким образом, очевидно, что
сравнительно небольшие усилия, прилагаемые к такому изделию
с тонкими сечениями при обращении с ним, например в процессе
извлечения из формы или последующей сборки и т. п., могут
вызвать его повреждение, несмотря на то, что при эксплуатации
уровень напряжений окажется ниже.
Выход из положения состоит в том, что все сечения любых де-
талей из ВКМ или ЛФМ должны быть достаточно толстыми или
иметь такие очертания, чтобы приложенные локальные нагрузки
не вызывали напряжение, превышающее предельное. Большие
плоские поверхности должны разделяться витками или ребрами
жесткости. Края должны быть отбортованы или иметь большую
толщину. Если изделие имеет крепежный фланец или выступа-
ющие опоры с болтовыми отверстиями, необходимо предусмотреть
косынки большого размера, идущие от смежной стенки и выходя-
щие за болтовые отверстия.
Можно отметить, что увеличение толщины вызывает лишь не-
большое повышение стоимости, и иногда материал, добавленный
в каком-то одном месте изделия, может быть снят из другого,
менее критического места. Несмотря на то, что увеличение тол-
щины действительно влияет на цикл формования, это влияние
значительно меньше, чем, например, при аналогичном изменении
конструкции деталей из термопластов, которое приводит не только
к непропорциональному удлинению цикла, но может даже по-
требовать применения литьевой машины большего размера.
15.9. Формование матов и заготовок
Технология формования матов и заготовок примерно одина-
кова, независимо от того, какие методы используются, и различие
состоит лишь в подготовке материалов до формования и дости-
гаемой сложности изделий.
183
I
Рис. 15.20. Эффект сдви-
говых воздействий при
формовании заготовок:
а — открытое положение;
б — закрытое положение;
1 — армирующий матери-
ал; 2 — матрица; 3 — от-
вержденные кромки, обра-
зующиеся при сдвиге; 4 —
пуансон; 5 — выталкивае-
мый избыток армирующе-
го материала
Армирующий материал, заготовку или мат подбирают таким
образом, чтобы они могли закрыть площадь, несколько большую,
чем поверхность формы. Смолу (уже смешанную с наполнителями,
пигментами, смазками для формы и катализатором) наносят на
армирующий материал, обычно помещенный в форму или на нее.
Смыкание формы вызывает два процесса:
1) заставляет полимерную композицию течь и заполнять все
пространство вокруг волокон;
2) смещает избыток волокна в точке, где форма вводится в за-
цепление (сдвиговая кромка или уплотнение), и одновременно
удерживает полимерную композицию до ее отверждения под дей-
ствием тепла и давления (рис. 15.20).
Процесс формования заготовок, который получил развитие
примерно с 1949 г. для изготовления корзин моечных машин слож-
ной конфигурации, дал возможность армированным пластикам
начать конкурировать со сталью и алюминием вначале на произ-
водствах средней мощности. Спустя несколько лет началось мас-
совое производство деталей для спортивных автомобилей «Шевроле
Корветт», передних панелей автомобилей, капотов для тракторов,
тотализаторных ящиков, подносов для пищи, мебели, корпусов
лодок и множества других изделий. В некоторых случаях детали,
получаемые формованием заготовок, обладают преимуществами,
которые не удается достичь при использовании других материа-
лов, например коррозионной стойкостью, легкостью, низкой
стоимостью оснастки, небольшими капитальными издержками по
оборудованию и привлекательным внешним видом. К существен-
ным недостаткам технологии относятся неудовлетворительное ка-
чество поверхности и трудность окрашивания.
Метод формования заготовок доминировал при расширении
применения армированных пластмасс до появления ЛФМ в на-
чале 60-х годов. ЛФМ вытеснили заготовки во многих областях,
особенно в производстве сложных деталей. Тем не менее формова-
ние заготовок еще находит применение, несмотря на ограничения
метода в отношении сложности изделия. Создание утолщений и
ребер жесткости, резкие изменения толщины детали, введение
184
закладных деталей и т. п. — все это вызывает трудности. Если
изделие может быть спроектировано с учетом этих ограничений,
то при его получении методом формования на матрице предвари-
тельно отформованных заготовок оно будет занимать первое место
в отношении стоимости. Изделия обладают превосходной одно-
родностью механических свойств благодаря тому, что волокно
равномерно распределено по всей их поверхности. В тех случаях,
когда заготовка позволяет получить деталь нужной конфигура-
ции, она является допустимой альтернативой ЛФМ, так как ее
стоимость на 10 % ниже.
15.9.1. Свойства
Механические свойства матов и заготовок, как и армированных
формовочных композиций, существенно зависят от количества и
типа армирующего материала. Самая высокая прочность дости-
гается при использовании матов из непрерывного стеклянного
волокна, но их применение ограничивается деталями простой
формы с небольшой вытяжкой. Свойства изделий, полученных
с использованием матов из рубленого волокна или заготовок,
примерно одинаковы и почти на 20 % ниже, чем у изделий, арми-
рованных непрерывным волокном. Практическое содержание стек-
ловолокна в матах и заготовках колеблется в пределах 25—50 %,
но чаще всего составляет 25—35 %. В табл. 15.6 и 15.7 приведены
некоторые свойства изделий, полученных из заготовок и матов
на основе рубленого волокна.
В то время как механические свойства изделий из матов и за-
готовок значительно выше, чем из ЛФМ и ВКМ, показатели, зави-
сящие от содержания наполнителя, такие как электроизоляцион-
ные характеристики и огнестойкость, обычно хуже. Так как смесь
смолы с наполнителем должна обтекать и пропитывать армиру-
ющий материал, когда происходит смыкание формы, максималь-
ная вязкость смолы и, следовательно, содержание наполнителя
ограничены. Различные методы пропитки армирующего материала
при переработке ВКМ и ЛФМ легко позволяют довести содержа-
ние наполнителя до 50 %, в то время как в заготовках и матах
его максимальное количество 35 % (при содержании волокна
в каждом случае 25 %). Практикуется также использование ВКМ
и ЛФМ с пониженным количеством волокна (менее 25 %) и уве-
личенным содержанием наполнителя.
15.9.2. Области применения
Существующие и потенциальные области применения вклю-
чают в себя любые изделия простой и сложной формы, которые
должны обладать коррозионной стойкостью, хорошими электро-
и теплоизоляционными свойствами, высоким отношением проч-
ности к массе и жесткостью. Сюда относятся грузовые и легковые
185
Рис. 15.21. Машина для
получения заготовок с
приточной камерой:
/ — вытяжной вентилятор;
2 — пульт управления; 3 —
регулируемые отверстия;
4 — ровииг; 5 — резатель-
ная машина для ровинга;
6 — приточная камера; 7 —
распылитель связующего;
8 — сетка; 9 — поворотный
стол; 10 — выпуск воздуха
автомобили, тракторы и другие выпу-
скаемые в сравнительно больших коли-
чествах транспортные средства, ящики
для подземных электрических соединений
и трансформаторов, формы для отливки
бетона, мебель, сидения автобусов и ва-
гонов метро, выпускаемые в больших
количествах корпуса маленьких лодок
и многие другие изделия.
15.9.3. Процесс получения заготовок
Метод заключается в собирании ру-
бленого волокна, придании ему очертаний
изделия, которое должно быть отформо-
номер но р ас пр ед ел я ет
вано, и сохранении в таком состоянии
до эффективной пропитки смолой. Для
сбора рубленого волокна используется
сетчатый каркас, имеющий форму изде-
лия. Интенсивный поток воздуха, про-
ходящего через сетку, затягивает в нее
рубленое волокно и сравнительно рав-
по поверхности. На волокна напыляют
связующее обычно в виде водного раствора, чтобы сохранить
приданную армирующему компоненту форму. Эмульсия вы-
сушивается или отверждается, после чего заготовку извлекают
из сетки и помещают в форму. Обычно для обеспечения необходи-
мого сцепления волокон применяют около 5 % твердого связу-
ющего (от массы заготовки), но эта цифра может изменяться в за-
висимости от формы и размера заготовки. Стекловолокно исполь-
зуют в виде непрерывного жгута, намотанного на шпули. Этот
жгут проходит через резательную машину (станок), где рубится
на отрезки длиной 12,7 ... 76 мм, в зависимости от типа машины
и назначения изделия. Для более точного контроля конфигурации
детали можно использовать сочетание обрезков волокна различ-
ной длины. При глубокой вытяжке изделий со сравнительно пря-
мыми сторонами заготовки должны быть очень плотными; в против-
ном случае они повредятся сдвиговой кромкой матрицы при закры-
вании формы. Для получения плотных заготовок требуются высокая
скорость воздуха и, следовательно, большая мощность. Предель-
ная толщина деталей, формуемых из заготовок, ограничена вса-
сывающей способностью машины. В большинстве случаев макси-
мальная толщина составляет 6,5 мм. Для этого требуется расход
воздуха 85 м3/мин и мощность 4,5 кВт/м2. Для получения более
толстых изделий можно использовать две заготовки, положенные
одна иа другую. В действительности это требует применения
двух сеток разного размера. Если изделие имеет большую тол-
щину только на каком-то одном участке, то в этом месте на заго-
товку можно поместить кусок стекломата.
186
Рис. 15.22. Машина для получения заготовок с непосредственной подачей во-
локна:
1 — ровинг; 2— резательная машина для ровинга; 3 — гибкий шланг; 4 — турбулиза-
тор потока воздуха; 5 — вентилятор; 6 — распыление связующего; 7 — сетка; 5— вытяж-
ной вентилятор; 9 — выпуск воздуха; 10 — поворотный стол
Существует два основных типа машин для получения заготовок:
с приточной камерой и с непосредственной подачей волокна.
Машина первого типа изображена на рис. 15.21. Жгут (ровинг)
поступает на резательную машину, расположенную над приточной
камерой. Рубленая пряжа направляется в распределительное
устройство для разделения прядей и равномерного их распределе-
ния в приточной камере. Падающие отрезки волокна втягиваются
в сетку для заготовок за счет всасывания, после чего на них напы-
ляют связующее. Сетка обычно устанавливается на вращающемся
поворотном столе для лучшего распределения оседающего стекло-
волокна. После нанесения необходимого слоя стекловолокна заго-
товку вместе с сеткой переносят в печь, где она отверждается и
высушивается. После этого заготовку извлекают из сетки, а по-
следнюю возвращают в приточную камеру. Процесс может быть
механизирован путем использования двух сеток, одна из которых
поступает непосредственно в печь, в то время как другая возвра-
щается в приточную камеру.
В процессе, основанном на непосредственной подаче волокна,
воздух несет поток рубленого стекловолокна, который направ-
ляется оператором на перфорированную сетку для заготовки
(рис. 15.22). Изнутри сетки воздух отсасывается мощным венти-
лятором, в результате чего рубленое волокно оседает на сетке
и удерживается на ней. Связующая смола распыляется одновре-
менно со стекловолокном из отдельного пульверизатора. Оператор
управляет потоком стекловолокна в соответствии с конфигурацией
сетки для заготовки, обеспечивая отложение в нужных местах
более толстого или более тонкого слоя. Сетка для заготовки
обычно вращается, для того чтобы все поверхности попадали
в сферу действия вентилятора. Резательный станок может автома-
187
Рис. 15.23. Механизированная установка для получения заготовок с непосред-
ственной подачей волокна:
1,4 — пол; 2, 5 — выпуск воздуха; 3 — подача горячего воздуха; 6 •— вращающийся
вал;
А — участок нанесения волокна н связующего; Б — участок отверждения и сушки в пе-
чи; В — участок извлечения заготовки
тически отключаться после отложения на сетке необходимого ко-
личества стекловолокна. Скорость его осаждения зависит от типа
резательной машины, но обычно составляет 0,45 кг/мин. После
прекращения подачи стекловолокна оператор продолжает напы-
лять связующее, чтобы обеспечить полную пропитку стеклово-
локна смолой. Процесс может быть приостановлен для укладки
дополнительных слоев мата в местах утолщений изделия, а затем
опять возобновлен для напыления оставшегося количества рубле-
ного волокна. После этого заготовку с сеткой переносят в печь
для удаления воды из эмульсии и отверждения смолы. '
Для сушки заготовки используется и другой метод, заключа-
ющийся во вращении всей установки с поворотным столом, в ре-
зультате которого заготовка попадает в печь (рис. 15.23). В этом
случае процесс состоит из трех стадий: осаждение стекловолокна
(участок Л), отверждение (участок Б), извлечение высушенной
заготовки и чистка сетки (участок В). Для предотвращения нали-
пания на сетку ее обычно покрывают антиадгезином.
15.9.4. Сетки для заготовок
Сетки для заготовок делают из прочной проволоки или из пер-
форированного металла. В последнем случае обычно применяют
мягкую тонколистовую сталь толщиной 16 ... 18 мм, примерно
40 % поверхности которой перфорировано. Диаметр отверстий
может быть 3,2 мм, а расстояние между центрами ~4,8 мм. При
188
необходимости диаметр отверстий и межцентровые расстояния
могут быть и другими. Форма сетки определяет истинное меж-
центровое расстояние. Если деталь цилиндрической или оживаль-
ной формы, то расчет межцентровых расстояний не вызывает
проблем.
При получении прямоугольных или имеющих сложную форму
изделий в углах и по краям сетки должны быть более крупные
отверстия для обеспечения ровного отложения волокна. Часто
имеющихся перфораций оказывается недостаточно и могут потре-
боваться внутренние приспособления для изменения направления
воздуха. В большинстве случаев сетки для заготовок воспроизво-
дят форму пуансона.
При тепловом отверждении эмульсии политетрафторэтилена
поверхность в течение Длительного времени остается нелипкой
и не требует применения других смазок. В противном случае на
сетки надо наносить какой-либо антиадгезив, например кремний-
органическое соединение, или напылять полиэтилен. Сетки необ-
ходимо периодически отчищать от избытка антиадгезионной смазки
и спекшейся смолы.
15.9.5. Связующие для заготовок
Связующие для заготовок играют большую роль в процессе их
получения. Они должны обеспечить монолитность заготовки на
всех стадиях до укладки ее в форму и в то же время не должны пре-
пятствовать пропитке волокна или его сцеплению со смолой. Свя-
зующее должно предотвращать смещение волокон при протека-
нии смолы сквозь заготовку с большой скоростью. Для этой цели
наиболее широко применяются водные эмульсии полимерных
смол с высокой реакционной способностью, в которые добавляют
также катализатор и иногда увлажнитель. В связи с необходи-
мостью испарения воды продолжительность отверждения мате-
риала в печи больше, чем это требуется собственно для отвержде-
ния смолы. Некоторые производители поэтому заменяют воду
органическим растворителем, что, правда, вызывает дополнитель-
ные сложности с вентиляцией. Использовались также сухие поли-
эфиры в виде порошка, которые плавятся при нагревании в печи,
а также эмульсии акриловых и полистирольных смол. Незави-
симо от типа связующего его содержание составляет 5 ... 10 %
массы заготовки.
15.9.6. Формование
При использовании мата из рубленого волокна его обычно тем
или иным путем подгоняют под образец или даже делают из него
заготовку в форме будущего изделия, которая сохраняется за счет
прикатывания или небольшого количества клея. Маты из непре-
рывного волокна легче принимают очертания формы. При полу-
чении не очень сложных изделий обычно используют маты из не-
189
прерывного волокна, обрезая их
только по периметру до нужной кон-
фигурации. В большинстве случаев
формование матов проводится при
расположении матрицы снизу (рис.
15.24). В этом случае торец пуансо-
на проталкивает армирующий мате-
Рис. 15.24. Схема формования риал на нужное место, вызывая лишь
матов на матрице: минимальное его разупорядочива-
аиа“бИ"к^жн^;ТпоЛеоТеннУеа^?.- ние или разрушение.
рицы; 1 — пуаисои; 2 — матрица Большей ЧЭСТЬЮ ЗЗГОТОВКИ ПОМе-
щают на пуансон (рис. 15.25). Это
обычно снижает разупорядочивание заготовок при получении боль-
шинства изделий. Однако есть примеры (детали с большой вытяж-
кой), когда целесообразнее помещать заготовку внутрь матрицы.
При получении мелких деталей смесь смолы с наполнителем
обычно можно наносить в виде одного «пятна» на верх заготовки,
но не на поверхность формы. Для формования больших изделий
необходимо распределить композицию по довольно большой по-
верхности. Характер этого распределения обычно следует подби-
рать для каждого изделия методом проб и ошибок, пока не будет
найден вариант, обеспечивающий правильную пропитку заго-
товки. Необходимо тщательно контролировать конечную скорость
прессования: смола должна течь не настолько быстро, чтобы вы-
звать разупорядочивание армирующего материала, но все-таки
достаточно быстро, чтобы не произошло преждевременное ее
отверждение при контакте с горячей поверхностью формы.
Условия формования заготовок и матов аналогичны приме-
няемым для армированных формовочных композиций, с той только
разницей, что необходимое удельное давление значительно ниже.
Максимальное давление формования может достигать 3,45 МПа,
в то время как обычно достаточно 1,38 МПа. Часто величина дав-
ления определяется сдвиговым усилием, требуемым для срезания
армирующего материала, которое для толстых изделий (6,4 мм)
может достигать нескольких десятков килоньютонов на один метр.
Температура формования и продолжительность отверждения
зависят в основном от времени, необходимого для загрузки смолы
и заполнения формы. Для предотвращения преждевременного от-
верждения на этой стадии часто приходится идти на компромисс
и увеличивать продолжительность отверждения.
Цикл формования мелких деталей может составлять всего
3 мин, а очень больших — достигать 20 мин. Температура формо-
вания обычно лежит в диапазоне 104 ... 149 °C, причем для более
крупных изделий она имеет тенденцию к снижению. Антиадге-
зионную смазку обычно вводят в композицию, но парафины и
низкомолекулярный полиэтилен наносят на поверхность формы.
Снятие изделий с формы производится обычно сжатым возду-
хом, кулачками чашечного присоса, медными ножами и т. п. Вы-
190
Рис. 15.25. Схема формования заготовок матрицей:
/ — плунжер пресса; 2 — верхняя плита пресса; 3 — патрубки для подачи пара; 4 —
матрица; 5 — формуемое изделие; 6 — смола; 7 — заготовка; 8 — направляющие ко-
лонки; 9— ограничители; 10 — пуансон; И — нижняя плита пресса
талкивающие механизмы, применяемые для формовочных компо-
зиций, менее практичны и не обязательны при формовании матов
и заготовок. После снятия большинство деталей следует помещать
в приспособления для охлаждения изделия, чтобы предотвратить
коробление. Так как при формовании матов и заготовок обычно
не удается получать небольшие отверстия, охлаждающие оправки
снабжают приспособлениями для пробивки, сверления, фасонного
фрезерования или других механических операций.
15.9.7. Композиция
При формовании матов и заготовок применяются композиции
большинства полиэфирных смол на основе изофталевой и ортофта-
левой кислот, бисфенола, ангидрида ЛеЛкислоты, винилового
эфира и т. д. Эти композиции должны иметь сравнительно низкую
вязкость (0,8 ... 1,2 Па-с) или обладать способностью снижать
свою вязкость до этого уровня при добавлении стирола (моно-
мера). Это обусловлено тем, что они должны легко протекать
через армирующий материал за время формования. Условие обя-
зательной сравнительно низкой вязкости не позволяет применять
малоусадочные загустители. Несмотря на то, что различные сни-
жающие объемную усадку добавки вводят в композицию, их
влияние на улучшение качества поверхности ограничено из-за
отсутствия загустителей.
Количество наполнителя, которое может содержать компози-
ция, тоже ограничено условием низкой вязкости, и основным на-
полнителем должно быть вещество, не отделяющееся от смолы
при течении композиции в форме. Обычно применяется каолин,
иногда с добавлением небольшого количества другого наполни-
теля с низким маслопоглощением, например карбоната кальция.
191
15.14. Состав некоторых типичных композиций для формования
заготовок и матов
Компоненты Содержание в смеси, % Доля в составе материала, %
Номер композиции
1 2 s 1 4
Смола 65 49 69 33
Добавка, снижающая —~ 16
усадку Катализатор 0,5—1 0,5—1 0,5—1 0,5—1 60—80
Антиадгезионная добав- 1 1 1 1
ка Пигмент Наполнители: 5 5 5 5
каолин 29 20 25 20
карбонат кальция 25 — 25
Заготовка или мат (арми- рующий материал) 40—20 *
* При более высоком содержании армирующего материала количество
сухих ингредиентов (наполнителей) должно быть уменьшено для обеспечения
формуемости композиции.
Гидрат окиси алюминия, значительно улучшающий огнестой-
кость и электрические свойства ВКМ и ЛФМ, нельзя вводить
в композиции для матов и заготовок в количествах, достаточных
для проявления этих факторов. Однако если гидрат окиси алю-
миния используется в смеси с галогенсодержащей смолой, можно
достичь некоторого уменьшения дымовыделения и скорости рас-
пространения пламени.
Состав некоторых типичных композиций приведен в табл. 15.14.
15.9.8. Конструкция формы
Формы для матов и заготовок отличаются от ранее описанных
форм для армированных формовочных композиций двумя основ-
ными особенностями:
1) необходимостью создания усилия сдвига для срезания из-
бытка армирующего материала по краям детали (см. рис. 15.20);
2) требованием жесткого регулирования размеров простран-
ства, в котором проводится формование.
Так называемые «сдвиговые кромки» как на матрице, так и
на пуансоне, должны быть отверждены для удобства срезания вы-
сокоабразивного стекловолокна. Для создания усилия сдвига до-
пуск зазора между полуформами у сдвиговой кромки должен быть
незначительным (0,05 ... 0,1 мм). Такой высокий уровень под-
192
гонки трудно достигнуть и сохранить. Даже небольшие колеба-
ния температуры в большой форме могут изменить этот зазор
до такой степени, что произойдет ее заклинивание, приводящее
обычно к повреждению формы. Направляющие колонки должны
быть массивными и плотно пригнанными, чтобы не допустить сме-
щения и разрушения сдвиговой кромки. Поскольку армирующий
материал не может течь, компенсируя тем самым изменения
пространства формования, то необходимо точно контролировать
как размеры этого пространства, так и толщину армирующего
материала, чтобы избежать появления в готовом изделии участков,
обогащенных и обедненных смолой. При толщине детали 2,5 мм
колебания размеров более 0,25 мм Могут вызвать ряд проблем.
При наличии таких колебаний единственным способом получения
изделия с хорошим внешним видом является снижение содержа-
ния армирующего материала, так чтобы пространство формования
было минимальным. Эта мера, конечно, уменьшает прочность
детали.
Рассмотренные два фактора — очень точная подгонка сдвиго-
вых кромок и обеспечение минимального допуска в пространстве
формования — приводят к тому, что стадия механической обра-
ботки при изготовлении форм для матов и заготовок оказывается
более дорогой, чем при изготовлении форм для ВКМ и ЛФМ.
В конечном счете последние оказываются всегда дороже, но это
обычно связано с созданием выталкивающих устройств, штифтов
для отверстий и вставок, ребер жесткости и других деталей, не
применяемых в формах для мата или заготовки.
15.9.9. Прессы
Технические характеристики прессов, за исключением того,
что требуется меньший тоннаж, такие же, что и прессов для фор-
мования ВКМ и ЛФМ. Это требование позволяет использовать
для формования матов и заготовок существующие малотоннажные
прессы с большими плитами. Однако при покупке нового пресса
целесообразно выбрать такой, чтобы его мощность позволила
формовать также ВКМ и ЛФМ.
15.9.10. Конструкция
В принципе, метод формования матов и заготовок наиболее
приемлем для изделий с относительно постоянной толщиной и
большими закруглениями во всех местах изменения направления.
Практический диапазон толщин примерно от 1,6 до 6,4 мм. Пере-
ходы от одной толщины к другой должны быть сделаны на рас-
стоянии, в несколько раз большем разности толщин, но всегда
надо стремиться к тому, чтобы толщина была постоянной. Ра-
диусы должны быть примерно в 4 раза больше толщины. Формова-
ние отверстий одновременно с изделием связано с созданием сдви-
7 П/р Дж. Любииа 193
f)
Рнс. 15.26. Формование утолщений и ребер жесткости (слева — не рекомен-
дуется, справа—рекомендуется):
а — утолщения для вставок с резьбой; б — способ придания жесткости панели из заго-
товки
Рнс. 15.27. Пять способов придания жесткости незакрепленным кромкам детали:
а, б — рекомендуемые (разворот кромки, или изменение плоскости); в, г, д — нецеле-
сообразные (утолщение кромок)
говых кромок в форме по их периметру, что значительно удоро- ;
жает форму. Утолщения и ребра жесткости могут быть отформо- •
ваны, но для этого при формовании детали обычно надо подкла- j
дывать куски ВКМ или мата. Предпочтительный способ образова- 5
ния утолщений и ребер жесткости показан на рис. 15.26. Жест- 1
кость незакрепленным кромкам лучше всего придавать их раз-
воротом (отбортовкой), а не утолщением (рис. 15.27). И, наконец,
но что очень важно, угол конусности должен быть максимальным,
допускаемым назначением изделия, — не менее 1°, но лучше
всего 2°. Иногда одна сторона детали может быть прямой, если
другая имеет большую конусность. В этом случае деталь надо
так конструировать, чтобы форма могла быть наклонной для
обеспечения вытяжки прй формовании.
15.10. Холодное прессование
Метод холодного прессования представляет собой процесс фор-
мования на матрице под низким давлением в ненагретых формах,
сделанных обычно из армированных пластиков.
Первая стадия процесса практически такая же, что и при по-
слойной ручной усадке, напылении и получении термопластичных
изделий с повышенной жесткостью, с той только разницей, что
она выполняется в одной из входящих в комплект форм, которые
закрыты до начала отверждения.
Основные преимущества перед процессами, которые проводятся н открытых
формах:
1. Задняя поверхность достаточно гладкая, с точными размерами.
2. Относительно низкая стоимость оснастки (по сравнению с нагреваемыми
металлическими формами).
3. Низкая стоимость пресса. Требуется невысокое давление (около 345 кПа).
194
*
4. Короткая стадия механической обработки — лишь немного продолжи-
тельнее, чем для процессов в открытой форме.
5. По крайней мере на одну сторону наделяя можно нанести наружный смоля-
ной слой нлн термопластичное покрытие (термоформованием).
К недостаткам относятся:
1. Длительный цикл формования, мало отличающийся от процессов в откры-
той форме.
2. 'Короткая жизнеспособность в форме из-за большого тепловыделения во
время отверждения смолы и невозможности отвода тепла от пластмассовых форм
с плохой теплопроводностью. (Формы можно делать более сложным и дорогим
путем: напылением металла на лицевую поверхность и отливкой на охлаждающих
змеевиках).
3. После формования изделия надо зачищать механическими методами.
4. Если изделия должны иметь хороший внешний вид, поверхности без на-
ружного смоляного слоя (гелькоата) или без другой обработки нуждаются в допол-
нительной отделке после формования.
5. Изделия сложной формы, утолщения, ребра жесткости и вставки делать
нецелесообразно.
Применяемые материалы — обычно те же, что н в процессах с открытой
формой:
1. Низковязкие полиэфирные смолы с высокой реакционной способностью.
2. Рубленые пряди, маты нз непрерывного волокна.
3. Напыляемый ровинг, который рубится на месте применения.
4. Смоляные слон, применяемые в открытых формах.
5. Системы катализатор — ускоритель для отверждения при комнатной тем-
пературе.
Метод предназначен для получения любых изделий относи-
тельно простой формы, для которых применимы процессы формо-
вания в открытых формах, но которые должны иметь более точные
размеры (толщину) или достаточно хорошую отделку поверхности
с обеих сторон, а также выпускаются в количестве, необходимом
для покрытия стоимости формы [4, 5].
15.11. Литье смолы под давлением
Этот процесс, известный также как «литьевое прессование
смол», является еще одним методом получения изделий, обе по-
верхности которых имеют достаточно хороший внешний вид и
точность размеров которых выше, чем может быть достигнута
в процессе с открытой формой.
В описываемом процессе армирующий материал без смолы за-
гружают в форму, закрывают ее и впрыскивают или вводят смолу
в форму таким образом, чтобы полностью пропитать находящийся
в ней армирующий материал. Этому методу присуще большинство
преимуществ и недостатков холодного прессования. Однако в этом
технологическом варианте пресс не нужен. При получении про-
стых деталей, когда впрыск смолы производится под низким дав-
лением, прочности чемоданных замков обычно хватает для зажима
стыковочных мест формы. Однако для получения более сложных
изделий конструкция формы и зажимные устройства могут быть
довольно массивными. Если для формования изделия давление
и, следовательно, пресс не нужны, то для установки формы ка-
кой-то подъемный механизм все же требуется. Для этой цели
1* 195
Рис. 15.28. Участок те-
чения смолы в форме
при литье под давле-
нием:
1 — армирующий мате-
риал; 2 — поток смолы
более сложных и
могут использоваться цепные тали. После
закрытия формы в ее нижнюю точку впры-
скивается смесь смолы с катализатором.
По мере поднятия вверх смола выталкивает
захваченный воздух по краям детали и из
вентиляционных каналов. Когда две полу-
формы соединяются, армирующий материал
обычно частично сжимается, так что воздух
еще может проходить, но течение вязкой
смолы несколько сдерживается (рис. 15.28).
Как и при холодном прессовании, выделе-
ние тепла может вызвать разрушение пласт-
массовой формы, что требует применения
дорогих форм. Большинство изделий, по-
лучаемых литьем смолы под давлением, делают из отвер-
ждаемых при комнатной температуре полиэфиров в формах
из армированных пластмасс. Однако в течение многих лет
некоторые наиболее сложные детали для авиационной про-
мышленности отливали в алюминиевых формах, используя
эпоксидные или полиэфирные смолы горячего отверждения. В ка-
честве армирующего материала в этом случае вместо матов обычно
использовали ткани атласного переплетения. Для эффективной
пропитки таких материалов воздух должен быть удален вакууми-
рованием, а смолу надо подавать под средним давлением. После
заполнения формы ее нагревают до температуры отверждения
смолы с помощью вмонтированных нагревательных элементов
или в печи [11]. Для литья смол под давлением требуются та-
кие же двухкомпонентные смесительные и впрыскивающие устрой-
ства, что и при формовании напылением. Катализатор и смола
должны быть сведены вместе и перемешаны непосредственно
перед впрыском в форму. Для этого обычно перед местом впрыски-
вания смеси устанавливается неподвижный смеситель, в который
компоненты подаются питающей системой с двумя насосами.
Более сложные детали могут быть получены методом впрыски-
вания смолы (как при холодном прессовании), но для этого ва-
рианта характерны те же трудности. После формования детали
приходится механически обрабатывать, зачищать и т. п.
Применение обоих этих методов аналогично: целесообразно
изготавливать любые изделия со средним объемом производства,
у которых должны быть две поверхности относительно хорошего
качества и потребность в которых такая, чтобы можно было пол-
ностью покрыть расходы на сравнительно дорогую оснастку.
15.12. Формование «вспененной емкостью»
Этот процесс, известный также под названием «формование
упругой емкостью», заключается в получении трехслойной кон-
струкции, наружными слоями которой является волокнистый
армирующий материал, а внутренним — пропитанный смолой эла-
196
стичный пенополиуретан с открытыми
порами. Когда такую конструкцию по-
мещают в форму и сжимают, пенопласт
сдавливается и смола выжимается в
наружные слои. Упругий пенопласт
развивает давление, достаточное для
прижатия наружных слоев к поверх-
ности формы.
При правильном соотношении ком-
понентов материала можно получать
изделия, имеющие все преимущества
Сандвичевой конструкции, т. е. цен-
тральную часть с низкой плотностью и
прочные лицевые поверхности, что обе-
спечивает благоприятное отношение
жесткости к массе.
Описанный процесс схематически
изображен на рис. 15.29. Давление
формования небольшое и в ряде слу-
чаев может быть менее 690 кПа. Метод
рекомендуется для получения сравни-
тельно больших плоских изделий,
таких как съемный верх, капот и
крыша транспортных средств.
Преимущества процесса: низкая
в)
Рис. 15.29. Схема процесса
формования «вспененной ем-
костью»:
а — форма открыта; б — форма
частично закрыта; в — форма
полностью закрыта, пенопласт
сжат, смола выжимается в на-
ружные слои; 1 — пуансон; 2 —
сухой волокнистый армирующий
материал; 3 — матрица; 4 —
пропитанный смолой пенопласт
плотность изделий; высокая ударная вязкость; хорошая
прочность на изгиб; короткий цикл формования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. White Roger В., Premix Molding, Reinhold Book Corp., New York, 1964.
2. Denton Douglas L., «Mechanical Properties Characterization of an SMC-R50
Composite» Paper 11-F, 34th Annual Conference, Reinforced Plastics/Compo-
sites Institute, SPI, Washington, D. C., February 1979.
3. Ferrari J. et al., «Development of a Unique Method for the Preparation of
High Quality SMC», Paper 9D, 33rd Annual Conference, Reinforced Plastics/
Composites Institute, SPI, February 1978.
4. Owens—Coming Fiberglas Corp., Publication 5-PL-5361-A, Cold Press Molding
Manual.
5. Rohm and Haas, Inc., Rigidizing of Plexiglass.
6. Pratt B. D., «Factors Affecting the Arc Resistance of Premix», Annual Confe-
rence, Reinforced Plastics/Composites Institute, SPI, February 1965.
7. Connolly W. J., Thornton A. M., «А New Polyester Resin and Filler System
Producting Excellent Flame Resistance and Heat Aging Properties», Annual
Conference, Reinforced Plastics/Composites Institute, SPI, February 1965.
8. Sutcliffe M. R., «Degree of Cure in Polyester Dough Molding Compounds»,
Third International Reinforced Plastics Group, London, November, 1962.
9. Kroekel Charles H, Barkus Edward L., «Low Shrink Polyester Resins: Perfor-
mance and Application», Annual Conference, Reinforced Plastics/Composites
Institute, SPI, February 1968.
10. Owens-Corning Fiberglas Corp., Publication 5-TM-8364, October 1978.
11. Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites, edited by G. Lubin,
Van Nostrand Reinforced Publishing Co., New York, 1969, pp. 349—355.
197
16. НАМОТКА ВОЛОКНОМ
А. М. Шибли
16.1. Введение
Намотка волокном — сравнительно простой процесс, в кото-
ром армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута)
или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Спе-
циальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, син-
хронизированной с вращением оправки, контролируют угол на-
мотки и расположение армирующего материала. Его можно обер-
тывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос
или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия
поверхности оправки. Последовательные слои наносятся под
одним и тем же или под разными углами намотки, пока не будет
набрана нужная толщина. Угол намотки может изменяться
от очень малого — продольного до большого — окружного, т. е.
около 90° относительно оси оправки, включая любые углы спи-
рали в этом интервале. Связующим для армирующего материала
служит термореактивная смола. При «мокрой» намотке смола
наносится в процессе самой намотки. «Сухая» намотка основана
на использовании ровинга, предварительно пропитанного смолой
в В-стадии. Обычно отверждение идет при повышенной темпера-
туре без избыточного давления, и завершающей стадией процесса
является снятие изделия с оправки. При необходимости прово-
дятся отделочные операции.' механическая обработка или шли-
фование.
Основной процесс имеет множество вариантов, различающихся
в широких пределах характером намотки, особенностями кон-
струкции, комбинацией материалов и типом оборудования. Кон-
струкции должны быть намотаны в виде поверхностей вращения,
хотя, в определенных пределах, могут быть отформованы изделия
и другой конфигурации сжатием еще неотвержденной намотанной
детали внутри закрытой формы. Конструкции могут быть полу-
чены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром
от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.
Намоткой можно формовать также изделия сферической, кониче-
ской и геодезической формы. Для получения сосудов высокого
давления и резервуаров для хранения в намотку вводят торцовые
заглушки. Можно формовать изделия, работающие в специфиче-
ских условиях нагружения, таких как внутреннее или наружное
198
давление, сжимающие или крутящие нагрузки. Намотка дает
возможность укреплять термопластичные трубы и металлические
сосуды высокого давления наружными бандажами. Изделия могут
быть спроектированы и сделаны с высокой степенью точности.
С другой стороны, для намотки характерны меньшие скорости
производства.
Для намотки пригоден практически любой непрерывный арми-
рующий материал. На практике для этих целей используется,
главным образом, стекловолокно. Углеродное и арамидное («Кев-
лар-49») волокна использовались для наиболее ответственных де-
талей в аэрокосмической промышленности, где требуются, в пер-
вую очередь, высокие значения удельной прочности и модуля
упругости.
Основными материалами для матрицы служат эпоксидные и
полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров.
Полиимиды, фенопласты н кремнийорганические смолы, при
отверждении которых образуются продукты конденсации, труднее
перерабатываются. В настоящее время большой интерес прояв-
ляется к использованию для специальных целей некоторых тер-
мопластов.
Для намотки применяются машины различных типов: от раз-
новидностей токарных станков и машин с цепным приводом до
более сложных компьютеризованных агрегатов с тремя или че-
тырьмя осями движения. Имеются также машины для непрерыв-
ного производства труб. Спроектировано портативное оборудова-
ние для намотки больших резервуаров на месте установки. С по-
мощью этих машин производится обычно только намотка по окруж-
ности, а для усиления конструкции в продольном направлении
применяют рубленую пряжу или ленты.
В данной главе будут рассмотрены в основном вопросы, свя-
занные с намоткой волокном, причем главное внимание будет
уделено армирующим материалам и смолам, технологии намотки,
методам контролирования процессов и свойствам готовых изделий.
16.2. Основные сырьевые материалы
16.2.1. Армирующие материалы
В большинстве случаев для намотки в качестве армирующего
материала применяется непрерывный ровинг Е-стекла. Несколько
более прочный, но и более дорогой ровинг S-стекла используется
реже, главным образом в космической промышленности. Оба типа
ровинга, имеющие высокий предел прочности при растяжении,
хорошо перерабатываются намоткой. Удельная прочность колеб-
лется в пределах 0,75 ... 1,50 МПа-м3/кг. В однонаправленных
композициях предел прочности при растяжении достигает 2,4 ГПа.
Недостатком, ограничивающим применение ровингов, является
меньший модуль упругости, чем у других конструкционных мате-
199
10.1. Сравнительные характеристики волокон
Тип волокна р, кг/м’ ав, ГПа Удельная прочность, МПа» м*/кг Е, ГПа Удельный модуль упругости, МПа« м8/кг е, %
£-стекло: моноволокно 2547 3,45 1,35 72,4 28,4 4,8 пряди 3,34 1,31 ровинг ** 1,93 0,76 ровинг *2 1,38 0,54 S-стекло: моноволокно 2491 4,59 1,84 96,9 38,9 5,3 пряди 3,79 1,52 ровинг *3 3,45 1,38 ровииг*4 2,76 1,11 S-1014 MF 4,52 1,81 5,2 Углеродное: Торнел-300 *Б 1772 2,24 1,26 234 132 1,0 Силион-3000 *в 2,48 1,49 1,1 Арамидное «Кевлар-49»*7 1439 2,76 1,92 131 91 2,0
*х Диаметром О но техническим условиям (стандарту) ЛШ-Л-60346.
*2 Любого диаметра, кроме G по Лй7-7?-6034б.
*3 По ЛШ-К-60346.
*4 Общего назначения по ЛШ-/?-60346.
*Б Фирмы «Юнион карбайд».
*6 Фирмы «Целанеза».
*7 Фирмы «Дюпои».
риалов. В зависимости от типа стекла значения удельного модуля
составляют 27,4 ... 34,9 МПа-м3/кг. Максимальное значение мо-
дуля, которое может быть достигнуто в однонаправленных компо-
зитах, составляет 41,4 ... 55,2 ГПа. Большинство применяемых
в промышленности труб, резервуаров и сосудов высокого давле-
ния не подвергаются чрезмерным изгибающим или критическим
продольным нагрузкам, что позволяет успешно использовать для
получения этих конструкций низкомодульное стекловолокно.
Если тип нагружения очень близок к продольному изгибу, тол-
щина стенок может быть увеличена или в конструкцию изделия
должны быть введены ребра жесткости, но так, чтобы не вызывать
большого увеличения массы и стоимости.
Другой метод повышения жесткости состоит в использовании
для намотки высокомодульного волокна. Из высокомодульных
материалов, применяемых для этой цели, наибольшее внимание
привлекают углеродное, а также арамидное волокно «Кевлар-49»
фирмы «Дюпон». Удельный модуль у этих армирующих материа-
лов в 3—4 раза выше, чем у стеклянных ровингов. Другим их
преимуществом является низкая плотность, благодаря чему удель-
ная прочность таких композитов оказывается выше, чем у стекло-
пластиков (табл. 16.1). Стоимость углеродных и арамидных воло-
200
кон хотя и существенно снизилась в последние годы, но по-преж-
нему остается непомерно высокой для их широкого промышлен-
ного внедрения. Сейчас только аэрокосмическая промышленность
может позволить себе применять углеродные волокна и «Кевлар».
«Гибриды», т. е. комбинации стекловолокна с высокомодульными
волокнами, представляют собой оптимальный компромисс между
жесткостью конструкции, массой и стоимостью. Типичным приме-
ром могут служить сосуды высокого давления, полученные на-
моткой углеродного волокна для обеспечения продольной жест-
кости, поверх которого намотано стекловолокно для создания
высокой стойкости к воздействию окружных усилий.
Для армирования конструкций, получаемых намоткой волок-
ном, было испытано множество различных нитевидных материалов,
в число которых входят стальная проволока, борволокна, волокно
на основе окиси бериллия, полиамидное, полиэфирное и асбесто-
вое волокна. Однако ни один из этих материалов не получил
промышленного применения.
16.2.1.1. Прочность стекловолокна
Прочность моноволокна £-стекла и S-стекла равна 3,4 и
4,5 ГПа соответственно. Стандартное отклонение примерно ±10 %.
Приведенные значения являются усредненным результатом боль-
шого числа отдельных измерений. Распределение значений прочно-
сти в этих измерениях обычно подчиняется гистограмме (рис. 16.1),
составленной фирмой «Оуэнз-Корнинг файбергласс». Полученные
значения охватывают диапазон от близких к нулю (на нижнем
участке гистограммы) до приближающихся к теоретически пре-
дельным— 10,3 ... 13,8 ГПа (на верхнем участке). Причиной
такого широкого разброса являются наличие дефектов в волокнах
и воздействие на них различных факторов окружающей среды [11.
Основным таким фактором является влажность. Атмосферная
влага воздействует на дефектные места в волокне, особенно когда
оно находится в напряженном состоянии, что приводит к росту
п
го
ю
1,90 2,25 2,60 г,95 3,30 3,65 бв,ГПа 9,35
Рис. 16.1. Распределение значений частоты п предела прочности при растяжении
ав исходных волокон из £-стекла (при расчетной прочности стренги 2,75 ГПа,
среднее значение составляет 3,5 ГПа и стандартное отклонение по 191 образцу —
0,46 ГПа)
201
трещин и окончательному разрушению волокна. Этот механизм
коррозии под напряжением проявляется как при оценке статиче-
ской усталости, так и при растяжении. Трещины в волокне раз-
виваются из больших поверхностных дефектов, возникающих
в процессе вытяжки или при последующем получении ровингов
из волокон, а также из сравнительно небольших изъязвлений
поверхности, которые могли образоваться при вытяжке или раз-
виться под действием коррозии под нагрузкой или без нее. В стек-
ловолокне, кроме того, могут быть внутренние раковины.
Результаты испытаний на растяжение стренг или пучков во-
локна примерно на 20 % ниже, чем средние значения для моно-
волокна. После разрыва отдельных волокон в пучке на оставшиеся
волокна приходится большая нагрузка. В результате этого ито-
говая прочность снижается. Фактически прочность стренги может
быть рассчитана с высокой точностью по кривой распределения
прочности моноволокна. Неодинаковое натяжение волокон внутри
деформируемой стренги дает аналогичный прогрессирующий эф-
фект разрушения.
По данным фирм, выпускающих стекловолокно, ровинги с боль-
шим числом отдельных концов (одиночных нитей), но обычно не
более 60, имеют примерно такую же удельную прочность, что и
ровинги с единым концом (в виде жгута). Такой вывод основан
на предположении, что при соединении отдельных стренг в ровинг
дисперсии механических свойств существенно не возрастают.
Диаметр моноволокон — еще один параметр, влияющий на
их предел прочности при растяжении. В опытах, проведенных
в жестко контролируемых условиях, было показано, что проч-
ность моноволокна не уменьшается при увеличении диаметра до
максимальных для промышленного волокна размеров. Однако для
практических целей совершенно очевидно, что прочность волокон
большого диаметра ниже, чем у волокон с меньшим диаметром.
Допустимые, значения прочности регламентируются военными тех-
ническими условиями Д-60346 на применяемый для намотки
ровинг. Минимальное значение для ровинга из волокон Д-стекла
с диаметром G (0,09 ... 0,010 мм) составляет 1,93 ГПа. Для во-
локон большего диаметра, т. е. до калибра Т (0,023 ... 0,024 мм),
максимально допустимое значение предела прочности при растя-
жении 1,38 ГПа.
Прочность волокна зависит также от метода испытания отвер-
жденных композитов. При сохранении волокон в выпрямленном
состоянии и их равномерном нагружении прочность однонаправ-
ленных композитов не ниже или даже выше прочности нитей.
При испытании волокон по методу «кольцо NOL» их прочность
может достигать 2,76 ... 3,1 ГПа. С другой стороны, при более
толстой намотке изделий большего размера максимальная проч-
ность не превышает 2,07 ГПа. Значения прочности для таких
конструкций ниже по ряду причин: повреждение волокон при
намотке; нарушение центровки или плохая коллимация; неравно-
202
мерное натяжение слоев при намотке; изменение напряжения при
переходе от внутренних слоев к наружным; появление случайных
локальных напряжений.
Общий вывод заключается в том, что при определении проч-
ности материала для расчета конструкций следует испытывать
композит, а не само волокно. Сравнение с данными, полученными
при испытании стренг, свидетельствует об эффективности метода
их получения. Для определения истинного напряжения волокна
в момент разрушения требуется детальный анализ напряжений.
16.2.1.2. Структура ровинга
На первой стадии развития процесса намотки волокном все
стренги (с едиными концами) состояли из 204 элементарных во-
локон с диаметром G и имели номинальный развес 27 200 ...
30 250 м/кг. Эти стренги (пряди) соединяли, получая ровинги
с большим числом отдельных концов. В настоящее время практи-
куется увеличение диаметра волокон и их числа в стренге. Широко
применяются стренги с 408 или 816 волокнами. Дальнейшего прог-
16.2. Диаметры волокон
Условное обозначение Значение, мкм Условное обозначение Значение, мкм
G 9—10 м 15—17
J 11—13 Т 23—24
К 13—14
16.3. Стандартный развес (м/кг) ровингов,
предназначенных для намотки волокном
Жгутовый ровниг Ровинг с числом отдельных нитей Готовый ровинг
Тип 30 • Хайбои 2079 •• 8 12 15 16 20 30 60
- 2270 1360 905 453 27 200
—‘ — — 2350 —. - IIPW 1410 940 469 28 210
— — 2480 — —- 1480 — 495 30 250
—- — 930 — 495 —- — 248 124 7 450
—— —— — — — 453 — — 7 250
3630 — 453 — — —— — 3 630
2420 — — — — — — — — 2 420
1810 — — — — —— — 1 810
1360 1360 — — — — — — 1 360
910 — — —— __ — 910
455 — — — — — — — 455
— 505 — — — — — — — 505
* Фирмы «Оуэиз-Кор нинг».
** Фирмы «ППГ индастриз».
203
ресса можно ожидать в вытяжке нескольких тысяч волокон в еди-
ную стренгу, которая сразу сможет быть использована в качестве
ровинга. Значения диаметров и типичные характеристики выпу-
скаемых сейчас специально для намотки типов волокна из Е-стекла
приведены соответственно в табл. 16.2 и 16.3 [2, 3]. 5-стекло
по-прежнему вытягивают только диаметром G, и пряди состоят
из 204 элементарных волокон. Волокна, применяемые в компози-
ции с эпоксидными и полиэфирными смолами, подвергают специ-
альной отделке. Иногда наносят одно покрытие, которое считается
совместимым с эпоксидными и полиэфирными смолами или поли-
мерами сложных виниловых эфиров.
16.2.2. Смолы
Матрицами (связующими) при намотке волокном служат в ос-
новном композиции эпоксидных и полиэфирных смол и полимеров
сложных виниловых эфиров. Фенопласты, кремнийорганические
полимеры и полиимиды иногда применяются для изделий, рабо-
тающих при высоких температурах, и электроизоляционных де-
талей. Эти три реактопласта трудно перерабатываются при обыч-
ных условиях намотки волокном и требуют создания внутреннего
избыточного давления при отверждении для удаления продуктов
реакции и остаточных растворителей. В настоящее время изучается
возможность использования в качестве связующего термопластов.
Наиболее перспективным является полисульфон, который имеет
сравнительно высокие прочностные свойства и теплостойкость при
повышенных температурах. Очевидные и весьма важные преиму-
щества термопластов заключаются в том, что им не нужен цикл
отверждения и нет проблем, связанных с жизнеспособностью и
стабильностью при хранении. Эффективная технология перера-
ботки термопластов при намотке, однако, еще нигде не демон-
стрировалась. Прежде чем применение термопластов для этих
целей станет реальностью, должна быть разработана технология
покрытия волокна этими смолами и монолитизации компонента
на оправке.
16.2.2.1. Эпоксидные смолы
Эпоксидные смолы являются традиционным материалом для
аэрокосмической и военной отраслей промышленности, где проч-
ность и масса изделий — более смщественные факторы, чем в гра-
жданских областях применения. Выбор именно этих смол, а не
более дешевых — полиэфирных, обусловлен их превосходными
механическими свойствами, выносливостью, теплостойкостью, луч-
шим сцеплением с армирующим материалом и меньшей усадкой
при отверждении. Длинный перечень удовлетворительных экс-
плуатационных качеств и связанная с этим надежность материала
оказались решающими факторами, благодаря которым в течение
длительного времени в аэрокосмической промышленности от-
дается предпочтение эпоксидным смолам.
204
При намотке волокном применяются в основном те же эпоксид-
ные смолы, что и при производстве слоистых пластиков. В связи
со спецификой условий переработки в состав композиций вносятся
небольшие изменения. Основным типом смолы является диглици-
диловый эфир бисфенола А (ДГЭБА). Новолачные и циклоалифа-
тические эпоксидные смолы используются в меньшей степени.
Находят применение и другие типы эпоксидных смол: бромиро-
ванные — для увеличения сопротивления воспламенению, резор-
цинодиглицид иловый эфир — для улучшения перерабатываемо-
сти, эластичные эпоксидные смолы — для увеличения ударной
вязкости и удлинения.
В составе композиций используется много разных отвердите-
лей и катализаторов. Наиболее популярными отвердителями яв-
ляются метилнадикангидрид (НМА) и м-фенилендиамин (МФДА).
Промышленные отвердители часто модифицируют добавлением
ускорителей (чтобы увеличить скорость отверждения), частичным
взаимодействием с небольшим количеством смолы (для снижения
скорости отверждения) или введением различных веществ, улуч-
шающих растворимость отвердителей в смоле и препятствующих
их кристаллизации. Наименования основных типов отвердителей
и рекомендации по их промышленному применению приведены
в табл. 16.4.
В табл. 16.5 представлены свойства нескольких композиций
литьевых смол. Для получения высокопрочных конструкций ши-
роко применяют систему на основе ERLA 2256. Эта смола больше
не выпускается, поэтому ее свойства приведены только для
сравнения.
Выбор полимерной композиции для конкретной цели опреде-
ляется ее технологическими характеристиками, температурой
отверждения и влиянием на свойства композиционного материала.
Основными технологическими характеристиками являются вяз-
кость и жизнеспособность содержащей катализатор системы, или,
точнее, исходная вязкость и ее изменение во времени. К важным
реологическим характеристикам относятся также продолжитель-
ность желатинизации и текучесть смолы под действием натяжения
при намотке и во время отверждения. Достаточно низкая вязкость
очень важна для полной пропитки армирующего материала и уда-
ления захваченного воздуха и летучих растворителей. Для прак-
тических целей можно применять композиции с вязкостью при
25 °C в пределах 0,35 ... 1,5 Па-с. При работе с очень жидкими
системами возникают проблемы контроля и постоянства содержа-
ния смолы. Некоторые волокна, например углеродные, не захва-
тывают достаточного количества смолы. В отдельных случаях
смола может мигрировать в наружные слои намотки, оставляя
внутренние «сухими», что приводит к преждевременному разру-
шению композита. Недостатками применения слишком вязкой
смолы являются распушка волокон в емкости со смолой и в отвер-
стии, через которое они подаются, неравномерное покрытие во-
205
16.4. Отвердители для эпоксидных смол
Обозначение Химическое название Рекомендации по применению
МДА Метиленднанилин
МФДА л-феннленднамин
ДАДФС Диамииодифенил-
сульфон
НМА Метилнадикайгидрид
ГГФА Гексагндрофталевый ангидрид
БДМА Бензнлднметнламнн
BFs-МЭА Боротрифтормоно- этнламин
ДЦДА Дициандиамид
ДАП 2,6-днаминопиридин
DMP-30 «Тонокс 6040» «Джеффемнн Т-403» Тридиметиламиноме- тилфенол 60 % МДА и 40 % МФДА Простой полиэфир триамииа
«Циба 906» ТЭТА Модифицированный гидрофталевый анги- дрид Триэтилентриамин
ДЭТА
Днэтилентриамин
Плавится при 85 °C, жизнеспо-
собность прн комнатной темпе-
ратуре 4 ... 6 ч
Плавится прн 60 °C, жизнеспо-
собность прн комнатной темпе-
ратуре 4 ... 6 ч
Плавится при 175 °C в сочета-
нии с ускорителем BFS-M3A
Жидкость с большой жизнеспо-
собностью, применяется с бен-
зилдиметиламнном и другими
ускорителями
Плавится при 35 °C, растворяет-
ся в жидкой смоле при комнат-
ной температуре
Применяется в качестве ускори-
теля и для контроля В-стадии
Применяется в качестве ускори-
теля и для контроля В-стаднн,
чувствителен к влаге
Применяется в качестве ускори-
теля и для контроля В-стадни
Как отвердитель аналогичен
МДА, ио реакция идет медленнее
Применяется как отвердитель
Вязкая жидкость
Имеет низкую вязкость, увели-
чивает эластичность и ударную
вязкость
Напоминает НМА, обычно тре-
бует ускорителя
Общего назначения, применяет-
ся при комнатной температуре,
выделяет много теплоты
То же
локна, чрезмерное натяжение и воздушные включения. При ис-
пользовании высоковязких и твердых смол в систему добавляют
активные разбавители для облегчения переработки. Такими раз-
бавителями обычно служат бутилглицидиловый эфир (БПЭ), фе-
нилглицидиловый эфир (ГЭФ), диглицидиловый эфир неопвнтил-
гликоля (ДЭНПГ) — «Day XD 7114» и диглицидиловый эфир
1,4-бутандиола (ДЭБД) — RD-2 фирмы «Циба-Гейги». Неактив-
ные разбавители обычно не используются. При работе с некото-
рыми оптимизированными композициями для снижения вязкости
смолы иногда требуется их нагревание.
206
16.5. Свойства отвержденных эпоксидных смол различных типов
DER 331 MDA (27) 1 1 О сО СО сч сч О °1 СЧ 1 8
DER 383 MDA (27) 1 1 *О О СО СО сч сч £ ю сч" 1 1 со СО
DGEBA DER 332 НМА (87,5) 1 1 1Л So ©2 о сч 1 О 1 ю со
А IQ О о о сч о
«Циба 6С (Об) WH 1 1 §§ сч-gi 1 сч сч со со" д сч 1 7 о" о
Новолачная DEN 438 ВБз-МЕА ** (3,0) 1 1 4/100, 16/150 сч ео^ со" 1 1 1
DGEBA 1 «Ипон 826» «Тонокс 6040» (28,3) и?4 еч, сч <3 Оч сч~ сч сч o' со со о о 4 of Д сч СО О со о о" сч
ERLA 2256 «Тонокс 6040» (29,5) * о о о Оч О со" о тг СО со СО О g in со" 4 т со со
д" S ад
Состав и свойства Отвердитель (масс, ч) Разбавитель (масс, ч) о W СП Я ад Я Я я ад Ч л и у . <73 (Я ХС л о я _ 2 Я g ь $ я я сх е; cd О я < S О CD С'я я я я CD С £ и О С аГ О'- ад X© о4- аГ я ад Я О g о я о § м и о ад о »я о о ч я ад Н
Бис (2, 3-эпоксициклопентиловый) эфир (37 масс, ч на 100 частей смолы).
Подвергается деструкции под действием влаги.
*
207
В)
Рис. 16.2. Зависимость вязкости т) от продолжительности отверждения t для
различных композиций эпоксидных смол:
а — 14 масс, ч МФДА н 15 масс, ч БГЭ; б — 16 масс, ч МФДА н 10 масс, ч БГЭ; в —
23 масс, ч RP45 н БГЭ; г — 14 масс, ч МФДА н ДМФ; 1 — «Шелл 828»; 2 — «Цнба 6010»;
3 — «Шелл 826»; 4 — *t)oy 332»; 5 — «Цнба 6010», 10 масс, ч БГЭ; 6—«Шелл 826», 7,5 масс, ч
БГЭ; 7 — «Цнба 6010», 2,5 масс, ч ДМФ, комнатная температура; 8— «Шелл 826»,
5 масс, ч ДМФ, 49 °C; 9— «Шелл 826», 2,5 масс, ч ДМФ, комнатная температура
Для предотвращения желатинизации смол до завершения на-
мотки их жизнеспособность обычно должна длиться не менее не-
скольких часов. Проводить намотку на затвердевший или частично
желатинизированный слой не рекомендуется. Это может привести
на практике к неравномерному распределению смолы и появле-
нию ослабленных мест в изделии. В этом отношении непрерывная
дозировка смеси смолы с отвердителем или контролируемое пере-
мешивание композиции уменьшает трудности, связанные с прежде-
временной желатинизацией.
Данные о соотношении между температурой и продолжитель-
ностью отверждения и вязкостью для различных систем должны
сообщать производители смол. Для более точного контроля про-
цесса эти соотношения определяются экспериментально с исполь-
зованием такого количества смолы, которое примерно равно произ-
водственным нормам. Характеристики нескольких таких систем
представлены на рис. 16.2 [4].
Роль реологических свойств более существенна при «сухой»
намотке. В этом случае для обеспечения соединения последова-
тельно наматываемых слоев препрегов они должны обладать до-
208
статочной липкостью и текучестью. Реологические свойства зави-
сят от степени затвердевания препрега на В-стадии при его полу-
чении и, в некоторой степени, от оставшихся в композиции лету-
чих. При хранении промышленных препрегов в охлаждаемой среде
они сохраняют исходную текучесть до 6 мес. Текучесть и липкость
улучшаются при нагревании прядей во время намотки.
Для получения композитов с оптимальными свойствами очень
важно точно контролировать цикл отверждения. Параметры про-
цесса отверждения систем, такие как продолжительность отвер-
ждения при разных температурах и скорость нагрева, зависят
от типа применяемых отвердителей и катализаторов. Ангидридные
отвердители требуют увеличения температуры и продолжитель-
ности отверждения, но позволяют получать композиты с более
высокой температурой начала термической деформации. Отвержде-
ние ароматическими аминами идет прй промежуточных темпера-
турах и с большой скоростью. Было получено несколько компо-
зиций на основе алифатических аминов, которые имеют большую
жизнеспособность и отверждаются при низких температурах.
При работе со всеми системами обычно рекомендуется желатини-
зировать смолу при пониженных температурах, продолжать ее
отверждение при более высоких температурах и доотверждение
проводить при максимальной для данного материала температуре.
Такая стадийность процесса предотвращает избыточное течение
смолы, сводит до минимума экзотермические эффекты и обеспе-
чивает высокую степень отверждения изделия. Ориентировочно
композиции общего назначения отверждаются в диапазоне тем-
ператур 121 ... 135 °C. Теплостойкие системы отверждаются при
177 ... 191 °C. Доотверждениеможет проводиться даже при 205 °C.
Установлено, что при более высоких температурах отверждения
может увеличиться усадка смол и возрасти стоимость изделия.
Считается, что следует применять смолы с более высокими
значениями прочности, модуля и удлинения. От этих показателей
зависят прочность в поперечном направлении и предел прочности
при сдвиге композита, а также прочность изделий на разрыв под
действием внутреннего или наружного давления. Однако имею-
щиеся данные не позволяют точно рассчитать эти зависимости.
Усадка эпоксидных смол при отверждении меньше, чем у дру-
гих смол, применяемых при намотке волокном. Усадка изменяется
в зависимости от типа смолы и отвердителя, скорости нагрева и
температуры отверждения. Эксперименты, проведенные, напри-
мер, со смолой DGEBA, показали, что в зависимости от типа ка-
тализатора и условий отверждения усадка меняется в пределах
2 ... 8 %. У материала с малой усадкой меньшие внутренние
напряжения, и готовые изделия из него легче снимать с оправки
[5—8].
Благодаря своей низкой стоимости и хорошему сочетанию фи-
зических и химических свойств эти смолы находят широкое про-
мышленное применение. С ними удобно обращаться в процессе
209
намотки волокном. Вязкость в процессе переработки сравнительно
легко контролируется. Как и в случае эпоксидных смол, между
системами, применяемыми для намотки волокном и при изготовле-
нии слоистых пластиков, нет принципиального различия./
Ненасыщенные сложные полиэфиры, используемые для арми-
рованных пластмасс, являются продуктами этерификаций нена-
сыщенных двухосновных кислот или их ангидридов глйколями
и обычно содержат насыщенную двухосновную кислоту! или ее
ангидрид в качестве третьего реагента. Полимеры виниловых эфи-
ров являются продуктами взаимодействия эпоксидных смо.П с акри-
ловыми, метакриловыми или аналогичными кислотами. В обоих
случаях продукты реакции или форполимеры растворяют в моно-
мере, как правило, стироле, получая жидкие смолы. При отвер-
ждении мономер соединяется с форполимером. В этих реакциях
можно использовать много различных кислот, ангидридов, гли-
колей и мономеров, в результате чего получают множество про-
дуктов с широким диапазоном свойств. Большинство из них на-
ходят применение при намотке волокном. Сложные полиэфиры
ортофталевой кислоты со стирольным мономером дешевле других,
но обладают меньшей химической стойкостью. Изофталевые смолы
имеют лучшую коррозионную и химическую стойкость, что
оправдывает их большую стоимость. Некоторые полимеры вини-
ловых эфиров широко применяют для получения коррозионно-
стойких изделий, особенно работающих при высоких температу-
рах. Смолы на основе хлорэндиковой, тетрабромфталевой и дру-
гих насыщенных двухосновных кислот обладают улучшенной
огнестойкостью, но при этом худшими механическими свойствами
при повышенных температурах.
Обычный метод полимеризации основной смолы с мономером
базируется на использовании различных органических перекис-
ных катализаторов. Выбор катализатора определяет температуру,
при которой идет отверждение. Температура окружающей среды
мало влияет на отверждение при намотке волокном. Процесс
инициируется системами, состоящими из перекиси метилэтилке-
тона (ПМЭК) и нафтаната кобальта (СоНаф) или диметилани-
лина (ДМА) с перекисью бензоила (НБ). Для отверждения при
температурах 93 ... 149 °C часто применяют трет-бутилпербен-
зоат, один или в смеси с ПБ. Если требуется меньшая темпера-
тура отверждения, добавляют активаторы или ускорители. За-
медлители служат для снижения экзотермического пика, а инги-
биторы предотвращают преждевременную желатинизацию. Ско-
рости отверждения различных смол зависят от входящих в компо-
зицию кислот и мономеров. Тип гликоля оказывает меньшее
влияние на скорость процесса. В некоторых специальных системах
скорость отверждения и продолжительность желатинизации зави-
сят от концентрации катализатора и активатора. Общий принцип
составления композиции заключается в определении концентра-
ций, при которых уменьшается тепловыделение.
210
16.6. Вязкость полимера сложного винилового эфира «Эпокрил 480»
фирмы «Шелл»
Добавка Содержание добавок, масс, ч Вязкость по Брукфилду, Па«с, при 25 °C и частоте вращения цилиндра мии~4
I 5 50
0,50 0,50 0,50
Стирол 10 *3 0,25 0,25 0,25
Стирол 20 *4 0,10 0,10 0,10
Кабосил *s 1 *’ 5,00 2,60 0,60
Кабосил *s 2 *’ 45,0 15,00 2,50
*х Модель «Брукфилд RYT*, цилиндр № 4.
*а Число массовых частей на 100 частей смолы «Эпокрнл 480».
*3 Этот результат достигается прн конечном массовом содержании сти-
рола 45 %.
*4 То же, при конечном содержании стирола 50%.
*5- Поставщик — фирма «Кэбот».
*° Перемешивание в теч енне 3 мни в мешалке с большим сдвиговым усилием.
Отверждение индуцируется также под воздействием различных
источников энергии, таких как ультрафиолетовое излучение или
ксеноновые лампы с высокой лучеиспускающей способностью.
Предварительно обработанные катализатором полиэфиры реаги-
руют под действием света. Полагают, что в будущем такие системы
найдут более широкое промышленное применение, особенно при
производстве труб малого диаметра.
В отличие от эпоксидных смол, изменение типа катализатора
в полиэфирной композиции вызывает лишь незначительные коле-
бания их механических свойств. Однако имеются сведения, что
коррозионная стойкость может при этом изменяться. Большое
влияние на свойства материала оказывает степень отверждения.
При уменьшении температуры и увеличении продолжительности
отверждения оно будет более полным, а свойства материала лучше.
Результаты испытаний композитов на теплостойкость, изгиб или
растяжение и твердость по Барколу позволяют с достаточной точ-
ностью определить цикл отверждения.
Вязкость при переработке регулируется количеством мономера
в композиции. Обычное содержание стирола — 40 ... 45 %. В не-
которых случаях рекомендуется увеличивать вязкость добавле-
нием тиксотропных веществ. Влияние одного из них — двуокиси
кремния — указано в табл. 16.6 [9]. Стандартные значения
вязкости для пропитки находятся в пределах 0,25 ... 1,00 Па-с.
Этот диапазон несколько ниже, чем для эпоксидных смол, что
обусловлено более высокими скоростями намотки при использо-
вании промышленных полиэфиров.
Механические свойства некоторых смол приведены в табл. 16.7.
Максимальная температура эксплуатации полиэфиров и полиме-
211
16.7. Свойства сложных полиэфиров и полимеров сложных виниловых эфиров
Марка смолы (фирма-поставщик) Йзо-по- лиэфир 6100-10 1 («Коп- ; перс»)
Показатели свойств Сложный виниловый эфир Эпоксид- ная но- волачиая
«Днрэкейн 411» («Дау») «Дирэкейн 510-А» («Дау») «Эпокрил 480» («Шелл»)
Растяжение ар, 79 72 84 78 55
МПа Е, ГПа 3,4 3,4 3,2 3,2
е, % 4,7 6,5 5,3 5,3 12—15
Изгиб аи, МПа 117 117 117 105 94
Модуль при изги- 3,1 3,6 3,2 3,2 2,7
бе £и, ГПа Теплостойкость, °C 104 110 121 121 —
ров сложных виниловых эфиров в коррозионно неактивной окру-
жающей среде обычно в пределах 93 ... 107 °C. Большинство
изготовителей смол указывает их максимально допустимые тем-
пературы эксплуатации в различных химически активных средах.
Желательно, чтобы смолы имели относительное удлинение при
разрыве 6 = 3 ... 7 %. Установлено, что усадка при отвержде-
нии составляет 7 ... 10 %. С увеличением содержания стирола
она увеличивается.
16.3. Процесс намотки
16.3.1. Методы и схемы намотки
Наибольшее распространение получили два основных вида на-
мотки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою ха-
рактерную схему расположения волокна. При полюсной (называе-
мой также плоскостной) намотке оправка остается неподвижной,
в то время как подающее волокно устройство рычажного типа
вращается относительно продольной оси под заданным углом
наклона. После каждого его оборота оправка перемещается впе-
ред на расстояние, соответствующее одной ширине полосы воло-
кон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой
(рис. 16.3). Полосы волокна укладываются впритык одна за дру-
гой; готовый слой состоит из двух сложений, направленных
в противоположные стороны относительно угла намотки.
При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то
время как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно-
поступательно. Скорость перемещения каретки и частота враще-
ния оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный
угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается
многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна
212
Рис. 16.3. Траектория при однослойной полюсной намотке
не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося ри-
сунка требуется несколько витков. Типичная десятивитковая мо-
дель показана на рис. 16.4 [24]. Путь волокна за один виток в этом
случае составляет одну десятую суммы длины окружности и ши-
рины полосы; волокно одиннадцатого витка затем ложится рядом
с первым. И в этом случае каждый слой состоит из двух сложений.
Такая конфигурация обязательно приводит к пересечению воло-
кон (образованию поперечных полос) в отдельных участках.
Число мест с поперечными полосами зависит от угла намотки.
Необходимый рисунок намотки подбирается регулированием
машины методом проб и ошибок или рассчитывается по геометрии
изделия. Приведенный ниже упрощенный пример иллюстрирует
метод определения количества витков для получения данного ри-
сунка и суммарного числа витков для полного покрытия оправки.
Пример. Намотать цилиндр диаметром 254 мм и длиной 1016 мм при угле
намотки 45°. Предположим, что ширина полосы волокна 6,4 мм,а угол задержки
намоточного механизма перед новым циклом намотки 180°. Этот угол характери-
зует поворот оправки в конце каждого цикла перед изменением направления
подачи волокна на обратное.
За один виток подается 2032 мм волокна, а число оборотов оправки соста-
вляет 80/10л плюс один оборот угла задержки, что в сумме дает 1276,8°. Путь
волокна, таким образом, составляет 196,8° (1276,8 ° — 3-360°). Такой угол не
обеспечит замкнутый рисунок. Самая простая регулировка заключается в увели-
чении задержки в конце каждого цикла на 1,6°, благодаря чему путь волокна
будет 200°. При этом угле совмещение волокон произойдет через девять оборотов.
Тогда общее число оборотов на один слой при среднем диаметре изделия D =
= 10 дюймов и окружной составляющей ширины полосы So= 0,354 дюйма при
Рис. 16.4. Рисунок десятивитковой спиральной намотки:
А, Б — полюсные отверстия; В, Г — своды
213
угле намотки 45° составит Cc — nDfS0= lOn/0,354 = 88,8. Так как ширина
полосы немного уменьшается, то принимаем Сс ~ 90, что позволяет нанести
10 повторяющихся рисунков. Когда отношение скорости оправки к поперечной
скорости оказывается окончательно отрегулированным, путь волокна за девять
оборотов возрастает на 9 мм.
Приведенный пример иллюстрирует степень точности регули-
ровки скоростей машины. Очевидно, что для полного покрытия
оправки надо варьировать ширину полосы и угол задержки.
В практической деятельности длина цилиндра и угол намотки
также считаются параметрами процесса, которые варьируют для
получения нужного рисунка.
Находят применение и другие методы намотки.
Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают
под углом, близким к 90°, причем за один оборот подающее уст-
ройство продвигается на ширину полосы. Считается, что слой
состоит из одного сложения. Окружные слои можно наносить для
дополнительного усиления или увеличения жесткости отдельных,
наиболее важных мест цилиндра.
Продольная намотка. Этот термин относится к намотке под
малыми углами, которая может быть плоскостной или спиральной.
При получении закрытых сосудов высокого давления минималь-
ный угол определяется величиной полюсных отверстий с обоих
концов.
Комбинированная намотка. Продольные слои усиливают
окружными. При формовании сосудов высокого давления окруж-
ные слои обычно наносят снаружи. Равновесие между армиру-
ющими материалами в окружном и продольном направлениях
достигается спиральной намоткой двух или нескольких слоев.
Прочие методы. Плоскостная многовитковая намотка анало-
гична многовитковой спиральной намотке, а одновитковая спи-
ральная намотка аналогична плоскостной намотке. Оба рисунка
отличаются друг от друга только движением волокна при формо-
вании торцовых крышек.
16.3.2. Станки для намотки
Каждый тип станков предназначен или для полюсной, или для
спиральной намотки. Станки обоих типов имеют также приспособ-
ления для окружной намотки, что увеличивает их универсаль-
ность. При работе на машинах для полюсной намотки оправка
обычно находится в вертикальном положении, что предотвращает
ее прогиб под действием массы намотанного материала и упро-
щает конструкцию вращающегося подающего устройства. Основ-
ным преимуществом машин для полюсной намотки является
простота регулировки отдельных механизмов. Вращение пода-
ющего рычага происходит непрерывно с постоянной скоростью,
что исключает возникновение инерционных эффектов, которые
могут появляться при изменениях скорости или реверсировании
214
Рнс. 16.5. Машина для намотки сфер, применяемая в Лнвермурской лаборатории
им. Лоуренса:
1 1— перемещение (шаг) веретена; 2, 3 — направления вращений; 4 —> движение наклона ;
5 — серводвигатель; 6 — шаговый электродвигатель; 7 — пульт управления; 8— вере-
тено; 9 — сферический рычаг; 10 — двигатель со сферической осью ^шаговый электродви-
гатель); 11 — двигатель со сферическим наклоном (шаговый электродвигатель)
направления. С другой стороны, в большинстве случаев исполь-
зование таких станков ограничено составом применяемых пре-
прегов, так как системы с «мокрой» намоткой трудно монтировать.
В станках со спиральной намоткой имеется два основных пере-
мещающих механизма: вращающаяся оправка и траверса по-
дающего устройства. Кроме того, имеются поперечный суппорт,
перпендикулярный оси оправки, и механизм движения нитепро-
водника, через который подается волокно. Последние два устрой-
ства обеспечивают более точную укладку волокна по торцам кон-
струкции. Управление может быть механическим или числовым
программным (ЧПУ). Механическое управление обычно основано
на использовании системы с индивидуальным приводом, в кото-
рой вращение и поперечная подача управляются зубчатыми пере-
дачами, шарнирными цепями или ходовыми винтами. Движения
в станке для намотки с ЧПУ осуществляются гидравлическими
сервоприводами, управляемыми от перфорированной ленты, при-
чем каждая ось координат имеет свой собственный гидромотор.
Последним усовершенствованием одной фирмы является приме-
нение микроЭВМ для управления серводвигателями. Интеграль-
ная схема на одном кристалле кремния выполняет логические
функции, запоминание данных и вычисления, необходимые для
работы машины.
Некоторые станки предназначены для получения специфиче-
ских конструкций. На рис. 16.5 схематически изображен станок
для намотки сфер [10]. Двенадцатиразрядная мини-ЭВМ регули-
рует работу станка, наматывающего сферы диаметром 76 ...
380 мм.
Следующие фирмы выпускают станки для намотки волокном
и вспомогательное оборудование: «Бреннер», «Энджиниринг тех-
215
нолоджи», «Гевлик машинери»; «Гоулдсуорти энджиниринг», «Мак-
Клейн-Андер сон»; «Таден энджиниринг», «Венас продакте» и
«Вермонт инструмент».
16.3.3. Оправки
Оправки для получения изделий с открытым торцом, таких
как цилиндры или конусы, имеют сравнительно простую кон-
струкцию. Можно применять полые и сплошные оправки из стали
или алюминия. При намотке изделий заодно с торцовой крышкой
например, сосудов высокого давления, особое внимание должно
быть уделено конструкции оправки и'выбору материала для нее.
При правильно выбранной конструкции значительно снижаются
повреждения волокон при сжатии изделия, а также отклонения
размеров детали; уменьшаются также остаточные напряжения.
Оправка не должна провисать под действием собственной массы
и приложенного натяжения при намотке. Она должна сохранять
достаточную прочность при отверждении смолы при повышенных
температурах и легко удаляться после отверждения. Основные
принципы конструирования оправок заключаются в учете сле-
дующих факторов.
1. Состоящая из отдельных частей разборная конструкция. Дорогая и не
оправдывает себя при получении менее 25 деталей. Оптимальный диаметр 910 ...
1520 мм. Снятие оправки усложняется при маленьких полюсных отверстиях.
16.8. Свойства материалов, применяемых для изготовления оправок
Свойство Вымываемый алебастр Kerr DMM *х Хрупкий але- бастр Hydro- cal В-11 *! Хрупкий але- бастр Break- Away *а Растворимая соль Рага- plast 36 *3 Вымываемая смесь песка с поливиниловым спиртом
Предел прочности при сжатии, МПа 4,8 26,2 2,6 96,5 3,5
Плотность, кг/м3 Влагопоглощение, %, при от- носительной влажности: 1250 1360 2800 2080 —
75 % 0,07 0,45 — — —
70 % — — 86,5 — —
Максимальная температура экс- плуатации, °C 204 204+ 204+ 177 177
Продолжительность отвержде- ния, мин Расширение после отвержде- ния, мм/мм 20—25 45—55 10—15 — —
0,043 0,0004 0,0015 — —
*г Фирмы «Керр мэньюфекчуринг».
*3 Фирмы «Ю-эс джипсум».
*8 Фирмы «Резолин».
216
Рис. 16.6. Каркас для алебастровой оправки:
1 — алебастровый корпус; 2 — каркас, обработанный механически; 3 — толстостенная
труба; 4 — алебастровый поддерживающий щиток
Рис. 16.7. Зависимость толщины оправки t от диаметра цилиндра Оц:
1 — алюминий; 2 — алебастр; 3 — соль; 4, 5 — рабочее давление в цилиндре соответ-
ственно 2,1 и 7,0 МПа
2. Низкоплавкие сплавы. Имеют высокую плотность и склонны к ползучести
при средних натяжениях намотки. Их применение ограничено небольшими
сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый.
3. Эвтектические слои. Находят более широкое применение, чем низкоплав-
кие сплавы, и пригодны для сосудов диаметром до 600 мм. При правильном обра-
щении полые изделия на них можно формовать заливкой и медленным враще-
нием формы, причем снятие изделия не вызывает трудностей.
4. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластическом
состоянии, может стираться по периметру, легко вымывается.
5. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения
изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осу-
ществляется с трудом и может повредить изделие. Для облегчения снятия внутрь
можно вставлять цепи.
6. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Превосходный материал для
изделий диаметром до 1500 мм, выпускаемых в небольших количествах. Он легко
растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса
формования. Недостатком его является низкий предел прочности при сжатии асж.
7. Надутые воздухом оправки. Нельзя применять, если требуется сопро-
тивление действию скручивающих нагрузок. Одним из способов повышения сопро-
тивления крутящему моменту является заполнение полости оправки таким мате-
риалом, как песок, и приложение вакуума. Другой прием работы с надутыми
оправками заключается в перенесении неотвержденного изделия в закрытую
форму и проведении отверждения с наддувом через оправку.
Свойства некоторых материалов для оправок приведены
в табл. 16-8. На рис. 16.6 [11] схематически показан каркас вы-
мываемой алебастровой оправки. На рис. 16.7 [12] представлена
зависимость толщины оправок, изготовленных из трех разных
материалов, от диаметра цилиндра. В этом случае сосуд рассчитан
на предварительное напряжение, равное 20 % рабочего давления.
При этом сделаны два допущения: радиальное давление от на-
мотки волокна составляет 20 % от рабочего давления в цилиндре;
допустимый радиальный прогиб оправки под действием натя-
жения при намотке не более 0,5 мм.
217
16.3.4. Торцовые крышки
Торцовые крышки сосудов высокого давления или механиче-
ски крепят к цилиндрической части, или изготовляют намоткой
заодно с ней. Первый способ оказался удобным для некоторых
промышленных производств. Для сосудов с высокими эксплуата-
ционными качествами, применяемых, например, в ракетных дви-'
гателях, головные части должны быть их неотъемлемой частью.
Конфигурация головной части несколько отличается от сфериче-
ской формы, которая менее эффективна. Траектория волокна
обеспечивает равновесие меридиональных и окружных сил и соз-
дает такие условия намотки, при которых не происходит про-
скальзывания материала. Конфигурация головной части и свя-
занные с ней полюсные утолщения являются критическими пара-
метрами конструкции сосуда. Ниже кратко рассмотрены очерта-
ния, характерные для спиральной и плоской намотки [12, 16].
16.3.4.1. Геодезический, изотензоид
Такое очертание, характерное для равнонапряженной волок-
нистой структуры, обычно получается при спиральной намотке.
Движение волокна принимается тангенциальным к полюсным утол-
щениям (рис. 16.8) [15]. Положение каждой точки на этом пути
определяется ее меридиональным и окружным г2 с радиусами.
Эти радиусы связаны с координатами х и у, определяющими очер-
тания фигуры, следующим образом:
_[1 + (/)2]3/2 .
Г-----------------’
— х[1 + (</')2]1/2
'2“ ,
(16.1)
(16.2)
где у' и у" — первая и вторая производные у по х.
Главные силы, действующие на мембрану в результате вну-
треннего давления Р, определяют по формулам:
Рг
меридиональная = —2^-; (16.3)
окружная Nq = [2 — (16.4)
В равновесном напряженном состоянии значения прочности
волокна по главным направлениям равны этим силам, что позво-
ляет записать следующее выражение:
f=wfer = 2-tg2a’ (16-5>
где a — угол намотки. При геодезической намотке справедливо
уравнение
x-sin a = const. (16.6)
218
Рис. 16.8. Геометрия изделия при гео-
дезической намотке:
/ — траектория движения волокна; 2 —
меридиан, проходящий через точку Р
Рис. 16.9. Геометрия изделия при пло-
скостной намотке:
1 — плоскость намотки; 2 — точка Р (х,
у); 3 — движение волокна в плоскости;
4 — базовая меридиональная плоскость;
5 — меридиан, проходящий через точку Р
В точке касания а = 90° и
sin а = х0/х, (16,7)
где х0 — диаметр утолщения.
Решение уравнений (16.5) и (16.7) дает координаты контура.
Их решение в общем случае может быть получено путем поэтап-
ного интегрирования на ЭВМ. Возможны и графические методы
решения [14, 16]. Когда tg2 а — 2, уравнение (16.5) применять
нельзя. Самый простой способ решения за этой точкой перегиба
заключается в продлении радиуса сферы до пересечения с полюс-
ным утолщением.
16.3.4.2. Плоская или уравновешенная в плоскости конфигурация
Путь волокна для получения такого контура образуется ли-
нией пересечения плоскости с торцовой крышкой (рис. 16.9) [15].
В этом случае главные напряжения уравновешиваются регулиро-
ванием мгновенных радиусов кривизны в каждой точке. Уравне-
ние плоскости намотки:
х cos 0 = В + Ау. (16.8)
Угол намотки волокна в любой точке определяется уравнением
, _ Л sin <р + cos <р cos 6
° ~~ sin 0
где
tg ф = —У'.
(16.9)
(16.10)
219
Рис. 16.10. Схематическое изображение плоскостной намотки:
А — головная часть; Б — экватор; В — резиновая футеровка постоянной толщины 0,5 мм;
Г — окружная намотка; Д — полюсная намотка; 1С = 138,5 мм — длина сосуда; 1^ =
= 73,7 мм Длина цнлнндра
16.9. Геометрические характеристики плоскостной намотки контура свода
Экватор, мм Утолщение, мм
и X и X У X
0 50,80 24,87 35,05 31,04 12,45
8,10 49,5 26,42 30,73 — —
11,15 48,26 28,72 25,40 — —
13,36 46,99 29,95 20,32 — —
15,54 45,72 30,71 15,16 — —
21,34 40,39 — — — —
16.10. Контур головной части при спиральной намотке
Угол, градус t, мни X У Угол, градус t, мни X У
17 6 1,00 0,00 29 12 0,60 0,54
18 — 0,95 0,22 32 16 0,55 0,56
19 6 0,90 0,31 36 — 0,50 0,58
20 15 0,85 0,37 40 46 0,45 0,59
21 38 0,80 0,42 47 18 0,40 0,60
23 5 0,75 0,46 57 2 0,35 * *» 0,61
24 50 0,70 0,49 78 32 0,30 0,62
26 48 0,65 0,52 90 — 0,29 *а 0,63
*1 Экватор.
*2 Точка перегиба.
*3 Полюсное утолщение.
220
Совместное решение уравнений (16.5), (16.8)—(16.10) дает
контур изделия и траекторию движения волокна.
На рис. 16-10 [17] показана фигура, образованная при ти-
пичной плоскостной намотке, размеры которой приведены
в табл. 16.9. Следует отметить, что расчеты для обоих контуров
основаны на анализе переплетений с учетом всех допущений
этого метода.
В табл. 16.10 приведены координаты геодезического изотенсо-
идного контура в радиальном (X) и осевом (У) направлениях.
16.3.5. Подача материала и контроль процесса
Оборудование для подачи на оправку ровинга из бухт весьма
специфично именно для процесса намотки. Оно снабжено сред-
ствами контроля натяжения, содержания смолы, ширины полосы
и толщины слоя. Точный контроль параметров этого процесса
предотвращает повреждение волокна и приводит к получению од-
нородных изделий с оптимальными механическими свойствами.
Необходимое натяжение поддерживается с помощью глазков
нитеводителя, барабанных тормозов, игольных брусков в виде
ножниц, устройств для протягивания волокон через ванночку
со смолой. Обычно перед укладкой натяжение волокна дости-
гает 1 ... 4,4 Н. Как правило, натяжение сухих волокон должно
быть минимальным, чтобы предотвратить их сильное истирание
и спутывание. Затем при прохождении нитей через ванночку со
смолой и подающий рычаг оно увеличивается. Если ровинг хра-
нится в виде бухты, т. е. не намотан на шпулю, и разматывается
изнутри, необходимое начальное натяжение достаточно прило-
жить, пропуская нить только через глазки нитеводителя. Когда
же ровинг намотан на шпулю и, следовательно, разматывается
снаружи, каждая паковка должна иметь какое-нибудь тормозное
устройство. После начального натяжения требуется минимальное
количество нитепроводников для подачи нитей в ванночку со
смолой. Керамические нитепроводники, применяемые при работе
с текстильными волокнами, превосходят аналогичные детали из
других материалов, таких как нержавеющая сталь и тефлон.
На рис. 16.11 [21 показано несколько вариантов расположения
нитепроводников, а в табл. 16.11 приведены их преимущества и
недостатки.
Рис. 16.11. Расположение нитеводителей ровинга:
а — глазки нитеводителя расположены в линию; б — глазок нитеводителя с нейтральным
вращением; в — вращающиеся игольные брусы в виде ножниц
221
16.11. Преимущества и недостатки различных способов
расположения иитепроводов
Способ расположения Преимущества Недостатки
Глазки иитепроводников 1. Простота н экономил- 1. Не регулируется, расположены в линию ность 2. Движение может про- (рис. 16.11, а) исходить более резкими толчками, чем в других методах Глазок иитепроводника 1. Можно регулировать 1. Для установки в шпу- с центральным вращени- каждую паковку. лярннке требуется много ем (рис. 16.11,6) иитепроводников. 2. Обеспечивается сред- 2. Труднее продевать ний уровень натяжения нить Вращающиеся игольные 1. Легкое продевание 1. Ограниченный диапа. брусы в виде ножниц нити. зон натяжений. (рис. 16.11, в) 2. Низкая стоимость; 2. При многониточных один ряд игольных брус- паковках нити могут пе- ков может обслужить репутаться много паковок
Рис. 16.12. Пропитка ро-
винга:
а — ванна для пропитки о
подачей с двух уровней; б —
пропитка с помощью валика
с подачей с одного уровня;
1—16 прядей, сматываемых
со шпулярника и подавае-
мых с зазором 25,4 мм; 2 —>
подача мокрой прядн иа
оправку; 3 — 4 ... 8 нитей
на 25 мм; 4 — валики диа-
метром 12,7 мм; 5 — ракля;
6 — иглы диаметром 3,2 ...
4,8 мм; 7 — ъшк диаметром
127 мм
222
Рис. 16.13. Машина для
пропитки волокна:
1 — сухая прядь, сматываемая
со шпули; 2 — гребенка для
выпрямления волокон; 3 — ван-
на со смолой; 4 — нагреватели
ванны; 5 — пропитывающие ва-
лики (3); 6 — систолический
насос; 7 — впускное отверстие
насоса с дозирующей насадкой;
8 — отверстие для разлива смо-
лы; 9 — вентилятор подачи го-
рячего воздуха; 10 — отверстие
для выпрямления волокон; И—
пряди мокрого волокна, напра-
вляемые к намоточному стайку
Конструкция ванночки для пропитки волокна зависит от ко-
личества пропускаемых стренг, скорости процесса, вязкости
смолы, продолжительности ее желатинизации (времени гелеобра-
зования) и от того, надо ли ее нагревать или нет. Рис. 16.12 [2]
иллюстрирует два основных способа пропитки стренг. В первом
случае нити проходят под валиками, расположенными в смоле.
Альтернативный способ заключается в их пропускании над ва-
ликом. Более сложная конструкция с нагревом ванны и валиков
показана на рис. 16.13 [181. Через такую ванну проходит пятнад-
цатиниточный ровинг под натяжением 17,8—26,7 Н. Для снятия
избытка смолы со стренг, когда они выходят из ванны, чаще всего
применяют различные протирочные устройства или раклю.
Рис. 16.14. Способы формирования ленты из ровинга:
о- — прямым стержнем; б — изогнутым стержнем с прямыми плечами; в — кольцом нли
закругленным стержнем; г — гребенкой; 1 — линия, параллельная осн оправки
223
16.12. Преимущества и недостатки различных способов формирования ленты
Способ формирования Описание способа Преимущества Недостатки
Прямым стержнем Пряди прохо- дят по за- 1. Простота и эко- номичность 1. Слишком сильное скольжение при намот-
(рис. 16.14, а) крепленному 2. Удобен при на- ке под малыми углами
стержню и приводит к сужению
выравнивают- мотке под большими ленты.
ся, образуя ленту. углами и круговой намотке 2. Стренги сдваивают- ся при поворотах.
Стержень Примечание. Эти
должен рас- недостатки можно све-
полагаться сти к минимуму, уста-
вплотную нови в стержень на
к оправке шарнире
Изогнутым Направляю- 1. Простота и эко- 1. Форма изделий
стержнем щий стержень комичность. ограничена данным
с прямыми изогнут под углом намотки.
плечами (рис. 16.14 б) углом, кото- рый в 2 раза больше угла намотки 2. Минимальное пе- репутывание стренг. 2. Не пригоден для круговой намотки, ес-
ли середина недоста- точно ровная для дан- ной ширины ленты.
3. Обеспечивает точ- 3. Последняя точка
ный контроль шири- контакта расположе-
ны лент уже 51 мм на не так близко от оправки, как в кон- струкции с прямым стержнем
Кольцом или Радиус кри- 1. Пригоден при ши- 1. Плотность ленты
закругленным визны стержня роком диапазоне меняется в поперечном
стержнем равен ширине углов намотки. направлении, особенно
(рис. 16.14, в) ленты или при намотке под ма-
больше ее 2. Используется в лыми углами. 2. Над кольцом или
широком диапазоне закругленным стерж-
ширин ленты (типа R нем должно быть боль-
или уже). шее свободное про-
3. Может распола- странство для прохода
гаться ближе к оп- прядей
равке, чем изогну- тый стержень.
4. Применяется при
намотке очень плот- ных лент.
5. Лента зависит от устройства оправки меньше, чем при ис- пользовании прямо- го или изогнутого стержня
224
Продолжение табл. 16.12
Способ формирования Описание способа Преимущества Недостатки
Гребенкой (рис. 16.14, г) Пряди прохо- дят через гре- бенку с очень мелкими зубь- ями, а затем по прямому стержню 1. Максимальная точность контроли- рования ширины н плотности ленты 1- Трудности при за- правке прядей. 2. Петлн и узелки не проходят сквозь мел- кие зубьи гребенки. 3. Для улучшения ка- чества работы гребен- ка должна быть уста- новлена на шарнирах, что позволит менять направление при пово- роте, за исключением круговой намотки. 4. Изменение натяже- ния может вызвать не- большие отклонения положения ленты
На рис. 16.14 [21 изображено несколько способов формирова-
ния плоской ленты из ровинга. Во всех вариантах, преимущества
и недостатки которых приведены в табл. 16.12 [21, рычаг меха-
низма подачи стренг или отверстие, через которое проходят во-
локна, могут свободно разворачиваться на шарнирах при измене-
нии направления подачи волокна. Для более точного наложения
ленты на оправку движение площадей головки в направлении,
тангенциальном к оправке, регулируется автоматически. Создание
однородной плоской ленты приводит к повышению прочности и
равномерности изделий по толщине.
Зная плотность ленты (число нитей, приходящихся на 1 см
ширины) и содержание стекловолокна, можно рассчитать толщину
отдельного слоя. Результаты таких расчетов для ровинга типа 30
графически представлены на рис. 16.15 [21. Аналогичные диа-
граммы могут быть получены и для ровинга других типов. Экспери-
ментально было установлено, что при использовании прядей
волокна диаметром G толщина слоя при угловой намотке обычно
составляет 0,25 ... 0,38 мм. Слой, полученный кольцевой на-
моткой, имеет толщину 0,10 ... 0,18 мм. Однако следует отме-
тить, что эти показатели являются приближенными. Средняя тол-
щина слоя будет зависеть от точности, с которой поддерживается
заданное соотношение стекловолокна и смолы, количества пор и
степени уплотнения материала на оправке.
Скорости намотки изменяются в широком интервале. Имеются
сведения, что новые модели станков для намотки могут развивать
скорость до 137 м/мин. Однако такие высокие скорости не тре-
буются. Практически верхний скоростной предел представляется
8 П/р Дж. Любвна 225
довешенного слоя t от числа нитей стек-
ловолокна п, приходящихся на 25,4 мм:
V_ •— массовое содержание стекловолокна
в» м
целесообразным поддержи-
вать на уровне 91,4 ...
106,7 м/мин. Для обеспече-
ния более точной намотки,
особенно при использовании
углеродных и арамидных
волокон, обычно применяют
скорости 15,2 ... 30,5 м/мин.
16.4. Механические
свойства
16.4.1. Общие сведения
Обобщение свойств ком-
позитов, получаемых намот-
кой волокном, как и любых
других типов армированных
материалов, осложняется ря-
дом следующих факторов:
широким ассортиментом применяемых в настоящее время ви-
дов армирующих материалов и композиций смол, каждый из ко-
торых требует специальной оценки, причем многие из них еще
недостаточно исследованы;
большим влиянием на свойства материала параметров техно-
логического процесса, таких как постоянство соотношений долей
волокна и смолы, захват воздуха, степень уплотнения и отвержде-
ния, а также явная зависимость свойств изделий от качества их
изготовления;
влиянием особенностей структуры композита, таких как угол
намотки, последовательность слоев и торцовые крышки;
широким разбросом результатов испытаний, характерным во-
обще для слоистых пластиков;
различным подходом к оценке свойств поставщиками материа-
лов для аэрокосмических и коммерческих целей, что приводит
к несопоставимым результатам;
возможностью ухудшения отдельных свойств в результате
оптимизации конструкции изделий, которые должны обладать
специфическими механическими, химическими или электриче-
скими свойствами.
Следовательно, рассмотрению подлежат только некоторые ме-
ханические свойства, результаты испытаний типичных сосудов
высокого давления и труб общего назначения, а также некоторые
теоретически полученные значения. В многочисленных областях
применения этих изделий важную роль играют их химические и
электрические свойства, а также влияние окружающей среды на
композиционный материал. Однако эти вопросы не рассматри-
ваются в данной главе. Химические и электрические характери-
стики полученных намоткой волокном композитов в значитель-
226
ной степени зависят от выбора полимерной композиции. Поэтому
изучение свойств отдельных смол может дать представление и
о поведении композитов.
16.4.2. Аналитические методы
Поведение полученных намоткой волокном композитов ана-
логично поведению других типов слоистых материалов с располо-
женными под углом слоями армирующих компонентов. Поэтому
разработанные для них аналитические методы могут быть исполь-
зованы и для конструкций, получаемых намоткой. При рассмо-
трении этого вопроса с позиций макромеханики анализ композитов
базируется на предположении, что каждый слой является анизо-
тропным гомогенным монослоем. Монослой состоит из волокон,
ориентированных под углом ±а или однонаправленных. Свойства
монослоя обычно определяют экспериментальным путем, и анализ
структуры строится путем перехода от одного слоя к другому.
Микромеханический подход, наоборот, заключается в исследова-
нии характеристик чувствительности составных частей материала,
т. е. распределения напряжений и деформаций между армиру-
ющими волокнами и матрицей. При определении напряжений и де-
формаций по точкам принимают во внимание свойства армиру-
ющего материала и смолы, а также геометрию изделия. Этот анализ
микронапряжений устанавливает, какие нагрузки может выдер-
жать композит перед переходом через предел текучести в какой-то
точке или перед достижением критических напряжений. Микро-
механический подход применяется также для расчета характе-
ристик композиционного материала по известным их значениям
для входящих в его состав компонентов, а также для установления
влияния их изменения на соответствующие свойства композита.
Оба метода расчета рассмотрены в других главах этого спра-
вочника. Дополнительные данные, касающиеся непосредственно
получаемых намоткой волокном цилиндров, можно найти в ли-
тературе [14, 19—21].
Анализ переплетений представляет собой упрощенную про-
цедуру, применяемую, главным образом, для определения напря-
Рис. 16.16. Ориентация волокна при анализе с помощью метода сеток:
1 — одинарное волокно
8* 227
жений в волокнах цилиндрических сосудов, находящихся под
внутренним давлением. Этот метод основан на допущениях, что
несущей способностью обладает только армирующее волокно и
что все волокна нагружены равномерно. На рис. 16.16 изображена
двухслойная система из параллельных волокон, для которой
можно вывести уравнения переплетений.
Обозначим напряжение, приходящееся на площадь попереч-
ного сечения каждого стекловолокна, осв. Действующие силы
можно разложить на составляющие по осям X и Y, соответству-
ющим окружному и продольному направлениям соответственно.
Суммирование сил йо обоим направлениям приводит к следующим
уравнениям:
о» = <?св cos2 а; (16.II)
Оу = осв sin2 а; (16.12)
= tg2 а, (16.13)
где а — угол намотки.
Если конструкция состоит из двух слоев, намотанных под
разными углами, можно вывести следующие выражения.
Продольное направление:
сгпр (^i + 4) = cos2 а + 0^4 cos2 а. (16.14)
Окружное направление:
оОКр Gi + Q = <Vi sin2 + a2t2 sin2 а2. (16.15)
Когда наружный слой состоит только из окружных намоток,
уравнения (16.14) и (16.15) упрощаются:
Onp^i = °iA cos2 о^; (16.16)
Оокр (ti + Q = 01^1 sin2 + (J2t2, (16.17)
где опр — продольное напряжение; о0кр — окружное напряже-
ние; с?! — напряжение в волокне сЛоя 1; о2 — напряжение в во-
локне слоя 2; tr и t2 — толщина слоев 1 и 2; <Zi и а2 — углы
намотки слоев 1 и 2.
Обычно ог = о2 = осв. Тогда отношение толщин, получен-
ных окружной (£окр) и спиральной (fc0) намоткой, в закрытом
сосуде высокого давления можно выразить с помощью уравнения
-~кр- = 2 cos2 (Xi — sin2»! = 3 cos2 ct! — 1. (16.18)
*сп
Модуль упругости Е в направлении волокна и коэффициент
Пуассона часто определяют по «правилу смесей» (правило адди-
тивности).
Модуль в продольном направлении
Ex = EBVB.Q + EaVu.o. (16.19)
Коэффициент Пуассона
"vXy = vBVB. о о> (16.20)
где Ео — объемная доля, а нижние индексы «в» и «м» обозначают
волокно и матрицу соответственно.
228
16.4.3. Аналитические решения
Теоретические аппроксимации для расчета основных свойств
композиционных материалов могут быть использованы для эскиз-
ного проектирования и получения представлений о поведении
материала. Можно также найти корреляцию между теоретически
рассчитанными и эмпирическими значениями. Табл. 16.13 [22]
является типичной распечаткой ЭВМ, где представлены свойства
композитов в зависимости от угла намотки а. Все четыре мате-
риала содержат 50 % волокна по объему.
Кривые на рис. 16.17—16.20 [23] позволяют сравнить значе-
ния упругих констант и коэффициента Пуассона, полученные
ранее экспериментальным путем и рассчитанные теоретически.
На рис. 16.17 приведены теоретические кривые для двух мате-
риалов А и Б, полученных с использованием одного и того же
стекловолокна (£п = 10,5е МПа, GB = 4,3-10® ГПа, vB = 0,22)
и разных смол. Смола А имеет следующие характеристики: £м =
Рис. 16.17. Зависимость модуля упру-
гости при растяжении Е от объемного
содержания смолы (матрицы) Ум, о в
слоистом пластике с однонаправленной
ориентацией волокон:
Св — стекловолокно; См —• смола; Э —
экспериментальные Данные
Рис. 16.18. Зависимость модуля упру-
гости при растяжении Е от угла намот-
ки слоя а при приложении нагрузки по
окружности:
1 — теоретически рассчитанная кривая для
объемного содержания смолы 43 %; 2
экспериментальные точки
229
16.13. Свойства моиослоя при различных углах намотки
V Е, ГПа ов, МПа °СЖ’ МПа ТСД’ МПа
UXY UYX ЕХ EY GXY FXTU FYTU FXCU FYCU FXY
Е-стекло/эпоксидная смола, Ув 0 = 50 %, р = 1843 кг/л3 0 0,285 0,092 37,9 12,2 1,8 948,1 00,0 637,8 202,7 37,9 5 0,309 0,101 37,2 12,1 2,1 911,6 1,4 628,1 200,6 48,3 10 0,380 0,126 35,2 11,7 2,9 815,7 4,1 599,2 193,7 66,9 15 0,491 0,169 31,9 11,0 4,1 690,2 13,1 548,1 183,4 91,0 20 0,627 0,232 27,3 10,1 5,7 560,5 23,4 475,7 169,6 119,3 25 0,762 0,314 21,9 9,0 7,2 444,7 37,9 386,1 152,4 148,2 30 0,862 0,415 16,3 7,9 8,8 346,1 57,2 290,3 133,8 175,8 35 0,901 0,533 11,0 6,8 10,0 266,8 81,4 204,8 117,2 198,6 40 0,868 0,660 8,1 6,2 10,8 202,7 113,1 144,8 107,6 213,7 45 0,780 0,720 6,5 6,5 11,0 152,4 152,4 114,5 114,5 218,6
S-стекло/эпоксидная смола, VB. 0
= 50 % , р = 1816 кг/м3
0 0,285 0,080 45,1 12,5 1,8 1120,4 0,0 741,2 203,4 37,2
5 0,313 0,088 44,3 12,4 2,1 1069,4 1,4 729,5 201,3 49,6
10 0,395 0,113 41,8 12,0 3,1 939,1 5,5 694,3 194,4 69,6
15 0,523 0,157 37,7 11,3 4,6 775,0 13,1 632,9 184,1 97,9
20 0,678 0,219 32,1 10,3 6,4 615,0 23,4 544,7 169,6 131,0
25 0,828 0,302 25,2 9,2 8,3 476,4 37,9 434,4 151,7 166,9
30 0,933 0,407 18,3 8,0 10,1 364,7 57,2 317,8 132,4 200,6
35 0,962 0,531 12,4 6,8 11,6 277,2 82,0 216,5 115,1 229,6
40 0,911 0,668 8,5 6,2 12,6 208,2 113,8 146,9 105,5 248,9
45 0,803 0,803 6,6 6,6 12,9 155,1 155,1 112,4 112,4 255,8
Арамидное волокно/эпоксидная : смола VB. о = 50 %, р = 1295 кг/м3
0 0,285 0,022 67,2 5,2 1,6 1120,4 0,0 241,3 18,6 9,7
5 0,376 0,030 65,8 5,2 2,1 1036,3 0,7 237,2 18,6 13,1
10 0,633 0,053 61,6 5,2 3,4 841,9 3,4 223,4 18,6 20,0
15 0,996 0,092 54,0 5,0 5,5 635,0 7,6 197,2 17,9 31,0
20 1,340 0,150 42,9 4,8 8,1 465,4 13,8 157,9 17,2 46,9
25 1,525 0,230 30,6 4,6 10,9 337,6 22,8 113,1 17,2 65,5
30 1,499 0,335 20,0 4,5 13,5 246,8 33,8 73,8 15,9 83,4
35 1,321 0,470 12,5 4,5 15,7 180,0 49,6 46,2 15,9 96,5
40 1,083 0,640 8,1 4,8 17,0 131,7 69,6 29,6 17,2 104,8
45 0,847 0,847 5,9 5,9 17,4 96,5 96,5 21,4 21,4 107,6
Углеродное волокно/эпоксидная ' смола , Vb. О = 50%, , Р = ‘ 1450 кг/м3
0 0,285 0,015 118,8 6,0 3,5 1120,4 0,0 741,2 37,2 27,6
5 0,416 0,022 116,6 6,1 4,3 1052,4 0,7 728,8 37,9 37,2
10 0,771 0,043 109,0 6,1 6,7 887,4 4,1 684,7 37,9 52,4
15 1,225 0,081 94,6 6,2 10,3 697,1 9,7 598,5 38,6 75,2
20 1,574 0,136 81,6 6,4 14,7 528,1 17,2 474,4 40,0 105,5
25 1,676 0,211 54,0 6,8 19,4 394,4 28,3 342,7 42,1 144,8
30 1,551 0,310 36,7 7,4 23,7 293,7 42,7 233,0 45,4 185,5
35 1,309 0,439 24,8 8,3 27,3 217,9 61,4 157,2 51,7 222,7
40 1,044 0,601 17,2 9,9 29,6 151,1 85,2 108,9 62,1 247,5
45 0,803 0,803 12,7 12,7 30,5 118,6 113,6 79,3 79,3 255,8
230
Рис. 16.19. Зависимость модуля упругости при сдвиге бСд от угл^ намотки
слоя а при кручении (/, 2— см. подпись к рис. 6.18)
Рис. 16.20. Зависимость коэффициента Пуассона v от угла иамотки слоя а при
кольцевом растяжении (1, 2 — см. подпись к рис. 16.18)
= 4,29-105 ГПа, GM = 1,67-105 ГПа, цм = 0,284. Смола Б 1 Ем =
= 5,41-105 ГПа, GM = 1,96- 10е ГПа, vM = 0,380.
Кривые для объемного содержания смолы Гм.о = 0,21 об. ч.
построить невозможно.
Большинство аналитических методов предполагает, что свой-
ства материала являются аддитивной характеристикой даже в тех
случаях, когда известно, что это не так. Аналитический метод
в работе [21] учитывает наблюдаемую нелинейность. Сравни-
тельные значения напряжений при линейном и нелинейном ана-
лизе шестислойного цилиндра из армированной стекловолокном
эпоксидной смолы при внутреннем давлении Рв — 27,58 МПа
приведены в табл. 16.14 [21]. Четыре внутренних слоя намотаны
под углом 54°, а два наружных — под углом 83°. Как уже отмеча-
лось, нелинейность снижает напряжение во внутренйих слоях
и увеличивает его в наружных слоях. На ряс. 16.21 представ-
лена типичная зависимость эффективного модуля от угла намотки.
16.4.4. Результаты экспериментальной проверки
В табл. 16.15 приведены значения предела прочности на раз-
рыв о под действием внутреннего давления для сосудов высокого
давления разных диаметров. Эти сосуды получали намоткой стек-
Рис. 16.21. Зависимость эф-
фективного модуля ЕВф от уг-
ла намотки а материала из
полиэфирной смолы, армирован-
ной стекловолокном:
1 — осевые усилия; 2 — окружные
Усилия
Еэф. ГПа.
1 I 1__________________ । I.J
О ZO ‘гО . 60 90а°
231
16.14. Сравнительные
значении напряжений
в волокнах
№ слоя Напряжение, МПа, при анализе
линей- ном нели- нейном
1 407,2 316,6
2 404,1 329,4
3 404,3 340,4
4 401,5 338,0
5 792,8 967,3
6 784,6 949,7
16.15. Прочность иа разрыв сосудов высокого
давления под действием внутреннего давления
D, мм Предел прочности <*р» ГПа
волокна компознта
101,6 2,76—3,31 1,24—1,45
152,4 2,62—2,90 1,24—1,45
304,8 2,48—2,76 1,10—1,24
457,2 2,34—2,76 1,10—1,24
1117,6 2,07—2,55 0,90—1,10
1371,6 2,00—2,41 0,86—1,03
6604 * 1,79—2,00 0,86—1,21
* Расчетные значения.
16.16. Поправочные коэффициенты для расчета допустимых напряжений
D, мм Коэффициент для волокон D, мм Коэффициент для волокон
окружных продольных окружных продольных
100 0,99 0,95 1120 0,93 0,87
460 0,96 0,89 1370 0,92 0,86
910 0,94 0,87 7620 • 0,87 0,83
* Получено экстраполяцией.
16.17. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном «Кевлар»,
с резиновой футеровкой при плоскостной иамотке
Показатель Диапазон
Диаметр, мм
LID
Диаметр утолщения (в % от диаметра сосуда)
Предел прочности иа разрыв под действием внутреннего
давления, МПа
Модуль композиционного материала при разрыве, ГПа:
продольный
окружной
Максимальная деформация, %:
осевая
окружная
РвГ/Ф'л композиционного материала, кПа-м3/кг
Максимальное окружное напряжение волокон, ГПа
102
1,3—3,0
10—23
16,9—19,1
22,1—34,5
49,6—62,7
1,5—1,7
1,5—2,0
371—391
2,89—3,05
232
лопластика на основе эпоксидной смолы, содержащей 55 ... 65 %
волокна S-стекла по объему. На основании анализа переплетений
по величине разрушающего давления рассчитывали средние зна-
чения напряжений в волокне и композиционном материале. Необ-
ходимо отметить, что разрушающее давление резко изменяется
в зависимости от скорости увеличения давления и продолжитель-
ности выдержки сосуда при промежуточных значениях давления.
Из приведенных данных следует отмеченное выше снижение проч-
ности изделия с увеличением его диаметра. Для нейтрализации
этого эффекта варьированием допустимых напряжений в волокне
были использованы поправочные коэффициенты. В табл. 16.16
[12] приведены их значения, установленные одним из поставщи-
ков таких материалов. Данные были получены'эксперименталь-
ным путем — на сосудах различного диаметра (до 1370 мм) и
экстраполяцией — для диаметра 7620 мм. Аналогичные коэффи-
циенты могут быть применены при варьировании толщины и
L/D (отношение длины к диаметру сосуда).
Установлено, что для получения сосудов высокого давления,
предназначенных для хранения сжиженного газа и жидкостей
при температуре окружающей среды и в криогенных условиях,
вместо волокна S-стекла лучше применять арамидное или угле-
родные волокна. Краткое изложение программы НАСА по этому
вопросу содержится в литературе [25] и сжато изложено ниже.
Для этих сосудов разработано три типа футеровки: резиновая,
из-тонкого листового металла и из несущего часть нагрузки ме-
талла. Сравнительно низкий модуль S-стекла ограничивает его
эксплуатационную надежность при использовании резиновой фу-
теровки. Такие сосуды можно применять только до средних давле-
ний и температур. Материал, состоящий из арамидного волокна
и эпоксидной смолы, с тонкой алюминиевой футеровкой имеет
показатель эксплуатационной надежности порядка 3-10® см.
Этот показатель определяют как произведение разрывного вну-
треннего давления Рв на объем сосуда, деленное на его массу,
т. е. PBV/WK. Эксплуатационные свойства сферических и цилин-
дрических сосудов одинаковы. В исследованном диапазоне диа-
метров сосуды с плоскостной намоткой превосходят сосуды со
спиральной намоткой. Сосуды из эпоксидной смолы, армирован-
ной углеродным волокном, с несущей нагрузку футеровкой из
титана имеют самую малую массу и самую большую долговечность
при циклических нагрузках: 3000 циклов под давлением, равным
50 % средней прочности на разрыв под действием внутреннего
давления. Сосуды с арамидным волокном несколько тяжелее,
имеют среднюю долговечность при циклических нагрузках и де-
шевле сосудов из углеродного волокна. Типичные результаты
испытаний опытных сосудов приведены в табл. 16.17—16.19 [25].
Прочность на разрыв под действием внутреннего давления за-
висит от метода определения. В табл. 16.20 приведены результаты
испытаний труб в двух разных условиях: с закрепленными тор-
233
16.18. Сосуды из эпоксидной смолы, армированной волокном «Кевлар»,
с алюминиевой футеровкой
Показатель
Диаметр, мм
P3VlWK композиционного материала, кПа-м3/кг
Максимальное напряжение волокон, ГПа:
осевое
окружное
Диапазон
152,4
354—438
2,21—2,98
2,43—2,95
16.19. Сосуды нз эпоксидной смолы,
армированной графитированным волокном с титановой футеровкой
Показатель Диапазон Среднее значение
Диаметр, мм 102
PBV/WK композиционного материала, кПа-м3/кг 359—438 406
Г’вГ/й^с сосуда в целом, кПа-м’/кг 214—259 241
16.20. Трубы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном
Показатель Трубы с торцами
закрепленными свободными
Окружное напряжение, МПа:
при разрыве 461 285
при утечке 101 259
при нелинейности Деформация, %: 44 48
при разрыве: 1,75 2,4
окружная
осевая 1,62 —1,6
при утечке: 0,33
окружная осевая 2,26 —1,53
0,22
при нелинейности:
окружная 0,13 0,22
осевая 0,04 —0,13
цами, когда окружное напряжение вдвое выше осевого, и со сво-
бодными торцами, которые могут скользить так, что осевое напря-
жение равно нулю. Образцы труб для этих испытаний получали
намоткой стекловолокном, пропитанным полиэфирной смрлой,
под углом 54° 44', при среднем объемном содержании волокна
в композиции 53 %. Приведенные значения являются средними
234
16.21. Прочность труб при одноосном сжатии, кручении и изгибе
Ориентация Предел прочности, МПа
а° Доля окружной намоткн, % при сжатии при кручении при изгибе
15 0 276—421 172—207 179—214
15 9 — 276—290 —
15 18 — 269—296 ——
15 27 — 248—262 —
30 0 214—296 345—476 186—207
45 0 214—228 365—496 228—276
45 9 296—310 427—496 296—338
45 18 269—338 427—469 338—372
45 27 310—345 359—427 324—345
16.22. Характеристики труб, полученных намоткой волокна с продольной (0°)
и окружной (90°) ориентацией
Параметр Значение Параметр Значение
ов, МПа 410 £, ГПа 16,5 осж, МПа 217 £сж, ГПа 17,9 GCB, ГПа 4,8 v 0,132 р, кг/м3 2000
16.23. Комбинированные трубы, изготовленные иа машиие «Дростхолм»
Состав н свойства Резервуары Трубы
канализа- ционные напорные
Окружная намотка, % Рубленое волокно, % 2 5 40—50
24 15 15—20
Песок, % — 40 —
Полиэфирная смола, % ов, МПа, в направлении: 74 40 30—45
окружном 87—97 97—107 483—586
осевом 78 48,3 48,3
ои, МПа 135 155 483—586
Ея, ГПа 5,86 8,6 24,1
156 172 386—483
р, кг/м3 1400 1750 1800
из пяти определений. При испытании труб с закрепленными тор-
цами растрескивание смолы начиналось сравнительно быстро
после приложения давления и приводило к получению нелиней-
ных характеристик. При увеличении давления поведение труб
было таким, как будто произошло полное отслоение смолы. Утечка
начиналась рано в виде капелек, стекавших параллельно волок-
235
нам. Разрыв сопровождался значительным разрушением волокон.
При испытании труб со свободными торцами разрушение в основ-
ном носило характер сдвиговых явлений в смоле. Утечка начи-
налась довольно неожиданно при давлении, более близком к пре-
дельному [28].
В табл. 16.21 [261 и 16.22 [29] представлены результаты испы-
таний труб с различной ориентацией волокон под действием
одноосного сжатия и растяжения, а также их сдвиговые харак-
теристики при кручении и изгибе. Свойства промышленных труб,
изготовленных по методу «Дростхолм», приведены в табл. 16.23
[27]. Этот метод основан на намотке непрерывными стеклянными
стренгами только в окружном направлении. Рубленое стеклово-
локно используется лишь для продольной намотки. Полимерную
композицию подбирают в зависимости от назначения изделий
(канализационные системы, резервуары для хранения или напор-
ные трубопроводы), соответственно варьируя свойства.
16.4.5. Методы испытаний
В табл. 16.24 приведены методы общества ASTM, которые
можно непосредственно применять для испытаний композитов,
полученных намоткой.
16.24. Стандартные методы испытания изделий,
изготовленных намоткой композитов
Стандарт ASTM Наименование
D2344 Пластмассы армированные. Определение кажущейся прочности
D2290 на горизонтальный срез методом короткого бруса Кольца пластмассовые армированные с параллельным направ- лением волокон. Определение кажущейся прочности при растя-
D2291 женин методом раздвигающегося диска Образцы кольцеобразные для определения механических свойств армированных пластмасс. Рекомендуемая технология изготов- ления
D2586 Цилиндры из пластмасс, армированные стекловолокном. Me-
D2585 тоды определения прочности при гидростатическом сжатии Сосуды, работающие под давлением, намотанные из отдельных нитей. Технология изготовления и методы испытания на растя- жение
D2343 Волокно, пряжа и ровница стеклянные для армирования пласт-
D3039 масс. Методы определения прочности при растяжении Соединения из ориентированных волокон. Методы определения прочности на растяжение
D2355 Однонаправленные композиционные материалы. Определение
D3299 содержания волокна Химически стойкие резервуары, получаемые намоткой стекло-
D2924 волокна, пропитанного полиэфирной смолой. Спецификации Трубы пластмассовые. Методы испытания при наружном дав- лении
236
16.5. Заключение
Метод намотки волокном считается в настоящее время универ-
сальным способом переработки армированных пластмасс. Он
применяется в основном для промышленного производства резер-
вуаров и труб для хранения и транспортировки различных хими-
калиев и технических веществ. Полиэфирные смолы и стекло-
волокно — главные составные части армированных материалов,
они и будут, по-видимому, оставаться таковыми в обозримом
будущем. Отмечается растущее применение углеродного и ара-
мидного волокон, особенно для получения сосудов высокого
давления, работающих в весьма ответственных условиях эксплуа-
тации. В качестве матрицы (связующего) в этих случаях наиболее
пригодна эпоксидная смола. Можно ожидать новых усовершен-
ствований метода намотки на месте применения и комбинирован-
ной намотки, например стекловолокна на поливинилхлоридную
трубу. Другая изучаемая возможность — это прямое прессование
намотанного слоями волокна. Эти методы формования могут обе-
спечить уникальные возможности получения конструкционных
изделий, масса которых является определяющим фактором.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Schmitz G. К. and Metcalfe A. G., «Characterization of Flaws on Fiberglass»
. 20th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composites, SPI, Was
’ hington, D. C., 1965.
2. Owens-Corning Fiberglass, Publication No. 5-CR-6516, 1974.
3. PPG Industries, Bulletins F-131A, F-132B, Hybon 2000 Series.
4. Goldsworthy Engineering, USAAMRDL-TR-76-5, 1976.
5. Whisenhunt F. S., Jr„ NRL 6161, 1964.
6. Chiao T. T., Jessup E. E. and Penn L., «Screening of Epoxy Systems for
High Performance Filament Wound Applications», 7th Natl SAMPE Confe-
rence, October 1975.
7. Duffy J. V., NSWC/WOL/TR 75-48, 1975.
8. Rinde J. A. and Newey H. A., UCID-17219 (Lawrence Livermore Labora-
tories), 1976.
9. Shell Chemical Co., Technical Bulletin SC-122-76.
10. Mahler J. P. and Bradley R. T., UCRL-51934 (Lawrence Livermore Labo-
ratories), 1975.
11. Grumman Aircraft, ADR 08-18-67.2, 1967.
12. Aerojet-General, ML-TDR-64-43 Volumes I & II, 1964.
13. Darms F. and Litvak S., «Optimum Design for Filament-Wound Rocket
Motor Cases», 19th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Compo-
sites, SPI, Washington, D. C., 6-D, 1964.
14. Hofeditz J. T., «Structural Design Considerations for Fiberglass Pressure Ves-
sels», 19th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composites, SPI,
Washington, D. С., 7-C, 1964.
15. Aerojet-General, AFML-TR-68-126, 1968.
16. Picatinny Arsenal, Technical Report 3257, 1965.
17. Hoggatt J. T., NASA-CR-120835.
237
18. Hughes Aircraft, USAAMRDL-TR-77-19A, 1977.
19. Advanced Composites Design Manual, Volume IV, Rockwell International,
1973.
20. Reuter R. C., Jr., J. Composite Materials 6, January 1972.
21. Craddak J. N. and Zak A. R., J. Composite Materials 11, April 1977.
22. Fiber Science, Inc., USARTL-TR-77-53, February 1978.
23. B. F. Goodrich, ABL Subcontract 89, 1964.
24. Young E. C., 18th Petroleum Mechanical Engineering Conference, 1963.
25. Lark R. F., NASA-TM-73699, 1977.
26. Vogt C. W„ Haniuk E. S. and Trice J. M„ Jr., AFML-TR-66-274, 1966.
27. Gilbu A., «New Developments in Connection with Production of Pipes and
Tanks on Drisiholm Machine», 31st Annual Technical Conference, Reinforced
Plastics/Composites, SPI, Washington, D. С., 9-B, February 1976.
28. Hull D., Legg M. L. and Spencer B., Composites, January 1978.
29. Chiao T. T., SPE Regional Conference, Cleveland, 1965.
17. НЕПРЕРЫВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
ПРОЦЕССЫ
У. Б. Гоулдзуэрди
Быстро расширяющееся применение деталей из композитов
в автомобильной и других крупномацштабных отраслях промыш-
ленности привлекает особое внимание к непрерывным производ-
ственным технологиям, используемым для производства этих кон-
струкционных материалов. Непрерывный процесс их получения
от сырья до готового продукта обеспечивает оптимальную эффек-
тивность производства в тех случаях, когда это оправдано объемом
выпуска изделий. При работе с композиционными материалами,
свойства которых зависят практически только от ориентации
волокон, непрерывный процесс дает дополнительное преимуще-
ство, обеспечивая надежный контроль их ориентации и натяжения.
Сочетание этих методов переработки с другими приводит к такой
экономии материала, которую не удается достичь при других
технологиях производства.
Ускоренная эволюция процессов переработки композитов вле-
чет за собой быстрое развитие новых непрерывных методов формо-
вания. Чтобы получить необходимое представление о них, рас-
смотрим некоторые установки непрерывного действия, применяе-
мые в настоящее время для этих целей.
17.1. Пултрузия
Эта технология производства конструкционных профильных
изделий из одноосно-ориентированных волокнистых пластиков
непрерывным способом, например на машинах типа «Гластрудер»
(рис. 17.1) фирмы «Гоулдзуэрди энджиниринг», является точной
аналогией экструзии алюминия или термопластов. Во всех трех
случаях производятся профильные изделия с постоянным попереч-
ным сечением из соответствующего материала.
Вначале пултрузию рассматривали как метод получения про-
стых сплошных профилей, армированных однонаправленным во-
локном. По мере усовершенствования процесса пултрузия пре-
вратилась в метод производства практически неограниченного
ассортимента сплошных и полых профильных изделий. Одновре-
менно появилась возможность получать изделия, свойства кото-
рых удовлетворяют широкому диапазону технологических и кон-
струкционных требований.
239
Рис. 17.1. Машина для пултрузии «Гластрудер»
Правильный выбор смолы позволяет увеличить химическую
стойкость, теплостойкость, ударную и усталостную прочность
материала. По мере того как осваивается промышленное произ-
водство смол и катализаторов, входящих в композиции, предназ-
наченные специально для переработки этим методом, его произво-
дительность возрастает. Если раньше скорости пултрузии 0,6 ...
0,9 м/мин были нормой, то сейчас они увеличиваются до 4,6 ...
6,1 м/мин.
Этот резкий рост производительности обусловлен синергиче-
ским эффектом от модификации смол и усовершенствования тех-
нологии их отверждения. Применение высокочастотного нагрева
наряду с традиционными способами нагрева не только увеличивает
рабочие скорости, но и позволяет выпускать как простые крупные
профильные изделия, так и такие, масса которых в пределах про-
филя резко изменяется (рис. 17.2 и 17.3).
Теперь, когда производство сложных профильных изделий
уже не вызывает проблем, в работах по усовершенствованию про-
цесса основное внимание уделяется обеспечению точной ориента-
ции армирующего волокна, что позволит оптимизировать свойства
изделий в соответствии с их конкретным назначением. Для иллю-
страции гибкости непрерывной технологии при современном под-
240
S, мм
Рис. 17.2. Зависимость толщины изделия sot скорости отверждения о при отвер-
ждении:
1 — подведенной извне теплотой; 2 — высокочастотным нагревом
Рис. 17.3. Зависимость толщины изделия s от приращения скорости отвержде-
ния До, иллюстрирующая увеличение скорости отверждения при одновременном
применении высокочастотного и наружного методов нагрева по сравнению с одним
наружным
ходе рассмотрим особенности получения трубы следующего строе-
ния: внутренний слой из полиэфирной смолы (для придания по-
верхности необходимой гладкости), затем слой мата из непрерыв-
ного волокна (для создания ненаправленных свойств), три про-
дольных слоя ровинга (для обеспечения прочности на изгиб),
окружной слой ровинга (для прочности на разрыв под действием
внутреннего давления), слой ровинга, наложенного под углом
+45° и —45° (для сопротивления скручивающим нагрузкам), еще
один слой мата из непрерывного волокна (для увеличения ударной
прочности) и, наконец, наружный слой из химически стойкого
стекловолокна (для обеспечения высокой коррозионной стой-
кости). Это превосходный пример возможности широкого варьиро-
вания свойств конструкционных изделий такого типа.
Обычно паковку ориентированного волокна укрепляют в су-
хом состоянии, а затем пропитывают полимерной композицией,
которую прокачивают сквозь сухую паковку. При такой техноло-
гии воздух в материал не попадает. Избыток смолы стекает об-
ратно в поддон и поступает на рециркуляцию.
В большинстве случаев паковку сухого ориентированного во-
локна непрерывно наматывают на цилиндрическую оправку и
придают детали необходимую окончательную форму (рис. 17.4).
Расширение возможностей применения и непрерывное снижение
стоимости высокопрочных волокон способствуют использованию
их в процессе пултрузии. Для получения конструкционных изде-
лий, по свойствам значительно превышающих аналогичные изде-
лия из традиционных материалов, применяются углеродное и
арамидное волокна и волокна из S-стекла. В производственной
241
Рис. 17.4. Оснастка для производства труб прямоугольного сечения, включающая
в себя зону пропитки с перфорированным сердечником, электроды для высоко-
частотного нагрева и переходной участок
практике одновременно используют волокна различных типов,
что позволяет правильно соотнести технические и экономические
требования.
Если свойства получаемых пултрузией профильных деталей,
армированных различными видами волокна из Е-стекла, хорошо
известны (табл. 17.1), то публикаций, касающихся свойств изде-
лий из более прочных волокон, очень мало. Данные, приведенные
в табл. 17.2—17.10, получены в результате реализации субсиди-
рованной правительством США исследовательской программы и,
хотя являются далеко не исчерпывающими, но позволяют в не-
которых случаях сравнить пултрузию с другими широко приме-
няемыми методами формования композиционных материалов, в ча-
стности с вакуумным формованием с эластичной диафрагмой.
Очевидно, что изделия, полученные пултрузией, по свойствам
превосходят детали, сделанные более традиционными методами
формования. Тенденция к некоторому увеличению стоимости
может быть обусловлена рядом преимуществ, характерных для
этого процесса, — строгим контролем натяжения и ориентации
волокна, уменьшением количества пор и поддержанием постоянного
содержания волокна в композите. Даже такое трудно гарантируе-
мое свойство, как межслоевой сдвиг, и то явно улучшается
(рис. 17.5).
Разработано несколько интересных и важных для промышлен-
ности модификаций основного процесса пултрузии, преимущест-
вами которых являются высокая производительность, превосход-
ный допуск по размерам и хорошие физические, химические, элек-
242
трические и тепловые свойства.
Один из этих методов пултрузии
предназначен для производства
непрерывных пластинчатых и ли-
стовых полуфабрикатов. Эти мате-
риалы выпускаются стандартной
шириной 1220 мм и толщиной до
38,1 мм.
Мобильность этого метода пе-
реработки подтверждается воз-
можностью приспособить его
для изготовления емкостей боль-
шого диаметра на месте их при-
менения. Основным механизмом
Рис. 17.5. Сравнительные значения
предела прочности при межслойном
сдвиге тсд при испытании коротким ’•...
брусом слоистых пластиков, полу- '
ченных двумя способами:
1 — пултрузией; 2 — вакуумным фор-
мованием с эластичной диафрагмой
выкладывают в форме -цис-
рассчитывается исходя из
агрегата для получения цистерн
является машина для пултрузии,
установленная в видоизмененном
прицепе-фургоне длиной 12,2 м.
Агрегат подвозят непосредствен-
но к фундаменту цистерны, где
получаемый пултрузией профиль
заданной длины и конфигурации
терны-хранилища. Точная длина
диаметра и высоты стенок цистерны и ширины профиля. После
намотки необходимого количества полуфабриката прицеп-фургон
с машиной для пултрузии перевозят на следующий объект.
Полученный пултрузией профиль, обычно имеющий какой-то
желобок с одной стороны и выступ с другой, от формуемой ци-
стерны подается обратно в машину для пултрузии, где два первых
витка сцепляются вместе соответственно заданному диаметру
цистерны, после чего каждый последующий виток соединяется'
с предыдущим по спирали до достижения заданной высоты хра-
нилища. В этот момент связующая смола в заданном количестве
подается в канавку, а выступ проходит через емкость с отверди-
телем. Непрерывное наложение этих двух полос приводит к сцеп-
лению материала в единую конструкцию. Возможность получе-
17.1. Характерные свойства получаемых пултрузией профильных изделий,
армированных волокном из Е-стекла
Показатели в продоль- ном направ- лении Армирование 1 Показатели в продоль- ном направ- лении Армирование
однона- правленным стекло- волокном смесью мата и ровиига однона- правленным стекло- волокном смесью мата и ровннга
Пи, МПа 690—1240 165—262 Е, ГПа 27,6—41,4 13,8—27,6
£в, ГПа 27,6—41,4 9,65—12,4 асж, МПа 207—483 193—276
Ов, МПа 414—1240 172—310 Е‘сж, ГПа — 13,8—20,7
243
17.2. Средние результаты испытаний на растяжение
№ испыта- ния Ориентация волокна по отношению к нагрузке Тип смолы Тип волокна ^в. гпах» % ов, МПа Е, ГПа 2 's S 7 «о —
Изделия, полученные пултрузией
1 (0°)с 826 «Геркулес AS» 59 1206,6 137,9 850 0,20
5 (0°)с 5208 «Геркулес AS» 59 1061,8 133,8 750 0,18
7 (0°)с 826 S-стекло 68 1572,0 49,9 3280 0,34
11 (0°)с 826 «Кевлар» 68 1103,2 — — —
2 (90°)с 826 «Геркулес AS» 59 37,2 11,4 370 0,023
6 (90°)с 5208 «Геркулес AS» 59 20,0 14,2 174 0,029
8 (90°)с 826 S-стекло 68 48,3 12,5 285 0,094
12 (90°)с 826 «Кевлар» 68 11,0 — — —
3 ( + 45°)с 826 «Геркулес AS» 59 406,8 55,2 847 0,86
4 (0°±45°)s 826 «Геркулес AS» 59 641,2 86,2 740 0,98
9 (±20°)с 826 S-стекло 68 634,3 40,6 1790 0,49
10 (0°±20°)s 826 S-стекло 68 815,0 41,1 2160 0,34
Изделия, полученные вакуумным формованием с эластичной диафрагмой
1 (0°)с 826 «Геркулес AS» 60 855,0 123,4 780 0,32
5 (0°)с 5208 «Геркулес AS» 60 923,9 119,3 830 0,25
3 (0°)с 826 S-стекло 67 1048,0 55,0 2500 0,20
7 (0°)с 5208 S-стекло 62 1468,6 56,5 3230 0,28
2 (90°)с 826 «Геркулес AS» 60 17,2 8,0 220 0,097
6 (90°)с 5208 «Геркулес AS» 60 9,7 14,7 85 —
4 (90°)с 826 S-стекло 67 35,9 9,5 250 0,072
8 (90°)с 5208 S-стекло 62 32,4 13,1 150 —
8А (O^W, 0?)с 826 «Геркулес AS» 60 540,6 75,8 790 0,36
8В (0<°±45°, 0^)с 5208 «Геркулес AS» 60 710,2 82,7 910 0,48
8С (02ч-45°, 0°)с 826 S-стекло 67 223,4 30,4 493 0,70
W (0;+45°, 0°)с 5208 S-стекло 62 1103,2 37,6 3360 0,47
17.3. Средние результаты испытаний на сжатие
О'- S
3 Ориентация волокна по ч о g И , МПа ГПа S
с отношению Тип волокна е
к „ к к нагрузке В *
<g! X < X X вэ
Изделия, полученные пултрузией
13 (0°)с 826 «Геркулес AS» 59 661,9 141,3 470 0,15
17 (0°)с 5208 «Геркулес AS» 59 917,0 130,3 680 0,17
19 (0°)с 826 S-стекло 68 565,4 64,1 900 0,28
23 (0°)с 826 «Кевлар» 68 268,9 — — —
14 (90 )с 826 «Геркулес AS» 59 44,1 9,7 740 0,023
18 (90е), 5208 «Геркулес AS» 59 93,8 13,3 440 0,046
20 (90°)с 826 S-стекло 68 165,5 11,3 760 0,037
24 (90°)с 826 «Кевлар» 68 35,2 — — —
16 (±45°)с 826 «Геркулес AS» 59 172,4 59,0 570 0,58
15 (0 ±45°)s 826 «Геркулес AS» 59 351,6 77,2 450 0,36
22 (±20 )с 826 S-стекло 68 399,9 48,3 850 0,51
21 (0°±20°)s 826 S-стекло 68 455,0 50,7 940 0,49
244
Продолжение табл. 17.3
Е
К
К
£ §
Ориентация волокна по отношению к нагрузке Тип смолы Тнп волокна хе о4» К га S и BIIW ,жэо га к g 10~6 мм/мм
Изделия, получаемые вакуумным формованием
с эластичной диафрагмой
9 (0°)с 826 «Геркулес AS» 60 482,6 118,6 390 0,48
13 (0°)с 5208 «Геркулес AS» 60 393,0 90,3 470 0,46
11 (0°)с 826 S-стекло 67 496,4 97,8 560 0,25
15 (0°)с 5208 S-стекло 62 675,7 54,5 1190 0,35
10 (90°)с 826 «Геркулес AS» 60 96,5 8,1 1370 0,011
14 (90°)с 5208 «Геркулес AS» 60 82,7 9,9 820 0,0087
12 (90°)с 826 S-стекло 67 151,7 8,2 3230 0,34
16 (90°)с 5208 S-стекло 62 117,2 16,8 910 0,060
17.4. Средние результаты испытаний на плоскостной сдвиг изделий,
полученных пултрузией
№ испы- тания Ориентация волокна по отношению к нагрузке Тнп смолы Тип волокна Vb. max’ % ТСД’ МПа <?сд. ГПа
25 (°°)с 826 «Геркулес AS» 59 46,2 10,3
28 (0°)с 826 S-стекло 68 20,7 5,5
27 (±45°)с 826 «Геркулес AS» 59 89,6 19,2
26 (0 ±45 )с 826 «Геркулес AS» 59 65,5 13,7
30 (+20°)с 826 S-стекло 68 82,7 15,8
29 (0±20°)s 826 S-стекло 68 68,9 14,1
17.5. Средние результаты испытаний на изгиб по четырем точкам
№ испы- тания Ориентация волокна по отношению к нагрузке Тнп смолы Тнп волокна ^в. max’ % МПа и £и. ГПа
31 (0°) 826 «Геркулес AS» 59 1241,1 166,9
32 (0°) 826 «Целанез GT30-» 60 792,9 118,6
33 (0°) 826 «Целанез GY5(h> 60 1427,3 115,2
34 (0°) 826 «Целанез GY70» 60 641,2 229,6
35 (0°) 826 S-стекло 67 1268,7 49,6
36 (0°) 826 «Кевлар» 68 496,4 67,6
37 (0°) 826 «Торнел 300» 59 1248,0 117,2
37А (0°) 5208 «Геркулес AS» 59 1448,0 126,9
245
17.6. Средние результаты испытаний методом короткой балки
на межслонный сдвиг
№ испыта- ния Ориентация волокна по отношению к нагрузке Тип смолы Тип волокна max* % Тед, МПа
38 Изделия, полученные пултрузией (0°) 826 «Геркулес 45» 60 96,5
39 (0°) 826 «Ториел 300» 60 82,7
40 (0°) 826 «Целанез GT301 60 57,2
41 (0°) 826 «Целанез GY50* 60 65,5
42 (0°) 826 «Целанез GY70* 60 55,9
43 (0°) 826 Е-стекло 68 66,2
44 (0°) 826 «Кевлар» 68 44,8
44А (0°) 5208 «Геркулес 45» 60 78,6
44В (0°) 826 S-стекло 68 82,1
Изделия, полученные вакуумным формованием
17 (0°) с эластичной диафрагмой 826 «Геркулес 45» 60 61,4
18 (0°) 5208 «Геркулес 45» 60 43,4
19 (0°) 826 S-стекло 67 82,7
20 (0°) 5208 S-стекло 62 46,2
17.7. Результаты испытаний на усталостную прочность
прн растяжении материала, состоящего из стекловолокна «Геркулес Д5»
и смолы 826, с ориентацией волокна по отношению к нагрузке 0°,
максимальным значением ов = 1213 МПа, К = 1 и R = 0,05
№ об- разца Доля при- ложенного напряжения от ов при статических испытаниях, % Приложен- ное напря- жение, МПа Число циклов до разру- шения № об- разца Доля при- ложенного напряжения от ав при статических испытаниях, % Приложен- ное напря- жение, МПа Число циклов до разру- шения
45-1 90 1081,8 1 45-10 80 969,4 2,331-10*
45-2 68 824,6 1 45-11 80 969,4 490
45-3 90 1081,8 4 45-12 75 908,9 130
45-4 65 788,1 3,614-10* 45-13 75 908,8 140
45-5 80 969,4 7,774-10* 45-14 70 848,8 4
45-6 85 1030,1 1,123-10* 45-15 70 848,8 12
45-7 85 1030,1 15 45-16 65 788,1 1,076-10*
45-8 85 1030,1 440 45-17 65 788,1 HP •
45-9 85 1030,1 310
* Образец не разрушился после 1,889-10’ циклов.
246
17.8. Результаты испытаний на усталостную прочность при растяжении
материала, состоящего из стекловолокна «Оуэнз-Корнинг /77'5-904»
и смолы 826, с ориентацией волокна по отношению к нагрузке 0s,
максимальным значением ав = 1420 МПа, К = 1 и R = 0,05
№ об- разца Доля при- ложенного напряжения от ав прн статических испытаниях, % Приложен- ное напря- жение, МПа Число ЦИКЛОВ до разру- но- шения Разца Доля при- ложенного напряжения от ав прн статических испытаниях, % Приложен- ное напря- жение, МПа Число циклов до разру- шения
48-1 65 921,1 1 48-2 65 921,2 390 48-3 65 921,2 140 48-4 65 921,2 270 48-5 55 779,8 530 48-6 45 637,8 1480 48-7 45 637,8 700 48-8 45 637,8 1,25-10* 48-9 35 496,4 1,605-10* 48-10 35 496,4 1,566-10* 48-11 35 496,4 7,772-10* 48-12 25 354,4 3,9712-105 48-13 25 364,4 HP *
* Образец не разрушился после 1-10’ циклов.
17.9. Результаты испытаний на усталостную прочность прн кручении
однонаправленного композиционного материала, состоящего
из стекловолокна «Геркулес Д5» н смолы 826, прн статическом
межосевом напряжении сдвига 97 МПа, К = 1 и R = 0,1
№ образца Приложенное напряжение, МПа Число циклов до разрушения № образца Приложенное напряжение, МПа Число циклов до разрушения
51-1 46,5 2150 ! 51-7 36,9 2800
51-2 50,4 870 51-8 26,3 8000
51-3 44,3 150 51-9 71,0 10
51-4 36,9 1650 51-10 56,5 18
51-5 31,6 4000 51-11 51,7 96
51-6 29,0 4800 51-12 42,1 450
ния больших изделий на месте их применения с использованием
неквалифицированной рабочей силы делает этот метод экономиче-
ски привлекательным.
Мобильность, свойственная установкам для получения ци-
стерн, привела к возникновению новых областей их применения,
в частности для укладки подводных труб с борта корабля и, воз-
можно, для получения больших конструкций в космосе с помощью
устройств, смонтированных на космических летательных аппара-
тах.
247
17.10. Результаты испытаний на усталостную прочность прн кручении
однонаправленного композиционного материала, состоящего
из волокон 5-стекла н смолы 826, прн статическом
межслоевом напряжении сдвига 82 МПа, К = 1 и R = 0,1
№ образца Приложенное напряжение, МПа Число циклов до J разрушения № образца Приложенное напряжение, МПа Число циклов до разрушения
52-1 87,3 45 52-8 43,9 5800
52-2 90,6 30 52-9 42,6 6500
52-3 54,5 1500 52-10 81,7 96
52-4 , 82,7 50 52-11 70,3 330
52-5 56,9 1200 52-12 102,1 И
52-6 52,3 1200 52-13 35,2 HP *
52-7 49,2 2700
* Образец не разрушился после 1 • 104 циклов.
17.2. Машины для получения непрерывных труб
Непрерывное производство композиционных труб всех разме-
ров (от 25,4 до 3050 мм) в настоящее время является хорошо раз-
работанным и широко применяемым процессом (рис. 17.6).
Трубы, полученные таким способом, экономически достаточно
конкурентоспособны по отношению к трубам из традиционных
Рис. 17.6. Непрерывное производство труб большого диаметра фирмой «Оуэнз-
Корнинг файберглас»
248
материалов (бетона, стали, асбеста, глины и т. п.), что позволяет
перейти от их применения только в специализированных обла-
стях, для которых они первоначально были разработаны, к широ-
кому промышленному внедрению. Когда усовершенствование про-
изводства фитингов, технологии укладки и рытья канав, а также
техники механического соединения труб достигнет достаточно
высокого уровня, доля труб из композиционных материалов
в общем производстве труб станет весьма существенной.
17.3. Другие непрерывные системы
Многие из изделий, промышленное производство которых осно-
вано на формовании ЛФМ из рубленого волокна, открывают очень
широкие возможности для внедрения в ряде отраслей промышлен-
ности однонаправленно армированных непрерывным волокном
композитных полуфабрикатов. Для их получения разрабатываются
машины, которые непрерывно пропитывают и формуют полуфаб-
рикат в виде полос для последующей переработки.
Спортивные товары (клюшки для гольфа, удилища, лыжные
палки и т. п.), а также различные промышленные и коммерческие
изделия выдвигают большое число требований к конусообразным
трубам из разнообразных композиционных материалов. Кроме
того, широкий спектр требований к готовым изделиям определяет
необходимость создания универсальных машин, на которых можно
получать множество заготовок, различающихся длиной, конус-
ностью, толщиной стенок конуса и заданным относительным углом
расположения волокон в соседних слоях для варьирования про-
дольной жесткости при кручении. Сочетание этих требований
с условием высокой производительности означает, что непрерыв-
ный процесс является единственно возможным.
Изготовление гофрированных и плоских полупрозрачных ли-
стов — это самое старое непрерывное промышленное производ-
ство композиционных материалов. Однако машины с микропро-
цессорным управлением, предназначенные для непрерывной об-
лицовки фанеры и других заполнителей композиционным мате-
риалом, получения конструкционных и покрытых металлом ли-
стов, трехмерных армированных изоляционных панелей, прямых
и изогнутых конструкций с переменным поперечным сечением
и меняющимися объемными пропорциями, уже внедряются в про-
мышленность или разрабатываются, по мере того как непрерыв-
ная технология производства композитов идет в ногу с нуждами
промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Goldsworthy Engineering, Inc., «ММ&Т—Pultruded Composite Structure
Elements», December 1976.
2. «Evaluation of Curing Rates of Flat Sheet Materiales», Report No. 1, GEI
R-13, August 13, 1971.
249
3. Goldsworthy Engineering, Inc., «Large Diametr Reinforced Plastic Pipe Inter-
national Achievements», 1974 Reinforced Plastics Congress, November 12, 1974.
4. Goldsworthy Engineering, Inc., «An Approach to The Logistics, Manufacturing
Techniques and Construction of the Trans Canada Pipeline Utilizing Composite
Materials», North Slope Pipeline—Steel ot Composites Workshop, February 15,
1971.
5. Goldsworthy Engineering, Inc., «Manufacturing Methods and Cost Factors to
Produce a Full Line of Pipe Products, 2-inch through 108- inch, from Glass
Reinforced Plastics», October 27, 1971.
6. Goldsworthy Engineering, Inc., «Continuously Filament Wound Pipe».
7. Goldsworthy Engineering, Inc., «Underwater Piping Systems», April 1967.
8. Jones, Brian H., Ph D., «Design and Manufacturing Technology for Pultruded
Composite Structural Elements», Society of the Plastics Industry.
9. «Fight Corrosion with Fiber Glass Reinforced Plastics», Society of the Plastics
Industry, 1978 Technical Conference, November 7-10, 1978.
10. Jones, Brian H., Ph D., Goldsworthy Engineering, Inc., «The Design and
Production of Economical FRP Energy Absorbing Systems for Transportation
Applications».
11. Jones, Brian H., Ph D., «Pultruding Filamentary Composites — An Experi-
mental and Analytical Determination of Process», Society of the Plastics Indu-
stry, 1974 Technical Conference.
18. ПОЛУЧЕНИЕ УЛУЧШЕННЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ*
Л. Е. «Рой» Мид
18.1. Введение
Процесс получения деталей из композиционных материалов
состоит из следующих основных операций: послойная укладка
исходных компонентов — армирующих материалов и матриц;
приложение тепла и давления, сопровождающееся отверждением
и монолитизацией материала в конечное изделие заданной формы;
сборка; соединение. Однако реализация этих операций может осу-
ществляться различными путями.
Методы укладки непрерывного и рубленого волокна в задан-
ном направлении и монолитизация внутри слоев композиционного
материала описаны и проанализированы с позиций экономиче-
ской эффективности и надежности процесса. Рассмотрена техно-
логия получения композитов с полимерной и металлической ма-
трицей.
Процесс изготовления — один из наиболее существенных фак-
торов, от которых зависит успешное применение улучшенных
композиционных материалов в изделиях различных типов. Особая
значимость процесса изготовления определяется следующими
причинами:
1) необходимостью изготовления основного конструкционного
макроматериала (предварительно пропитанной ленты или одно-
слойных листов) из исходных однонаправленных или тканых
полотен (волокна и матрицы) до или одновременно с получением
самих изделий (обычно выполняется поставщиками материалов);
2) сложностями, которые вызываются увеличением количе-
ства технологических параметров, характерных для переработки
гетерогенных многокомпонентных материалов;
3) трудностями при переработке некоторых компонентов (на-
пример хрупкостью, отсутствием эластичности, очень высокой
жесткостью борных волокон);
* Материалы этой главы черпались из информации, полученной при созда-
нии «Руководства по изготовлению конструкционных композиционных материа-
лов», которое субсидировалось министерством обороны США и НАСА. Автор
выражает признательность всем авиационно-космическим компаниям США, за-
нимающимся разработкой и изготовлением композиционных изделий и предста-
вившим информацию для этого «Руководства».
251
4) чрезвычайной важностью строгого контроля процесса для
достижения монолитности и постоянства свойств продукции;
5) высокими требованиями к соединяемым или контактиру-
ющим поверхностям.
Эта глава дает возможность инженеру достаточно глубоко
вникнуть в производственные процессы, чтобы он смог обеспечить
получение полезных, удобных в эксплуатации, поддающихся
ремонту, экономически эффективных, конкурентоспособных изде-
лий. Она должна также дать достаточный объем информации для
принятия обоснованных решений при сопоставлении конкури-
рующих конструкций, основываясь не только на их технических
достоинствах, но и учитывая такие сравнительные показатели,
как легкость и стоимость изготовления, возможность эффектив-
ного контроля и экономической эксплуатации.
18.1.1. Вакуумное формование с эластичной диафрагмой
Технология формования эластичной диафрагмой (мембраной)
разработана для изготовления многих деталей и конструкций.
Этим методом легко получать изделия сложной формы, в том числе
и с двойным очертанием, а также сравнительно крупные детали.
Процесс, в принципе, может быть использован и в тех случаях,
когда нельзя применять высоких давлений формования.
Основные стадии процесса: послойная укладка, подготовка
системы выпускных отверстий и формование диафрагмой. Необ-
ходимое для послойной укладки количество слоев предварительно
вырезают по размеру и по одному укладывают в форму (или в гнездо
формы). Каждый слой отдельно обрабатывают для удаления за-
хваченного воздуха и складок, чтобы обеспечить плотный контакт
с предыдущим слоем. Готовый слоевой пакет закрывают пористым
неприлипающим материалом, который способствует легкому из-
влечению изделия, и подсоединяют вакуум. Для этой цели при-
меняют различные перфорированные пленки и ткани с покры-
тиями.
Для удаления избытка смолы и летучих и сохранения задан-
ного объемного содержания волокна в данном слоистом пластике
обычно применяется выпускная система с регулируемой пропуск-
ной способностью. Излишек связующего можно выводить сбоку
(боковая выпускная система), через верхнюю поверхность (вер-
тикальная выпускная система) или комбинируя эти два способа.
Боковую выпускную систему получают, помещая по периметру
пакета слоев узкую (около 25 мм) полоску пропускающей смолу
ткани из нешлихтованного стекловолокна, брезента или аналогич-
ного материала. При вертикальной системе слои тех же материа-
лов помещают непосредственно под перфорированной пленкой.
Детали, полученные с использованием боковой выпускной си-
стемы, обычно необходимо дополнительно обрабатывать для уда-
252
ления обогащенных или обедненных смолой краев. Если изделия
нельзя зачищать, то для уменьшения вытекания материала по
краям используют одновременно «эластичные перегородки» и
вертикальные отводы. Для удаления избытка связующего из
однонаправленных или широких лент обычно над пропускающими
смолу слоями устанавливают тонкую эластичную промежуточную
плиту, которая препятствует чрезмерному выдавливанию смолы
и обеспечивает образование гладкой поверхности со стороны
диаграммы. В слоевой пакет могут входить внешние отслаива-
ющиеся пленки, если изделие в дальнейшем подвергается склеи-
ванию. Отслаивающаяся пленка непосредственно контакти-
рует со слоевым пакетом, находясь под антиадгезионной
пленкой.
Соединительные детали вакуумной линии размещают над
вертикальной выпускной системой или сбоку от боковой выпускной
системы. Для равномерного удаления смолы и летучих делают
достаточное количество каналов. Эластичную диафрагму, выкроен-
ную по конфигурации формуемой детали, размещают над пакетом
листов, выпускной системой и деталями вакуумной линии и уплот-
няют по линии контакта с плитой формы. Обычно сначала соз-
дают небольшой вакуум, чтобы разгладить поверхность диаф-
рагмы, а затем окончательно вакуумируют и нагревают систему.
Форму с эластичной диафрагмой переносят в печь для отвержде-
ния материала под полным вакуумом. В большинстве случаев
вакуум поддерживается на протяжении всего цикла нагрева и
охлаждения.
18.1.2. Автоклавное формование
Автоклавное формование аналогично процессу вакуумного
формования с эластичной диафрагмой, с той только разницей,
что слоевой пакет подвергается большему давлению и получаются
более плотные изделия [4]. Слоевой пакет с эластичной диафраг-
мой отверждается в автоклаве при одновременном приложении
давления и нагреве. В большинстве автоклавных процессов про-
изводится также вакуумирование материала для удаления за-
хваченного воздуха и других летучих. Глубина вакуума и давле-
ние в автоклаве регулируются таким образом, чтобы обеспечить
максимальное удаление воздуха, но при этом не вызвать чрезмер-
ное течение смолы. Вакуум обычно прикладывается только на
начальных стадиях цикла отверждения, в то время как давление
в автоклаве поддерживается на протяжении всего цикла нагрева
и охлаждения. При отверждении давление обычно поддерживается
на уровне 0,35—0,7 МПа. По сравнению с вакуумным формова-
нием с эластичной диафрагмой этот процесс позволяет получать
ламинаты с более точной толщиной и меньшим содержанием пор
(см. гл. 14).
253
18.1.3. Формование композиционных материалов бор —
алюминий, бор — эпоксидная смола, углеродное волокно —
эпоксидная смола на матрице
Сложность конструкции и относительно небольшой размер
деталей газовых турбин, таких как лопасти и лопатки, обуслов-
ливают необходимость изготовления их формованием на матрице
или склеиванием. При этом обычно требуется использовать при
формовании торцовые крепежные детали типа бандажей или
выступов. Процесс в зависимости от перерабатываемого материала
проводится под давлением 3,5 ... 35 МПа, и при температуре
177 ... 566 °C в среде воздуха, инертного газа или в вакууме.
18.1.4. Формование препрегов на основе рубленого волокна
на матрице
Некоторые конструкции сложной формы должны иметь высо-
кое отношение жесткости к плотности при среднем значении проч-
ности. Формование на матрице таких изделий или из предвари-
тельно полученных заготовок рубленого волокна, или из компо-
зиций рубленого волокна с прослойками непрерывного волокна
представляет собой достаточно экономичный метод получения
сложных деталей или комплектных «сеток»; при этом дополни-
тельная механическая обработка изделий почти или совсем не
требуется. Так как матрицы сложной формы сами по себе дороги,
особенно когда их получают механической обработкой стальных
заготовок, метод будет экономически выгодным только при крупно-
серийном производстве идентичных деталей на комплекте одина-
ковых форм.
Технология формования изделий на матрице состоит из трех
основных стадий [5]:
1. Подготовка препрега для загрузки в форму. Необходимое
количество предварительно пропитанной ленты режут на куски
длиной 25,4 мм для последующей беспорядочной загрузки в форму.
2. Подготовка и формование заготовки. Слои непрерывного
волокна помещают в форму для предварительного формования
заготовок, формуют под вакуумом с эластичной диафрагмой и
выдерживают в автоклаве в течение 2 ч при 65,5 °C под давлением
0,35 МПа. Полученные заготовки заданной формы затем перено-
сят в форму для окончательного формования детали и произ-
вольно распределяют в ней рубленый материал (длиной 25,4 мм)
в требуемом количестве. Подготовленную таким образом заготовку
затем помещают под эластичную диафрагму и выдерживают в авто-
клаве 2 ч при 65,5 °C под давлением 0,7 МПа.
3. Отверждение под высоким давлением в комплекте форм.
Комплект стальных форм устанавливают в пресс, покрывают их
поверхность антиадгезионной смазкой и поднимают температуру
254
форм до 177 °C. Готовые заготовки помещают в матрицы форм,
смыкают плиты пресса и проводят отверждение материала в тече-
ние 30 ... 90 мин под давлением 14 МПа.
18.1.5. Формование под действием теплового расширения
Один из методов формования изготовленных за одно целое
жестких конструкций, имеющих сложную форму, заключается
в намотке нескольких слоев препрегов на резиновые брусы и
плотной укладке этого пакета слоев вместе с резиновыми брусами
в металлическую оформляющую полость. При повышении темпе-
ратуры резиновые брусы или сердечники расширяются в боль-
шей степени, чем ограничивающая их металлическая оснастка,
что вызывает давление на отверждаемый материал. Благодаря
этому отпадает необходимость в приложении внешнего давления,
как это делается при автоклавном формовании.
Если масса резинового бруса выбрана без учета объема оформ-
ляющей полости, может развиться очень высокое давление — до
5,6 МПа. Оснастка стоит недорого, проста и легко заменяется при
переходе к изделиям другого типа. Проектировщик имеет большую
свободу при выборе конструкции оснастки для формования слож-
ных изделий за один цикл. Таким образом, полная заводская се-
бестоимость может быть снижена путем уменьшения количества
деталей, которые должны быть собраны в единое изделие, исключе-
ния соединений и сокращения сборочных и крепежных операций.
18.1.6. Оплетка
Это механизированный процесс, применяемый в текстильной
промышленности с начала 1800-х годов. В этом процессе оправка
с постоянной скоростью выдвигается вверх из середины машины,
а волокно с движущихся шпулярников навивается на оправку
под заданным углом. Все шпулярники работают попарно для
обеспечения такого плетения, чтобы каждое волокно попеременно
проходило под и над другим волокном. Описанный процесс при-
меним для изготовления коробчатых профилей и других изделий
такого типа.
18.1.7. Намотка волокном
Это процесс, в котором волокно или лента наматывается на
вращающуюся оправку из относительно стационарного положе-
ния. Волокна, выходящие из перемещающейся головки, распреде-
ляются под заданными углами перпендикулярно к оси враща-
ющейся оправки. Уплотнение слоев материала регулируется
степенью натяжения волокон во время намотки (см. гл. 15).
18.1.8. Изготовление многослойных конструкций
Для изготовления многослойных конструкций применяются
два метода соединения облицовки из улучшенных композицион-
ных материалов с центральным слоем (сандвичевых структур).
255
Первый способ, состоящий из двух стадий, основан на том, что
укладывают облицовочный материал и отверждают его отдельно,
до наложения на связующее. Второй метод — одностадийный, или
«соотверждение», заключается в наложении облицовочного мате-
риала на связующеее в В-стадии. В этом случае многослойная
конструкция отверждается, а ее слои сцепляются вместе в про-
цессе одной операции в автоклаве. Когда были изучены новые
производственные процессы и их технология, оказалось, что вы-
сококачественные многослойные панели могут быть получены
соотверждением при одновременном достижении необходимой
структурной монолитности и значительной экономии затрат на
рабочую силу и оснастку [6].
В особых случаях, когда требуется механическая обработка и
формование сложного центрального слоя, желательно в обоих
рассмотренных выше способах покрывать только одну лицевую
сторону в один прием. Например, механически обработать одну
сторону центрального слоя, соединить ее с облицовкой в форме,
затем обработать вторую сторону центрального слоя в зафикси-
рованном положении и провести ее соотверждение со вторым об-
лицовочным листом.
Изготовление панелей производится вакуумно-автоклавным
методом, ручной укладкой слоев и с использованием эластичной
диафрагмы, как это описано в 18.1.1 и 18.1.2. При использовании
метода соотверждения облицовочные слои могут быть получены
ламинированием из липких препрегов на основе модифицирован-
ной смолы, применяемой для склеивания, если содержание смолы
и текучесть препрега таковы, что достигается равномерно утол-
щенное соединение между облицовочным материалом и централь-
ным слоем. Однако при использовании модифицированных клее-
вых систем прочностные свойства ламинатов несколько ниже.
При применении препрегов на основе более прочной эпоксидной
смолы с использованием клеевой пленки между центральным и
облицовочным слоями рекомендуется ориентироваться на двух-
стадийный процесс с предварительным отверждением облицовоч-
ного листа до покрытия им центрального слоя. Для предотвраще-
ния повреждения центрального и облицовочного слоев при соот-
верждении полное давление прессования обычно не превышает
0,35 МПа. Температуры отверждения и доотверждения также
ограничены, чтобы не вызвать деструкции центрального слоя
Сандвичевой структуры. Для предотвращения коррозии алюминие-
вого сотового заполнителя рекомендуется «кожицу» из углерод-
ного волокна покрывать снаружи стекловолокном.
18.1.9. Пултрузия
Пултрузия композиционных материалов, аналогичная экстру-
зии металлов, позволяет получать недорогие конструкционные про-
фильные изделия с постоянным поперечным сечением. Метод
изготовления заданного профиля основан на протягивании через
256
керамическую головку предва-
рительно пропитанных однонап-
равленных лент или сшитых по-
лос с диагональным расположе-
нием нитей. Одновременно про-
водится отверждение смолы вы-
сокочастотным нагревом или
микрорадиоволнами. Методом
пултрузии с использованием
различных смол были получены
плоские, коробчатые, Z-образ-
ные и другие профили длиной
до 12 м (см. гл. 17).
Рис. 18.1. Расположение армирующих
волокон в матрице:
18.2. Композиты
с полимерной матрицей
Композиты С полимерной 1 ~ матрица; 2 — волокно или нить
матрицей — это армирующие во-
локна, монолитизированные с помощью какого-нибудь полимер-
ного связующего (рис. 18.1). Фирмы, применяющие композиты
для авиационно-космических целей, обычно не производят исход-
ных компонентов: волокон и связующих. Заготовки им, как
правило, изготавливает фирма-поставщик, располагая в заданном
порядке необходимые составные части в установленных пропор-
циях. При этом заготовки частично отверждаются до такого
состояния, чтобы их можно было обычными способами транспорти-
ровать и грузить. Такой еще не совсем готовый композиционный
материал называется препрегом (в отличие от волокон, предва-
рительно пропитанных связующим). Изготовление из него высо-
кокачественных конструкционных изделий в значительной сте-
пени зависит от качества препрега и таких факторов, как равно-
мерность интервалов между волокнами, количество разрушенных
волокон и их распределение, липкость смолы. Чтобы гарантиро-
вать выполнение стандартов качества, необходимо проводить визу-
альный контроль и прочностные испытания этих заготовок. Свой-
ства, которые надлежит определять при анализе, обычно вносятся
в прилагаемую спецификацию. Борное и углеродное волокна
производятся и выпускаются в виде лент шириной до 76 и 305 мм
соответственно. Иногда углеродное волокно выпускают в форме
поперечно стеганых лент шириной до 305 мм, а для некоторых
коммерческих целей — шириной до 1254 мм. Эти ленты пропиты-
вают смолой методом мокрой пропитки (из раствора) или прессо-
ванием волокон при нагревании до перехода смолы в В-стадию.
18.2.1. Ручная послойная укладка
Получение улучшенных композиционных материалов, как и
любых армированных волокном композитов, требует такой ориен-
тации армирующих волокон в матрице, чтобы был обеспечен за-
9 П/р Д ж. Любина 257
данный уровень свойств материала. Ручная послойная укладка
предполагает наложение одного слоя ленты на другой с заранее
определенной их ориентацией на отдельные шаблоны с последу-
ющим штабелированием слоев или непосредственную укладку слоя
на слой без отдельных шаблонов. При получении опытных образ-
цов ручная послойная укладка часто оказывается самым экономич-
ным способом. Эти отдельные слои затем штабелируют, располагая
под определенными углами друг к другу в соответствии с черте-
жами.
При укладке однонаправленных лент с одинаковой ориентацией
всех слоев использование ленты, имеющей точный заданный раз-
мер, значительно снижает необходимость обработки боковых по-
верхностей. В этом случае надо только наложить слои один на
другой и обрезать торцовую кромку.
Слоистые композиционные материалы изготавливают, наслаи-
вая в пакет в определенном порядке обычные или сделанные в виде
препрега ленты, придерживаясь заданной ориентации слоев.
После завершения ручной послойной укладки слои обычно пред-
варительно собирают на специальных пластмассовых шаблонах.
Этот процесс выполняется в контролируемых условиях окружа-
ющей среды, характерных для процессов укладки в пакет стекло-
волокна и связующего. Основные его этапы описаны ниже.
18.2.1.1. Подготовка отдельных слоев
1. Перед покрытием герметически упакованного сырья (кипы лент) необхо-
димо кондиционировать его при комнатной температуре; не следует допускать
конденсации влаги на ленте. Нужно установить ленту на раздаточное устройство.
2. Целесообразно записывать номера шпуль или лент и партий полуфабри-
ката каждого слоя материала в момент начала их применения.
3. Необходимо протереть открытые поверхности шаблонов чистой марлей,
смоченной растворителем, затем высушить их воздухом.
4. Следует смотать достаточное количество препрега для получения полосы
нужного размера и нарезать ее острыми ножницами, ножом или каким-либо дру-
гим режущим инструментом.
5. Необходимо уложить ленту (препрег) на указанную на шаблоне поверх-
ность. Следует класть соседние отрезки ленты так, чтобы зазор между ними не
превышал 0,7 мм. При использовании борного волокна не допускается перекрытие
его нитей. Поэтому в конструкцию вводят легкую стеклоткань, помещая ее
сверху или снизу по отношению к шаблону; все последующие слои укладывают
тем же способом.
6. Слои препрега следует укладывать на шаблон, делая притирающие дви-
жения, чтобы обеспечить плотный контакт. Нужно убрать разделительную ленту
и положить в контейнер для отходов.
7. Следует просмотреть каждый слой, иет ли в нем разорванных нитей (или
пленок), нахлестов, зазоров между лентами и посторонних включений.
8. Если требуется хранение отдельных листов, их надо герметично упаковать
в прозрачную чистую влагонепроницаемую защитную пленку и держать в пло-
ском состоянии до употребления.
18.2.1.2. Сборка ламинатов
Подготовка оснастки для сборки пакетов состоит из следу-
ющих операций:
1) чистка для удаления всех посторонних веществ;
258
2) полировка для получения гладкой поверхности;
3) протирание подходящим растворителем и сушка воздухом;
4) нанесение соответствующей смазки или антиадгезива.
Если изделие отверждается непосредственно на поверхности
оснастки, ее покрывают непористой тканью с тефлоновым покры-
тием. Затем готовят внешний слой (только в тех случаях, когда
отвержденные детали склеивают или окрашивают). Кладут один
слой отвержденной и очищенной при нагревании найлоновой
пленки (внешний слой), так чтобы она выступала за контур шаб-
лона со всех сторон на 12,7 мм. Притирают ее надавливанием для
удаления всех воздушных пузырьков и морщин. Все соединения
должны быть сделаны встык. После этого удаляют оставшуюся
разделительную пленку.
Для того чтобы шаблон был точно выровнен по оснастке,
в нем делают отверстия для шпилек оснастки или локаторы.
Иногда применяют несколько рядов локаторов; поэтому надо
уделять особое внимание тому, чтобы каждый из них соответство-
вал заданной ориентации слоя. После этого с помощью валика
или какого-нибудь прижимного устройства выдавливают находя-
щийся между слоями воздух.
При использовании сравнительно сухого препрега шаблон из
пленки «Майлар» легко отделяется при отдирании. При более
липких препрегах шаблон надо отдирать резкими движениями.
После отделения шаблона надо просматривать каждый слой.
Описанную выше процедуру повторяют, начиная с подготовки
внешнего слоя, до получения пакета с необходимым количеством
слоев. Каждый слой пакета должен быть осмотрен и принят на
основании существующей на данном предприятии документации,
и лишь после этого принимаются за следующий слой. Если пос-
ледний слой содержит борное волокно, равномерность укладки
достигается при использовании стеклохолста 104, пропитанного
той же смолой.
18.2.1.3. Подготовка к отверждению
Деталь покрывают антиадгезионным материалом, перфориро-
ванным для вытекания излишка смолы. Он должен закрывать все
изделие, но не выходить за его пределы. Чтобы не образовывалась
выпуклость от диафрагмы и для ограничения вытекания смолы по
бокам необходимо применять граничные опоры или перегородки.
Обычно эти опоры делают из листов пробки, резины или металла
и тщательно герметизируют перед употреблением. Смола может про-
текать через неуплотненные перегородки, не соответствующие
друг другу сегменты перегородок или между ними и оснасткой.
Граничные опоры при использовании верхней выпускной системы
должны находиться на расстоянии от края детали не более 1,52 мм,
чтобы предотвратить вымывание волокон во время течения смолы.
На рис. 18.2 изображена типичная система с граничными опорами.
9* 259
Рис. 18.2. Регулируемая систе-
ма вытекания излишка смолы:
1 — выпускное устройство (стекло-
ткань типа 120 или бумага); 2 —
перфорированная ткаиь из тефлона;
3 — промежуточная плита; 4 —
ткань для отсоса газов из диафраг-
мы (стеклоткань типа 181); 5 —
диафрагма; 6 — уплотнение диаф-
рагмы; 7 — пробковый материал;
8— плита оснастки; 9— граничная
опора или перегородка (деталь из
пробкового материала или металла
с пробковой головкой); 10 — изде-
лие; 11 — разделительная ткань;
с — регулируемый зазор
В процессе отверждения все
слои уменьшаются в объеме (по
сравнению с исходной толщиной)
за счет освобождения захваченного
воздуха и вытекания избытка смо-
лы х. Поэтому для каждого улучшен-
ного композиционного материала и
изделия из него требуются специ-
фические граничные опоры (пере-
городки). Для получения перегоро-
док применяются следующие мате-
риалы и их комбинации:
1) перегородка полностью из
пробки или резины — для деталей,
которые состоят менее чем из 40
слоев и должны быть зачищены:
2) перегородки полностью из ме-
талла — для деталей, которые со-
стоят менее чем из 100 слоев и не
нуждаются в зачистке;
3) комбинированные перегородки из металла и пробки или
резины — для деталей, состоящих более чем из 40 слоев;
4) воздушные перегородки — для полимерных формуемых
лент.
Высота перегородки всегда должна быть меньше ее ширины,
чтобы не было горизонтального смещения. Отношение высоты
к ширине должно быть не более 2 : 3. Для ламинатов, состоящих
менее чем из 100 слоев, высота металлических частей должна
быть равна заданной толщине отвержденного слоистого пластика,
а высота пробковых перегородок должна быть больше этой тол-
щины в соотношении 10 : 7, чтобы объем пробки мог уменьшиться.
(Следует заметить, что в некоторых случаях перегородки из пробки
или других неметаллов очень плотно прилегают к поверхности
оснастки и привариваются к ней, что препятствует полному
выходу воздуха по торцам ламината и приводит к образованию
воздушных карманов в материале.)
При получении ламинатов, состоящих более чем из 100 слоев,
с использованием комбинированных перегородок из металла и
пробки или резины высота металлической части перегородки
должна быть равна 3/4 от заданной толщины отвержденного
материала, а высота остальной части перегородки, сделанной из
пробки или резины «Корпрен», должна превосходить оставшуюся
1/4 часть толщины ламината в соотношении 10 : 7. Для предотвра-
щения избыточного вытекания смолы под перегородку можно поме-
1 Уменьшение объема изделия происходит также в результате контракцнон-
ных явлений. — Прим. ред. пер.
260
18.1. Число слоев различных армирующих материалов
Число слоев препрегов из борного волокна и эпоксидной смолы Число слоев стеклотка- ни 116 Толщина Войлока, мм Число слоев препрегов из борного волокна и эпоксидной смолы Число слоев стеклотка- ни 116 Толщина Войлока, мм
10 2 0 60 2 7,938
15 4 0 70 2 9,525
20 2 1,588 80 2 11,112
30 2 3,175 90 2 12,7
40 2 4,762 100 2 14,288
50 2 6,35
щать чувствительную к давлению ленту из алюминия, которая
будет действовать как уплотнение.
Через каждые 5 слоев препрега из борного волокна надо
класть один слой сухой стеклоткани 120. Этот слой должен быть
того же размера, что и формуемая деталь, и не должен выступать
за ее границы. Указанное соотношение (1 : 5) между сухой стекло-
тканью типа 120 и препрегами обеспечивает контролируемое
удаление избытка смолы. Аналогичный контроль достигается при
применении комбинации стеклоткани типа 116 с войлоком. Соот-
ношения между слоями материала в этом случае приведены
в табл. 18.1.
Если ламинаты имеют более 100 слоев, толщина войлока
должна быть увеличена на 1,6 мм на каждые десять дополнитель-
ных слоев препрега.
Слой перфорированной полимерной пленки, например теф-
лона, должен быть положен сверху на готовый пакет листов, так
чтобы его края достаточно выступали за контуры изделия. Расстоя-
ние между центрами отверстий в этой пленке ~50 мм. Для отсоса
газов из диафрагмы весь пакет листов закрывают двумя слоями
стеклоткани типа 181.
Собранный пакет листов должен быть надежно закреплен
в оснастке во время всех последующих операций вплоть до пере-
носа детали в автоклав для отверждения. Регулируемая система
удаления избытка смолы показана на рис. 18.2.
В приведенной системе удаления смолы из ламината часть
ее вытекает через регулируемый зазор между краем материала
и перегородкой или граничными опорами. Объем смолы, которая
должна вытечь из препрега, рассчитывается и принимается равным
объему зазора. Для определения параметров зазора используется
простой метод проб и ошибок. Может потребоваться и дополни-
тельное уточнение его размеров, если вытекание смолы по краям
ограничивается боковыми кромками ламината. Слоистые пла-
стинки размером 254X 1651 мм были изготовлены с использова-
нием этой системы регулировки вытекания смолы, обеспечивающей
261
заданную толщину слоя в отвержденном ламинате. При этом
необходимо, чтобы граничные опоры были только металличе-
скими и их положение было правильно определено, так как объем
зазора не должен изменяться при температуре и давлении отверж-
дения, когда происходит вытекание смолы. Алюминиевые листы
толщиной примерно 1,6 мм, по размеру соответствующие пакету
листов, могут использоваться в качестве меры предосторожности
против образования неровностей на находящейся под диафрагмой
поверхности отвержденного ламината и чрезмерного вытекания
смолы из верхних слоев композиционного материала в ткань для
отсоса газов, расположенную под диафрагмой. (Отметим, что на
каждом предприятии должно быть проведено исследование про-
цесса контролируемого течения смолы через боковую выпускную
систему для своих конкретных сырьевых материалов, толщин
ламинатов и условий отверждения.)
18.2.2. Полуавтоматическая послойная укладка
Полуавтоматические методы послойной укладки применимы
почти к любому уровню технологии не полностью автоматизиро-
ванных лентоукладочных машин. Один из таких полуавтоматиче-
ских методов изготовления композитов на основе тканых полотен
шириной более 460 мм заключается в намотке ленты на большую
трубу из полиэтилентерефталата «Майлар», после чего из этой
ткани по шаблону нарезаются слои «Майлара» или других ма-
териалов.
Принцип другого полуавтоматического метода заключается
в центровке расположенных рядом друг с другом слоев лент с по-
мощью подающей выравнивающей машины с ручным управле-
нием. Как и в «вытягивающей машине», шпуля с лентой повора-
чивается на определенный угол вручную, но управляется механи-
чески для параллельной укладки слоев. Обрезание кромки у лент
во всех существующих полуавтоматических процессах остается
до сих пор ручной операцией.
Контроль процесса послойной укладки в пакет затрудняется,
если все слои не обрезаны по одинаковой кромочной линии. Один
из методов, применяемых для наложения кромочных линий не-
симметричных слоев при послойной укладке в пакет, основан на
использовании наглядных проекций. Очертание слоя проеци-
руется на пакет листов с помощью тщательно установленных
откалиброванных и распрямленных фотошаблонов и проекционного
оборудования. После этого обрезают кромку с материала по фото-
графическому изображению. При этом следует принимать меры
предосторожности, чтобы не повредить расположенные снизу слои.
Полуавтоматическая технология послойной укладки компо-
зиционных материалов может быть очень выгодной, так как при
этом снижается стоимость и достигается однородность пакета.
В большинстве случаев применяемый метод должен быть разра-
262
ботан специально для конкретного изделия или формы, чтобы его
преимущества были максимальными. Для получения изделий про-
стой формы лучше применять легко изготавливаемые многослой-
ные тканые ткани шириной свыше 460 мм, чем укладывать слои
один за другим до достижения нужной конфигурации.
Машинная укладка в пакет предназначена для устранения
субъективных ошибок, улучшения качества ламината и ускоре-
ния производственного процесса (снижения стоимости). К проб-
лемам, связанным с применением лентоукладочных машин, отно-
сятся липкость лент, распрямление лент, индексация ориентации
ленты для цифрового управления процессом и формирование
искривленных поверхностей. Основным препятствием к исполь-
зованию этих машин при производстве более тонких изделий яв-
ляется невозможность намотки конусообразных деталей при одно-
временном обеспечении постоянной ориентации ламината.
Существующие лентоукладочные устройства по уровню авто-
матизации классифицируются в диапазоне от «распределяющих
головок с ручным управлением на рельсовой колее» до «полностью
автоматизированных машин». На самом простом из этих устройств
работает один человек, который вручную управляет лентоукладоч-
ной головкой и обрезает ленту. Это базовое устройство может
иметь много различных дополнительных приспособлений, таких
как механический нож на головке, вращающийся стол для созда-
ния различной ориентации ленты, непрерывная транспортная
система для периодической круговой подачи шаблонов из пленки
«Майлар» ит. п., каждое из которых предназначено для конкрет-
ного производства.
18.2.3. Автоматическая послойная укладка
Конечной целью является получение пакета листов, плоских
или профильных, на управляемых посредством числовых команд
машинах с лентоукладочными головками, которые могут равно-
мерно и последовательно наносить слой за слоем по заданной
программе без вмешательства человека. В действительности, можно
себе представить, что несколько машин могут управляться с одного
пульта одним оператором. Это позволит получать высококаче-
ственные, одинаково отделанные изделия с высокой степенью
воспроизводимости и надежности при минимально возможных
затратах на рабочую силу.
Однако несколько независимых попыток в этом направлении
пока не увенчались успехом вследствие несовместимости приме-
няемых типов лент. Основной проблемой по-прежнему остается
регулирование зазора и нахлеста. Для ее решения с различным
успехом разрабатывается несколько различных направлений.
Наибольшего прогресса добились два проекта, субсидируемых
ВВС США. В одном из них главное внимание уделяется механиче-
ским устройствам и приборам для контроля качества работы лен-
263
Рис. 18.3. Головка лентоукладочной машины «Груммэн»
тоукладочной головки, на которой используется существующая
лента шириной 76 мм.
Второй проект основан на применении лентоукладочной го-
ловки современного уровня. Он позволяет формулировать тре-
бования к качеству ленты, что обеспечит возможность получения
композиционного материала нужного качества. Проблема регу-
лировки зазора и нахлеста волокна с особой силой проявляется
при использовании более жесткого борного волокна большего
диаметра: 0,102 и 0,142 мм. При применении очень тонкого во-
локна (0,0102 мм) и легко изгибаемого углеродного волокна допу-
скается некоторый нахлест волокон, не ухудшающий свойств
композиционного материала. Рис. 18.3 и 18.4 дают некоторое пред-
ставление об этой программе.
Две развивающиеся производственные программы основаны
на использовании полностью автоматизированных процессов
укладки для получения деталей из композиционных материалов:
панелей обшивки стабилизаторов и крыльев самолетов «Груммэн
F14» и «Уорт Fllh>.
264
Рис. 18.4. Автоматическая укладка плоских листов
Типичная автоматизированная трехосная лентоукладочная ма-
шина первого поколения имела формующую поверхность 1830 X
X 2032 мм, систему контроля по трем осям координат, головку
с вертикальным перемещением под действием пневматического
привода на расстояние 254 мм, максимальную скорость укладки
борного волокна диаметром 0,102 и 0,142 мм соответственно
0,907 и 1,134 кг/ч при средней производительности 0,6 кг/ч.
Бумага, которая использовалась в качестве подложки для ленты
борного волокна, имела перфорации по краям, что позволило
подавать ленту как кинопленку.
Пятиосная машина второго поколения, в которой использованы
все современные достижения автоматизации технологического про-
цесса, имеет следующие особенности.
Площадь формующей поверхности 1829X9144 мм.
Система управления — ручная, полуавтоматизированная и автоматизирован-
ная пятикоординатная:
ось X—максимальная скорость продольного перемещения 18,3 м/мин;
ось У— максимальная скорость поперечного перемещения 18,3 м/мин;
ось С — поворот головки на ±180°;
ось D — поворот режущего устройства на ±60°;
ось Р— скорость перемещения ленты 1 м/мин.
Вертикальное перемещение головки под действием пневматического привода
178 мм.
Пневматический рабочий стол выдерживает нагрузки (от оснастки) ^6,1 кПа.
Режущее устройство способно работать при любых скоростях укладки ленты.
265
18.2. Длина (линейная плотность) отрезков ленты шириной 76 мм
и массой 1 кг
Материал леиты Удельная длина, м/кг
Углеродное волокно Борное волокно диаметром 0,102 мм Борное волокно диаметром 0,142 мм Органические волокна 43—53,8 42,3 33,5 61,2
Максимальная скорость укладки борного волокна диаметром 0,102 и
0,142 мм — соответственно 16,33 и 20,41 кг/ч.
Средняя производительность при работе с борным волокном диаметром 0,102
и 0,142 мм — соответственно 5,90 и 7,26 кг/ч.
В настоящее время разрабатываются усовершенствованные
автоматизированные лентоукладочные машины. В табл. 18.2
приведены примерные значения длины отрезков лент шириной
76 мм и массой 1 кг из волокна разных типов.
Специалисты, применяющие машинную технологию укладки
материала, приходят к выводу, что можно обойтись без рассмотрен-
ных выше шаблонов для слоев, запрограммировав машину на
автоматическую укладку требуемого количества слоев лент с за-
данной ориентацией каждого из них. Стадии подготовки и отверж-
дения пакета листов, полученных машинной укладкой, не отли-
чаются от соответствующих операций при ручной послойной
укладке.
18.2.3.1. Плоские пакеты листов
Плоские пакеты листов могут быть получены довольно легко
в пределах регулировки величины зазора, обеспечиваемого одно-
родностью существующих лент. Для этих целей промышленность
выпускает несколько типов лентоукладочных головок. Основные
органы управления машиной основаны на использовании системы
параллельного слежения, индикации соседних слоев ленты и
обрезании торцевых кромок ленты по заранее определенным кро-
мочным линиям. При разработке машин новой конструкции в ка-
честве дешевого опытного материала использовали однонаправ-
ленную стекловолокнистую ленту. Переход от стекловолокна
к улучшенным композиционным материалам не представлял боль-
шой проблемы. Пример автоматизированной укладки плоских
пакетов листов приведен на рис. 18.4.
18.2.3.2. Трехмерные пакеты листов
Автоматизация процесса получения фасонных пакетов листов
простой и сложной формы предъявляет к конструкции машины
ряд совершенно новых требований. К уже имеющимся трудностям
добавляется проблема отклонения от осевой линии или сужения
ленты из-за ее сложной конфигурации (трехмерная форма/плоская
266
нерастягивающаяся лента). Автоматизированные машины самых
последних моделей приспособлены для получения изделий средней
сложности с помощью гибких мембран или саморегулирующихся
механических сжимающих устройств.
18.2.3.3. Формование без приспособлений для удаления избытка
смолы
В обычно применяемых препрегах с полимерной матрицей
содержание смолы составляет 41 ± 3 %, что требует удаления
значительного ее количества во время отверждения, так как
в отвержденном ламинате должно быть 28 ... 32 % смолы. Поэтому
сейчас уделяется больше внимания изготовлению препрегов с по-
ниженным содержанием смолы, что позволит перерабатывать их
на оборудовании с меньшим количеством выпускных отверстий
или вообще без них. Это дает два экономических преимущества:
переработчик покупает меньше смолы и меньше материала выте-
кает и подпрессовывается. Однако при использовании процессов
без выпускной системы серьезной становится проблема контроля
удаления захваченного воздуха. Поэтому в таких процессах она
решается путем снижения объема и предварительной монолити-
зации ламината.
Рассмотренный процесс успешно применяется сейчас при из-
готовлении компонентов крыла для самолетов «Боинг» моделей 757
и 767. Практика показала, что заканчивать процесс необходимо
при более высоком содержании смолы — 34 ... 38 %.
Процесс был использован также для получения готовых узлов
на основе сандвичевых структур с сотовым заполнителем и соот-
вержденным верхним слоем. Обычно неотвержденную «кожицу»
под натяжением накладывают на центральный слой во время
отверждения, чтобы предотвратить его раздавливание и образова-
ние вмятин.
Другим преимуществом этого процесса является более точное
регулирование содержания смолы в отвержденном ламинате.
При его применении для получения соотвержденных узлов для
самолетов «Боинг» моделей 757 и 767 достигается некоторое сни-
жение массы.
Из-за пористости наружного слоя до сих пор не удается удов-
летворить требования по гладкости аэродинамической поверх-
ности получаемых изделий. Этот дефект устраняется сейчас на-
несением слоя адгезива на поверхность оснастки. Ожидается, что
эта проблема будет решаться по мере накопления опыта как у из-
готовителей препрегов, так и у производителей композиционных
изделий.
18.2.4. Намотка волокном
Этот метод использовался в основном для стеклопластиков,
но нашел применение и для переработки некоторых улучшенных
композиционных материалов, состоящих из углеродного волокна
267
и эпоксидной смолы. В качестве примеров его применения можно
привести получение шасси и труб силовой передачи из улучшен-
ных композиционных материалов. Ожидается, что основным назна-
чением этого метода станет производство труб различных типов,
обтекателей антенн, цилиндрических деталей.
Для цилиндрических сосудов высокого давления отношение
окружного напряжения к продольному равно 2:1. При конструи-
ровании этих сосудов, формуемых методом намотки волокном,
можно предусмотреть такую ориентацию волокна, чтобы получить
ортотропный материал, прочность которого в окружном направ-
лении почти вдвое больше, чем в продольном. В идеальном сосуде
высокого давления, полученном намоткой волокном, слои должны
иметь диагональное расположение нитей, при котором они будут
ориентированы под углом ±54,75° к продольной оси. Этот угол,
тангенс которого равен 2, обеспечивает симметричную укладку
слоев волокна. В пределах допущений, обусловленных анализом
переплетений, прочность в окружном направлении вдвое выше,
чем в продольном.
На практике закрытие торцов цилиндрических сосудов, полу-
чаемых намоткой волокна, позволяет пойти на компромиссную
конструкцию, отличающуюся от идеальной, с диагональным рас-
положением нитей под углом 54,75°. Для формования куполооб-
разных торцовых крышек углы намотки волокна должны быть
другими. Нити, которые наматываются по краям полюсных
утолщений (в торцовом куполе обычно остается отверстие) должны
идти (для обеспечения стабильности) от цилиндра к куполу под
очень малыми углами намотки. Те же нити под такими же малыми
углами намотки проходят вдоль цилиндра для перекрывания
купола на другом конце сосуда высокого давления. Так как на-
мотка под малыми углами, часто называемая «продольной намот-
кой», производится под углом, который меньше оптимального,
равного 54,75°, обычно практикуется усиление ее рядом попереч-
ных намоток под большим углом, например, 85°. Чередование
слоев, полученных под большими и малыми углами намотки, позво-
ляет получить так называемую «сбалансированную» схему намотки.
Этот процесс, в основном разработанный фирмой «Уаэттейкер
рисерч энд дивелопмент», был использован сначала для изготов-
ления удилищ и осей стрелок-указателей. В дальнейшем он был
приспособлен для формования передних аэродинамических лопа-
стей (лопаток), моделей промежуточных отсеков ракет диаметром
740 мм, цилиндрических деталей, авиационных топливных баков
и взаимозаменяемых стандартизованных блочных конструкций
(см. гл. 15.)
18.2.5. Слоевая обертка
Это недорогой метод производства, в котором слои компози-
ционного материала с ленточного транспортера подаются на
оправку, наматываются и уплотняются на ней. Принцип этого
268
Рис. 18.5. Схема установки для слоевой обертки:
1 — ленточный конвейер; 2 — предварительно пропитанный материал; S —* ведущий
валик; 4 — оправка; 5 — уплотняющий валик; 6 — иатяжной ролик
Рис. 18.6. Установка слоевой обертки:
1 — препрег слоевой обертки; 2 — уплотняющий валик; 3 »-» оправка; 4 -* ленточный
конвейер; 5 *— натяжной ролнк; 6 электродвигатель
метода послойной укладки схематически изображен на рис. 18.5.
Оправка, помещенная в «карман» ленточного транспортера, кото-
рый образуется регулированием положения уплотняющих вали-
ков, фрикционно вращается. Слои материала, уложенные на
ленту впереди оправки, затем на нее наматываются и уплотняются
(рис. 18.6). После намотки на оправку необходимого количества
слоев изделие отверждают под действием нагрева и давления.
На рис. 18.7 приведен пример формования топливного бака
объемом 1135,5 л, а на рис. 18.8 — значения его стоимости по
сравнению с металлическим баком.
Сбалансированная схема намотки предназначена для получе-
ния изделия с таким же набором ортотропных механических
свойств, что и при идеальной послойной укладке под углом
Рис. 18.7. Оснастка для формования топливного бака методом слоевой обертки:
J — матрица с высоким давлением формования; 2 —• пуансон (оправка) со слоями мате-
риала
Рис. 18.8. Зависимость стоимости топливных баков емкостью 1135,5 л А от
объема их производства Д':
1 металлические баки; 2 — пластмассовые баки
269
±54, 75 . При этом допускается компромисс в отношении дефор-
мационной совместимости, так как между слоями, полученными
под малыми и большими углами намотки, развиваются большие
межслоевые усилия сдвига, чем при схеме намотки под углом
±54,75°. Если в качестве матрицы для стекловолокна исполь-
зуется низкомодульная смола, наблюдается средний уровень
сдвиговой деформации. Однако по мере роста требований к очень
теплостойким материалам приходится применять смолы со все
более «капризным» строением, что может привести к разрушению
структуры материала в результате образования микротрещин
в матрице и расслоения покрытий, полученных под малыми и
большими углами. Дальнейшее усовершенствование процесса
заключается в использовании ленточных препрегов, полученных
намоткой волокном, которые обладают хорошей деформационной
совместимостью с металлическими втулками, применяемыми часто
в сосудах высокого давления, получаемых намоткой волокном
для предотвращения протечки содержимого.
18.2.6. Вторичные производственные операции
В этом разделе будут рассмотрены два метода соединения
деталей: клеевой и механический. Особое внимание будет уделено
технологии склеивания, так как этот способ снижает массу кон-
струкции и стоимость узлов из композиционных материалов.
18.2.6.1. Клеевые соединения
Существует два способа соединения деталей из композицион-
ных материалов: соотверждение и вторичное склеивание. Исследо-
вания показали, что при соотверждении требуется меньше раз-
личных приспособлений и, следовательно, меньше затрат труда.
Однако при соотверждении на сотовом заполнителе сандвичевых
структур происходит ухудшение некоторых свойств из-за образова-
ния вмятин. «Тиснение» (появление отпечатков ячеек сотового за-
полнителя на соотвержденных наружных слоях) также ухудшает
свойства поверхностного слоя под действием сжимающих нагру-
зок. Степень снижения свойств в результате соотверждения со-
товых панелей зависит от размера ячеек, толщины наружного
слоя (количества слоев), ориентации слоев и давления при отверж-
дении. Метод соотверждения был разработан в качестве приемле-
мого производственного процесса для снижения стоимости изде-
лий из улучшенных композиционных материалов.
Как правило, процесс склеивания состоит из трех стадий:
выбора клея, подготовки поверхности и собственно склеивания.
Эти операции будут рассмотрены ниже.
Выбор клея. Одной из важнейших операций при склеивании
является правильный выбор клеевой системы. При этом надо
руководствоваться следующими рекомендациями.
270
1. Клей должен обеспечивать необходимую прочность данной конструкции
в той среде, где ей предстоит работать.
2. Он должен быть совместимым с входящей в состав ламината смолой.
3. Он должен иметь адекватную липкость при требуемом количестве циклов
склеивания.
4. Он должен иметь достаточно низкий модуль по сравнению со склеиваемыми
материалами, чтобы распределение напряжений было равномерным и не было
больших концентраций напряжений по краям.
Подготовка поверхности. Возможно, самой ответственной опе-
рацией при склеивании является правильная подготовка поверх-
ности. Ниже будут описаны методы подготовки поверхности раз-
личных типов материалов, применяемых в производстве слоистых
пластиков. Из рассмотрения исключены алюминиевые листы,
так как имеется огромный банк данных по этому материалу.
Сотовый заполнитель. В трехслойных конструкциях, получа-
емых как склеиванием, так и соотверждением, в качестве запол-
нителя применяются алюминий и стекловолокно. Метод очистки
заполнителей зависит от условий, в которых они хранились после
предыдущей обработки. Если заполнитель был подвергнут меха-
нической обработке в состоянии, предшествующем растяжению,
или удерживался в заданном положении двухсторонней липкой
лентой, то его зачищают стандартным методом обезжиривания
в парах растворителя. Когда заполнитель «отверждают» в простом
эфире полиэтиленгликоля (полигликоле), то после механической
обработки его надо тщательно промыть горячей водой (выше
71°), щелочью, деионизированной водой и быстро высушить.
Алюминиевые заполнители после всех очистных операций необ-
ходимо тщательно проверить на наличие пятен или следов кор-
розии.
Титан. Результаты разработки методов подготовки поверх-
ности титана оказались противоречивыми. Одна технология,
которая представляется наиболее приемлемой, основана на хо-
нинговании паром. Она успешно применялась и обеспечивала
достижение необходимых свойств клеевого слоя. Процедура со-
стоит из следующих операций.
1. Пароабразивная обработка до достижения однородной атласной поверх-
ности с использованием окиси алюминия (зернистость 400 меш) под давлением
42 ... 63-104 Па. Быстро промыть водопроводной водой и проверить однородность
и нет ли следов ударов. (Предупреждение. Поверхность должна быть
однородной и атласной. При необходимости следует повторить обработку.) Сухую
дробеструйную обработку можно заменить пароабразивной обработкой при
соблюдении правильной техники безопасности.
2. Быстро протереть обработанные поверхности метилэтилкетоном. При этом
они должны остаться однородными (пятна не допускаются).
3. Стандартными гиетодами обезжирить щелочью плотно прилегающие по-
верхности, промыть и высушить.
4. Обработать плотно прилегающие поверхности составом «Паса-Джелл 107»,
промыть и высушить.
5. Загрунтовать или покрыть клеем поверхности не позднее чем через 4 ч
после сушки в соответствии с операцией 4.
271
18.3. Подготовительная обработка поверхности титана фосфор- и фторсодержащим соединением
Ускоренная сушка Горячий циркуляру- До сухого 60—121,1 Если перед нанесением грунтовки покрытие
ющий воздух состояния оказывается неоднородным, обработку деталей
можно повторить
Другие методы подготовки склеиваемых или соединяемых
с помощью смолы деталей использовались различными организа-
циями, которые применяют сандвичевые титаносодержащие трех-
слойные конструкции. Анализ литературы по склеиванию ти-
тана показывает, что прочность клеевого соединения может
меняться в широких пределах и при некоторых обстоятельствах
оказаться совершенно непредсказуемой. Опыт предыдущих ис-
следований не кажется удивительным в свете современных пред-
ставлений о высокой чувствительности прочности клеевых соеди-
нений к химическому составу поверхности металла.
Вторая технология, основанная на погружении детали во фто-
ристое соединение, кратко описана в табл. 18.3. Этот метод дал
самые лучшие из всех известных результаты. Микрофотографии
подготовленных поверхностей, полученные сканирующей элек-
тронной микроскопией, свидетельствуют о том, что небольшие
изменения условий обработки и концентрации раствора могут
оказать существенное влияние на склеиваемость металла. Иссле-
дования показывают также, что активность поверхности сохра-
няется в течение первых 24 ч после сушки, причем самые лучшие
результаты получаются, если поверхности грунтуют и склеивают
сразу же после их подготовки.
Сталь. Стальные детали легче подготовить к склеиванию,
чем титановые. В промышленности обычно применяют следующие
методы подготовки:
1) обезжиривают деталь протиранием метилэтилкетоном или
в парах растворителя;
2) проводят дробеструйную обработку окисью алюминия с зер-
нистостью 180 меш под давлением 42... 63-Ю4 Па;
3) протирают чистой тканью, смоченной метилэтилкетоном;
4) очищают щелочью в соответствии с промышленными стан-
дартами;
5) промывают водопроводной водой;
6) помещают в 20 ... 55 %-ную кислоту HNOa при темпера-
туре 18,3 °C минимум на 90 ± 30 с;
7) промывают деионизированной водой и высушивают;
8) грунтуют или покрывают клеем поверхности не позднее
чем через 4 ч после описанной выше дробеструйной обработки.
Композиционные материалы. Для подготовки поверхности
композиционных материалов успешно применяются три метода.
Первый — нанесение наружного слоя — заключается в том, что
на склеиваемую поверхность ламината, находящегося в В-стадии,
наносят термосвариваемую промытую найлоновую пленку. Этот
материал почти не сморщивается и образует поверхность нуж-
ного качества. Используются ультразвуковые неразрушающие
методы испытания, при которых наружный слой остается непо-
врежденным. После этих испытаний наружный слой можно
Удалить, обнажив готовую для склеивания поверхность. Второй
метод заключается в дробеструйной обработке мелкозернистой
273
окисью алюминия. Третий метод основан на ручной очистке с по-
следующим протиранием растворителем и сушкой воздухом.
При всех методах подготовки предел прочности при сдвиге соеди-
нений, получаемых склеиванием адгезивом «Шелл 951» ламина-
тов, состоящих из графитированного волокна и эпоксидной смолы,
был примерно одинаковым.
Цикл склеивания. Для получения хорошего сцепления компо-
нентов в конструкции необходимо поддерживать соответствующую
скорость подогрева клея. Ее обычно определяют при испытании
отдельных компонентов материала на стадии конструирования.
18.2.6.2. Механические методы скрепления
Механические способы соединения деталей из улучшенных
композиционных материалов обычно применяются при наличии
больших расслаивающих напряжений, когда требуются особые
критерии надежности и в случае обязательной периодической раз-
борки конструкции. Например, внутреннее давление топлива
приводит к развитию больших расслаивающих напряжений (или
растягивающих усилий, перпендикулярных ориентации слоев)
внутри клеевых соединений в крыльевом встроенном топливном
баке. В этом случае требуется механическое крепление. Однако
использование механических крепежных деталей приводит к зна-
чительным концентрациям напряжений. Два способа их сниже-
ния основаны на замене соседних с отверстиями листов с ориента-
цией 0° на прокладочные полоски металла или на смягчающие
полоски из стекловолокна или армированной углеродным волок-
ном эпоксидной смолы (±45°).
Обычные заклепки не рекомендуется использовать для соеди-
нения деталей из улучшенных композиционных материалов.
Однако нашли применение обжимающие заклепки и заклепки
с вытяжным стержнем. При употреблении болтов выбор типа
головки — стандартной (наружной) или потайной — зависит от
конструктивных ограничений и образующегося уменьшенного
чистого сечения.
Алюминиевые крепежные детали, используемые в конструк-
циях из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном,
необходимо подвергать специальной обработке для защиты от
коррозии.
18.2.6.3. Механическая обработка ламинатов на основе
эпоксидной смолы
Композиционные материалы из борного волокна и эпоксидной
смолы требуют значительной механической обработки. Матрица
из эпоксидной смолы обрабатывается относительно легко, но
в некоторых случаях ее сравнительно низкая прочность не обес-
печивает достаточной связи борного волокна, чтобы предотвра-
тить его разрыв. Борные волокна сами создают дополнительные
274
трудности, так как их твердость достигает 9,5 по шкале Моса.
Обычные твердосплавные режущие материалы, такие как карбид
вольфрама, окись алюминия, карбид кремния и инструменталь-
ная сталь, мягче, чем бор. Алмаз, твердость которого по шкале
Моса 10, является эффективным материалом для механической
обработки композиционных пластмасс из борного волокна и
эпоксидной смолы. Значительные проблемы, однако, возникают
при совместной обработке композитов с внутренними металличе-
скими слоями. Для некоторых изделий, которые крепятся вдоль
ребра, при каждом переходе в процессе сверления через поверх-
ность раздела между металлом и композиционным материалом
надо заменить сверло. Если прослойкой служит тонкая металли-
ческая фольга, этот метод становится явно непрактичным и надо
искать какой-то компромиссный способ механической обработки.
Было исследовано много нестандартных методов механиче-
ской обработки, включая резку лучом лазера, электромагнитную
механическую обработку и различные комбинации устройств
с ультразвуковыми головками. Основные трудности возникали
из-за подгорания смолы и плохого контроля допусков. Многие
фирмы для обработки материалов, состоящих из слоистого пластика
и металла, применяли помимо алмазных резцов множество сверл.
Часто использовали сверла из быстрорежущей стали, направ-
ляемые пустотелые спиральные кобальтовые сверла и сверла
с напаянными твердосплавными пластинами, после чего для
окончательной калибровки и отделки применяли развертку
с алмазной поверхностью.
В табл. 18.4 описаны типичные методы механической обра-
ботки, которые успешно применялись для композитов из эпок-
сидной смолы и борного волокна. В табл. 18.5 приведены анало-
гичные данные для композиций слоистых пластиков с коррози-
онно-стойкой сталью 17-7РН. Во всех операциях по механической
обработке для предотвращения разрушения и расслоения мате-
риала необходимо использовать соответствующие подложки и
зажимные приспособления. В табл. 18.6 приведены данные по
механической обработке комбинаций слоистых пластиков с ти-
таном, где также требуются поддерживающие устройства.
При обработке слоистых пластиков, содержащих углеродные
и другие органические волокна, широко применяются стандарт-
ные стальные спиральные сверла, зенковки и специальные фрезы
для обработки фасонной поверхности, причем специальная тех-
нология или инструмент не нужны. Однако при сверлении неко-
торых органических волокон (например, «Кевлар-49») наблю-
дается значительный износ инструмента из-за их большой жест-
кости. Если сверление ведется через слоистый пластик, может
происходить расслоение материала. Для того чтобы после про-
сверливания отверстия сверло не шло дальше, заднюю сторону
детали покрывают липкой лентой и сверлят с небольшой ско-
ростью.
275
276
18.4. Механическая обработка композитов из эпоксидной смолы и борного волокна
Операция Характеристика режущего инструмента нз алмазного порошка Скорость резания нлн частота вращения Подача Примечания
Обработка отвер-
стия диаметром:
6,4—19,1 мм Зенкер, зернистость алмазного порошка 60/80 меш, связка — металлокерамическая (МКС) или 60/90 меш, связка — галь- ваническое покрытие (ГПС) 15,24—91,4 или 3000 мин м/мин -1 Ручная вибриру- ющая подача с лег- ким усилием Обильное охлаждение СОЖ через зенкер
до 6,4 мм Спиральное сверло из быстро- режущей стали 350 мин-1 Автоматическая 0,178 мм/об Обильное охлаждение СОЖ
Развертывание от- верстия диаметром 6,4—12,7 мм Зенкование: черновое чистовое Фрезерование фа- сонного профиля Резка ленточной пилой Алмазная развертка, 120 меш Зенковка, 2ср = 100°, 60 меш, МКС или ГПС Зенковка, 2ср = 100°, 100— 200 меш, МКС или ГПС Фреза, ГПС, 60/80 меш Полотно, режущая кромка с покрытием, 40—60 меш 15,24—33,1 м/мин 36,58 м/мин 36,58 м/мин 137,16 мин-1 487,7 мин-1 Легкое усилие Ручная вибриру- ющая подача, лег- кое усилие Ручная вибриру- ющая подача, лег- кое усилие Скорость подачи за- висит от глубины резания Ручная подача Перед развертыванием от- верстия зенкеровали Обильное охлаждение СОЖ или туманом То же Охлаждение туманом То же
Резка дисковой пилой Дисковая пнла диаметром 152 мм и толщиной 1,27 мм, МКС, 100 меш 716,3—1828,8 МИН“8 38,1—558 мм/мин Материал должен находить- ся на подложке для умень- шения расслоения по краям
Прорезание пазов и отрезание Шлифование Шлифовальный круг диаметром 152 мм и 203 мм и толщиной 1,52 мм, ГПС, 60/80 меш Чашечный круг диаметром 89 мм, МКС, 100 меш 716,3—2164,1 326,7 мин-1 мин-8 76,2—508 мм/мин 12,7—76,2 мм/мин Образуется более шерохова- тая поверхность Шлифование кромок на фре- зерном станке. Охлаждение туманом
18.5. Механическая обработка композитов из эпоксидной смолы и борного волокна
с прослойкой из стали 17-7PH толщиной 0,13—0,25 мм
Операция Характеристика инструмента Скорость нлн частота враще- ния Подача Примечания
Сверление и зен-
керование отвер-
стий диаметром
6,4—12,7 мм
Развертывание
Зенкование
Алмазный зенкер на металлоке-
рамической связке (МКС), зер-
нистость алмазного порошка
100 меш илн зенкер из быстроре-
жущей стали
Инструмент из алмазного порош-
ка зернистостью 60—80 меш
Развертка с алмазным порошком
на связке — гальваническом по-
крытии (ГПС)
Алмазный зенкер диаметром
19 мм, МКС
Черновой алмазный зенкер, ГПС,
36 меш
Чистовой алмазный зенкер, ГПС,
100 меш
5—15 мин на
1 отверстие
350 мин-1
1300 мин-1,
6 мин
Ручная вибрирую-
щая с легким уси-
лием
Постоянная подача
0,178 мм/об,
3,175 мм/мин
Ручная (дрелью)
Обильное охлаждение СОЖ че-
рез сверло
Обильное охлаждение СОЖ
Обильное охлаждение специ-
альной СОЖ
Охлаждение туманом
Фрезерование фа-
сонного профиля
Резка ленточной
пилой
Резка дисковой
пилой
Шлифование
Диск из карбида кремния диаме-
тром 406 мм, толщиной 1,6 мм
Алмазная пила
400 мин~? Ручная вибрирую- Обильное охлаждение СОЖ или
400 мин-1 щая туманом
Ручная Охлаждение туманом
400 мин-1 Ручная Охлаждение туманом
— — Нельзя фрезеровать по краю панели с закладными металли- ческими деталями
Те же условия, что и при об- работке композита, состоящего из эпоксидной смолы и борного
волокна
1280 м/мин 12,7—25,4 мм/мин Охлаждение туманом
6000 мин~х 50,8 мм/мин Охлаждение туманом и необ- ходима подложка
— — Не рекомендуется
18.6. Механическая обработка композитов из эпоксидной смолы
и сборного волокна совместно с пластиной из титана 6-4 толщиной
0,1—0,25 мм
Операция Характери- стика инстру- мента Скорость резаиня Подача Примечания
Сверление отверстий диаметром 6,4—12,7 мм — — Те же условия, что и при обработке композита с прос- лойкой из стали 17-7 PH
Зенкерова- ние и раз- вертывание отверстий диаметром 6,4—12,7 мм Зенкеры применя- лись как для чер- новой обработки, так и для калибров- ки отверстий
Зенкование —. — — Те же условия, что и при обработке композита с прос- лойкой стали 17-7 PH
Фрезерова- ние фасон- ного про- филя —. — — Не рекомендуется фрезеровать по краю панели в се- чении с металлом
Резка лен- точной пилой Те же условия, что и при обработке композита (без ме- талла), состоящего из эпоксидной смо- лы и борного волок- на
Резка ди- сковой пилой Алмазный диск с ме- таллокера- мической связкой, диаметром 152,4 мм, толщиной 1,27 мм, зернисто- стью 100 меш 731,5 м/мин или 1265 об/мин 12,7— 31,75 мм/мин 50,8 мм/мин Охлаждение тума- ном Охлаждение тума- ном
Шлифова- ние Круг из карбида кремния 1706,9 м/мин 2540 мм/мин Шлифование под углом 90° к метал- лической прослой- ке, шлифование кромок возможно на металлической подложке
278
Для резки слоистых пластиков, армированных углеродным
и арамидным волокном, успешно использовали струю воды.
При ультравысокой скорости струи достигались большие скоро-
сти резания и обычно образовывались поверхности с зачищен-
ными кромками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1, «Рапе! Reports of Composites Recast, An Air Force/NASA Long Range Planning
Study», February 22, 1972.
2. Hercules Product Data Sheets 815-3 and 831.
3. «Plastics for Aerospace Vehicles, Part I, Reinforced Plastics», Military Handbook,
MIL-HDBK-17A, January 1971.
4. «Advanced Composite Wing Structures—Vol. I, Engineering», AFML-TR-70-231,
Vol. I, Contract F33615-68-C-1301, Grumman Aerospace Corp., December 1970.
5. «Structural Design Guide for Advanced Composite Applications», Contract
F33615-69-C-1368, Rockwell International, Los Angeles Division, Third Edition,
January 1973.
6. «Manufacturing Methods for Cocuring Advanced Composites Materials», Contract
F33615-71-C-1824, Nirthrop Corp.
7. «Manufacturing Methods for Thermal Expansion Molding of Advanced Compo-
sites», AFML-TR-75-10, Lockheed-Georgia Company, August 1975.
19. ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
НА СВОЙСТВА композиционных
МАТЕРИАЛОВ
Р. Стонтон
19.1. Введение
Исследование влияния окружающей среды на композицион-
ные материалы должно быть проведено на самых ранних стадиях
проектирования конструкций. Неудачное выполнение этой ра-
боты может потребовать повторения расчетов на последующих
этапах проектирования, что влечет дополнительные затраты или
значительное увеличение расходов в результате разрушения
конструкций под действием окружающей среды. При проекти-
ровании необходимо принимать во внимание как естественные,
так и искусственно возникающие в окружающей среде факторы,
вредно влияющие на материал. При анализе этих факторов очень
важно учитывать совокупное воздействие именно тех условий,
в которых данной системе предстоит работать.
19.2. Коррозия
Коррозионная стойкость является характерным свойством
армированных волокном пластмасс, что позволяет использовать
их для эффективного предупреждения коррозии и борьбы с ней
путем замены обычно корродирующих металлических конструк-
ций или комбинированием металла с композиционными материа-
лами, что дает положительный синергический эффект. Армиро-
ванные пластмассы нельзя считать абсолютной защитой от кор-
розии во всех случаях жизни, но, когда они используются сами
по себе, а также совместно с другими материалами, коррозион-
ные эффекты могут быть значительно снижены.
Армированные пластмассы были успешно применены для раз-
личных целей на одном из первых объектов, который должен
был быть коррозионно-стойким [1]. Такие конструкции из ком-
позиционных материалов, как мачты, рангоуты, палубные рубки,
баки, детали радиолокаторов, поплавки, буи, оборудование
химических предприятий, аэрокосмические конструкции, были
удачно спроектированы и использовались в течение многих лет
в высококоррозионных средах. Химическую коррозию можно
предотвратить при правильном выборе смол, армирующих мате-
риалов и добавок. Наиболее ответственно надо подходить к вы-
бору основной смолы и химических добавок, которые могут выще-
280
Рис. 19.1. Гальванический потенциал в продуваемом воздухом и
перемешиваемом 3,5 %-ном растворе NaCl при 25 °C:
А — магний; Б — кадмированная сталь; В — плакированный алюминий
7075, TG; Г неплакироваиный алюминий 2024; Д — сплав Ti — 6 Al —4V;
Е — коррозионно-стойкая сталь 304; Ж — насыщенный каломельный элек-
трод; 3 композиционный материал из эпоксидной смолы и углеродного
волокна
лачиваться из композиционного материала и тем самым
вызывать коррозионное разрушение.
Электрохимическая коррозия является одной из
наиболее распространенных форм коррозии. Она мо-
жет происходить при наложении металлических кре-
пежных деталей на изделия из эпоксидной смолы,
армированной углеродным волокном. Аналогичное
явление характерно и для многих других комбина-
ций, где металлические детали контактируют или
находятся в непосредственной близости с более
инертными композиционными материалами из эпо-
ксидной смолы и углеродного волокна. Если какая-то
конструкция состоит из двух или более разнородных
К, В
-А
-7,5-
+0,5 J
материалов, то при соответствующих условиях коррози-
онное разрушение сначала произойдет у «анодного» материала, а за-
тем уже у «катодного». Интенсивность этой коррозии определяется
прочностью гальванического элемента, которая, в свою очередь,
зависит от расстояния между этими материалами в ряду напря-
жений, степени поляризации и величины образующегося тока.
В соответствующем электролите эти факторы могут привести
к коррозионному разрушению двух разнородных материалов.
Рис. 19.1 [21 иллюстрирует высокую инертность компози-
ционных материалов из углеродного волокна и эпоксидной
смолы по сравнению с различными металлами. Эти композиты
могут использоваться в контакте с менее инертными металлами
при правильном выборе изоляции. На плотно прилегающие по-
верхности обычно наносят покрытия, которые прерывают ток
гальванической пары.
Предупреждение коррозии и борьба с ней — важнейшие фак-
торы любой конструкции, и во многих случаях они препятствуют
тому, чтобы коррозия вызывала увеличение стоимости изделий.
Борьба с коррозией заключается в нанесении подходящих за-
щитных слоев, уменьшении площади катода, использовании инги-
биторов коррозии и удалении влаги из окружающей среды.
19.3. Электромагнитные эффекты
Эффекты электромагнитного излучения, или электромагнит-
ная интерференция, могут быть вызваны различными причинами,
в том числе ядерным взрывом, молнией, пар астатическим или ко-
ронным разрядом. Эти воздействия могут быть средней силы или
катастрофическими. Электромагнитные эффекты не рассматри-
281
ваются с позиций их вредного воздействия на композиционные
материалы. Представляет интерес лишь то, как (в количественной
форме) эти материалы могут защитить находящуюся внутри элек-
тронную аппаратуру. Электромагнитную защиту рассчитывали
для различных диапазонов частот, включая перечисленные выше
источники излучения. Непроводящие композиционные материалы
не обладают высокой экранирующей эффективностью, в то время
как эпоксидные смолы, армированные углеродным или борным
волокном, обеспечивают ту или иную степень защиты. Компо-
зиты, армированные углеродным волокном, обладают большей
проводимостью, чем содержащие борное волокно, но ни те, ни
другие не могут обеспечить (при той же толщине конструкции)
такой уровень экранирования, какой дают металлы. Уровень
экранирования, достигаемый при использовании композиционных
материалов, довольно значителен, и при рассмотрении каждой
системы следует учитывать именно те воздействия, которым она
может подвергаться, чтобы определить, требуется ли дополни-
тельная защита. Скоуби [3] изучал экранирующую способность
улучшенных композиционных материалов в диапазоне частот от
50 кГц до 18 ГГц. Он пришел к выводу, что восьмислойные ком-
позиты из эпоксидной смолы и углеродного волокна могут обес-
печить защиту от воздействия плоских звуковых волн уровнем
до ~70 дБ, а аналогичные панели, армированные борным волок-
ном, — только до 30 дБ. Экранирующая способность армирован-
ных волокном пластмасс может быть значительно улучшена при
нанесении на них металлических покрытий (различные покрытия
рассмотрены в разд. 19.7).
19.4. Усталость
Под термином «.усталость-» подразумевают многократное при-
ложение небольших нагрузок, вызывающее локальные пластиче-
ские деформации, которые могут послужить причиной наруше-
ния структуры материала. Приложенные нагрузки не настолько
велики, чтобы вызвать немедленное разрушение, но с течением
времени происходит накопление кумулятивных эффектов, кото-
рое может привести к катастрофическому разрушению изделия.
Усталость развивается под действием акустических колебаний
и механических нагрузок. В принципе, улучшенные композици-
онные материалы обладают высоким сопротивлением обычным
усталостным воздействиям и могут применяться вместо металлов
в условиях высоких усталостных нагрузок. Гибридная компози-
ционная конструкция, имеющая только механические крепления,
примером которой может служить кессон горизонтального стаби-
лизатора самолета В-1, выдержала в течение 181 ч акустические
усталостные воздействия в диапазоне 152 ... 167 дБ без всяких
следов разрушения [4]. Выполненную в натуральную величину
конструкцию из слоистого пластика выдержали в условиях
282
эксплуатации самолета В-1 в течение времени, вдвое превыша-
ющего выносливость при многократных деформациях в этих
условиях, при этом разрушения материала не наблюдалось.
Испытания отдельных элементов по программе для горизонталь-
ного стабилизатора самолета В-1 были проведены на деталях
с производственными дефектами. Элементы подвергали воздей-
ствию условий, типичных для эксплуатации этого самолета:
влаги, механических многократных нагрузок и колебаний тем-
пературы от —12 до 4-127 °C. При этом рост дефектов не был
обнаружен [5].
19.5. Горючесть
Армированные волокном пластмассы по воспламеняемости
различаются в очень широком диапазоне: от легко воспламеняе-
мых до негорючих. Относительная воспламеняемость этих мате-
риалов существенно меняется при введении антипиренов, которые
или снижают скорость горения, делая пластик самозатухающим,
или придают ему негорючесть. Опубликована отличная обоб-
щающая статья [6], в которой рассмотрены различные анти-
пирены и их влияние на свойства пластмасс. В ней приведены
также рекомендации по количеству антипиренов, которое необ-
ходимо вводить в материалы для существенного снижения их
горючести. Все применяемые в слоистых пластиках армирующие
материалы, кроме органических волокон, обладают внутренне
присущей им огнестойкостью. В зависимости от типа матрицы,
в которой находится армирующий материал, волокно может
положительно или отрицательно влиять на воспламеняемость
композиционного пластика. Если капли расплавленной матрицы
своевременно удаляются от основного источника воспламенения,
то в некоторых случаях пламя может погаснуть. Присутствие
армирующего материала может изменить этот процесс, удерживая
основание пламени на месте и тем самым способствуя его распро-
странению. Армирующий материал может действовать также
и как преграда продвижению пламени, значительно снижая
способность матрицы к загоранию. В принципе, можно ожи-
дать, что добавление антипиренов снизит некоторые важные
свойства композитов, такие как прочность и жесткость. В зави-
симости от того, является ли добавка пластификатором или
нет, ударная прочность материала может улучшиться или
ухудшиться.
При любых изменениях состава материала необходимо рас-
смотреть, как это отражается на всех свойствах готового
изделия.
Эпоксидные смолы, применяемые в улучшенных композици-
онных материалах, считаются самозатухающими веществами без
добавления антипиренов.
283
19.6. Ударные воздействия
Под ударными воздействиями подразумевается появление пов-
реждений на поверхности композиционного материала под уда-
рами посторонних объектов, вызывающее развитие локальных
дефектов или значительное его расслоение. Это определение
распространяется на баллистические разрушения, повреждения
от воздействия песка, пыли и камней, а также от неправильного
физического обращения с конструкциями. Ударная прочность
композиционных материалов зависит от выбора армирующих
элементов и матриц. Свойства матрицы можно варьировать вве-
дением пластификаторов, которые увеличивают ее деформацию
до разрушения. Этот показатель зависит также от температуры.
Матрицы из термопластов с увеличением температуры становятся
все более мягкими вплоть до начала текучести. Реактопласты при
нагревании тоже становятся менее хрупкими, причем при пере-
ходе через температуру стеклования их свойства резко меняются.
Хрупкие армирующие материалы, такие как борное и углеродное
волокна, имеют очень низкую предельную деформацию (<1 %).
Их замена на менее хрупкое волокно, например стеклянное или
высокопрочное органическое волокно, может привести к значи-
тельному увеличению ударной прочности материалов. Зависи-
мость этого показателя от различных сочетаний компонентов
композиционных материалов исследована многими авторами [8, 9 ].
Необходимо отметить, что при варьировании ударной прочности
композитов добавлением наполнителей или более пластичных
волокон особое внимание должно быть уделено изменению проч-
ности и жесткости готового изделия. Как правило, с ростом удар-
ной прочности жесткость снижается.
19.7. Удар молнии
Обычно армированные пластики считаются электроизоляци-
онными материалами благодаря непроводящей природе смол и
большинства армирующих материалов, применяемых в компо-
зитах. Высокая или низкая проводимость любой конструкции
может быть преимуществом или недостатком, когда она подвер-
гается удару молнии. Проводящие структуры могут использо-
ваться для уноса электрического заряда, вызванного ударом
молнии, в то время как непроводящие структуры меньше подвер-
жены ударам молний. Улучшенные композиционные материалы,
состоящие из эпоксидной смолы и борного или углеродного во-
локна, обладают большей проводимостью, чем обычные стекло-
пластики, особенно в плоскости оси волокон. Если удар молнии
приходится на композит, состоящий из эпоксидной смолы и угле-
родного волокна, он фактически пройдет вдоль конструкции в на-
правлении оси волокон в поверхностных слоях.
Особого внимания в этом плане требуют композиты из эпок-
сидной смолы и борного волокна вследствие проводящей природы
284
внутренней вольфрамовой основы и электроизоляционного на-
ружного слоя из бора (такое строение имеют наиболее широко
применяемые борные волокна). Если бор нанесен на углеродный
субстрат, эти зависимости в основном сохраняются, но стано-
вятся менее резкими в результате меньшей проводимости углерода
по сравнению с вольфрамом. Независимо от того, из каких ве-
ществ состоит композиционный материал, если удары молнии
представляют угрозу для конструкции, в которую он входит,
при ее проектировании необходимо предусмотреть систему за-
щиты от молний. Разработано много схем защиты конструкций,
содержащих композиционные материалы. Наиболее распростра-
ненным способом является создание токопроводящей дорожки
на их поверхности, чтобы обеспечить неразрушающий путь тока
для рассеяния заряда.
В качестве покрытий чаще всего применяют проволочную
сетку, слой алюминия, полученный пламенным напылением,
и алюминиевую фольгу. Полоски или стержни молниеотвода
также были приспособлены для непосредственного восприятия
ударов молнии, сила тока которых до 200 кА, с последующим без-
опасным отведением тока в электропроводящие участки летатель-
ного аппарата. Для изоляции внутренней части летательных
аппаратов могут быть использованы композиционные материалы
с меньшей электропроводностью, благодаря чему ток молнии
останется на наружной поверхности.
Были предложены различные конструкции таких устройств,
и, в зависимости от конкретного назначения, большинство из
них оказались эффективными. Например, нет необходимости по-
крывать всю наружную поверхность токопроводящим материа-
лом для успешного отражения молнии. Полное покрытие реко-
мендуется только тогда, когда данная поверхность восприимчива
к непосредственному воздействию молнии. Однако если мало-
вероятно, что поверхность будет непосредственно подвергаться
ударам молнии, то лишь небольшая часть ее должна иметь покры-
тие. Эти рекомендации приобретают особую важность при рас-
смотрении вопроса снижения массы и стоимости.
Примером случая, при котором покрытие было нанесено на
50 % площади вторичной зоны конструкции летательного аппа-
рата, является горизонтальное хвостовое оперение самолета В-1,
изготовленное из эпоксидной смолы, армированной углеродным
волокном (см. гл. 28). В этом конкретном случае токопроводящей
дорожкой служит слой алюминия, полученный пламенным напы-
лением. Описанные способы защиты от молний испытывались
в полетах в течение многих часов, где они очень успешно приме-
нялись на стабилизаторах самолета А-14, 50 % наружной поверх-
ности которых были покрыты полосами алюминиевой фольги.
В последнее время появилось несколько статей, в которых опи-
саны различные типы применяемых схем для защиты от молний,
технология изготовления которых уже освоена, а также приве-
285
дены компромиссные соотношения между затратами и массой
и многие другие оценочные показатели [10—13].
Армированные волокном материалы могут применяться также
и без устройств для защиты от ударов молнии, если в самой кон-
струкции летательного аппарата предусмотрены соответствющие
меры. В принципе армированные пластмассы менее восприим-
чивы к притяжению молний, чем металлы. Их можно использовать
в конструкции для электроизоляции более чувствительных ком-
понентов. В зависимости от технологии изготовления и конструк-
ции защитного устройства любой из описанных выше способов
может оказаться оптимальным с учетом снижения массы и затрат.
Анализ опубликованных материалов, ссылки на которые при-
ведены выше, дает достаточно полное представление о приме-
няемых технологиях. Один показатель, который был обязатель-
ным во всех проведенных исследованиях, связанных с нанесением
защитных покрытий, — это минимально допустимая толщина
таких покрытий, которая должна быть 0,127 мм.
19.8. Воздействие влаги
Влага постоянно присутствует в любой окружающей среде,
как в той, в которой получают композиционный материал, так
и в той, где он всегда эксплуатируется. Влияние влаги на компо-
зиционные материалы детально исследовано и известно, что она
вызывает постепенное разрушение связующего. Влага находится
в различных формах и со временем проникает во все органические
материалы за счет процесса регулируемой диффузии, пока в ма-
териале не будет достигнута равновесная концентрация влаги.
Нагревание может вызвать структурные изменения в матрице,
которые приводят к увеличению ее способности удерживать воду.
Как правило, влага способствует ухудшению механических свойств
матрицы. Удаление влаги из эпоксидных смол путем медленного
высушивания матрицы приводит к
Рис. 19.2. Зависимость температуры стек-
лования Тс эпоксидной смолы от содержа-
ния влаги С
восстановлению механических
свойств материала до ис-
ходного уровня. Влага иг-
рает роль эффективного пла-
стификатора смолы, который
размягчает матрицу и сни-
жает ее температуру стекло-
вания. В последнее время
вследствие существенного
увеличения объемов приме-
нения пластиков на основе
эпоксидных смол в авиаци-
онно-космических аппара-
тах особое внимание уде-
лялось изучению влияния
влаги на них. Можно счи--
286
Рис. 19.3. Увеличение массового влагопоглощения С материалом Л5/3501-6,
состоящим из эпоксидной смолы и углеродного волокна, в результате выдержки t
во влажной среде при 60 °C и относительной влажности 98 %:
1 — без покрытия; 2,3 — покрытым фольгой соответственно после и во время отверждения;
4 — кривые, полученные непосредственным измерением; 5 — корректировка на коррозию
фольги
тать установленным, что влага разрушает вторичные связи
между полимерными цепями, но не оказывает влияния на
основные связи. Этот процесс обратим и не вызывает фатального
разрушения матрицы. Единственным следствием выявленных
воздействий влаги на композиционные материалы является то,
что конструктор должен рассматривать их во взаимодействии
с другими факторами окружающей среды. Как показано на
рис. 19.2, влага заметно снижает температуру стеклования поли-
мерной матрицы. С ростом влажности температура стеклования Тс
падает.
Влияние влаги на механические свойства эпоксидных смол,
армированных стеклянным и углеродным волокнами, исследовано
в недавних работах [14]. Композит Л5/3501-6 из эпоксидной
смолы и углеродного волокна был изготовлен в виде 18-слойных
(0°, 45°; 90°; 8; 8; 2) панелей и выдержан при следующих усло-
виях: 60 °C, относительная влажность 98 % — влажностно-теп-
ловое старение в течение 3 сут. при 60 °C и относительной влаж-
ности 98 % — 2 ч при 127 °C. Увеличение влагосодержания
материала в результате выдержки во влажной среде в течение
90 сут и после 40 циклов теплового воздействия показано на
рис. 19.3 и 19.4.
В результате поглощения влаги происходит снижение меха-
нических характеристик композиционных материалов (табл. 19.1).
Снижение сги при 127 °C после 90 сут. выдержки во влажной среде
достигает44 %, а после40термических циклов — 49 % (рис. 19.5).
Соответствующее уменьшение предела прочности при горизон-
тальном сдвиге при 127 °C составляет 51 и 56 % (рис. 19.6).
Результаты этих исследований особенно важны для сверхзвуко-
вых летательных аппаратов, когда температура окружающей
среды на относительно короткое время достигает 127 °C. При
использовании конструкций из улучшенных композиционных
287
Рис. 19.4. Зависимость массового влагопоглощения С панелями (152,4Х 152,4 мм)
из эпоксидной смолы и углеродного волокна от числа термических циклов N
(72 ч, 60 °C, относительная влажность 98 %; 2 ч, 127 °C):
1 — покрытыми материалом <Алюмазит-2»; 2 — без покрытия; 3, 4 — покрытыми фоль*
гой соответственно после и во время отверждения
Рис. 19.5. Сохранение процентной доли предела прочности при изгибе Д<ТЯ
при 127 °C слоистого пластика после выдержки в различных условиях (в процентах
указано влагопоглощение):
1 — исходное значение <ти = 100 %; 2 — после выдержки во влажной среде в течение1
90 сут; 3 — после 40 термических циклов; А — без покрытия; Б, В — покрытого фольгой
соответствеиио после и во время отверждения
288
19.1. Влияние влагозащитных покрытий на сохранение прочности материала
нз эпоксидной смолы и углеродного волокна
Параметр Беа покрытия Покрытие алюминиевой фольгой
после отверждения во время отвержде- ния
Контрольный образец После выдерж- ки во влажной среде После термиче- ских циклов Контрольный образец После выдерж- ки во влажной среде После термиче- ских циклов Контрольный образец После выдерж- ки во влажной среде После термиче- ских циклов
Продолжитель- ность выдержки, сут. (циклов) — 91 (40) 91 91 (40) 90 90 (39)
Содержание нлагн, % — 1,4 1,4 0,2 0,7 1,1 0 0,5 0,5
<ти при 127 °C, МПа 1080 602 555 1045 1060 451 1231 1219 915
£и при 127 °C,ГПа 52,8 46,4 44,3 4,5 50,6 39,4 50,0 56,3 121
тсд (при горизон- тальном сдвиге) при 127 °C, МПа 57,6 28,2 25,3 59,0 49,2 39,4 64,7 60,5 53,5
Примечания. 1. Условия эксплуатации: контрольный образец — вы-
сушенный; выдержка во влажной среде при 60 °C, относительная влажность
98 %; одни термический цикл — выдержка 3 сут при 60 °C и относительной
влажности 98 %, после чего 2 ч при 127°C.
2. Материал XS/3501-6 с ориентацией 18слоев волокон (±45°/0о/90о/0о/±45°),
состоящий из эпоксидной смолы и углеродного волокна.
3. Покрытия: после отверждения — алюминиевой фольгой 2024ТЗ толщиной
0,05 мм с обеих сторон композиционного материала; во время отверждения —
сверху перфорированной фольгой 5036 толщиной 0,08 мм и снизу обычной фоль-
гой 2024ТЗ толщиной 0,05 мм.
материалов за пределами их расчетных возможностей необхо-
димо защищать их от влияния влаги, приводящего к снижению
прочности.
Разработано два метода нанесения покрытий, способных
защитить ламинаты от проникновения влаги [14]. Оба способа
основаны на использовании алюминиевой фольги, но в одном из
них сплошная фольга наносится на отвержденный ламинат (вто-
ричная операция склеивания), а во втором — соединяется с ла-
минатом во время его отверждения. При использовании этих
покрытий влагопоглощение армированных пластиков после вы-
держки во влажной среде и после термических циклов умень-
шается почти на 65 % (см. рис. 19.3 и 19.4). Последующие иссле-
дования показали, что при окрашивании фольги падение влаго-
поглощения может быть еще большим. Снижение влагопогло-
Щения способствует лучшему сохранению прочностных свойств
10 П/р Дж. Любина 289
Рис. 19.6. Сохранение процентной доли предела прочности при горизонтальном
сдвиге Дтсд при 127 °C слоистого пластика после выдержки в различных условиях
(в процентах указано влагопоглощение):
1 — исходное значение тСд = 100 %; 2 — после выдержки во влажной среде в течение
90 сут; 3 — после 40 термических циклов; А — без покрытия; Б, В ~ покрытого фоль-
гой соответственно после и во время отверждения 4
композиционного материала (см. табл. 19.1). На рис. 19.5 пока-
зано, как увеличивается сохранение прочности при изгибе, а
на рис. 19.6 — сохранение прочности при сдвиге материала
с покрытиями обоих типов после выдержки во влажной среде и
термических циклов. Результаты еще ведущихся исследований
говорят о том, что достигается еще больший эффект, если приме-
нять окрашенную фольгу. Ранее проведенные на фирме «Грум-
ман» и в других местах работы показали, что органические покры-
тия не обеспечивают защиту от влаги изделий из эпоксидной
смолы и углеродного волокна на том уровне, какой необходим
для предотвращения критического снижения прочности в ре-
зультате влагопоглощения.
19.9. Воздействие ядерного излучения
Различные факторы воздействия ядерного взрыва могут вы-
звать изменение свойств композиционных материалов. Конструк-
тор должен учитывать влияние температуры, избыточного давле-
ния и радиации, как и при любых тепловых воздействиях на
материал. Для определения эксплуатационных свойств конструк-
ций к ним должны быть приложены такие напряжения, которые
испытывает система во время работы. Термоядерные факторы
поражения выражаются в воздействии высокой энергии, кратко-
временной ударной волне и совместном действии избыточного
давления и радиации, а также механических напряжений от обыч-
ных эксплуатационных нагрузок на систему.
290
Спектральный состав излучений ядерного источника является
таким, что незащищенные композиционные материалы погло-
щают значительный объем попадающего на них потока энергии.
В зависимости от толщины композита, термостойкости смолы и
армирующего материала, входящих в его состав, количество
и интенсивность поглощенной энергии, степень разрушения
композиционного материала будет неодинаковой. Эксперименты,
проведенные с использованием различных покрытий для отра-
жения энергии ядерного излучения, свидетельствуют о разной
степени повреждения материала [15]. Как правило, композиты,
подвергаемые тепловому воздействию ядерного взрыва, должны
иметь соответствующие покрытия для отражения тепловых им-
пульсов и тем самым для предотвращения расслаивания.
Композиционные материалы выдерживали в условиях ядер-
ного излучения различного уровня. При этом было установлено,
что тепловые и быстрые нейтроны и гамма-лучи лишь незначи-
тельно влияют или вообще не влияют иа их физические свойства.
19.10. Воздействие озона
Озон — это аллотропная модификация кислорода, которая
пр едставляет определенную опасность, как об этом можно судить,
зная его возможное вредное воздействие на резину и металлы на
больших высотах, где озон может находиться в значительных
количествах. Озон может вызвать окислительную деструкцию
материалов, которая приводит к снижению механических харак-
теристик и ускоряет воздействие других факторов окружающей
среды. Анализ литературных данных, выполненный с целью
определения влияния озона на матрицы, применяемые в улуч-
шенных композиционных материалах, не позволил выявить слу-
чаи их разрушения под действием озона.
19.11. Накопление статического электричества
Электризация трением диэлектрических поверхностей вызы-
вается образующимся при трении зарядом в результате соприкос-
новения с частичками при полете, трения различных материалов
Друг о друга или отделения двух материалов один от другого.
Появление статического заряда при пылеосаждении может быть
и просто неприятным, и опасным. Топливные баки, вооружение
и электрическое оборудование должны быть изолированы от воз-
действия статического электричества. Способы защиты изделий
(аппаратов) от ударов молнии иногда могут преследовать две
Цели: служить защитой и от молний, и от накопления статического
заряда. Их действие сводится к тому, чтобы обеспечить отвод
статического заряда до его накопления в количествах достаточно
больших, чтобы вызвать воспламенение или взрыв или создать
электромагнитные помехи на находящемся на борту электриче-
ском оборудовании.
10* 291
Если основываться на общих представлениях о защите, то
одним из наиболее распространенных ее способов является нане-
сение на субстрат электропроводящего покрытия, например та-
кого, которое содержит частицы углерода или окислов металлов.
Системы защиты от статического электричества специфичны для
каждой конкретной конструкции. Одна из таких систем была
разработана для самолета В-1 Институтом по изучению молний
и нестационарных явлений по контракту с фирмой «Роквелл
интернэшанл» [171. Для создания эффективной защиты от нако-
пления статического электричества необходимо наличие бес-
конечной токопроводящей дорожки, соответствующих разряд-»
ников и токопроводящих покрытий. I
19.12. Воздействие температуры I
Армированные пластмассы работают в широком диапазоне
температур с максимальными перепадами от —54 до + 121 °C
в конструкциях военного назначения и при еще более высоких
температурах, если имеются какие-либо дополнительные источ-
ники тепла, кроме естественных. Прочность и жесткость обычно
не изменяются при низких температурах, а в некоторых случаях
даже увеличиваются. При отрицательных температурах полимеры
становятся менее гибкими и в результате этого более чувствитель-
ными к усталостному разрушению под действием переменных
механических нагрузок. Все смолы имеют определенные пределы
рабочих температур и разрушаются в большинстве случаев при
неправильном подборе матрицы (связующего) для данных тем-
пературных условий. Термическая усталость, или многократные
циклы нагрев—охлаждение, может вызвать появление локальных
механических напряжений в результате последовательных теп-
ловых расширений и сжатий. Это явление в случае несовместимо-
сти смолы и армирующего материала может оказаться основной
причиной разрушения.
Высокие температуры могут вызвать деструкцию смол, а почти
все химические реакции ускоряются с повышением температуры.
Армированные пластмассы могут применяться и при высоких
температурах, но, повторяем, только при правильном выборе
полимерной композиции. Если температурные максимумы экс-
плуатации превышают 121 °C, то большинство матриц, пере-
рабатываемых при комнатной температуре, оказываются непри-
годными. Применяемые в настоящее время промышленные смолы,
отверждающиеся при высоких температурах, можно эксплуати-
ровать при температурах, превышающих 316 °C. Один из наиболее
легкодоступных и, в большинстве случаев, надежных видов
информации, который можно получить из производственной
литературы, — это допустимый температурный диапазон эксплуа-
тации материала. Пределы рабочих температур для некоторых
смол приводятся Д. Росато [18]. Выбирая смолу для конкрет-
292
ных условий эксплуатации, необходимо подобрать ее так, чтобы
она полностью отвечала требованиям именно этих условий, правда,
как правило, за счет ухудшения каких-то других свойств.
При повышении температуры свойства композиционного мате-
риала не меняются до достижения точки начала размягчения
связующего. При достаточно сильном нагреве твердая матрица
достигает температуры стеклования, когда полимер переходит
из стеклообразного состояния в высокоэластическое. При этой
температуре наблюдается заметное ухудшение механических
свойств матрицы. В большинстве областей применения нельзя
допускать нагрев матриц выше температуры стеклования.
19.13. Дождевая эрозия
Большинство материалов имеют относительно плохую устой-
чивость к дождевой эрозии при контакте самолета во время полета
с дождем, снегом или льдом. Скорость, угол удара, частота и
масса капель определяют скорость эрозии любого композита.
Увеличение прочности и стойкости к ударным нагрузкам слои-
стого пластика достигается изменением его состава, но в большин-
стве случаев его покрывают стойким к дождевой эрозии защитным
слоем, способным рассеивать часто повторяемые и дискретные
дозы энергии, не вызывая заметного повреждения субстрата.
Сказанное в основном касается конструкций летательных аппа-
ратов, таких как обтекатели радиолокационной антенны, подвер-
гающиеся воздействию факторов полета с высокими скоростями,
или передние кромки быстро вращающихся лопастей, например
на вертолете. Для определения относительной стойкости различ-
ных покрытий [19] могут быть проведены их эмпирические иссле-
дования на испытательном оборудовании с органами управления.
Система может быть также смоделирована математически, а затем
проверена эмпирическими испытаниями [20]. Много информации
можно почерпнуть также из литературы, где показано влияние
варьирования компонентов, входящих в композиционный ма-
териал [21 ].
Несколько лет назад считалось, что композиционные мате-
риалы, состоящие из углеродного волокна и эпоксидной смолы,
слишком хрупкие, чтобы из них можно было делать передние
кромки конструкций летательных аппаратов. Однако с появле-
нием полиуретановых покрытий с повышенной устойчивостью
к дождевой эрозии и недавно разработанных типов углеродного
волокна было установлено, что композитные пленки с их ис-
пользованием обеспечивают необходимую стойкость материала
в указанных выше областях применения.
19.14. Влияние атмосферных воздействий
К атмосферным воздействиям относятся суммарные эффекты,
вызываемые солнечным светом, влагой, теплом, холодом, ветром
и загрязняющими веществами. При изучении этих комбинирован-
293
ных воздействий испытуемые изделия находятся под эксплуата-
ционными нагрузками. Единственный достоверный способ иссле-
дования этих явлений заключается в испытании композиционных
материалов с периодической оценкой тех компонентов, которые
были под нагрузкой. Влияние атмосферных воздействий на ком-
позиты проявляется в ухудшении их механических характеристик
в результате выщелачивания химических компонентов, частич-
ного гидролиза смолы и отслоения связующего от волокон. Сол-
нечный свет может вызвать последующую «сшивку» полимера,
приводящую к повышению его хрупкости, или разрыв химиче-
ских связей, который влечет за собой разрушение наружных
слоев, а затем расслоение и дальнейшее повреждение материала.
Отрицательные воздействия на композиты погодных условий
могут быть сведены к минимуму при использовании наружного
смоляного слоя (гелькоата) и надлежащей технологии его нане-
сения. Для снижения влияния ультрафиолетового воздействия
в основную смолу можно добавлять подходящие ингибиторы.
Другой стандартный прием заключается в нанесении на несущий
нагрузку субстрат «жертвуемых» покрытий, например рукавов
в виде оплетки. Оплетка будет разрушаться и может даже со вре-
менем отваливаться, но композит остается практически непо-
врежденным.
19.15. Естественная инсоляция
Большинство данных по влиянию атмосферных воздействий
на композиционные материалы было получено в процессе уско-
ренных испытаний, когда условия экспозиции образцов специ-
ально делаются более жесткими, чем при эксплуатации конструк-
ций. В таких условиях разрушение материала происходит за
сравнительно короткое время. Однако всегда трудно коррели-
ровать результаты ускоренных испытаний с реальными усло-
виями эксплуатации. На фирме «Грумман» была сделана попытка
изучить с этих позиций свойства старых, бывших в употреблении
деталей из стеклопластиков, которые работали в жестких усло-
виях. Результаты этих исследований сравнивали с данными,
полученными при испытании не бывших в эксплуатации изделий.
В число этих деталей входили большой (8 м) вращающийся купол
обтекателя радиолокационной антенны самолета Е-2А серии № 1,
который проработал 19 лет, несколько обтекателей антенны
носовой радиолокационной станции самолета А-6А, бывших
в эксплуатации в течение 11 ... 15 лет, и секция хвостового опе-
рения самолета Е-2А, который пролетал 12 лет.
Что касается купола обтекателя, то он был сдан в лом и его
нашли на складе с частично отслоившейся краской. Образцы для
испытаний были взяты как с поверхностей, где вообще уже не
было краски, так и с поверхностей, на которых она была непо-
врежденной. Кроме того, взяли образцы из внутренних и наруж-
294
19.2. Результаты испытаний на изгиб купола обтекателя
радиолокационной антенны самолета Е-2А при 25 °C
Испытуемая поверхность Приведено к тол- щине слоя 0,28 мм Исходные данные (вычисленные в по- лярных координатах)
аа, МПа Ея, ГПа аи, МПа £н, ГПа
Окрашенная верхняя оболочка; 371 — 424 —
390 438
393 438 —
среднее значение 384 — 433 —
сохранение показателя, % 89 — •—
Окрашеиная нижняя оболочка: 526 16,1 441 18,9
454 16,3 396 15,8
526 16,3 427 17,2
среднее значение 502 16,2 411 17,4
сохранение показателя, % 100+ 93,7 —
Неокрашенная верхняя оболочка: 394 13,0 434 13,1
411 13,0 455 13,8
413 13,1 464 14,5
среднее значение 406 13,0 454 13,8
сохранение показателя, % : 89 95,0 — ——
Неокрашенная внутренняя оболочка 369 9,4 424 12,4
(содержание влаги 1,1 %): 391 10,0 407 12,4
395 11,2 413 11,7
среднее значение 395 10,2 415 12,4
сохранение показателя, % 93 82,0 —
Неокрашенный эродированный нако- 302 — 488 .—
нечник (содержание влаги 0,84 %)
сохранение показателя, % 68 — — —
ных слоев, сверху и снизу, т. е. везде, где это было возможно.
Испытанию подвергли также наконечник передней кромки, кото-
рый представлял собой сплошной восьмислойный сильно эроди-
рованный ламинат. Образцы для испытаний на изгиб и растяже-
ние были взяты, где только это было возможно, и полученные
результаты сравнивали с данными испытаний образцов, вырезан-
ных из новых деталей. При этом определяли значения предела
прочности и модуля упругости. Результаты экспериментов сопо-
ставляли с данными для новых деталей, скорректированными на
ориентацию ткани, используя диаграммы в полярных коорди-
натах [1, 4, 51. Результаты, представленные в табл. 19.2 и 19.3,
позволяют сделать следующие выводы:
1. Сильно эродированный наконечник передней кромки сохранил только
68 % своей исходной прочности и разрушился больше всех.
2. Верхняя оболочка с отслоившейся краской сохранила 89 % прочности
прн изгибе и 91 % прочности при растяжении. Соответствующее сохранение зна-
чений модулей составляет 95 % (прн изгибе) и 72 % (при растяжении).
3. Образцы верхней оболочки с неповрежденной краской сохранили 89 %
прочности прн изгибе и свыше 100 % — при растяжении. Модули упругости при
Изгибе и растяжении составляли соответственно 89 и 93 % от исходного значения.
295
19.3 . Результаты испытаний на растяжение купола
обтекателя радиолокационной антенны самолета Е-2А при 25 °C
Испытуемая поверхность Приведено к тол- щине слоя 0,279 мм Исходные данные (вычисленные в по- лярных координа- тах)
МПа Е. ГПа Ов, МПа Е, ГПа
Неокрашенная верхняя оболочка (со- 241 12,2 255 17,2
держание влаги 1,00 %); 234 13,0 276 19,3
265 13,4 269 17,2
223 12,0 276 17,2
265 13,6 276 18,6
среднее значение 246 12,8 269 17,9
сохранение показателя, % 91,5 71,5 — —
Окрашенная нижняя оболочка (содер- 256 14,3 220 14,4
жание влаги 1,32%): 174 13,6 220 11,7
237 13,4 215 15,2
242 13,0 251 15,8
260 13,0 251 15,8
среднее значение 234 13,4 232 14,4
сохранение показателя, % 100+ 92,9 — —
Окрашенная верхняя оболочка (со- 272 12,6 250 15,8
держание влаги 1,46 %): 296 14,4 271 17,2
300 15,6 265 17,9
среднее значение 290 14,2 262 17,2
сохранение показателя, % 100+ 82,4 — —
4. Нижняя оболочка с неповрежденной краской сохранила 100 % прочности
и 93 % модуля прн растяжении. При изгибе эти данные составляют соответ-
ственно 100 % и 94 %.
5. Внутренняя оболочка, которая не была окрашена и не подвергалась непо-
средственно атмосферным воздейстнням, сохранила 93 % прочности н 82 % зна-
чения модуля прн изгибе.
Слоистый пластик состоял из стеклоткани типа 181 и смолы
«Шелл Ипон 828» с отвердителем CL. На основании полученных
данных можно сделать вывод о том, что на тех участках, где
осталась неповрежденной краска, сохраняется примерно 90 %
прочности и 82 ... 94 % модуля упругости. Эти результаты,
полученные на образцах, которые в течение 19 лет подвергались
атмосферным воздействиям, говорят о том, что при выдержке
в нормальных условиях окружающей среды свойства деталей из
стеклопластиков, испытанных при температуре окружающей
среды, не опускаются ниже этих расчетных значений. Интересно
отметить, что в окрашенных поверхностях сохранилось больше
влаги, чем на тех участках, где краска разрушилась.
Обтекатели носовой радиолокационной антенны самолета А-6А
получали методом намотки волокна. Детали серии № 38 были сде-
ланы из смолы «Шелл Ипон 828» и отвердителя BF3-400. Эта
композиция оказалась гигроскопической. Остальные несколько
сотен деталей получали из другой композиции — 828/МДА/БДМА
(серия № 50). Наружную поверхность этих обтекателей покрывала
296
19.4. Испытания на растяжение н нзгнб голонной части
обтекателя антенны самолета А-6 при 25 °C
Тип композита № серии Дата испыта- ний Содержа- ние, % ов, МПа Он, МПа Яи, ГПа
смо- вла- лы ги ПС им ПС им ПС им
828/BF3400 38 5.5.63 16,6 0,50 522 555 268 475 21,6 15,5 828/МДА/БДМА 195 2.9.65 17,1 0,20 652 646 600 613 27,6 21,6 828/МДА/БДМА 266 4.9.66 17,7 0,20 606 607 568 595 21,0 18,2 828/МДА/БДМА 299 19.10.66 16,7 0,18 617 602 593 629 21,6 21,8 828/МДА/БДМА 369 12.4.67 16,6 0,25 617 627 662 553 — 20,7 Минимальное допустимое значение 345 — 345 — 13,8 —
Сокращения: ИМ — исходный материал; ПС — после старения.
краской, устойчивой к дождевой эрозии. Полученные данные
(табл. 19.4) свидетельствуют о том, что свойства композиции,
содержащей BF3-400, значительно ухудшились, а у деталей из
материала, отвержденного МДА/БДМА, не наблюдалось сниже-
ния ни предела прочности (при растяжении и изгибе), ни модуля
упругости.
Результаты испытаний окрашенного хвостового стабилиза-
тора самолета Е-2А показали, что сохраняется 84 ... 100 %
предела прочности и 80 ... 100 % первоначального значения
модуля упругости. При определении остаточной адгезионной
прочности на поверхности сотового заполнителя было устано-
влено, что при растяжении в перпендикулярном относительно
ориентации слоев направлении она составляет 80 ... 94 %, при
сжатии — 88 % и при испытании на изгиб вокруг стержня —
96 %. (Все эти данные получены на образцах из деталей после
12 ... 14 лет эксплуатации.) [221.
Испытания окрашенных и неокрашенных образцов из углерод-
ного волокна и эпоксидной смолы, которые подвергали старению
реальной продолжительности как на открытом воздухе в условиях
окружающей среды на полигоне в Файр-Айленде, так и в лабо-
ратории при постоянной влажности 50 %, показали, что при
комнатной температуре в течение двух лет не происходит ника-
кого разрушения окрашенных образцов. При 127 °C наблюдается
лишь незначительная деструкция материала, но при 177 °C она
становится такой большой, что снижение предела прочности до-
стигает 50 %. В этом случае прочность уменьшается больше, чем
модуль упругости. Следует, однако, отметить, что это падение
свойств полностью обратимо. Если экспонированные образцы
медленно высушить и повторно испытать при 177 °C, исходная
297
19.5. Влияние реальной продолжительности старения на изменение |^В свойств окрашенных образцов из эпоксидной смолы и графитированного волокна *
Температура ис- пытания, °C Условия экспозиции •• Выдержка при относитель- ной влажности 50 % Выдержка на полигоне
Влагопогло- гценне, % И £ я о Е я тСд (горн- i зонтзльный), i МПа Влагопогло- , щенне, % Он, МПа е я тсд (горн- зонталь- ный), МПа
25 Контрольный об- — 1059 56,7 52,0 — 1059 56,7 52,0 разец Выдержка 3 мес — 1161 60,3 51,7 — 1008 56,0 58,8 Сохранение пока- — 100+ 100+ 99,3 — 95,2 98,7 100+ j зателя, % 1 Выдержка 12 мес 1,06 1153 58,3 64,6 1,34 1122 57,7 60,6 j Сохранение пока- — 100+ 100+ 100+ 100+, 100+ 100+ L зателя, % яШ Выдержка 24 мес 0,96 1018 58,6 59,3 1,21 1097 56,6 67,1 Я Сохранение по- — 96,2 100+ 100+ — 100+ 100+ 100+ Ш казателя, % 1Я 127 Контрольный об- — 1080 57,6 — — 1080 576 — Н разец Я Выдержка 12 мес — 718 49,4 — — 783 51,5 — Я Сохранение по- — 66,5 85,8 — — 72,6 89,4 — Я казателя, % Я Выдержка 24 мес — 759 52,7 36,3 — 784 53,4 37,7 Сохранение пока- — 70,3 91,5 — — 72,7 92,7 — Я зателя, % Я Сушка до постояв- — 1041 55,5 44,4 — 1058 54,6 46,7 Я ной массы В 177 Контрольный об- — 906 47,5 32,3 — 906 47,5 32,3 1 разец I Выдержка 3 мес — 759 54,8 32,6 — 768 51,3 39,0 В Сохранение пока- — 83,7 100+ 100+ — 84,8 100+ 100+ В зателя, % В Выдержка 12 мес — 568 49,3 30,9 — 523 45,9 25,6 В Сохранение пока- — 62,7 100+ 95,7 — 57,7 96,5 79,1 В зателя, % В Выдержка 24 мес — 428 43,4 20,3 — 347 42,2 19,3 Сохранение по- — 47,3 91,3 62,9 — 38,3 88,8 59,7 В казателя, % В Сушка до постояв- — 819 53,5 34,2 — 748 54,2 1 36,8 В ной массы В Сохранение пока- — 90,4 100+ 100+ — 82,6 100+ 100+ В зателя, % В
* Прочностные характеристики при изгибе приведены к толщине слоя
0,133 мм.
•• Пропитка в течение 30 мнн перед приложением нагрузки.
. 298
19.6. Влияние реальной продолжительности старения ва изменение
свойств неокрашенных образцов нз эпоксидной смолы
и графитированного волокна **
Температура ве- пытзння, °C Условна вкспоанцнн *2 Выдержка при относи- тельной влажности 50 % Выдержка на полигоне
Влзгопогло- щенне, % с £ я о £ Я тед (горн- ЗОНТЗЛЬ- ный), МПа Влзгопогло- щенне, % я й X я о £и, ГПа ТСД (ГОРН- ЗОНТЗЛЬ- ный), МПа
25(2) До экспозиции, сухой образец Выдержка 48 ч при 50 %-ной влажности — 1025 55,9 67,4 — 1025 55,9 67,4
(2) — 1076 59,5 59,9 — 1076 59,5 59,9
Выдержка КО *3 2—4 недели в цехе —• 1047 55,5 67,5 —• 1047 55,5 67,5
Выдержка 3 мес 1087 51,1 69,9 — 1045 53,5 59,5
Сохранение показа- теля, % Выдержка 12 мес —• 100+ 99,4 100+ —• 99,3 96,4 88,1
0,89 1088 54,8 64,6 0,96 1062 54,8 60,8
Сохранение показа- теля, % Выдержка 24 мес — 100+ 98,4 95,8 — 100+ 98,8 90,2
0,88 1047 54,0 64,0 0,94 987 54,5 59,0
Сохранение показа- теля, % Сушка до постоян- ной массы — 99,5 97,4 94,9 — 93,8 98,0 87,5
— 1011 55,7 61,9 —• 965 54,5 45,0
127 (2) До экспозиции, су- хой образец — 1076 55,7 53,5 —• 1076 55,7 53,3
(2) Выдержка 48 ч прн 50 %-ной влажности — 1047 55,9 47,4 — 1047 55,9 47,7
Выдержка КО *® 2— 4 недели в цехе —
Выдержка 12 мес — 756 46,6 — 737 48,9
Сохранение показа- теля, % Выдержка 24 мес —• 72,2 83,4 — — 70,4 87,5 —’
—— 818 51,3 36,7 — 774 41,5 35,6
Сохранение показа- теля, % — 78,2 91,7 77,5 —— 73,9 74,2 75,1
Сушка до постоян- ной массы —• 1052 52,4 52,3 — 990 50,7 50,5
177 (2) До экспозиции, сухой образец — 857 55,4 37,4 — 857 55,4 37,4
(2) Выдержка 48 ч при 50 %-ной влажности — 874 54,1 39,4 — 874 54,1 39,4
Выдержка КО *3 2— 4 недели в цехе — 799 51,0 38,7 — 799 51,0 38,7
Выдержка 3 мес — 721 51,4 45,2 — 726 50,8 36,6
Сохранение показа- теля, % Выдержка 12 мес — 90,2 100+ 100+ — 90,9 99,6 94,4
— 534 42,8 24,9 — 507 44,2 24,0
Сохранение показа- теля, % Выдержка 24 мес —ч» 66,8 83,9 64,2 — 63,4 86,8 61,9
— 369 39,6 21,0 — 457 44,2 22,7
299
Продолжение табл. 19.6
Температура испы- тания, °C Условия экспозиции •• Выдержка при относи- тельной влажности 50 % Выдержка иа полигоне
Влагопогло- щенне, % С £ X о Е X ТСД (горн- эонталъ- ный), МПа Влагопогло- щенне, % »HW ,НО Е к тсд (горн- зонталь- иый), МПа
Сохранение показа- — 46,1 77,7 54,3 — 57,2 86,6 58,7
теля, %
Сушка до постоянной — 768 49,5 37,6 — 728 49,8 39,8
массы
Сохранение показа- — 96,0 97,0 97,2 — 91,0 97,7 1004-
теля, %
** Прочностные характеристики при изгибе приведены к толщине слоя
0,133 мм.
*? Пропитка в течение 30 мии перед приложением иагрузкк.
*’ КО — контрольный образец.
19.7. Влияние реальной продолжительности старения на прочность
скрепленных болтами образцов из эпоксидной смолы
н графитированного волокна
Нагрузка иа образец, кН
Продолжитель- ность экспози- ции, мес Выдержка прн отиоснтельной влажности 50 % контроль- ного образца Выдержка на полигоне образца
без окраски окрашенного без окраски окрашенного
1 20,64 20,64
3 19,10 20,79 20,16 19,12
12 19,73 20,14 20,43 20,00
24 20,53 19,98 21,36 22,18
36 20,80 20,55 20,82 21,34
Условия испытаний.
1. Композиционный материал Л5/3501-5, состоящий из графитированного
волокна и эпоксидной смолы, прикрепленный к титановому сплаву T1-6AJ-4V
крепежными изделиями, изготовленными из этого сплава.
2. Все разрушения происходят под действием сложного нагружения или
чистого растяжения композита.
300
прочность полностью восстановится. Отсюда следует вывод,
что стандартные эпоксидные смолы, армированные углеродным
волокном, нельзя использовать при температурах выше 127 °C.
При более высоких температурах следует применять полиимиднЫе
смолы. Полученные результаты представлены в табл. 19.5—19.7.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lubin G., Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites, Van
Nostrand Reinhold, New York, 1969.
2. Prince D. E., «Corrosion Behavior of Metal Fasteners in Graphite/Epoxy Compo-
sites», AFML-TR-75-53, July 1975.
3. Skouby C. D., «Electromagnetic Effects of Advanced Composites», McDonnel
Aircraft, January 1975.
4. Ludwig W. et al., «В-1 Composite Horizontal Stabilizer Development», in
Proceedings of 21st National SAMPE Symposium, April 1976.
5. Erbacher H. E., «Advanced Development of Conceptual Hardware Horizontal
Stabilizer», 14th Quarterly Progress Reports, Contract F33615-73-C-5173,
January 15, 1977.
6. Howarth J. T., «What Designers and Processors Should Know about Flame
Retardant Additives», Plastics World, March 1973.
7. Novak R. «Materials Variables Affecting the Impract Resistance of Graphite
and Boron Composites», AFML-TR-74-196, September 1974; and «Part II»,
June 1975.
8. Husman G. et. al., «Residual Strength Characterization of Laminated Compo-
sites Subjected to Impract Loading», AFML-TR-73-309, February 1974.
9. Beaument P. W. R. et. al., «Methods for Improving the Impract Resistance
of Composite Materials», ASTM Symposium on Foreign Object Impact Behavior
of Composites, September 1973.
10. Lubin G., «Effect of Lightning Strikes on Boron-Epoxy Single Skin and Honey-
comb Sandwich Panels», Report No. ADR 02-06-70.3, December 1970.
11. Penton A. P. et. al., «The Effects of High Intensity Electrical Currents on
Advanced Composite Materials», N00019-71-C-0063, March 21, 1972; and
N00019-72-C-0205, March 1973.
12. Quinlivan J. T., «Coatings For Lightning Protection of Structural Reinforced
Plastics», AFML-TR-70-303-PT-I, March 1971; and «Part II», January 1972.
13. Erbacher H. E., «Advanced Development of Conceptual Hardware Horizontal
Stabilizer», Quarterly Progress Report, Contract F33615-73-C-5173.
14. Staebler C. J. and Simpers B. F., «Metallic Coatings for Graphite/Epoxy Com-
posites», Final Report, January 1979.
15. Weaver J. H. et al., «Thermal Flux Protection for Aircraft Systems»,
AFML-TR-75-167, March 1976.
16. General Dynamics, «Radiation Effects on Boron Filaments and Composites»,
ERR-FW-716, December 1967.
17. Robb. J. D., «Precipitation — Static Control for the B-l Aircraft», L&T
Report No. 536, February 1972.
18. Rosato D. V., «Heat Resistant Resins», Plastics World, March 1968.
19. SchmittG. F. et. al., «Joint Air Force Navy Supersonic Rain Erosion Evaluations
of Materials», AFML-TR-67-164, December 1964.
20. Springer G. S. et. al., «Analysis of Rain Erosion of Coated and Unocoated
Fiber Reinforced Composite Materials», AFML-TR-74-180, August 1974.
21. Kimmel B. G., «Development of Composites Constructions With Improved
Rain Erosion Resistance», Report No. P74237, July 1974.
22. Lubin G. and Donohue P., «Real Life Aging Properties of Composites», 35th
Annual Technical Conference, 1980, Reinforced Plastics/Composites Institute,
SPI.
301
III. Методы исследования композитов
20. АНАЛИЗ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ
НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Р. Н. Хэдкок
20.1. Введение
За последние пятнадцать лет наиболее совершенные компози-
ционные материалы превратились из новинок, созданных в лабо-
раториях, в обыденную промышленную продукцию, используе-
мую как в несущих, так и во вспомогательных конструкциях
самолетов и ракет.
Структурное конструирование является всегда итерационным
процессом, начинающимся с создания конструкторских предста-
влений о целесообразных путях использования новых материалов.
Существует целый ряд факторов, которые должны учитываться I
в процессе производства: масса материала; цена материала, вклю- I
чающая стоимость его разработки; легкость в переработке; на- I
дежность и испытанность. Значимость того или иного фактора ।
зависит от области применения материала. Уменьшение массы
особенно важно при создании материалов для космической тех-
ники. При использовании новых материалов в гражданском
самолетостроении существенным является снижение стоимости
материала и технологических проводок. Снижение массы и умень-
шение размеров деталей при конструировании новых авиацион-
ных систем приводит, в конечном итоге, к снижению цены на
изделия.
Процесс конструирования включает выбор структуры мате-
риала. Итерационный подход заключается во все более глубоком
изучении свойств материалов при выборе из все меньшего числа |
предполагаемых структур. Конечным итогом этой операции яв- I
ляется начало самой конструкторской работы. В отличие от ме- 1
таллов, композиционные материалы сами являются объектом
оптимизации для использования в конкретных структурах.
Детальное конструирование и особенности методов проекти- а
рования, связанные с использованием композиционных материа- I
лов, в настоящее время находятся еще на более низком уровне I
проработки, чем те же вопросы для металлов. Так как компози- I
ционные материалы формируются из большого числа индивиду- 1
альных слоев, каждый из которых имеет свою ориентацию, можно
теоретически создать структуру с оптимальными характеристи-
ками. Практически же эти характеристики определяются большим J
числом условий: особенностью конструкции, возможностями про-
302 I
Рис. 20.1. Схема конструкторского цикла при создании структуры на основе
композита
изводства, испытаний и эксплуатационными характеристиками.
Основным является то, что от основных характеристик материала
существенно зависит выбор конструкции проектируемых де-
талей.
Проектирование и анализ конструкций нового типа могут быть
ускорены только при использовании компьютеров. Однако все
эти процессы могут быть упрощены, если используются пред-
варительные конструкторские оценки.
303
Такой упрощенный конструкторский подход, аналогичный
предварительному проектированию, является предметом обсу-
ждения в данной главе и схематически показан на рис. 20.1.
20.2. Параметрическое изучение
Предварительные требования к структурам композиционных
материалов выдвигаются в соответствии с теми типами конструк-
ций и материалов, массу или стоимость которых собираются сни-
зить при создании новых самолетов или объектов космической
техники.
В дальнейшем определяется потенциальная экономия массы
изделия, исходя из массы композита и его доли в той или иной
конструкции. Все эти данные, отнесенные к базовым аналогам
из металлов, позволяющие определить процент экономии массы
конструкции, приведены в справочниках [1—3]. Перечень дета-
лей, масса которых снижена в результате применения компо-
зитов, дан в табл. 20.1.
На рис. 20.2, а приведены данные о снижении массы Си при
применении композитов в горизонтальных и вертикальных ста-
билизаторах и кессонах — коробчатых конструкциях крыльев, pa-
2'0.1. Компоненты конструкций из композиционных материалов
в летательных аппаратах
Кессоны (см. рис. крыльев 20.2, а) Горизонтальные стабилизаторы Вертикальные стабилизаторы
F-5 ACWS F-5 В-1 F-5
F-15 СВВО F-111 —— F-15
F-16 УС-15 F-14 В-1
AV-8B Л-7 F-15 В-737
В-1 ADCA Л-5 — L-1011
Фюзеляж (см. рис. 20.2, б)
F-5 СН-53
F-111 ЛЯ-16
VF-15
ADCA
Рули высоты и поворота, закрылки, двери и др. (см. рис. 20.2, в)
F-4 (руль поворота) S-3 (спойлер) В-737 (руль высоты)
Л-9 (руль поворота) В-737 (спойлер) Л-37 (боковой тормоз)
DC-10 (руль поворота) Л-4 (закрылки) F-15 (аэродинамический тормоз) В-1 (лонжерон)
Л-7 (аэродинамический тормоз) С-4 (обтекатель)
F-5-TE (закрылки)
г-5 (дверцы ннши шасси) Рама крепления бустера
F-5LE (закрылки) С-5 А (предкрылок) F-14 (дверцы нншн шас- си) F-14 (обтекатель) Распорки
304
Рис. 20.2. Снижение массы изделия Си в зависимости от массовой доли композита
Ук. м (темные точки — реальные значения, светлые — расчетные):
а — крыла и стабилизатора: /, 2 — облегченные соответственно крыло и стабилизатор
коробчатой (кессонной) конструкции; 3 — удешевленные крылья и стабилизаторы; 4,
5 — масса и 6. 7 — стоимость соответственно крыла и стабилизатора; б — фюзеляжа}
J — облегченного; 2 — удешевленного; в — рулей поворота и высоты, закрылков и др.:
1, 2 — при сниженных, соответственно, массе и стоимости
ботающих на кручение. Девять точек отражают результаты ре-
ального взвешивания, остальные двенадцать получены при пред-
варительных конструкторских проработках. Очевидны две сово-
купности, объединяющие эти данные: точки, лежащие выше дру-
гих, характеризуют первое и второе поколения структур на
основе композитов, когда наиболее существенным считалось
снижение массы, хотя зачастую это приводило к возрастанию
стоимости; точки, лежащие ниже, характеризуют третье поколе-
ние структур, когда при конструировании снижение массы дости-
гается одновременно с выигрышем в стоимости.
Относительно мало данных (только семь точек) существует
для оценки преимуществ композитов при использовании их
в фюзеляже (рис. 20.2, б). В то же время для таких деталей, как
закрылки, интерцепторы (спойлеры) и обтекатели, данных имеется
довольно много (рис. 20.2, в). Аналогичные тенденции в сниже-
нии массы и стоимости наблюдаются при применении компози-
тов в крыльях и хвостовом оперении самолетов: верхние кривые
связаны в основном со снижением массы конструкции, а нижние
объединяют как достигаемое при конструировании снижение
массы, так и стоимость элемента конструкции.
305
20.2. Уменьшение массы элементов из композитов
по сравнению с металлическими
Элемент конструкции и я g ® - ЛЕЯ U Я и Доля компози- тов, % Элемент конструкции О О 2 а ж . ж к з О ж S Доля компози- тов, %
Неподвижное крыло: обычное 29 87 Фюзеляж 20 72
треугольное Поворотное крыло 23,5 20 87 65 Воздухозаборник сечения постоянного 22 80
Хвостовое оперение: пластина 23 79 переменного Механизм шасси 20 16 80 40
ребро жесткости 30 79 |
Предварительная оценка величины снижения массы элемента
конструкции может быть проведена исходя из соображений за-
мены металлических частей на детали из композитов, используя
нижние кривые на вышеуказанных графиках. Учет этих данных
позволяет найти компромисс между снижением массы и умень-
шением стоимости материала.
В табл. 20.2 представлены данные по снижению массы благо-
даря использованию композитов в проектируемых летательных
аппаратах. Такие данные дают возможность представить, какие
компоненты конструкций могут дать максимальную экономию
массы с некоторым снижением цены изделия. Указанные выше
величины снижения массы были приведены в справочнике [1 ]
и использованы для предварительного изучения на моделях
летательных аппаратов. Полученные экспериментальные резуль-
таты хорошо подтвердили надежность сделанных оценок об эко-
номии массы.
Эффект использования композиционных материалов в самоле-
тостроении (до 75 % от всех материалов) показан на примере их
применения в сверхзвуковой авиации (рис. 20.3) и выборе кон-
фигурации современного самолета (рис. 20.4). Такой самолет
значительно меньше и легче по сравнению с металлическим.
На 35 % уменьшена масса конструкций и на 26 % снижена об-
щая масса. Все это могло быть достигнуто только при применении
Рис. 20.3. Сравнительные массовые харак-
теристики Р элементов конструкций само-
летов, чисто металлических или с приме-
нением композитов:
А — наиболее совершенные самолеты на ос-
нове композитов; Б — наиболее совершенные
самолеты из металла; В — самолеты с частич-
ной заменой металла на композиты; / — полез-
ная нагрузка; 2 — топливо; 3 — системы само-
лета; 4 — конструкция самолета
306
Рис. 20.4. Более совершенная конструкция современного самолета, в которой
использованы композиционные материалы
Рис. 20.5. Зависимость изменения массы ДР конструкции нз композита по сравне-
нию с металлической от относительной толщины крыла tic.
1 — общая масса топлива; 2 — общая масса крыла и топлива; 3 — масса элементов кес-
сонной балки крыла, изготовленной из углепластика
Рис. 20.6. Сравнение относительной стоимости N, экологических и массовых
показателей при замене металлических деталей в горизонтальных стабилизаторах
самолета В-1:
А — металлические конструкции; Б — конструкции на основе композитов; 1 — общие
элементы конструкции (12 деталей); 2 — вспомогательные элементы — крепежные детали
(Л — 26,8 тыс. шт.; Б — 14,3 тыс. шт.); 3 — несущие конструкции (Л — 270 элементов;
Б — 108 элементов); 4 облицовка (Л, Б — по четыре элемента)
307
20.3. Масса деталей и узлов самолета В-13, изготовленных
из металла и композита (см. рис. 20.6)
Элементы конструкции Масса деталей, кг
из металла из композита
О блицовка, включая защитные покрытия и крепеж- 766,2 575,5
ные детали
Передние н задние стрингеры 87,2 59,8
Промежуточные стрингеры 110,9 98,6
Нервюры 69,5 56,5
Прокладки н фитннги — 21,1
Корпус фюзеляжа 1033,8 811,5
Передние и задние обводы стабилизатора 118,6 118,6
Уплотнения 21,0 7,0
Отделка 18,3 18,3
Опоры вращающихся деталей 170,7 179,3 *
Общая масса 1505,1 1277,4 *
Расчетная масса 1296,6
Выигрыш в массе по сравнению с металлическими — 227,5
конструкциями (15 %)
* Масса неподвижных деталей 635 кг, подвижных — 615 кг.
композиционных материалов. Предварительный анализ позво-
ляет оценить снижение стоимости самолета до 21 %, а экономию
топлива до 30 %.
На рис. 20.5 приведены результаты одного из таких исследо-
ваний. На моделях самолета изучалась оптимальная относитель-
ная толщина крыла tic и ее влияние на волновое сопротивление
самолета [1 ].
Тщательные исследования показали, что оптимальным для
крыльев обычной конфигурации является отношение t/c = 0,035.
Этот результат является типичным на стадии проектирования для
большинства конструкторских проработок.
Стоимость, как параметр проектирования, должна являться
объектом отдельного тщательного изучения. Определение этой
величины весьма непросто, так как она является функцией стои-
мости материалов, числа' деталей и соединений из композитов
и, наконец, объема и стоимости производства. Некоторые оценки
снижения стоимости при применении композитов сделаны на ос-
нове анализа стоимости выпуска горизонтальных стабилизаторов
самолета В-1 [2, 4]. Как видно из рис. 20.6 (табл. 20.3), при
снижении проектной стоимости на 17,5 % снижение общей массы
составляет 15 %. Общий выигрыш как за счет стоимости, так и
за счет массы при замене материалов подвижных элементов из
металла на композитные, составляет около 22 %.
Оценки, сделанные на основании цен середины 80-х годов,
показывают, что снижение стоимости изделий для самолето-
308
строения при применении углепластиков составляют по крайней
мере 0,5 % на каждый процент снижения массы. Стоимость будет
тем ниже, чем большее число деталей будет сделано из компо-
зитов.
20.3. Свойства слоистых композиционных материалов
Анализ поведения слоистых композиционных материалов, со-
стоящих из разнонаправленных слоев, может быть проведен на
основе метода конечных элементов.
Каждый индивидуальный слой состоит из однонаправленных
волокон, определяющих направление слоя, и матрицы, обеспечи-
вающей нормальную и трансверсальную жесткость слоя.
Если нагружение слоя происходит не вдоль оси ориентации,
он находится в состоянии послойного нагружения.
В соответствии с работой С. Цая и Н. Пейгано [5] соотноше-
ние напряжение—деформация для слоя может быть записано
в виде матрицы
а»
_СТх, !/_
Qu
Q?,i
_Qei
Q12
Q22
Qes
•x
Q16 e:
Qae
Qee_ _Yxy_
(20.1)
где ax, avi aXtV — напряжения, приложенные к слою; ев, 8Г,
?х» — деформации слоя;
Qh — 3t/i + 4* Ua cos 20 + Ut cos 40;
Qa — ЗС/i + t/2 + t/3 cos 20 4- Ut cos 40;
Q2i = Qi2 ~ Ui ~~ U2 “ t/4 cos 0;
Qee =* Ut + Ut + cos 40;
Qei = Qi» = -|' Ub sin 20 + Ut sin 40;
Qea = Qee ~ ~2~ Uв sin 20 4“ t/4 Sin 40,
где 0 — угол между осями ориентации слоя и образца.
Кроме того,
= “8^“ ~Ь ^22 ~Ь v2i£u + ''’12^22];
^2 — -2^- ---(v21Eu 4~ v12E22)j ;
I/. ~ 1^11 — £22];
^4 — 1^11 4- ^22 — (v21Eи 4- V12E22) — 4фб12],
где Еп, £22, С12 — продольный, поперечный (трансверсальный)
и сдвиговый модули упругости слоя; v12 — главный коэффициент
309
Рис. 20.7. Направление на-
пряжений в слое:
7 — ось ориентации поперек
слоев, Ejt, 2 — ось ориентация
вдоль слоя, Fn
ществляется в четырёх
Пуассона; v21 — второстепенный (по-
перечный) коэффициент Пуассона; ф ~
= 1 ^12^21-
В соответствии с теоремой Макс-
велла имеем
V12-E22 = ЧцЕц-
Традиционные направления напря-
жений в плоскости слоя приведены
на рис. 20.7.
Большинство типов структур под-
вергаются сложному нагружению, ме-
няющемуся от точки к точке. Так
как ориентация волокон внутри слоя
не может быть изменена без разру-
шения волокна, ориентация однона-
правленных слоев в композите осу-
основных направлениях (0°, 45°, 90°,
—45°), составляющих четыре основные группы. Ламинаты вну-
три каждой из таких групп могут быть созданы со свойствами,
близкими к оптимальным. В зависимости от требований число
слоев каждого вида может варьироваться. Относительно бис-
сектрисы угла между осями ориентации слоев +45° и —45° суще-
ствует ось симметрии. Это уменьшает возможность коробления
композита, которое с большой вероятностью возникает при созда-
нии несимметричных ламинатов.
Для уменьшения напряжений в матрице (в связующем) и обес-
печения максимальной реализации свойств волокон слои должны
быть ориентированы минимум в трех направлениях: 0°, +45°,
—45°. В большинстве конструкций используются слоистые ком-
позиты с ориентацией слоев во всех четырех направлениях.
Это позволяет минимизировать напряжения в матрице и созда-
вать наиболее благоприятные условия поведения композита.
В данной главе, посвященной конструированию и анализу
структур материалов, будут рассмотрены слоистые композиты
с ориентацией слоев во всех четырех направлениях и парных
слоев (+45°, —45°).
Рассмотрим ламинаты с ориентацией (0°, 90°, ±45°) и равным
числом слоев в направлении ±45°. Коэффициенты упругости для
каждого слоя приведены в табл. 20.4.
Используя L, М и N для обозначения вклада (числа) каждого
из слоев с ориентацией соответственно 0°, 90° и ±45°, суммируя
деформации в плоскости слоя и используя условие равновесия,
получаем
La* + MaxM + Nax = ах;
Lay 4- Ma* 4- Nay = ау\ (20.2)
La»e 4- Маху 4- = axy,
310
20.4. Коэффициенты упругости в уравнениях зависимости -
напряжение — деформация для слоев с различными углами ориентации
Коэффициент 0° 9tT* ±45?
Qii ^Ф £аа/ф [y (£«+£«)+
Q22 Д22/Ф £я/ф "4“ (^11+^22)+
Q12 у1а£аа/ф vjaEaa/^ £4- (Дц+^гг) "Ь '2"vi2^22 фСЯ^ ^ф
Qee Gtt Gfa — 2’vi2^ss] Ф*
Qie 0 0 0
* Для слоев ±45° коэффициент Qee используется в виде среднего значения
модуля упругости при растяжении и сжатии и £22, т. е. Е11ср - (£п +
+ ДУ/2; £22ср = (£22+£22)/2-
где ах, а„, axv — соответственно продольные, трансверсальные
l м
и сдвиговые напряжения в ламинате; <т^ и а(1 — напряжения
в направлениях 0 и 90° соответственно; ац— напряжения в слоях
с ориентацией ±45°.
Объединяя (20.1) и (20.2), запишем
= ( S ^Qu) 8» + ( S 12) 8₽ = АцВх АнЫ
О, = (S RQw) 8, + (s RQ&) вв = А12вх + Л228,; (20.3)
®ху ~ (S RQeo) Уху ~ А^у хв,
где — суммирование по слоям данного направления по
всей толщине материала, так что
S = LQn + AlQn + ATQii;
At] коэффициенты жесткости ламината.
Преобразуя уравнения (20.3) относительно деформаций, имеем
[S«ef,]°,-[S«ef,]<>,
IS «ейIS ЯЧЙЗ-С23
_ -[S sef,]«,+[S ««Ж .
“ IS Refills ««]-[£ «ей2 '
0x1/
'8.
(20.4)
311
20.5. Упрощенные коэффициенты упругости в уравнениях
зависимости напряжение — деформация для слоев с различными углами
ориентации
Коэффициент 0* 90° ±45° (парные слов)
0ц 2?11 + е22 1?22 ~2~ £11+ ^22
Qs2 Ем Ец + 1?22 2 “Ь ^2а
012 -Lf 2 Г22 -1-F 2 £«« *2” Ег1 + Е22
Овв КЕ„ КЕМ 4-^11+ЯВи
Qie = Оав 0 0 0
Упругие характеристики слоистых материалов могут быть
получены из следующих соотношений:
л11 = ля = Тг^^=2^и;
1 -vxyVyx
Агг = Аи — —— = S RQ&
1 — vxyVyx
л12 = ... VyxEx— = -xyE'J - = S RQ&, (20.5)
Л ее = Л*р = GXy = Л RQtie’,
v _ s .
xu E rq& ’
v - S
vx s *ofi
Напряжения, возникающие в каждом слое, можно получить
из уравнений 20.4 и 20.1:
к [Он S ^0Д~ O12 S ^0п]ах~[0п S RQR—Qw S ^0n]ap.
о _ — [Q22 Jj ^012 ~ 012 Jj ^22] ax + [Q22 Jj RQR ~~ 012 S 12] ay
y~ [ S W/D [ S W2I - [ s W (20.ej
R __ ^66a*g
xy s
Наибольшая сложность использования этих соотношений для
анализа и конструирования материалов заключается в необхо-
312
димости знания очень большого чи-
сла параметров. Кроме того, накла-
дываются и различные внешние влия-
ния — например, изменение темпе-
ратуры. По крайней мере, семь ос-
новных величин для материала
должны быть известны для каждой
температуры. Величины £п (£пр),
огв1, ЦСж и vi2, являющиеся в слое
соответственно продольным модулем
упругости, пределом прочности при
растяжении, пределом прочности при
сжатии и коэффициентом Пуассона,
незначительно зависят от темпера-
туры. Однако значения Епоп, С12,
Gtt и G66 (соответственно попереч-
ный или трансверсальный) модуль
упругости, модули сдвига в плос-
кости слоя и два межслоевых мо-
дуля сдвига) существенно зависят
от температуры, так как определя-
ются свойствами матрицы.
Для предварительных конструк-
торских разработок расчеты должны
быть упрощены, например, если до-
пустить максимальную ошибку для
эпоксиборопластиков (ЭБП) рав-
ной 10 %, а для эпоксиуглепла-
стиков (ЭУП) — 5 %. Результат
-50 О 50 100 150 Г, С
Рис. 20.8. Температурные зави-
симости относительного транс-
версального модуля а =
= Е22/(Ец---^-22) = Е22/Ец И ОТ~
носнтельного сдвигового модуля
К = G12/E22 от температуры:
£— ЭБП (AVCO 5505/3MSP290),
£и »= 195,1 ГПа; 2 — ЭУП (ЛЗ =
= 1/8501—5Л), £« = 116,5 _ГПа;
3 — ЭУП (T300 W5208/X934), £lt =
= 143,4 ГПа
такого упрощения можно видеть на примере преобразования
табл. 20.4 в табл. 20.5, где значения (£u—Е22) заменены на Еп.
Главный коэффициент Пуассона является практически по-
стоянной величиной в интервале температур — 55... +177 °C
и для однонаправленных КВМ ЭБП и ЭУП составляет —-0,025.
Значения Еп для ЭБП марки AVCO 5505 изменяются не более
чем на 2 %. Еп в том же температурном интервале для ЭУП
(3501/AS) изменяется не более чем на 4 %. Для предварительного
анализа и конструкторских проработок такие погрешности вполне
приемлемы. Значения Е22 (ДПОп) изменяются с температурой
весьма существенно. Однако достаточно надежно выполняется
правило: соотношение К (612/Е22) является константой и равно
~1/4 для ЭБП и 2/5 для ЭУП. Таким образом, число коэффи-
циентов жесткости, необходимых для анализа конструкции,
уменьшается, а зависящим от температуры оказывается только
один коэффициент Е22. Ошибка при использовании вместо зна-
чений E/ip простых значений Е составляет менее 1 %. На рис. 20.8
показано изменение значений а и К с температурой для ЭБП
и ЭУП.
313
Благодаря таким упрощениям слоистый пластик может те-
перь быть смоделирован как система независимых индивидуаль-
ных слоев волокна, включенных в изотропную матрицу. Проведя
замену разности (£и — £22) на £и во всех упругих характери-
стиках, можно получить для области упругости выражения
дп = Ая - « £х (£ + Ж) + £и;
1 — vxyvyx
Лаа = Л, = 7—~ Ёи (М + N/4) + £м;
А — VxyVyx
А. = = -~f Vv * U4 (NE1T + £м); (20.7)
Лее = “ ~Ь
1 р 1 р
С22 С22
Vxv ~ e^m+n/v + e^ ’ Vyx = ^(L + ^ + Eh •
Основное уравнение (20.1) в этих терминах для ортотропного
слоистого композита может быть записано как
Лц Л12 0 * 'ех "
= Л 21 Л22 0 ЪУ (20.8)
. 0 0 Лее . Уху.
Продольный и поперечный модули упругости £s и Еу и мо-
дуль сдвига в плоскости слоя Gxy можно получить из уравне-
ния (20.7):
Ех =
(Е W02.
£в = 2^2“
(Е
GXB = 2 ^Не-
(20.9)
Е*<4 ’
главный и второстепенный коэффициенты Пуассона
v _ S < v _ Е w2
ху EW2’ уя E<r
(20.10)
Используя выражение из табл. 20.5 для упрощения упругих
коэффициентов зависимостей напряжение—деформация и учиты-
вая, что замена дает значение а = £22/£и меньше 0,12, получим
£у а; Еп (м 4- 4LL^n + а);
G*v = ^11 (~4—Ь
(20.11)
314
20.6. Конструкционные свойства однонаправленных композиционных
материалов на основе нетканых армирующих структур,
испытанных при комнатной температуре
Свойства Обозиа- чеиие ЭУП ЭБП AVCO 5505 • «Авко» Л *Л о. «з ft 4U4 g 5^2
AS-1/3501-5A «Геркулес» T300/N5208 «Нармко» GY70/HYE 1534 «Целанез»
Предел прочности без концентра- тора напряжений, МПа: при продольном растяжении °В1 1165 1165 621 1138 1158
при поперечном растяжении °В2 41 30 13,8 73 11
при продольном сжатии асж1 1116 972 621 3309 276
при поперечном сжатии °СЖ» 172 138 193 276 83
при межслоевом сдвиге ХСД. М 49 98 27,6 48 69
Предел прочности с концентрато- ром ** напряжений, МПа: при продольном растяжении °В1 524 524 145 551 655
при поперечном растяжении СТВ2 22 14 6,9 34 55
при продольном сжатии асж1 524 524 145 1275 207
при поперечном сжатии °СЖ2 36 69 96,5 83 42
при сдвиге (D/t > 2) ХСД. М 455 455 455 965 152
Модуль упругости, ГПа: при продольном растяжении £11 127,6 151,7 2896 208,9 82
при поперечном растяжении £й2 11,0 10,3 6,9 19,3 4
при сдвиге в плоскости слоя £12 4,5 3,6 4,8 5,0 3
прн межслоевом сдвиге Gz 0,7 1,0 70,6 1,7 70
£12—£*22 £ц 116,6 141,4 282 189 78
Главный коэффициент Пуассона V12 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
Температурный коэффициент ли- нейного расширения, 10~в/°С: продольный а11 0,45 0,54 —1,04 45 —3,6
поперечный а22 Г 27,4 19,8 29,7 23,4 57,6
Средняя толщина слоя после отвер- 0,113 0,133 0,140 0,133 0,181
ждеиия Плотность, кг/м3 р 1520 1520 1690 2070 1320
* В гибридных композитах. ** Диаметр отверстия 7,9 мм.
И
N + а
v«v — (ш + N+ 4а) ’
М + а . (20.12)
V»x“ (4£_|_дг + 4а)
Зависимости относительных модулей упругости слоистого
пластика от структурных параметров представлены на рис. 20.9
и 20.10. Используя рис. 20.9 и табл. 20.6, можно определить
модули любых слоистых материалов, включая эпоксидно-ара-
мидные пластики (ЭАП).
315
Рис. 20.9. Зависимость относительного модуля упругости а = Е^/Ец =
= Е^/^Ец—Е^ ат долей слоев с ориентациями 0° (L) и 90° (М) в слоистом пла-
стике со структурой 0°/90°/±45°
Рис. 20.10. Зависимость относительного модуля сдвига в плоскости слоя Go =
~ (GxJ£11) — Ко. от доли N слоев с ориентацией ±45° прн К = 0,25 для ЭБП
марки AVCO 5505; К = 0,4 для ЭУП марки Л5У3501-5Л; Д' = 0,345 для ЭУП
марки 7’300/Л^5208 i
20.3.1. Прочность слоистых пластиков в плоскости слоев
Процесс разрушения слоистого композиционного материал^
можно описать несколькими гипотезами. Существуют две основ-
ные гипотезы, достаточно хорошо согласующиеся с имеющимися
экспериментальными данными. Это — приближение максималь-
ных продольных напряжений в продольных слоях и приближе-
ние максимальной деформации слоя.
Первая гипотеза сводится к решению задачи на плоскости,
когда продольные напряжения определяются напряжениями в во-
локне слоя. Эти значения могут базироваться на испытаниях
однонаправленных композитов. При данном механизме разру-
шения влияние матрицы на прочность композита в слое в этом
случае учитывается, а трансверсальные и сдвиговые характери-
стики матрицы не учитываются.
Вторая гипотеза основана на равенстве допустимых продоль-
ных, трансверсальных и сдвиговых деформаций в каждом из слоев,
исходя из результатов, полученных для однонаправленных ла- .
минатов. Деформации, возникающие в матрице за счет различия <
продольного и поперечного коэффициентов линейного расшире- |
ния каждого слоя во время охлаждения при отверждении свя- 1
зующего, обычно исключаются из рассмотрения, хотя они могут |
быть достаточно большими. I
316 1
20.4. Предел прочности слоистых пластиков
при одноосных нагрузках
Прочность ламинатов со структурой армирования 0°/90°/±45°
определяется равенством продольных напряжений в каждом слое
вплоть до предельно допустимых напряжений (или деформаций):
_£х_ = ^ = е£р, (20.13)
где ох и Ея — соответственно продольный предел прочности и
модуль упругости ламината; о£.пр и Ей— продольный предел
прочности и модуль упругости слоев с ориентацией 0°; е„р —
предельная продольная деформация (деформация разрушения)
слоев с ориентацией 0°.
Совместное решение уравнений 20.13 и 20.11 позволяет опре-
делить предел прочности в продольном направлении:
Ох =
°в.пР 1
1 + а
MN , „1 Fl (2M + W)» 1
Ш + J — в- пр L (1 + а) (4Л4 + N) J
(20.14)
Это уравнение записано теперь в форме, включающей пара-
метр структуры L = MN/(4M + N), который не зависит от тем-
пературы, и параметр а, зависящий от температуры. Изменение
соотношения ох/ пР i в зависимости от способа выкладки и па-
раметра а показано на рис. 20.11.
Аналогичным образом в плоскости слоев может быть опре-
делен предел прочности при сдвиге:
_ 1 n [N + 4Ka]
± ~2~ °в- ПР I -|_ а ’
(20.15)
м
где а;. Пр — предел прочности при растяжении или сжатии слоев
с ориентацией ±45°.
Изменение предела прочности при сдвиге в зависимости от
структуры выкладки для композита (а = 0,1; Е = 0,375) пока-
зано на рис. 20.12.
Необходимо заметить, что уравнения (20.14) и (20.15) соот-
носят с пределом прочности волокон, который может быть выше,
чем локальная неустойчивость материала. Предел потери устой-
чивости конструкций при сжатии и сдвиге устанавливается при-
близительно равным 0,833бг и 0,25Gz соответственно.
В условиях одноосного растяжения на границах композита
и у отверстий в матрице могут возникать сдвиговые и растягива-
ющие напряжения. Напряжения в связующем могут быть очень
высокими, если существуют межслоевые дефекты, что уменьшает
прочностные свойства ламината [2]. Локальные напряжения
сдвига в матрице (связующем) возникают и в том случае, когда
317
&ху /6, „р f
Рис. 20.11. Прочностные характеристики слоистого пластика:
L •— доля слоев с ориентацией 0°; N — доля слоев с ориентацией =Ы5*; а = £и/£ц;
<JX! Пр1"~отношение предела прочности ламината и пределу прочности одного слоя
Рис. 20.12. Зависимость относительного предела прочности при сдвиге в плоскости
, n , N 4- 4Ла . ,_о .
слоев аху/ав_ пр 1 = ±- . —г- от доли N слоев с ориентацией ±45 (с уче-
2(1 ± а)
том локальной потери устойчивости оху= 0,256Gz):
1 — ЭУП марки T300/W5208; 2 — ЭУП марин Л5/3501-5Л; 3 ~ ЭБП марки
AVCO 5505/ATRT; 4 — а = 0
при растяжении происходит разрыв волокон. При разрыве воло-
кон с низкой прочностью матрица перераспределяет возросшие
напряжения на неразорванные волокна.
Для композитов ЭБП эта способность матрицы перераспреде-
лять напряжения может увеличивать предел прочности слоя
с ориентацией 0° при комнатной температуре на 21,5 %; напря-
жения распределяются и между слоями с ориентацией 90° и ±45°.
Такое улучшение свойств впервые было отмечено Цаем, Адамсом
и Донером, которые сравнивали прочностные характеристики
сухого пучка волокон и такого же пучка волокон в матрице,
определяя фактор эффективности матрицы 0. Изменение фактора
эффективности в зависимости от температуры для композита
ЭБП приведено на рис. 20.13, а зависимость 0 от структуры
(выкладки) композита приведена на рис. 20.14.
Для композитов ЭУП это явление не столь заметно. Объясне-
нием может служить то, что большое число углеродных волокон
внутри каждого слоя камуфлирует эффект перераспределения
напряжений между углеродными волокнами малого диаметра
в случае разрушения одного из них. При композитах ЭБП разру-
шение волокон существенно большего диаметра не приводит к пе-
318
Рис. 20.13. Зависимость фактора эффективности матрицы 0 от температуры Т.
Уравнение линейного участка 0О = 1,235—О,1257’/7’о [0,8В + (Т/То)3] при То =
= 199 °C. Экспериментальные значения:
Т, °C.......... -55 20 127 190
₽ ............ 1,25 1,22 1,14 1,02
Рис. 20.14. Фактор эффективности матрицы 0О для различных слоев ламината:
L — доля слоев с ориентацией 0°; М — доля слоев с ориентацией 90°; 1 — коэффициент
реализации & = если слои с ориентацией 0° и 90° не разделены и 3 = 1, если слои 0°
и 90° разделены; 2 — уменьшение трансверсальных термических напряжений в слоях 0°
иа 0,39 %
рераспределению нагрузки внутри слоя между меньшим числом
волокон. Кроме того, слои в этом композите можно считать изо-
лированными, что также является фактором возникновения до-
полнительных напряжений. Для материалов ЭБП
aL
а».пр = -^±. (20.16)
р
20.4.1. Потеря устойчивости слоистых композитов
В случае воздействия на композит напряжений сжатия устой-
чивость как волокон, так и слоев определяется свойствами свя-
зующего (матрицы). Относительно низкая жесткость матрицы
может оказывать существенное влияние на прочностные свойства
композита при сжатии. Разрушение композита может происхо-
дить при напряжениях в волокне существенно более низких по
сравнению с напряжениями, необходимыми для разрушения
волокон. Существует целый ряд видов разрушения композитов
за счет потери устойчивости, которые могут быть отмечены при
испытаниях. Дж. Суарец и др. [6] наблюдали несколько видов
потери устойчивости, дающих хорошее совпадение с эксперимен-
тальными данными. В соответствии с принятой моделью волокна
или слои рассматриваются без начальных искривлений и вклю-
319
Рис. 20.15. Зависимость межслоевой
жесткости Gz от температуры Т для ис-
пользования при анализе потери устой-
чивости:
I — ЭБП марки A VCO 5505; 2 — ЭУП мар-
жи T300/W5208; 3 — ЭУП марки
Л5-1/3501-5А
чены в упругую среду мат-
рицы. Приравнивая энергию
деформации изгиба и сдвига
балки и энергию деформации
упругого основания к работе
сил сжатия, можно получить
уравнения для различных ви-
дов локальной потери устой-
чивости.
20.4.2. Потеря устойчивости
слоев,
Этот вид разрушения явля-
ется результатом потери устой-
чивости периферийных слоев,
тери устойчивости, учитывают
и упругого основания!
ориентированных параллельно
приложенной нагрузке. Вы-
ражение, используемое для
определения напряжений по- И
свойства как ламината, так
<UG, = &(2-В, 6<1; ,2П1_
acr/G, =1, |>1, ( '
где асг — напряжение продольного изгиба при сжатии по кон-
цам; Gz —межслоевой модуль сдвига композита (рис. 20.15);
£ — параметр жесткости, равный УDB/S.
Для композиционных волокнистых материалов с регулярной
укладкой жестких волокон, обладающих круглым сечением, пара-
метр жесткости вычисляется исходя из выражений:
D = "Ув& ; B = S = ^, (20.18)
64шв t L ’ ' '
где D — жесткость волокон при изгибе; В и S — соответственно
продольная (нормальная) и сдвиговая жесткость ламината.
Отсюда
dgL3/2 Гяад-11/2
£ 8/'Gz L t'wB J ’
где dB—диаметр моноволокна; wB—площадь волокна в пло-
скости слоя; Ев — модуль упругости (продольный) волокна;
Ег — модуль упругости ламината при растяжении; L — доля
слоев, ориентированных в направлении нагружения; I'—сред-
няя толщина слоя.
320
20.4.3. Коробление поверхности
20.4.3.1. Потеря устойчивости ламината
Этот тип разрушения характерен для композиционных мате-
риалов сандвичевых структур. В этом случае ламинаты рассма-
триваются как балка, подвергающаяся деформации, а сердцевина
Сандвичевой конструкции рассматривается как упругое основа-
ние. Критические поверхностные напряжения определяются ис-
ходя из основного уравнения (20.17) для потери устойчивости
слоя, но жесткость определяется как
g = ^DB/S,
где D —жесткость ламината при продольном изгибе; В — жест-
кость основания; S — межслоевая жесткость композита. Отсюда
В Ес , 1,1007 /^cV73
b t "г- tf V Ef / ’
(20.19)
где £с — упругий модуль сжатия сердцевины; Gc — модуль
сдвига сердцевины в плоскости приложения нагрузки; £/ —
модуль упругости при сжатии облицовочного слоя; tt— толщина
облицовочного слоя; b — ширина ламината.
Для Сандвичевых панелей, в которых толщина сердцевины
tc 21, жесткость основания может быть определена как
В _ 2ДС
b ic
(20.20)
где /с — толщина сердцевины.
20.4.3.2. Отслоение сердцевины и облицовочного слоя
Этот вид разрушения является результатом начальной вол-
нистости 60 в сжимающихся облицовочных пластинах ячеистых
сандвичевых панелей. Поверхностные напряжения, которые вы-
зывают данный вид разрушения, описываются следующим урав-
нением:
&СГ
(20.21)
°п ~ 1 + В^!огЬ ’
где аг — предел прочности связи облицовочного ламината с серд-
цевиной или предел прочности при растяжении сердцевины.
20.4.3.3. Разрушение сердцевины
Напряжения, возникающие в поверхностных (облицовочных)
слоях ячеистых сандвичевых конструкций и описывающиеся
уравнением (20.21), могут привести к разрушению сердцевины
композита и всей Сандвичевой панели. Однако в этом случае
необходима замена oz в уравнении (20.21) на предел прочности
сердцевины при сжатии.
11 П/р ДЖ. Любияа 321
При рассмотрении балочной конструкции из ячеистой Санд-
вичевой структуры выявлено, что напряжения сжатия, возника-
ющие в сердцевине, приводят к возникновению искривлений
балки. Этот эффект суммируется с эффектом коробления поверх-
ности за счет развивающихся в поверхностных слоях напря-
жений. Общие напряжения, приложенные к сердцевине и равные
прочности при сжатии сердцевины, определяются через напря-
жения поверхности при разрушении следующим выражением:
+ (20.22)
где 1 +1^; Ki — при этом t определяется
из второго уравнения (20—19); £1с — модуль Юнга сжимающейся
поверхности; Elt — модуль Юнга растягивающейся поверхности;
tf—толщина сжимающейся поверхности; tt—толщина растя-
гивающейся поверхности; d — расстояние между средними ли-
ниями облицовочных слоев; £с — модуль упругости при сжатии
сердцевины; ос — напряжения сжатия в сердцевине; б0 — на-
чальная волнистость при сжатии; ог — предел прочности при
сжатии сердцевины.
20.4.3.4. Разрушение сердцевины вследствие сдвиговых напряжений
Разрушения основания за счет сдвига могут являться резуль-
татом начальной волнистости материала. Напряжения в поверх-
ностных слоях, возникающие при этом виде разрушения, описы-
ваются следующим уравнением:
СТ = 1 । 1>9O65SoGc £cGc .i/e ’ (20.23)
\ Е] )
где ос—предел прочности сердцевины при сдвиге. Если предел
прочности при сдвиге клеевого соединения облицовочной поверх-
ности и сердцевины оказывается меньше, чем стс, то в (20.23)
подставляется меныпее значение.
20.4.4. Прогиб облицовочных пластин
Этот вид разрушения возникает в том случае, если изна-
чально в некоторых участках расстояние между средними ли-
ниями облицовочных пластин вследствие дефектов ячеистой
структуры сердцевины оказывается нестабильным. Напряжения
в поверхностных слоях, которые возникают в результате таких
прогибов, задаются эмпирической формулой:
(20.24)
322
где Е' — •/£i£2; tf — толщина поверхностного слоя (облицовки);
Ei и £2 — модули упругости материала поверхности относительно
осей ортотропии; — (1 —^12т21); s — размер ячейки сердцевины
(по диаметру описанной окружности).
20.4.5. Общий анализ устойчивости
Как плоские композиты, так и сандвичевые конструкции можно
рассматривать с позиций теории изгиба стержня. Учет нормаль-
ной или межслоевой жесткости сдвига в уравнении Эйлера при
приложении изгибающей нагрузки Рси был сделан Дж. Суоре-
цом [61 и может быть записан как
Реи
Рег 1 + Рец/(Г«Ь)
(20.25)
где Wxz —• нормальная сдвиговая жесткость.
Точное выражение для нормальной сдвиговой жесткости
ячеистых сандвичевых панелей с поверхностными ламинатными
слоями приведено в приложении II по статье Дж. Суореца [6].
Однако для оценочных конструкторских расчетов можно восполь-
зоваться следующими уравнениями:
для плоских панелей из слоистых пластиков, симметричных
относительно средней линии, и
= Gci0 (20.26)
для ячеистых сандвичевых панелей/
20.4.6. Анализ искривлений пластин
из композиционных материалов
Величины искривлений, возникающих в пластинах из компо-
зитов, могут быть определены исходя из уравнений (20.27)—(20.35)
[81 и табл. 20.7. Эти уравнения могут быть применены со следу-
ющими ограничениями:
пластины должны быть прямоугольными, ортотропными, гомо-
генными и имеющими постоянную толщину;
концы и боковые стороны пластин должны находиться на
опоре и быть закрепленными;
пластины из ламинатов в основном сохраняют упругость в ре-
зультате напряжений изгиба;
влияние сдвиговой жесткости в направлении нормали к по-
верхности (нормальной сдвиговой жесткости), которая значи-
тельно снижает напряжение при изгибе, не учитывается.
Нормальная сдвиговая жесткость в пластине из КМ существенно
ниже жесткости при изгибе в плоскости слоя и сдвиговой жестко-
11* 323
20.7. Уравнения для расчета напряжений продольного изгиба
пластин из КМ *
Вид на- гружения Условия иа границах образцов а/Ь Напряжение при продольном нагибе Номер урав- нения
Сжатие Опора, сво- бодная по периметру Ос- нов- ное , 1 ( nt \2 ( / mb \2 о- = 1т(—) [А {—) + + 2 (4Х1 4- 24..) Ait | (20.27)
То же ©о ("Т") 1(ЛИЛ22)1/2 +
+ ^12 + 2^6б} (20.28)
Закрепле- ние по пе- риметру Ос- нов- ное , 1 [ nt \2 ( / mb \2 4- 2,674„ 4- 5,33 [л„ (^)2 + Л“] } (20.29)
То же DO °«г = “12“ (тг) (4,6(ЛиЛ12)1/2 +
4- 2,674„ 4- 5.334..} (20.30)
Сдвиг Опора, сво- бодная по периметру DO <’«г=-Г(4) 1/4 |з,125 4- 5,05 } (ЛцЛ.з)1/2 (20.31)
1 0 J (4„ 4- 24..)
°ХСГ ~ ~3~ {^22 (^12 Ч" 24.в))1^2Х
X {11,7 4- 0,5320 4- 0,9380») : 0 < 1
Закрепле- ние по пе- риметру ©О ' -4 Ст)2 (лпли}1/4 X ( 7 1 X |15,1 4- -L-J ; © > 1 (20.32)
°icr ~ ~у (т) ^Л»» (Л1’"Ь Л“^^2Х
X {18,6 4- 1,650 4- 1,900») : 0 < 1
Опора, сво- бодная по периметру 1,0 ^ = -у(т)2(ЛиЛ“}1/4 :в>1 К « 8,20 4- 4-10 (4/р 4- В/Р) (20.33)
А = 0,185/0 — 0,270
В = 0,82 — 0,46/0 — 0,2/0» : 0 =
324
Продолжение табл. 20.7
Вид на- гружения Условия на границах образцов а/Ь Напряжение прн продольном изгибе Номер урав- нения
Сдвиг Закрепле-
ние по пе-
риметру
1.0
:0>1 (2°-34)
/«/, ю^/м-в/Р) :
\ Л2а /
/ = 15 + 7,50
А . - —0,100
В = 1,30 + 0,2/0
₽ <0,6
/ == 19,3 + 8,45/0 1
А = 0,040 + 0,035/9 Р > 0,6
В = 1,99 + 0,38'0 J
Комби-
нация
сжатия
и сдвига
(20.35)
* Эффекты нормальной
сдвиговой жесткости исключены.
сти в той же плоскости. Такое соотношение существенно влияет
на возникновение напряжений сжатия прн изгибе, поскольку
напряжения при изгибе не могут превышать 2/3 нормального
сдвигового модуля пластины. Это явление особенно значительно,
когда изгиб при сжатии пластины, изготовленной из композита,
происходит при высокой температуре, так как нормальная сдви-
говая жесткость зависит от свойств матрицы, а жесткость матрицы,
в свою очередь, существенно снижается с ростом температуры.
Для определения влияния нормальной сдвиговой жесткости
пластины Wxz на изгибные напряжения при сжатии необходимо
принять во внимание уравнение (20.26):
Предполагая, что действие нормальных сдвиговых деформаций
в пластине схоже с аналогичным их действием в стержнях, выра-
жаем критические напряжения изгиба как
_ Се<сг
1.2^’
1+Сс—g—
(20.36)
где а'хсг — напряжение изгиба в пластине а бесконечной нор-
мальной сдвиговой жесткостью.
325
Фактор напряжения Сс может быть определен как функция
v'xcrlGz в зависимости от типа структуры (выкладки) пластины
с использованием точных уравнений для изгиба при сжатии,
приведенных в руководстве [7]. Уравнение изгиба под действием
сдвиговых деформаций также приводится в этом руководстве:
(20.37)
где о’хусг может быть определено при использовании выражений
из табл. 20.7; Кт — коэффициент, учитывающий влияние нор-
мальной сдвиговой жесткости на напряжения при продольном
изгибе [71; Кт0 — коэффициент напряжений при продольном
изгибе в пластине с бесконечной нормальной сдвиговой жест-
костью.
В случае, когда Km(JKm ~ 1, уравнение (20,28) приводит
к критическим значениям для напряжений продольного изгиба
в результате сдвига в тонкой пластине. Исключая нормальные
сдвиговые деформации, можно записать как охусг — оху'сГ-
При учете нормальной сдвиговой жесткости пластины полу-
чаем
V = -£/№ (20.38)
’“(т)7тв- ' (20-39>
Отсюда для тонких длинных панелей с простым закреплением
или опорой концов имеем
4 (“1)= дг А^х’ <20-40)
где А22 — поперечная жесткость пластины. Критическое напря-
жение изгиба при сдвиге, исключая деформацию нормального
сдвига, для длинной плоской пластины можно записать как
<т«4'сг = (1 + Схт) ’ (20.41)
где Сг — лМ22/3 для пластин, лежащих на опорах и закреплен-
ных на концах.
Уравнение для коэффициента напряжений изгиба при сдвиге
в ортотропных пластинах с различным соотношением а/b полу-
чено Плантемом ([91, с. 143). Оно схоже с уравнением для изо-
тропных пластин, полученным С. П. Тимошенко и Дж. Гире
([81, с. 383). |
Аппроксимируя это уравнение, используем его для оценок пр|
предварительных конструкторских расчетах: I
= ^иег + (4) 2 (%'«г - СТ^г)’ <20-42)
326
где <тх(/сг— напряжение продольного изгиба при сдвиге в пла-
стине с соотношением а/b-, <£уег —напряжение продольного
изгиба при сдвиге в бесконечно длинной пластине; охи-сг —
коэффициент напряжений продольного изгиба для квадратной
пластины.
В предварительных конструкторских расчетах для оценки
напряжения продольного изгиба при сжатии в пластинах с соот-
ношением а/b можно использовать аналогичное уравнению (20.42)
выражение
+ (4-)2 <20ЛЗ>
где ахст — напряжение продольного изгиба при сжатии пластины
с соотношением а/b; о^сг — напряжение продольного изгиба при
сжатии бесконечно длинной пластины; аХС'г — коэффициент напря-
жения продольного изгиба для квадратных пластин.
20.5. Предварительный анализ и конструирование
панелей из композиционных материалов
Предварительный анализ длинных, свободно лежащих на
опорах по периметру панелей из сложных композиционных
материалов структуры (0°, 90", ±45°), может быть проведен с ис-
пользованием кривых, представленных на рис. 20.16.
Рис, 20.16. Напряжения продольного изгиба в длинных, свободно опертых по
периметру плоских пластинах:
а- при сжатии (а - EJE^ - 0,1; Х = Ot,/S>t=0.375): а„г « <гкс.гЦ1 + I.JcWQ
[см. (20.36)]; ахс.г ксЁи где Кс (я/6)* {(^„Л,,)1/2 + + 2Лм) [см.
(20.26)1:^ - при сдвиге (а =. = 0,1; К = G„/E„ - 0.375): axycr = ахусг/11 +
+ °.395(/;n/Git) (t/b)‘l [см. (20.41)1; п'хусг = К^Еп Ks из (20.31); М - доля слоев
о ориентацией 90°; L — доля слоев с ориентацией 0°; N — доля слоев с ориентацией ±45°
327
&стах, Mfla
Рис. 20.17. Оптимальные напряжения сжатия в длинных, свободно опертых по
периметру плоских пластинах слоистых пластиков:
NJb ““ структурный индекс; /= ^x/crc max; <тс тах — максимальное напряжение
сжатия: 1 — ЭБП марки A VCO 5505; 2 — ЭУП марки ТЗ00/JV5208; 3 — ЭУП марки
ЛЗ-1/3501-5Л; 4 — ЭУП марки GY 70/HYE 1534; 6 — «Кевлар-49»/СЕ 3305
Эти кривые были построены исходя из предположения о том,
что панели из композитов однородны и обладают ортотропией.
Для их построения были использованы уравнения (20.28) для
Рис. 20.18. Определение оптимальной
структуры выкладки для обеспечения
свойств панелей из слоистых композитов
при сжатии ЭУП марки Л5-1/3501-5Л:
3 — оптимальная доля слоев; L — доля слоев
с ориентацией 0°; Af — доля слоев с ориента-
цией d=45°; AZ^/5 — структурный индекс;
°с max ““ максимальное напряжение сжатия
осевого сжатия и (20.31)
для сдвига в плоскости слоя,
в которые были включены
значения Ац, полученные
из уравнения (20.7). Кривые
строились с использованием
значений а — Егг1Еи = 0,1
и К = G12/E22 = 0,375, ко-
торые являются достаточно
типичными для композитов
ЭБП и ЭУП при комнатной
температуре (см. рис. 20.8).
Оценка свойств панелей
из КМ при сжатии может
быть проведена с исполь-
зованием кривых, представ-
ленных на рис. 20.17 и 20.18.
На рис. 20.17 показано из-
менение оптимальных на-
пряжений сжатия в зависи-
мости от структурного ин-
декса. Все кривые построе-
ны для ламинатов, в кото-
рых слои с ориентацией 90° j
328
Рис. 20.19. Определение оптимальных напряжений сдвига в длинных плоских
образцах, свободно опертых по периметру:
ЛАХ /Ь — структурный индекс; а п1ах — максимальные напряжения сдвига; 1 —• ЭБП
марки AVCO 5505; 2 — ЭУП марки 7300^5208; 3 — ЭУП марки Л5-1/3501-5Л; / —
ЭУП марки СУ M0IHYE 1534; 5 — «Кевлар-49>/С£ 3305
отсутствуют, т. е. М = 0. Однако следует заметить, что опти-
мальные напряжения изменяются несущественно вплоть до зна-
чений М < 0,2. На рис. 20.18 показано, при каких структурах
выкладки композита ЭУП типа AS-13501-5A могут быть дости-
гнуты максимальные напряжения.
Кривые на рис. 20.17 и 20.18 построены с учетом исключе-
ния эффектов, связанных со сдвиговой жесткостью при межосе-
вом сдвиге, и исходя из соотношений:
„ с ( t \2. Nx
&ХСГ £ J ’ «X - f 5
где К’с — коэффициент напряжения продольного изгиба при
сжатии; Nx — осевая нагрузка сжатия; b — ширина панели;
t — толщина панели. Для конструкций, в которых необходимо
избегать продольного изгиба, максимальные (или оптимальные)
напряжения ос raax определяются из равенства ахсг — ох. Тогда
^“(тглл,,
или
<тс max = (*<Д1)1/3 . (20.44)
Значения Кс, взятые из рис. 20.16, совместно со значениями ах
из уравнения (20.14) и данными по свойствам материалов из
табл. 20.6 позволили получить кривые для рис. 20.17 и 20.18.
Те же приближения были использованы для получения кривых
на рис. 20.19, построенных для определения оптимальных сдвиго-
329
вых напряжений в длинных и плоских панелях. Для условий
этого нагружения уравнение (20.44) преобразуется в
max = (КЛп)*'3 (-^-)2/3» (20.45)
где Nxy — приложенная к образцу сдвиговая нагрузка. Напря-
жение сдвига оценивается равным 0,25Gz, что является практи-
чески минимальным уровнем напряжений для сдвиговых дефор-
маций в панелях композитов. Оптимальная структура выкладки
в панелях составляет по 50 % для слоев с ориентацией 90J и
±45°, что соответствует максимальному коэффициенту напряже-
ний при продольном изгибе (см. рис. 20.16).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bannink Е., Hadcock R. and Forsch Н., «Advanced Design Composite Aircraft
Study», Paper No. 77-393, presented at the 18th AIAA/ASME Structures, Struc-
tural Dynamics and Materials Conference, San Diego, California, March 1977.
2. Hadcock R., «The Application of Advanced Composites to Military Aircraft»,
1CAS Paper No. 76-09, presented at the 10th Congress of the International Council
of the Aeronautical Sciences, Ottawa, Canada, October 1976.
3. Schwartz P., «Advanced Design Composite Aircraft, the Next Step for Compo-
sites», SAWE Paper No. 1105, Index Category No. 27., presented at the 35th
Annual Conference of the Society of Allied Weight Engineers, Philadelphia,
Pennsylvania, May 1976.
4. Ludwig W., Erbacher H. and Lubin G., «Composite Horizontal Stabilizer for
the B-l: Design, Fabrication and Test», 32nd Annual Technical Conference;
Reinforced Plastics/Composites Institute, SPI, Section 15B, Washington, D. C.,
February 1977.
5. Tsai S. W. and Pagano N. J., «Invariant Properties of Composite Materials»,
Composite Materials Workshop, Technomic, January 1968.
6. Suarez J. A., Whiteside J. B. and Hadcock R. N., «The Influence of Local Failure
Modes on the Compressive Strength of Boron/Epoxy Composites», ASTM Special
Technical Publication 497, 1972.
7. Department of Defense, «Structural Sandwich Composites», MIL-HDBK-23A,
Washington, D. C., June 1968.
8. Timoshenko S. P. and Gere J. M., Theory of Elastic Stability, Second Edition,
McGraw-Hill, New York, 1961.
9. Plantema F. J., Sandwich Construction, John Wiley Sons, New York, 1966.
21. САНДВИЧЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
А. Маршалл
21.1. Введение
Эта глава описывает особую форму композиционных материа-
лов, известных под названием структурных сандвичевых (сото-
вых) конструкций.
Структура сандвичевых конструкций состоит из следующих
элементов (рис. 21.1): двух тонких прочных облицовочных пла-
стин — обшивок, толстой легкой сердцевины — заполнителя, раз-
деляющего несущие пластины и распределяющие нагрузку между
ними, и адгезионных слоев, связывающих пластины с заполните-
лем и передающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и об-
ратно. Сандвичевую конструкцию обычно рассматривают как
двутавровую балку, одна из горизонтальных полок пластин кото-
рой «работает» на сжатие, а другая — на растяжение. Сотовый
заполнитель, связывающий пластины, аналогичен вертикальной
полке балки, «работает» на сдвиг и повышает изгибную жесткость
структуры, хотя, в противоположность двутавру, основным его
назначением является опора для пластин облицовки.
Ниже будут описаны и обобщены свойства различных наиболее
часто используемых материалов; приведены алгоритмы конструк-
торских расчетов; выделены
особенности расчета распре-
деления нагрузки в мате-
риале; рассмотрены вопросы
заделки кромок и соедине-
ний, а также приведено
большое число таблиц, гра-
фиков и схем, необходимых
для конструкторов. В этой
главе предпринята также
попытка привести прогнозы
и наметить перспективы раз-
вития производства и при-
менения сандвичевых струк-
тур, чтобы помочь разра-
ботчикам избежать ошибок.
Структурные сандвичевые
Конструкции были одним из
Рис. 21.1. Сандвичевая (сотовая) кон-
струкция
331
самых первых композиционных материалов, получивших широкое
признанней применение. Практически для всех видов гражданских
самолетов и вертолетов, а также военных летательных аппаратов
и ракет используются сандвичевые конструкции. Эффективность
различных сандвичевых конструкций показана на рис. 21.2.
Например, для сандвичевых структур различной толщины с алю-
миниевыми листами были получены следующие значения (для
структуры 1/4-5052 плотностью 37 кг/ма с облицовкой толщиной
2 мм):
А Б В
Жесткость (£>), кг-см’/см . . . 1822 13 933 71 004
Относительное изменение жесткости . . . , . . 1,0 7,4 39,0
Объемная плотность, кг/м3 . . . 29 30 31
Относительное изменение плотности . . . . . . 1,00 1,03 1,06
Кроме использования в несущих конструкциях самолетов и
ракет сандвичевые конструкции применяются при создании раз-
личных транспортных контейнеров, подвижных частей и обшивок
самолетов, в отделке интерьеров морских судов, катеров и яхт,
для производства деталей автомобилей и при создании различных
предметов быта: корпусов телевизоров, лыж и т. д. Сандвичевые
конструкции применяются и в домостроении в качестве конструк-
ционных отделочных материалов, для дверей, перегородок и мно-
гих других деталей.
Впервые сандвичевые конструкции были использованы для
облегчения массы несущих нагрузку элементов в 1820 г., но про-
мышленное использование этой идеи задержалось приблизительно
на ПО лет. Началом такого применения можно считать успехи
промышленного производства клеевых соединений в Великобри-
тании и США в 30-х годах нашего столетия. Первоначально про-
изводство такой продукции было связано с развитием производ-
ства фенольных и винилфенольных связующих. Такие материалы,
как «Циклевельд», «Пликознт» и «Редукс» надежно оклеивали
металл и дерево, обладали высокими прочностными характери-
стиками и в значительной мере благодаря им в технологии много-
слойных конструкций началась подлинная техническая револю-
ция. Большинство дальнейших исследований было выполнено
всего за несколько лет. Они включали: развитие новых методов
Рис. 21.2. Примеры, иллюстрирующие уникальное свойство Сандвичевых кон-
струкций — существенно увеличивать жесткость материала практически без
увеличения массы
332
очистки поверхности металлических несущих покрытии; создание
материалов с низкой плотностью и большим соотношением проч-
ность/жесткость для сотовой структуры заполнителя; изучение
5-стадии отверждения для связующих; получение препрегов
(стеклотканей и других текстильных материалов, пропитанных
заданным количеством связующего, находящимся в стадии 5);
получение высокопрочных связующих; создание жестких по-
верхностных покрытий. Были разработаны также технологические
процессы, использующие низкие температуру отверждения и
давление, и изучены звукоизоляционные свойства сандвичевых
конструкций.
21.2. Материалы для несущих пластин
Главными функциями несущих облицовочных материалов
(листов) для сандвичевых конструкций являются обеспечение их
жесткости относительно изгиба и сдвига в плоскости пластин,
а также передача нагрузок в той же плоскости. В самолетострое-
нии чаще всего используются стекловолокнистые препреги, пре-
преги на основе углеродных волокон (тканей или однонаправлен-
ных материалов), алюминиевые сплавы марок 2024 и 7075, тита-
новые или стальные листы. Зачастую возможность использова-
ния того или иного материала диктуется ценой на него, и кон-
структорские разработки могут меняться в зависимости от стои-
мости исходных материалов.
21.2.1. Пригодность материалов
При замене материала несущих пластин (так же как и при за-
мене заполнителя, адгезива и других материалов) необходимо
выяснить, насколько изменились свойства композита. Основными
свойствами, подлежащими проверке, являются жесткость и хруп-
кость материала, вид разрушения, надежность и погодостойкость,
возможность применения заклепочных и болтовых соединений,
а также все другие свойства, которые могут интересовать потреби-
теля. Основным же является анализ изменения прочностных и
массовых характеристик. В результате появления новых материа-
лов алюминиевые пластины в панелях интерьеров кабин самолетов
были заменены сначала на стеклопластиковые, а стекловолок-
иистые наполнители — на наполнители из арамидных волокон.
В 80-х годах при строительстве ряда новых самолетов фирмы
«Боинг» были применены сандвичевые конструкции с покрытием
из гибридных материалов на основе углеволокнистых структур и
арамидных тканей. В табл. 21.1 приведены механические свойства
некоторых наиболее распространенных материалов несущих (об-
лицовочных) пластин.
333
21.1. Типичные механические свойства материалов несущих
пластин сандвнчевых конструкций *
Материал облицовочного слоя Предел те- кучести •» МПа Е, ГПа •Г4 1 Масса 1 м8 толщиной 1 мм Примечание
Алюминий:
2024-ТЗ 5052-Н34 800 416 160 160
6061-Т6 560 160
7075-Т6 1169 160
Мягкая углеродистая сталь 800 480
Коррозионно-стойкая сталь:
316 961 480
17-7 3200 480
Тнтан:
отожжеииый Т1-75А 1280 240
термообработанный 6A1-4V 2290 269
Углепластик:
ткань 1280 160
однонаправленный 3500 320
Стек лоп ластн к: мат/ПЭ * * 224 14,7
ткань из ровинга/ПЭ** 608 29,6
Стеклопластиковые пре- преги на основе смол:
эпоксидной 1009 56
990 56
фенольной 769 56
полиэфирной 769 56
ПОЛИИМИДНОЙ 961 56
кевлар/эпоксндный препрег 961/448 70
334
0,89 2,69 Высокая прочность, низкая цена
0,89 2,69 Умеренная цена, корро- зионно-стойкий матери- И
0,89 2,69 Хорошо перерабатывает- И СЯ ЯР
0,89 2,69 Высокая прочность
0,91 7,68 Низкая цена, высокая прочность
0,94 7,68
0,94 7,68 Высокая прочность ^В
0,94 4,52 Коррозионная стойкость
0,94 4,42 Высокая цена ^В
0,99 1,54 Высокие цена н проч- Щ ность
0,99 1,54 Высокая прочность ^В
0,98 1,35
0,98 1,35
0,98 1,83 Низкая температура от-
верждения
0,98 1,69 Высокая теплостойкость
0,98 1,61 То же
0,98 1,92 Низкая теплостойкость
0,98 1,83 Очень высокая тепло-
стойкость
0,99 1,35 Высокая жесткость
Продолжение табл. 21.1 1
Материал облицовочного СЛОЯ Предел те- кучести •» МПа £, ГП» 1 Масса 1 ы* толщиной 1 мм Примечание
Фанера: дугласовскаи ель 42 29 0,99 0,58
южная сосна 42 29 0,99 0,58
лауаи 36 29 0,99 0,39 —
железное дерево 57 10 0,99 1.12 ——
Гипсовое покрытие 1,9 4,6 0,98 0,8 -—•
Примечание. В случае использования в качестве облицовочных по-
крытий фанеры понятие «эффективной» толщины должно использоваться только
для оценок приводимых ниже материалов:
Реальная толщина, мм Эффективная толщина, мм Масса, кг/м*
6 4 3,90
10 4 5,37
13 7 2,32
* Предел текучести при растяжении или сжатии (взято меньшее значение).
* ПЭ — полиэфирное связующее.
21.3. Материалы для заполнителей
Основной функцией заполнителя в сандвичевых конструкциях
является придание устойчивости несущим поверхностям и обеспе-
чение передачи сдвиговых нагрузок по толщине композита. Для
выполнения этой задачи заполнитель должен быть по возможности
более жестким и легким, не должен изменять свойства при воз-
действии окружающей среды, особенно после специальной об-
работки.
21.3.1. Типы материалов
21.3.1.1. Дерево
Среди материалов, наиболее часто используемых для заполне-
ния сандвичевых структур, выделяется дерево. Одно из самых
старых применений дерева как заполнителя — использование
его в строительных конструкциях: в фанерованных дверях, пере-
городках и т. д. Используется дерево и при производстве лыж
в виде плоскостей или ребер жесткости, заполненных ячеистыми
структурами, пенопластами и армированными пластиками. Струк-
туры, использующие бальсовое дерево, до сих пор широко исполь-
335
21.2. Механические свойства (МПа) бальзовой древесины,
используемой в качестве заполнителя саидвичевых конструкций
Тип испытаний Измеряемый параметр Пока- затель Плотность древесины, кг/м*
96 176 248
Сдвиг Поперечная структура: тод В 3,45 10 15,9 тсд Н 5,17 13,2 20,3 Gcn Т 2275 5295 8025 Продольная структура: тсд В 0,58 0,993 1,36 тсд Н 0,34 0,689 1,0 Gca В ПО 255 379 бСд Н 35,1 89,6 137 Растяжение Поперечная структура: ав В 9,48 21,0 31,2 Продольная структура: ов В 0,77 1,17 1,54 ав Н 0,49 0,814 1,07 Сжатие ася< В 1,24 2,48 3,55 ос;к Н 1,09 2,03 2,93 £Сж Т ПО 255 379
Сокращения: В — высокий; Н — низкий; Т — типичный.
зуются для небольших судов (длиной 15,2 м) и для люков в боль-
шинстве старых и некоторых новых видах самолетов. Традицион-
ное преимущество дерева — низкая цена — уже в 70-х годах
текущего столетия стало утрачиваться (зачастую современная
цена на древесину выше, чем на вспененные пластмассы, прибли-
жаясь к стоимости самих сандвичевых структур). Несмотря на
это, легкость в переработке и прекрасные эксплуатационные
качества конечной продукции привели к резкому возрастанию
использования дерева, особенно бальсового, при строительстве
судов, больших емкостей — резервуаров, деталей самолетов и
контейнеров. Такому широкому распространению деревянного
заполнителя способствуют и высокие прочностные и упругие
свойства, сравнимые только с сотовыми заполнителями на основе
арамидов, которые только начинают широко развиваться. Меха-
нические свойства наиболее распространенных трех видов баль-
совой древесины приведены в табл. 21.2.
21.3.1.2. Пены
В последнее время все более широкое распространение полу-
чает структура заполнителя на основе твердой пены (пенопласта).
Последние исследования в области технологии инжектирования
336
337
этого материала привели к резкому возрастанию объема его исполь-
зования. В последнее время наиболее совершенной технологией
является использование одноступенчатого простого инжектиро-
вания расплава в полость структуры с последующим его охлажде-
нием. Точное регулирование реакции отверждения и эффекты
тепловой усадки расплава приводят к большей плотности пены
на границе с несущими пластинами, чем непосредственно в сердце-
вине.
Высокая производительность и низкая цена такой схемы
получения КМ привели к тому, что этот процесс был автоматизи-
рован и получил широкое применение. Другая технология —
быстровспенивающиеся материалы заполнителя для стеклоила-
стиковых лыж и теннисных ракеток. В этой технологии облицовоч-
ные структуры образуют закрытые полости, в которые инжекти-
руется пенообразующий субстрат. Такой субстрат, отверждаясь,
является одновременно и заполнителем, и адгезивом для стекло-
волокнистого препрега облицовки. В последнее время вводится
много новых технологических приемов получения вспененных
конструкций как в Западной Европе, так и в США. Пенам при-
даются иногда и специальные свойства, такие как изоляционность
или радиопрозрачность.
Низкая цена полистирольных пенопластов привела к исполь-
зованию их не только в саидвичевых конструкциях. Они играют
большую роль при создании теплоизоляции в рефрижераторном
транспорте. В строительстве этот материал конкурирует с поли-
уретанами. Поливинилхлоридные (ПВХ) пенопласты исполь-
зуются в самолетостроении в качестве заполнителя в панелях
полов. Они имеют меньшую плотность по сравнению с сотовыми
структурами на основе арамидов.
В связи с простотой принципов их производства пенонапол-
ненные структуры используются уже больше 25 лет. Несмотря на
это, исследователи продолжают изучать проблему их создания,
используя различные виды смесей, получая более однородные
структуры заполнителя и увеличивая прочность адгезии с метал-
лическим или предварительно отвержденным стеклопластиковым
покрытием. Используя систематический входной контроль, авто-
матическое смешение и оборудование для внесения пен, а в случае
производства ответственных деталей в самолетостроении и кон-
трольные испытания (приемочные), можно полностью контроли-
ровать всю технологическую схему получения композитов. Как
видно из табл. 21.3, не для всех видов пенопластов приведены
сдвиговые характеристики. Нет данных по целому ряду параме-
тров, необходимых для конструирования. Эти данные должны быть
еще определены для современных видов материалов, чтобы они
могли быть надежно использованы. Обычно, когда не существует
данных о пределе прочности на сдвиг, он может быть аппрокси-
мирован по уровню 0,7 от известного предела прочности при
сжатии.
338
21.3.2. Сотовые структуры
21.3.2.1. Основные данные по сотовым структурам
Сотовые структуры являются общим видом продукции, исполь-
зующей непропитанные и пропитанные связующим крафт-бу-
маги, различные алюминиевые сплавы, арамидные бумаги, стек-
лопластики на основе различных видов тканей и связующих.
В меньших количествах для этих целей используются титановые
и стальные листы. Виды ячеистых структур на основе адгезионно
соединенных полос тонкого материала показаны на рис. 21.3.
Существуют два основных процесса производства сотовых
структур:
1) процесс растяжения: предварительно соединенный по исход-
ным линиям пакет растягивается, одновременно образуя ячеистую
структуру; преимущества процесса — одностадийность операции;
2) процесс рифления: листы исходного материала предвари-
тельно подвергаются рифлению; это могут быть листовые металлы,
пластики, бумага, армированные пластики и т. д., причем некото-
рые материалы термофиксируются, а затем склеиваются или
соединяются другим способом.
Используя сотовую структуру иа основе арамидной бумаги,
можно получить материал заполнителя с высокой прочностью, об-
ладающий плотностью 16 ... 48 кг/м3 и использующийся для обли-
цовки внутренних стен и потолка. Несущие панели — стекло-
текстолит толщиной менее 0,25 мм. Физические и механические
свойства сотовых структур для заполнителя Сандвичевой кон-
струкции зависят в основном от свойств материалов, из которых
эти конструкции производятся. На рис. 21.4 приведены данные
339
Рнс. 21.4. Зависимость теплосо-
противления R алюминиевых раз-
личной плотности (а) и неметалли-
ческих с различным диаметром ячей-
ки (б) сотовых заполнителей от их
толщины t и поправочного коэффи-
циента К (в) от температуры Т
по теплопроводности различных сандвичевых структур. Теплопро-
водность сандвичевых панелей складывается из теплоизоляцион-
ных свойств каждого из компонентов: пластин, заполнителя и
связующего. Тепловое сопротивление R (величина, обратная
теплопроводности) является суммой сопротивлений всех трех
компонентов (включая эффекты на границах раздела). Типичные
свойства несущих материалов приведены в соответствующих спра-
вочниках. Термическое сопротивление адгезионного слоя состав-
ляет 0,03 внутри материала и 0,01 на поверхности. На графиках
(рис. 21.4) приведены значения теплосопротивлений сотовых
структур при температуре 24 °C. Показано, что для неметалличе-
ских сотовых структур влияние размера ячейки более суще-
ственно, чем плотность наполнителя. Для алюминиевой ячейки —•
наоборот. Поправочный температурный коэффициент К. (Ь) при-
веден для неметаллов (/) и для алюминия (2) в зависимости от
средней температуры Т. На рис.
21.5 показана зависимость по-
правочного коэффициента от тол-
щины наполнителя. В зависимости
от геометрии ячейки изменяются
и свойства самого материала.
Ниже приведены общие поло-
жения, связывающие геометрию
ячейки с особенностью свойств
сотовой структуры.
Плотность. Как показано на
рис. 21.6, все механические свойст-
ва возрастают с ростом плотности.
Рис. 21.5. Зависимость поправоч-
ного коэффициента К от толщины
заполнителя t:
1 — неметаллическая структура; 2 —
алюминий; 3 — бумага
340
Рис. 21.6. Зависимость предела прочности при сжатии асж (а) н предела проч-
ности при сдвиге тсд (б) в направлении L от плотности сотового заполнителя р:
I — водостойкая бумага; 2 — стеклопластик с фенольным связующим; 3 *— бумага <но-
мекс»; 4t 5 — алюмнннебые силаны соответственно AI-5066 к А1-5052; 6 •—• бальсовое де-
рево; 7 — крафт-бумага; & -— пенопласт ПСВ
Форма ячейки. Все сотовые структуры являются анизотроп-
ными и их свойства в выбранном направлении должны соответ-
ствовать прилагаемым нагрузкам. На рис. 21.7 показаны типич-
ные различия в прочностных характеристиках при сдвиге в на-
правлениях В и IF. Для большинства сотовых структур наблю-
даются очень малые потери соотношения прочность/масса при
формовании или отверждении материала. Обладание такими
свойствами является явным преимуществом при производстве
методом отверждения структур большой толщины. Форма ячейки
может иметь различную конфигурацию в зависимости от произ-
водителей этих заполнителей композитов. Для некоторых мате-
риалов, например для алюминия,
форма вольно или невольно может
быть изменена при переработке.
Необходимо заметить, что недорас-
тяжка или перерастяжка сотового
наполнителя меняет не только форму
ячейки, но и ее плотность. В слу-
чае перерастяжки, как показано на
рис. 21.8, С, изменение свойств в од-
ном направлении (L) ослабляет за-
полнитель и по двум другим осям.
Изменение предела прочности в на-
правлении L на 30 % изменяет все
остальные параметры за счет дефор-
мации формы ячейки на такую же
величину в пределах ошибки изме-
рения.
Размер ячейки. Размер ячейки
является как бы вторичным факто-
Рис. 21.7. Зависимость пределов
прочности при продольном из-
гибе Up и сдвиге тсд от плот-
ности сотового заполнителя р:
1 и 2 — изгиб и сдвиг в направле-
нии L соответственно; 3 н 4 — из-
гиб и сдвиг в направлении WZ
341
Рис. 21.8. Различные виды
конфигураций ячеек в сото-
вых заполнителях. В и С
могут быть получены только
методом рифления. При про-
изводстве сотовой структуры
типа F из сплавов использу-
ется сварное соединение яче-
ек. В заполнителе Е исполь-
зован изгиб по одной оси, в
G и Н — по двум осям. Ва-
рианты А, С и D отличаются
степенью растяжения сото-
вого заполнителя: С — пол-
ностью растянутый; D —
растяжение на 50 %; В —
структура с усиленными
слоями, чередующимися с
рифлеными
Рис. 21.9. Приспособление
для испытания на сдвиг (пре-
дел прочности и модуль) из
отожженных стальных пла-
стин толщиной 127 мм
342
21.4. Типичные свойства некоторых видов сотовых структур
из крафт-бумагв *
Заполнитель с шести- гранными ячейками р. кг/м* Сжатие скрепленных ячеек Сдвиг в плоскости слоя
L-направлениН У-направленив
°СЖ’ кПа ^СЖ’ МПа ХСД’ кПа МПа *СД> кПа °сд- МПа
КР 1/4-80 (11) 80 Со связующим (%) 2758 461 1324 208 593 45
КР 3/8-60 (25) 37 1379 310 758 107 414 400
КР 1/2-60 (25) 30 896 241 621 83 317 34
КР 1/2-80 (11) 30 862 200 483 72 248 26
КР 1/2-80 (18) 35 965 234 545 82 283 30
КР 3/4-80 (11) 21 496 110 303 44 165 16
КР 3/4-80 (18) 24 621 138 310 45 193 21
КР 3/4-99 (11) 24 462 62 359 44 193 26
КР 3/4-99 (18) 24 462 66 359 36 214 24
КР 3/8-80 (0) 34 Без 496 Связующего 128 317 51 214 26
КР 1/2-80 (0) 30 441 114 290 48 193 23
КР 3/4-80 (0) 19 269 66 179 33 124 16
КР 1-80 (0) 16 200 48 138 26 90 12
КР 1 -1-80 (0) 10 97 17 69 15 48 7
* Испытания проводились
вических характеристик могут
на пластинах толщиной 25,4 мм. Значения меха-
изменяться в небольшом диапазоне.
ром, определяющим большинство механических свойств мате-
риалов заполнителя. Первичным является уровень прочности
соединения заполнителя с несущими пластинами. Размер ячейки
определяет и уровень напряжений, возникающий в адгезионном
слое между торцами ячеек и несущими пластинами.
Толщина. Сдвиговые характеристики и свойства заполнителя
при сжатии могут быть корректно оценены только с учетом тол-
щины сотовых заполнителей. Параметр эффективности толщины
(см. рис. 21.5) позволяет прогнозировать поведение сандвиче-
вого материала. Необходимо заметить, что корректно можно
определить фактор толщины только с учетом свойств материала
несущих пластин.
Геометрия образцов и методы испытаний. Для проведения
сравнительных испытаний должна быть надежно измерена тол-
щина материала. Предел прочности при сдвиге методом, показан-
ным на рис. 21.9, обычно составляет 25 % предела прочности
при изгибе по методу «короткой балки». Оба метода допустимы.
В табл. 21.4—21.12 представлены данные, которые могут быть
использованы при конструировании.
343
У 21.5. Свойства гексагональной сотовой структуры из алюминиевого сплава 5052 *х
Размер шестигран- ной ячейки-матерн- ал-калибр фольги (в дюймах) р, кг/м" Исходная яче- истая струк- тура, асж, кПа Скрепленные ячейки Предел прочности при смя- тии **, кПа Сдвиг в плоскости пластины
асж, кПа р Ссж» МПа L-направленне ^-направление
*^сд* кПа бсд* МПа тсд, кПа °сд- МПа
тип. мнн. ТНП. мин. тип.
тнп. мин. тнп. тнп. мнн. ТИП.
1/16-5052-0,0007 1,01 5 998р — 6 274р — 1896р — 3516р — 621р 2206р — 276р 1/16-5052-0,001 144 10 204х — 10 342х — 2896х — 5343х — 724х 3585х — 365х 1/8-5052-0,0007 *3 50 1 862 1379 1 999 1482 517 896 1448 1069 310 896 621 152 1/8-5052-0,001 72 3 585 2586 3 758 2792 1034 1793 2344 1965 483 1517 1158 214 1/8-5052-0,0015 98 5 998 4482 6 274 4688 1655 3103 3482 3137 676 2206 1875 283 1/8-5052-0,002 130 9 653 6895 10 135 7584 2413 5171 4999 4619 931 3137 2758 372 1/8-5052-0,003 192 15 168р — 16 ОЗОр — 6205р — 7584р — — 4309р — — 5/32-5052-0,0007 42 1 379 1034 1 482 1103 379 621 1138 827 255 689 483 131 5/32-5052-0,001 61 2 723 1965 2 827 2068 758 1276 1862 1482 385 1207 862 182 5/32-5052-0,0015 85 4 757 3378 4 964 3689 1344 2344 2896 2551 579 1862 1482 248 5/32-5052-0,002 111 7 446 5309 7 791 5516 1965 3964 4068 3723 786 2586 2261 320 5/32-5052-0,0025 ** 135 10 549 7377 11 032 8136 2551 5516 5240 4757 965 3275 2896 386 3/16-5052-0,0007 32 896 621 931 689 234 414 827 552 186 483 317 99 3/16-5052-0,001 *» 50 1 862 1379 1 999 1482 517 896 1448 1069 310 896 621 152 3/16-5052-0,0015 *3 70 3 447 2482 3 620 2654 1000 1724 2275 1931 469 1482 ПОЗ 207 3/16-5052-0,002 *3 91 5 309 3861 5 585 4137 1517 2689 3172 2827 621 2068 1682 265 3/16-5052-0,0025 111 7 446 5309 7 791 5516 1965 3464 4068 3723 786 2586 2261 320 3/16-5052-0,003 130 9 653 6895 10 135 7584 2413 5171 4999 4619 931 3137 2758 372 1 4-5052-0,0007 25 586 414 655 483 138 276 586 414 145 345 221 76 1/4-5052-0,001 37 1 138 827 1 207 896 310 517 965 689 221 586 393 112 1/4-5052-0,0015 54 2 206 1655 2 344 1724 621 1034 1620 1241 345 1034 724 165
Продолжение табл. 21.5
Размер шестигран- ной ячейкн-матерн- ал-калибр фольги (в дюймах) р, кг/м* Исходная яче- истая струк- тура, стсж, кПа Скрепленные ячейки Предел прочности прн смя- тии **, кПа Сдвиг в плоскости пластины
асж, кПа Есж- МПа L-направленне tF-направление
ТСд, кПа °сд- МПа Тсд. кПа °сд- МПа
тнп. мнн. тнп. мив. ТИП.
ТНП. мнн. ТНП. ТНП. мнн. тип.
1/4-5052-0,002 69 3 309 2413 3 482 2551 965 1586 2206 1827 455 1448 1069 205 1/4-5052-0,0025 83 4 63 9 3447 4 757 3516 1310 2310 2827 2482 565 1 827 137 9 244 1/4-5052-0,003 96 5 861 4344 6 067 4551 1620 2965 3413 3068 662 2172 1827 279 1/4-5052-0,004 127 9 377 6688 9 791 7239 2344 4999 4826 4482 896 3034 2689 364 3/8-5052-0,0007 16 207 138 310 138 69 172 310 221 83 207 138 48 3/8-5052-0,001 26 586 414 655 483 138 276 586 414 145 345 221 76 3/8-5052-0,0015 37 1 138 827 1 207 896 310 517 965 689 221 586 393 112 3/8-5052-0,002 48 1 793 1310 1 862 1379 483 827 1379 1000 296 862 586 146 3/8-5052-0,0025 ** 59 2 551 1862 2 689 1965 724 1241 1793 1379 379 1172 723 179 3/8-5052-0,003 67 3 172 2310 3 344 2448 931 1517 2137 1758 448 1379 1034 200 3/8-5052-0,004 86 4 964 3447 5 137 3689 1379 2482 2965 2620 593 1931 1572 254 3/8-5052-0,005 ** 104 6 688 4826 7 033 5171 1827 3482 3758 3447 724 2413 2068 300
*1 Получение ячеистых структур из алюминиевых сплавов 5052 и 5056 прн напряжениях смятия 41 МПа. Испытания про-
водились на образцах толщиной 16 мм: мнн. — минимальные значения; р — предварительная оценочная характеристика;
тнп. — типичное значение; х — расчетные значения.
*2 Предел прочности прн смятии взят либо средний, либо типичный. В зависимости от плотности значения могут меняться.
*3 Данный тнп ячеек наиболее доступен для потребителя.
** Заказы ограничены.
2? 21.6. Свойства гексагональной сотовой структуры из алюминиевых сплавов 5056 и 2024
о> _______________________________________________________________________________________
Размер шестигран- ной ячейкн-матерн- ал-калнбр фольги (в дюймах) р. кг/м’ Исходная ячеи* стая структура Скрепленные ячейки Предел прочности прн смя- тии •*» кПа Сдвиг в плоскости пластины
L-направленне lF-направленне
аож, кПа кпа £сж* МПа
*^сд* °сд- МПа *^сд* кПж °сд- МПа
ТНП, мин. тнп. мни. тнп.
тнп. мин. ТИП. тнп. мня. ТИП.
на основе алюминиевого сплава 5056
Сотовая структура
1/16-5056-0,0007 1/16-5056-0,001 101 144 6 894х' 11 721р — 7 584х 12 410р — 2275х 3447р — 4447х 6756р — 655х 758р 2551х 4136р — 262х 344р
1/8-5056-0,0007 *5 50 2 344 1 723 2 482 1792 668 1172 1723 1378 310 1068 758 137
1/8-5056-0,001 *« 72 4 343 3275 4 619 3447 1275 2206 2930 2413 482 1758 1413 262
1/8-5056-0,0015 98 6 895 5240 7 584 5688 2034 3689 4413 3620 703 2551 2103 262
1/8-5056-0,002 130 10 480 8274 11 721 8963 2999 5585 6205 5102 986 3585 3034 352
5 32-5056-0,0007 42 I 758 1241 1 793 1276 483 827 1379 1048 248 827 552 117
5;32-5056-0,001 61 3275 2482 3 447 2586 965 1620 2310 1875 393 1413 1069 165
5.32-5056-0,0015 85 5 654 4240 5 964 4482 1655 2896 3654 2999 586 2137 1724 228
5/32-5056-0,02 111 8 412 6343 9 239 6895 2413 4482 5240 4206 814 2965 2482 296
3/16-5056-0,0007 32 1 069 758 1 103 827 310 517 965 724 186 586 345 90
3/16-5056-0,001 50 2 344 1724 2 482 1793 669 1172 1758 1379 310 1069 758 138
3/16-5056-0,0015 70 4 137 3172 4 482 3378 1241 2137 2827 2344 469 1689 1365 190
3/16-5056-0,002 1/4-5056-0,0007 91 6 274 4723 6 757 5068 1862 3309 4033 3309 648 2344 1931 248
26 689 517 758 552 207 345 621 538 138 414 262 83
1/4-5056-0,001 *з 37 1 413 1000 1 448 1069 400 689 1172 896 221 724 427 103
1/4-5056-0,0015 54 2 723 2068 2 896 2172 793 1379 1999 1586 345 1207 896 152
Продолжение табл. 21.6
Размер шестигран- ной ячейки-матерн- ал-калибр фольги (в дюймах) Р. . кг/м* Исходная ячеи- стая структура Скрепленные ячейки Предел прочности при смя- тии кПа Сдвиг в плоскости пластины
^-направление lF-направленне
стсж, кПа °сж' кПа ^СЖ’ МПа
тсд, кПа бСД’ МПа Тед. кПа ОСД* МПа
тнп. мин. тнп. мни. тнп.
ТИП. мни. тип. ТИП. мин. тип.
1/4-5056-0,002 69 3 999 3034 4 275 3206 1186 2068 2758 2241 462 1655 1310 186
1/4-5056-0,0025 83 5 447 4137 5 654 4447 1586 2827 3447 2930 579 2068 1689 221
3/8-5056-0,0007 16 241 172 345 241 103 241 414 310 103 241 172 62
3/8-5056-0,0007 26 689 517 758 552 207 345 621 538 138 414 262 83
3/8-5056-0,0015 37 1 413 1069 1 448 1069 400 689 1172 896 221 724 427 103
3/8-5056-0,002 48 2 206 1655 2 344 1793 634 1103 1689 1310 296 1000 689 131
Сотовая структура на основе алюминиевого сплава 2024
1/8-2024-0,0015 80 4 826 3 620 5 378 4 275 1379 2930 3447 2758 565 2172 1724 228
1/8-2024-0,002 107 7 584 5 688 8 446 6 757 2068 4413 5240 4137 814 3241 2586 310
1.8-2024-0.0025 128 10 204 7 584 11 376 9 101 2620 5792 6619 5309 1020 4068 3241 372
1/8-2024-0.003 152 13 583 10 170 15 858 11 893 3309 7722 7929 6550 1172 4482 4033 441
3/16-2024-0.0015 56 2 275 1 724 2 551 1 999 593 1379 1999 1586 379 1241 986 159
1/4-2024-0,0015 45 1 517 1 138 1 724 1 207 276 758 1379 965 290 827 607 131
1. *2. *3 примечания к табл. 21.5.
У 21.7. Свойства некоторых наиболее часто используемых сотовых структур на основе стеклопластиков*
Матеряал-раэмер ячейки-плптяость Исходная ячеистая структура Скрепленные ячейки Сдвиг в плоскости пластины
^-направление ^•направление
осж. нПа осж, кПа ЕСж» МПа
тсд, кПа й|,д, МПа кПа °сд* МПа
ТИП. мни» ТИП. мни. тип.
ТИП. мин. тип. тип. мин. тип.
Шестигранные ячейки
HRP-3'16-4,0 3 447 2 413 4 137 3 309 393 1793 1448 79 965 758 34
HRP-3! 16-5,5 5 516 4 137 6 481 5 171 655 2930 2551 134 1517 1310 59
ЯЯР-3.'16-7,0 7 929 6 205 8 481 6 895 938 3447 —— 193 1999 — 86
HRP-3:16-8,0 9 653 7 584 11 032 8 825 1131 4551 4137 234 2758 2551 103
HRP-3'16-12,0 15 720 II 032 15 858 12 411 !793р 6481р 5619р 379р 3930р 3447р 173р
HRP-1:4-3,5 2 413 1 793 3 447 2 758 . 317 1586 1172 62 827 689 24
HRP-1 4-4,5 4 344 3 ЮЗ 4 826 3 861 483 2068 1724 97 1172 965 41
HRP-1 4-5.0 4 826 3 516 5 654 4 551 579 2344 —— 117 1379 52
HRP-1.4-6,5 7 067 5 861 8 136 6 205 827 3103 — 172 1793 76
HRP-3 8-2,2 1 034 724 1 379 1 000 90 724 517 34 414 310 14
HRP-3. 8-3,2 2 206 I 689 3 034 2 413 262 1379 1103 55 724 586 21
HRP-3 8-4,5 4 206 3 ЮЗ 4 757 3 792 448 2068 1793 97 1172 1034 41
HRP-3 8-6,0 6 205 5 171 6 895 5 171 689 2758 2344 155 1793 1448 69
HRP-3. 8-8,0 7 308 6 343 8 274 !034р 3585 — 2 !4р 2206 — 90р
Продолжение табл. 21.7
Материал-размер ячейки-плотиость Исходная ячеистая структура Скрепленные ячейки Сдвиг в плоскости пластины
L-направлеиие ^-направление
Осж* х^а Псж. кПа £сж, МПа
Тсд. кПа °сд- МП» ТСд, кПа °сд> МПа
тип» мни. ТИП. мнн. тип.
тип. мнн. тип. ТИП. МИИ. ТИП.
Полу цилиндрические ячейки
ДЯР/ОХ-1/4-4,5 ДЯР/ОХ-1/4-5,5 HRP/OX-1/4-7,0 HRP/0X-3i 8-3,2 HRPlOX-З/ 8-5,5 3585 5585 7929 2344 4826 2413 4137 1793 3999 4309p 6550p 848 Ip 2930p 5654p — 296p 448p 579p 221p 4I4p 1448 1862p 2723p 965 1655 — 55 72 97p 31p 69p 1724 2275 3103p 1034p 2068p — 105 124 138p 62p 117p
Гибкий заполнитель
HRP/F35-2,5 1241 1655 172 862p 86p 483p . 48p
HRP/F35-3,5 2206 —— 2758 2068 255 1379 965 103 724 517 69
HRP/F35-4.6 3034 — 4137 — 338 1931 152 965 и 83
HRP/FSO-3,5 2068 — 2930 2068 255 1341 965 138 689 517 69
HRP/F60-4,3 2758 — 4137 3447 338 1827 1379 172 965 689 90
HRPlFSO-3,5 4137p — 6067p 421p 2689p 217p 1413p — HOp
* Данные получены на образцах толщиной 12,7 мм.
р — предварительные данные.
8? 21.8. Свойства некоторых специальных видов сотовых структур на основе стеклопластиков
а. Сотовая структура из стеклопластика с полиамидным, связующим
Материал, размер шестигранных ячеек, плотность Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Скрепленные ячейки L-направление ^-направление
стсж, кПа £сж» МПа Сед, кПа осд. МПа тсд. кПа ОСд, МПа
тнп. | мнн. тнп. тнп. | мнн. тнп. ТНП. | мнн. тнп.
HRH 327-3 16-4,0 3033 344 1930 199 896 68
HRH 327-3 16-4,5 3585 2757 399 2206 1516 227 1034 758 75
HRH 327-3 16-5,0 4136 468 2551 255 1241 86
HRH 327-3 16-6,0 5377 4309 599 3171 2378 310 1585 1172 103
HRН 327-3 16-8,0 8963 6894 868 4481 3447 427 2826 2275 151
HRH 327-3 8-4,0 3033 2240 344 1930 1344 199 1034 689 82
HRH 327-3. 8-7,0 6894р —. 730р 3792р 365р 2137р —. 127р
HFT-1/8-3,0 2068р 2413р 151р 1275р — — — — —
б. Сотовая структура из стеклопластика с фенольным связующим
Материал, размер шестигранных ячеек, плотность Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Исходная ячеистая структура Скрепленные ячейки L-направлеине ^-направление
асж* к^а асж. кПа Есж. МПа Тед, кПа Ссд, МПа тСд, кПа Gca, МПа
тип. ТИП. ТНП. ТНП. тнп. тнп. тнп.
ЯГТ-1/8-3,0 2068р 2 413р I51p 1275р 117р 655р 48р HFT-\!M,0 2688р 3 964р ЗЮр 2068р 220р 1034р 82р ЯГТ-Ь'8-5,5 3619р 6 618р 461р 2930р 289р 1551р П7р HF Т-1.8-8,0 9997р 11 203р 689р 3964р 331р 2344р 172р ЯГТ-3/16-1,8 517р 827р 97р 724р 89р 344р 27р HFT-3 16-2,0 689p I 172р Н7р 792р ЮЗр 413р 34р ЯТТ-З 16-3,0 1896р 2 585р 220р 1378р 165р 689р 62р ЯТТ-З. 16-4,0 2999р 3 792р ЗЮр 1896р 206р 965р 82р HFTIOX-Z. 16-6,0 6894р 7 584р 461р 1999р 89р 2309р 206р * Испытания проводились для образцов толщиной 12,70 мм. Для исходной ячеистой структуры испытания на сжатие по иормалн не проводились. Сокращения: мнн. — минимальные значения; р — предварительные данные; тип. — типичные значения.
21.9. Свойства сотовых структур на основе стеклопластиков HRH-327 с полиимидным связующим
Материал, размер шестигранных ячеек, плотность Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Скрепленные ячейки £-направленне ТГ-иаправлеине
°сж- КПа £сж, МПа тед, кПа Оед, МПа кПа Оед, МПа
тнп. МНВ. тнп. ТНП. мнн. ТНП. тнп. МНН. ТНП.
HRH 327-3/16-4,0 3033 — 344,0 1929 — 200 895 — ? 68,9
HRH 327-3/16-4,5 3584 2757 399,8 2205 1515 227 1034 758 75,8
HRH 327-3/16-5,0 4136 — 468,7 2549 — 254 1240 — 86,1
HRH 327-3/16-6,0 5376 4308 599,7 3169 2377 310 1585 1171 103,4
HRH 327-3/16-8,0 8961 6893 868,5 4478 3445 427 2825 2274 151,6
HRH 327-3/8-4,0 3032 2240 344,6 1929 1343 200 1034 669 82,7
HRH 327-3/8-5,5 4687 3722 537,6 2893 2067 282 1447 1102 93,0
HRH 327-3/8-7,0 6893р — 730,Зр 3789р — 365р 2136р — 127,4р
* Испытания проводились на образцах толщиной 12,7 мм.
Сокращения: мнн. — минимальные значения; р — предварительные данные; тип. — типичные значения.
ст 21,10. Свойства сотовых структур на основе стеклопластика -VP с полиэфирным связующим *
Материал, размер .шестигранных ячеек, плотность Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Исходная ячеистая структура Скрепленные ячейки L-иаправленне VT-направленне
асж' кПа стсж. кПа £сж> МПа Тсд. кПа ОСд, МПа ТСД- кПа МПа
тнп. МИН. тнп. мин. тнп. ТНП. мня. тип. тнп. мин. тип.
Шестигранные ячейки
NP 3/16-4,5 3 583 2515 4 616 3238 551 1929 1343 93,0 896 620 35,8
NP 3 16-6,0 6 063 4237 7 234 5064 799 2273 1584 103,3 1068 758 39,9
NP 3'16-9,0 11 713 8268 12 402 8681 1240 3169 2204 137,0 1585 1102 51,6
NP 1.4-4,0 2 893 2038 3 858 2687 468 1791 1240 89,5 827 586 34,4
ХР 1/4-6,0 6 063 4237 7 234 5071 799 2274 1585 103,4 1068 758 39,9
ХР 1/4-8,0 9 646 6752 10 610 7441 1102 2825 1998 124,0 1412 999 48,2
ХР 3'8-2,5 1 378 964 1 929 1344 234 1171 826,8 68,9 689 482 27,5
NP 3.8-4,5 3 582 2515 4 616 3238 551 1929 1343 93,0 895 620 35,8
Полуцилиндрические ячейки
XPiOX 1/4-4,0 2441 —. —. 1102 34,5 1309 82,6
NPlOX 1/4-6,0 4823 —- 1894 51,7 2583 134,4
NPlOX 3/8-4,5 2894 — — — — 1309,1 — 37,9 1963 — 103,4
* Данные получены на образцах толщиной 12,7 мм.
Сокращении: мии. — минимальные зиачеиня; тип. — типичные значения.
12 П/р Дж. Любив*
21.11. Свойства сотовых структур на основе стеклопластиков HFT с фенольным связующим (раскрой стеклоткани по косой)*
Материал, размер шестигранных ячеек, плотность Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Исходная ячеистая структура Скрепленные ячейки /.-направление IF-направленне
осж, кПа °сж- кПа I £сяе МПа хсд» к^а | бсп. МПа тсд, кПа | МПа
HFT-1/8-3,0 1 722 2 480 144 1275 по 66 44
HFT-1/8- 4,0 3 169 3 651 310 2136 172 1033 65
HFT-1/8- 5,5 5 856 6 545 447 3169 234 1654 93
HFT-1/8-8,0 11 024 12 057 654 4134 296 2343 137
Н FT-3I16-2,0 620 964 117 813 103 379 30
HFT-3116-3,0 1 722 2 205 220 1171 137 620 45
HFT-3/16-4.0 3 169 3 652 310 2135 172 1033 65
HFT/0X-3116-6,0 6 890 7 579 461 1998 89 2308 207 1
* Типичные предварительные данные получены на образцах толщиной 12,7 мм.
21.12. Свойства сотовых структур на основе арамидной бумаги «Номекс» *
Материал, размер шести- гранных ячеек, плотность (калибр) Сжатие Сдвиг в плоскости пластины
Исходная яче- истая структура Скрепленные ячейки /.-направление ТГ-направление
стсж, кПа стсж. к^а £сж, МПа тсд. кПа бСд, МПа тсд. кПа бСд, МПа
тип. | мии. тнп. | мин. тип. ТНП. | мин. тнп. тнп. | мни. тип.
Шестигранные ячейки
HRH 10-1/8-1,8(1,5) 758 482 896 586 —. 620 448 25 344 248 13
HRH 19-1/18-3,0 (2) 2 068 1241 2 275 1 861 137 1241 1116 48 655 586 24
HRH 10-1/8-4,0 (2) 34 473 2275 3 861 3 240 193 1689 1551 63 965 758 32
HRH 10-1/8-5,0 (3) 6 205 4136 6 377 4 550 — 2240 1620 — 1206 827 —-
HRH 10-1/8-6,0 (3) 7 411 5515 7 756 5 688 413 2551 1792 89 1379 930 41
HRH 10-1/8-8,0 (3) 10 859 7584 И 721 8 618 537 3378 2447 ПО 1723 1310 53
HRH 10-1/8-9,0 (3) 11 721 9652 12410 11 031 620 3585 2551 117 1861 1654 62
HRH 10-5/32-5,0 (4) 5 515р — 6 205р — — 2482р — 72 1241р — 34
HRH 10-5/32-9,0 (4) 12 238р — 12 134р — — 3619р — 124 1965р — 65
, Продолжение табл. 21.12 1 Сдвиг в плоскости пластины 4) К К ф ч и KI Ci. с сз Я ь | тсд. кПа Ссд, МПа С X X X S Е X HRH 10-3/16-2,0 (2) 1 034 620 1 172 723 75 758 496 28 379 275 15 HRH 10-3/16-3,0 (2) 2 068 1241 2 275 1 861 37 034 896 34 655 461 24 HRH 10-3/16-4,0 (2) 3 447 2206 3 861 3 240 193 689 482 53 965 758 32 HRH 10-3/16-4,5(5) 2 930 2206 3 275 2 757 — 1999 1551 65 999 758 27 HRH 10-3/16-6,0(5) 4 481 3998 4 826 4 481 - 2688 2275 99 1275 1034 41 IS:Ko § .№ is? 1?га 7Й Й ™ ™ » ’ ЯЙЯ 10-1/4-3 J (5) 1 896 1241 1 96S 1654 — 1172 930 43 586 413 20 2№ 2 379 7. 15? 1?0 20’1 «1 Ю 10-3/8-2:0 (2) 1 034 551 1 172 723 75 758 496 28 373 243 15 HRH 10-3/8-3,0(5) 1 985р —. 2 068р — Н7р 1172р — 38р 655р 20р Полуцилиндрические ячейки HRH 10/ОХ-3/16-1,8 (2) 758 482 826 — — 413 310 13 413 241 20 HRH Ю/ОХ-3/16-3,0 (2) 2516 1723 2757- 1861 1 792 655 20 861 655 41 HRH Ю/О%-1/4-3,0 (2) 2413 1447 2654 1723 117 758 620 20 792 620 41 Гибкий заполнитель HRH 10/^35-2,5 (3) 1034 723 1172 820 82р 482 337 27р 275 193 13р HRH 10/F35-3,5 (5) 2068р - 2413р - 16р 034р - 39р 551р - 19р Э ВОЗ 24$ .796 ® 6№ | 336 $ 3S - за 9 1$ Ж” 2063 $ » 1103 f HRH 10/750-5,5(5) 4481р — 482бр — 289р 2688 — 60р 1620 31р ♦ Испытания проводились на образцах толщиной 12,7 мм; «Номекс» — торговая марка фирмы «Дюпон».
^-направление тсд. кПа | Ссд. МПа | ТИП. ] МИН. 1 тип. |
I Сжатие I I Скрепленные ячейки Я с й о CJ л С к 5- (э1 с X X X S с X
Исходная яче- 1 истая структура л с * * о О тип. | мин.
Материал, размер шести- гранных ячеек, плотность (калибр)
Сокращения: мин. — минимальные значения; р — предварительные результаты; тип. — типичные значения
354
21.3.2.2. Сотовые структуры на основе бумаг
Бумажные сотовые структуры — это, наверное, самый древний
вид сотовых заполнителей. Им насчитывается около 2000 лет.
Ранние формы таких структур не предназначались для заполнения
сандвичевых конструкций: они служили только как украшение
в элементах интерьера. В декоративном оформлении современных
магазинов, особенно сезонных торговых центров, также можно
встретить ячеистые структуры из бумаги. Сотовые структуры из
этих материалов, использующиеся сегодня для заполнения санд-
вичевых конструкций, состоят из прочной крафт-бумаги и 11 ...
35 % фенольной смолы для повышения механических свойств,
уменьшения влагопоглощения и защиты от гниения (грибков).
Существует широкий спектр структур с размерами ячеек 10, 13
и 19 мм и более размерами. Самая высокая прочность достигается
в сандвичевых композитах с минимальным размером ячейки 10 мм
среди описанных в стандарте МIL-H-2104Q. Наибольшее при-
менение эти материалы находят не в самолетостроении, а там,
где уменьшение стоимости материалов весьма существенно. Такие
композиты находят все большее применение в оборудовании для
индустрии отдыха, для дверей, стен и перегородок, для кухонных
шкафов, для строительства веранд, для панелей сдвижных стен
и для откатывающихся перегородок в коммерческих зданиях.
Механические свойства некоторых видов бумажных сотовых кон-
струкций приведены в табл. 21.4.
21.3.2.3. Сотовые заполнители на основе алюминия
Это семейство материалов начало широко распространяться
в 50-х годах. Алюминиевые сотовые структуры включают на
сегодня четыре вида сплавов, пять видов ячеек и большое число
толщин (калибров) фольги. Для производства сотовых конструк-
ций применяются следующие виды алюминиевых сплавов:
3003-Н19 — имеет самую низкую прочность среди всех осталь-
ных; в самолетостроении обычно не применяется;
5052-Н39 — наиболее широко используемый в самолетострое-
нии сплав с коррозионно-стойкой поверхностной обработкой,
его механические свойства приведены в табл. 21.5;
5056-Н39 — самый прочный сплав из серийно применяемых
в самолетостроении, имеющий поверхностную коррозионно-стой-
кую обработку, его механические свойства приведены в табл. 21.6;
2024-ТЗ или Т81 — наиболее термостойкий сплав, чуть более
прочный, чем 5056-Н39\ возможно использование антикоррозион-
ных поверхностных обработок; механические свойства приведены
в табл. 21.6.
Большинство алюминиевых сплавов используется для полу-
чения сотовых заполнителей методом рифления, рифления с уси-
ливающими элементами; для получения сотового заполнителя
12* 355
с предельно вытянутой ячеистой структурой и со специальными
формами ячейки. Часть материалов на основе алюминия исполь-
зуется при раскрое деталей слоистых геометрических форм — ци-
линдров переменного радиуса, сфер и т. д. Некоторые виды алю-
миниевой фольги используются для заполнителей в виде намотан-
ной рифленой спирали. Последние в виде цилиндров или труб
используются для поглощения тепла.
Алюминий для сотовых структур до сих пор является самым
распространенным среди материалов для заполнителей. Зачастую
стоимость производства сотовых структур из алюминия ниже,
чем при использовании других материалов. Эффективная плот-
ность сотового заполнителя, полученного растяжением пакета,
лежит в пределах 32 ... 192 кг/м3, а заполнителей, полученных
рифлением, — 128 ... 880 кг/м3. При более низких плотностях
для заполнителей, полученных рифлением, снижается сдвиговая
прочность.
21.3.2.4. Стеклопластиковые сотовые структуры
Этот вид материалов широко используется, когда необходимо
создать материалы со специальными электрофизическими свой-
ствами (для антенн радиолокаторов) или когда к изделию предъ-
являются требования теплостойкости и низкой теплопроводности.
Они прекрасно служат как матрицы для неструктурированных
абляционных материалов, таких как мягкие силиконовые связую-
щие или жесткие вспененные эпоксидные материалы. Такие струк-
туры были эффективно использованы в космических кораблях
«Джемини» и «Аполло». В США производятся стекловолоконные
заполнители на основе полиэфирного найлон-фенольного связую-
щего, высокотемпературного фенольного и полиимидного свя-
зующего. Производятся в основном сотовые структуры с размером
ячеек 5, 6, 3 и 10 мм; при использовании тонких тканей можно
получить структуру с размером ячейки 3 мм. Эффективная плот-
ность этого вида заполнителя лежит в пределах 32 ... 192 кг/м3.
Механические свойства большинства коммерческих стекловоло-
конных заполнителей приведены в табл. 21.6—21.11.
21.3.2.5. Сотовые структуры на основе арамидной бумаги
Этот вид заполнителя является наиболее прочным и устойчи-
вым к повреждениям. Производятся готовые конструкции в основ-
ном из синтетической каландрированной бумаги «Номекс» про-
изводства фирмы «Дюпон». Изготавливается готовый заполнитель
по технологии растяжения пакета (так же, как алюминиевые или
стеклопластиковые) с использованием фенольного или другого
подходящего связующего. Механические свойства арамидных
бумаг в структуре заполнителя, конечно, ниже, чем у алюминия
(особенно модуль упругости), однако они обладают уникальной
356
способностью сохранять эксплуатационные качества при пере-
грузках и локальных областях без необратимых повреждений.
Такие свойства привели к широкому использованию материалов
на основе бумаг для облегченных конструкций интерьеров самоле-
тов: панелей облицовки или полов. Преимущества, которые дает
этот материал, делают его конкурентоспособным, несмотря на
высокую стоимость. Сама арамидная бумага относительно не-
горюча и при испытаниях на горючесть панелей выделяет мало
дыма и газов. После алюминиевых сотовых конструкций сандви-
чевые композиты на основе арамидных бумаг занимают в самоле-
тостроении второе место. Ограничением более широкого примене-
ния таких материалов в самолетостроении является высокая
цена, но их использование в небольших судах, лыжах, облицов-
ках скоростных спортивных снарядов и пр. непрерывно воз-
растает.
Обычно сотовые структуры на основе арамидных бумаг вы-
пускаются с размерами ячейки 3; 5; 5,6 и 10 мм при эффективной
плотности 24 ... 144 кг/м8. Заполнители с плотностью выше 64 кг/м3
почти полностью используются для панелей полов самолетов.
Механические свойства ряда сотовых структур на основе бумаг
«Номекс» представлены в табл. 21.12.
21.4. Адгезионные материалы
Адгезивы представляют класс веществ, с помощью которых
связываются материалы жестких непрерывных несущих пластин
с материалами сотового заполнителя. Знание класса таких свя-
зующих, которые не всегда являются модификацией эпоксидных
смол, необходимо как проектировщикам конструкций, так и про-
изводственникам, чтобы избежать возникающих при соединении
слоев материалов Сандвичевой конструкции проблем. Ряд факто-
ров, на которые необходимо обратить особое внимание, будет
обсужден ниже.
21.4.1. Продукты реакции отверждения
В процессе отверждения некоторых типов адгезионных мате-
риалов образуются газообразные побочные продукты, присут-
ствие которых в материале может вызывать ряд проблем:
при приложении внешнего давления образуются несоединен-
ные или ослабленные области за счет пузырей («блистеров»);
заполнитель отслаивается за счет выделившегося газа, если
внешнее давление мало;
сотовый заполнитель может смещаться иногда на десятки мил-
лиметров за счет газов, выделившихся при отверждении;
последующая коррозия как заполнителя, так и несущих (об-
лицовочных) пластин в результате химического взаимодействия
с газообразными продуктами реакции отверждения или их кон-
денсатами.
357
21.4.2. Давление при соединении
Применение таких адгезивов, как фенольные, требует при-
ложения избыточного давления, что позволяет уменьшить или
исключить опасность возникновения пористости. Для таких
твердых заполнителей, как бальсовое дерево, могут быть исполь-
зованы пресс-формы, но они неприменимы для открытых готовых
заполнителей или для крупноячеистых пен. Большинство мате-
риалов заполнителя не выдерживают нагрузок при давлениях
больших, чем несколько атмосфер, что не позволяет использо-
вать связующие, требующие большего давления.
21.4.3. Нанесение связующего
Для хорошего соединения заполнителя с ячейками открытого
типа (такими, как сотовые заполнители) должна существовать еди-
ная комбинация процесса смачивания поверхности и контроли-
руемой вязкости на ранних стадиях отверждения. Контроль вяз-
кости необходим, чтобы избежать стекания связующего по стен-
кам ячеек заполнителя и уменьшения прочности связи заполни-
теля с несущими пластинами. Кроме того, может образоваться
избыток связующего на нижней несущей пластине.
21.4.4. Адаптируемость
Требования к адгезионным материалам определяются требо-
ваниями к соединению несущих пластин между собой или несу-
щей пластины с другим материалом. В случае заделки Сандвиче-
вой конструкции по контуру необходимо хорошее заполнение
образовавшихся пустот. Контроль деталей, соединенных по кон-
туру, существенно более сложен, нежели для плоских панелей.
21.4.5. Контроль линии соединения
Такой контроль необходим, потому что зачастую соединяются
детали, которые имеют различную совместимость со связующим.
Связующее должно иметь способность неполностью выдавли-
ваться из области соединения, на которую пришлось избыточное
давление в процессе отверждения. Для надежного нанесения и
проверки адгезива используют метод предварительного соедине-
ния заполнителя с тканью или тонкой бумагой, на которую нане-
сена толстая пленка адгезива. Это «тюлевое покрытие» позволяет
предохранить плотно соединенные части композита от выжимания
адгезива, что могло бы привести к снижению прочности соедине-
ния в отдельных местах сандвичевых структур.
21.4.6. Прочность (жесткость) склейки
Термин «жесткость» имеет несколько смыслов, когда он приме-
няется к адгезивам. Обычно под этим термином понимается сопро-
тивление адгезионного слоя разрушению при определении удар-
358
ной вязкости. В случае сандвичевых
конструкций этот термин определяет
тот уровень нагрузок (статических
или динамических), которые нужно
приложить для разделения облицовоч-
ных (несущих) пластин и заполнителя.
Как было показано экспериментально,
большая жесткость клеевого слоя обыч-
но совпадает с большей прочностью
композита и с его большим сроком экс-
плуатации.
Существует описание большого ко-
личества методов испытаний для опре-
деления параметра жесткости, но наи-
более распространенным является метод
«раздира» на барабанном зажиме
(рис. 21.10). Зажим представляет со-
бой цилиндры разного диаметра, один
из которых прикреплен ременными
тягами к подвижной траверсе уни-
версальной разрывной машины, другой
является барабанным зажимом для
несущей пластины. Такое устройство
позволяет легко переходить при испы-
таниях от одного вида образцов к
другому.
Проведение испытаний по этому
методу имеет двойной смысл, так как
может определяться не только проч-
ность склейки, но и качество других
сов. Величина жесткости (прочности) склейки может быть весьма
значительной в зависимости от следующих факторов:
жесткости самого адгезива;
количества используемого адгезива;
плотности заполнителя;
направления отрыва (вдоль или поперек направления несущей
пластины);
однородности подготовки поверхности;
разрушения поверхности, на которую нанесен адгезив.
При таком числе переменных факторов материалы с одним и
тем же адгезивом могут иметь разные прочности склейки. Если
используется этот метод, то он должен обязательно сравниваться
с результатами всех других испытаний.
Испытания на отрыв используются для контроля качества
склейки при производстве сандвичевых структур. При фиксиро-
ванном нанесении связующего и определенном виде заполнителя
данные испытаний на отрыв дают информацию об оборудовании
и процессе отверждения, а также о качестве подготовки поверх-
359
Рис. 21.10. Зажим барабан-
ного типа для определения
свойств адгезивов в сандви-
чевых конструкциях испыта-
нием на отрыв пластин
технологических процес-
ности к операции соединения (склейки). Этот же метод исполь-
зуется и при изучении влияния внешних условий на сандвичевую
структуру. В этом случае композит между производством и испы-
танием подвергается действию повышенной температуры и влаж-
ности. Метод, однако, предназначен для не очень широкого класса
материалов несущих пластин. Слишком тонкие или слишком
жесткие покрытия этим испытаниям не поддаются.
Как можно видеть из вышеизложенного, имеется большое число
различий между свойствами адгезивов в сандвичевых структурах
на основе обычных связующих. Однако существует целый ряд
материалов, удовлетворяющих требованиям как к адгезивам для
сандвичевых структур, так и просто к связующим. Такие типы
адгезивов будут рассмотрены ниже.
2L4.7. Фенольные связующие, модифицированные винильными
соединениями, каучуками или эпоксидными смолами
Все перечисленные в заглавии параграфа виды связующих
в процессе отверждения выделяют воду. Они используются в тех
случаях, когда необходима высокая прочность, хорошие усталост-
ные характеристики и сохранение механических свойств при по-
вышенных температурах. Так как выделение газообразных про-
дуктов процесса отверждения требует вентиляции, что приводит
к необходимости перфорации материала заполнителя, то объем
использования связующих этого типа в последние годы снижается.
Одновременно возрастает число связующих, не выделяющих газо-
образные продукты в процессе отверждения.
21.4.8. Эпоксидные смолы, модифицированные найлоном или
другими полиамидами
Адгезивы этого типа были первыми, обладающими высокими
механическими свойствами при повышенной температуре и высо-
кой прочностью склейки наряду с хорошо контролируемой теку-
честью. К недостаткам следует отнести высокую чувствительность
композитов к влажности. Существует также возможность двух-
сторонней обработки, когда наружная сторона несущей плоскости
обрабатывается винилфенольным связующим, а на внутреннюю,
соединяющуюся с заполнителем сторону наносят модифицирован-
ное эпоксидное связующее, имеющее очень высокие показатели
прочности на отрыв. ,
21.4.9. Эпоксидные смолы, модифицированные нитрилами
Введение в макромолекулу связующего полярных групп дает
возможность создать материал, обладающий такой же хорошей
текучестью и прочностью на отрыв, как и эпоксидные связующие,
модифицированные полиамидами, и одновременно обладающий
360
долговечностью и погодостойкостью такой же, как винилфеноль-
ные связующие. Температура эксплуатации этих связующих в го-
товых конструкциях обычно составляет 140 °C. Некоторые из
материалов, полученных на основе адгезивов, выдерживают сдви-
говые напряжения до 34,5 МПа. Отверждение данного класса
адгезивов может проводиться в очень широком диапазоне темпе-
ратур и давлений.
21.4.10. Полиуретаны
Полиуретаны являются основными адгезивами в очень боль-
шом числе промышленно выпускаемых сандвичевых структур.
Используются как влагоотверждающиеся, так и двухкомпонент-
ные системы.
21.4.11. Другие полиимиды, термопласты и специфические
адгезивы
Эти материалы не представляют распространенной группы ве-
ществ и используются для композиций, применяемых при темпе-
ратурах, превышающих 371 °C. Кроме классификации по хими-
ческой структуре, эти связующие могут быть сгруппированы по
методике их нанесения. Основные данные по таким связующим
приведены ниже.
Легкие жидкости, тяжелые жидкости, пасты, замазки или
синтактические пенопласты. Только немногие из них исполь-
зуются для соединения несущих пластин с заполнителем. Наиболее
широкое применение они получили в сандвичевых конструкциях:
для соединения участков заполнителя между собой; увеличения
прочности законцовок, поврежденных участков поверхности; пере-
распределения сдвиговых нагрузок в фиттингах, вставках, ребрах
жесткости и т. д. Для этих целей используются эпоксидные свя-
зующие, их модификации или эпоксйполиимиды. Температура
отверждения варьируется от 4,4 °C до 218 °C для двукомпонентных
систем, применяемых для материалов, обладающих высокой экс-
плуатационной температурой.
Пленки, нанесенные на стекловолокнистые, хлопковые, найло-
новые, полиэфирные покрытия или на нетканые материалы из
синтетических волокон. Такие структуры несут на себе или сухое,
или частично «липкое» связующее. При контакте со склеиваемым
материалом часть связующего остается на нем.
Неармированные пленки, содержащие только связующее.
Обычно это очень тонкие пленки, содержащие только связующее
(не содержащие носителя). Так как масса носителя всегда ощу-
тима, используются такие пленки только для особо легких санд-
вичевых структур. Эти материалы тяжелы в переработке, а кон-
троль качества соединения слоев затруднен.
361
21.13. Наиболее распространенные адгезионные материалы
Тип адгезива Торговая марка Фирма-поставщик
Нитр илфено лоальде- гндные смолы FM 238 AF 30, AF 31, AF 32 «Метлбонд 402» «Пластилок 655, 638, 620, 650» «Эмерикен циаиамайд» ЗМ «Нармко» «Гудрич»
Винилфенолоальде- гидная смола FM 47 «Эмерикеи цнанамайд»
Эпоксифенольиая смола (Тотв = 177 °C) НТ 424 Та же
Модификации эпок- сидных смол (жидкие н пастообразные) М-6803, М-6860 £471, /?380 ЕА 9320, ЕА 9309, ЕА 934 МА 1015, МА 2021 «Крест 471, 3135» ЕС 2216 А1396В, А1444В, А1446В «Нармко» «Циба-Гейги» «Гизол» «Макканн адгезива» «Крест продакте» ЗМ «Гудрич»
Модификации эпок- сидных смол (Тотв < 121 °C) «Крест 3181» ЕА 9601, ЕА 96023, ЕА 9628 МА 229, МА 429, МА 456 FM 24, FM 53, FM 73, FM 123, FM 137 «Метлбонд 117, ЛТ1113, Л41133, Ml 137, М1204» «Пластилок 717В» и «Релиабоцд» Я382, Я393, К7114 AF 126, AF 126-2 HP 347 «Крест продакте» «Хизол» «Маккани адгезивз» «Эмерикен циаиамайд»
«Нармко» «Гудрич» «Циба-Гейгн» ЗМ «Гексцел»
Модификации эпок- сидных смол (ТОтв = - 176,6 °C) «Метлбонд 328, 329, 329-7, 1515» AF 130, AF 143, AF 147 FM 61, FM 96, FM 150-2, FM 300, FM 400 (Пластилок 729-3» «Релиабонд 397» МА 529 ЕА 9649 «Нармко» ЗМ «Эмерикеи цнанамайд» «Гудрич» «Циба-Г ейги» «Макканн адгезнвз» «Хизол»
Эпоксндполнамидное связующее Л1177В, Л1273В ЕА 951 FM 1000 «Гудрич» «Хизол» «Эмерикен циаиамайд»
Полиимнды FM 34В—18 HP 955, HP 956 «Эмерикеи циаиамайд» «Г ексцел»
Модифицированные «Крест 7410, 7450, 7395» уретаиы «Метлбонд 6872, 6875, 6876» ЕС 3549 «Пластилок 550» «Крест продакте» «Нармко» ЗМ «Г удрич»
362
Продолжение табл. 21.13
Тип адгезива Торговая марка Фирма-поставщик
Адгезивы для соедине-
ния заполнителя
«Крест 3181, 3158»
«Метлбонд 6602, 6607, 6601,6603»
FM 37, FM 39, FM 40, FM 41,
FM 47 типа О, FM 404
«Релиабонд 307В, 370С»
МА 550, МА 2150
ЕА 9815, «Термоформ 3050,3056»
AF 3002, AF 3015
HP 905, HP 906
«Пластилок 654 , 658»
«Крест продакте»
«Нармко»
«Эмерикен циаиамайд»
«Циба-Гейги»
«Макканн адгезнвз»
«Хизол»
ЗМ
«Г ексцел»
«Гудрич»
* Рекомендуется использование грунтов и обработок, снижающих корро-
зионные свойства металлических поверхностей, что упрощает условия хранения
и исключает необходимость предварительной очистки перед соединением санд-
вичевых конструкций. Так, обработка ингибитором BR 127 фирмы «Эмерикен
цнанамайд» подходит для большинства адгезионных систем.
Сетчатые пленки. Такие пленки получают для использования
в особо легких конструкциях. Склеивание слоев достигается рас-
плавом, предварительно нанесенным на заполнитель, на ребра
ячейки так, что он не занимает всей поверхности несущей пла-
стины. Избыток связующего оказывается внутри заполнителя.
Адгезивы, наносимые на ребра ячеек. Материалы, наносимые
на ребра ячеек при производстве сотовой структуры. Технология
сходна с технологией получения сетчатых пленок.
Несущие слои (пластины), обладающие адгезионными свой-
ствами. Такими материалами могут служить препреги на основе
различных волоконных структур, в том числе стекловолокон,
углеродных волокон, кварцевых или алюминированных стекло-
тканей. Связующее, нанесенное на волокно при отверждении,
одновременно формирует несущий слой, обеспечивая соединение
его с заполнителем.
Большинство адгезионных материалов, используемых в до-
статочно больших количествах, представлено в табл. 21.13.
21.5. Конструирование сандвичевых структур
Объективной предпосылкой к разработке сандвичевых кон-
струкций является необходимость снизить массу конструкции
или увеличить ее жесткость, уменьшив при этом расход материала
Рис. 21.11. Два вида закон-
Цовок сандвичевых панелей:
а — лучшее технологичное со-
единение; б — более сложное со-
единение, требующее прорезки
двух пазов в заполнителе, их
очистки и последующей адге-
зионной обработки
363
/
Рис. 21.12. Образец с уплотнением заполнителя на торцах пластины:
/ уплотнение заполнителя
на несущие поверхности. Другими объективными предпосылками
могут являться: необходимость уменьшения трудоемкости пере-
работки и стоимости материала, повышения аэродинамических
свойств поверхности, уменьшения шума или увеличения акусти-
ческой прочности материала. Требований к Сандвичевым струк-
турам, предъявляемых при конструировании, относительно не-
много: они должны нести заданные нагрузки, иметь возможность
соединения с малыми или большими несущими нагрузку элемен-
тами конструкции, выдерживать заданные давления, иметь опре-
деленные массу и стоимость. Ниже приведены некоторые реко-
мендации.
Особенность технологических операций получения материала.
Стоимость сандвичевых структур в основном определяется на ста-
дии проектирования. Обычно она существенно отличается по
стоимости от альтернативных конструкторских решений. На
рис. 21.11 представлены два вида законцовок деталей, используе-
г
ч
5
Рис. 21.13. Виды законцовок:
1 — усилительная накладка; 2 — высокопрочная закладная деталь; 3 — металлический
швеллер; 4 — металлическая Z-образная вставка; 5 — слоистый пластик; 6 — уплотне-
ние заполнителя; 7 — заполненные ячейки торцов; 8— заделка облицовочных пластин;
9 — смятие и заполнение связующим ячеек заполнителя; 10 — профилированное кольцо;
11 — облицовки клиновидного сечения
364
Рис. 21.14. Некоторые виды конструкций угловых
соединений:
а — прочное соединение с использованием стандартного
уголка и сквозных заклепок, обеспечивающих необходи-
мую жесткость связи; б — очень прочное соединение с по-
мощью специальных прессованных профилей (трудность
применения заключается в сложности создания однород-
ной адгезии и прижима); в — соединение низкой проч-
ности и низкой стоимости (внешняя часть угла получена
изгибом облицовочной пластины. Для обеспечения жест-
кости сердцевина заполняется эпоксидным связующим
или жесткими пенопластиками); г — прочное болтовое
соединение с помощью специальных прессованных про-
филей (может быть заложен уплотнитель); д — очень проч-
ное соединение с использованием специальных усиливаю-
щих элементов (может включать внешние уплотнитель-
ные прокладки)
мых для одной и той же цели и имеющих
одинаковую массу. Правая законцовка
трудна в производстве, так как требует
прорезания двух пазов в заполнителе и
сложных операций по заправке и сое-
динению законцовки и основной струк-
туры. Альтернативная технология суще-
ственно более дешевая — увеличение
плотности заполнителя на границах мате-
риала (рис. 21.12). Виды различных за-
концовок и угловых соединений представ-
лены на рис. 21.13— 21.15.
Использование различных заполните-
д)
лей. В простых панелях могут использоваться заполнители
с разной плотностью, которые предназначены для перераспре-
Рис. 21.15. Дополнительные виды соединений и заделок углов:
/ — сотовый заполнитель; 2 — облицовочная пластина; 3 — приваренный
профиль; 4 — заливка компаундом; 5 •— фиксирующий элемент
прессованный
365
Рис. 21.16. Типичное соединение заполнителей с помощью пенообразующих
адгезивов (этот метод наиболее совершенен. В процессе отверждения заполнители
должны быть зафиксированы)
деления загрузок и соединяются между собой так, как
показано на рис. 21.16. Во многих случаях уменьшение
массы, достигаемое за счет участков с заполнителем низ-
кой плотности, сводится на нет в результате ее увеличения
при нанесении клеев. Типы соединений сотовых заполнителей В
и С (рис. 21.17) могут быть использованы в абляционных струк-
а) 5)
Рис. 21.17.
Типы соединений сотовых заполнителей (соединение А может быть
получено путем «вмятия» одного участка стеклопластиковой сотовой структуры
в другой. Этот же метод может быть применен к некоторым алюминиевым сото-
вым конструкциям, однако для большинства других он неприменим. Соедине-
ния В и С сохраняют форму и высоту ячеек, однако повышают трудоемкость
и стоимость процесса получения композита):
а — поперек ленты (направление W}', 6 — вдоль ленты (направленна L)
366
Рис. 21J.18. Законцовка сандвичевых панелей с добавлением внешней (слева
и внутренней (справа) усиливающих накладок
турах для расширения нагревающейся поверхности, но стано-
вятся очень дорогими, если приходится делать соединения в не-
сколько десятков сантиметров.
Методы жесткого закрепления различных деталей. Соединения,
включающие различные сандвичевые конструкции, могут осуще-
ствляться при помощи сварки, опрессовки или клепки. Могут
использоваться соединения, включающие все три вида крепления.
Адгезивы, используемые для вторичных соединений, должны
выдерживать температуры от 16 до 177 °C без общего ухудшения
свойств соединенных деталей.
Использование болтовых и клепаных соединений для нагру-
женных структур. Когда плоскости не могут быть дублированы
или необходимо соединение больших площадей, которые будут
сильно нагружены, прибегают к болтовым или клепаным соедине-
ниям сандвичевых структур. При их использовании снижается
усталостная прочность материала и возрастает масса конструк-
ции. Использования заклепок только по внешним поверхностям
следует избегать, так как это приводит к ухудшению свойств
соединений в конструкции.
Частичное дублирование несущей поверхности вместо исполь-
зования более толстых облицовочных пластин во всей детали
полезно как из соображений стоимости конструкции, так и исходя
из повышения качества детали. Если несущие слои формируются
из стекловолоконных или углеволоконных препрегов, дополни-
тельные слои могут быть уложены там, где они необходимы.
Использование внешних, а не внутренних дублирующих эле-
ментов. Использование внутренних дублирующих слоев для
облицовочных панелей сандвичевых конструкций всегда связано
с необходимостью резки заполнителя и с образованием непроклеев
в усиливающих накладках. На рис. 21.18 показана панель, за-
концовки которой выдерживают одинаковую нагрузку. Конструк-
Рис. 21.19. Экономичный способ заделки усиливающих накладок
367
Рис. 21.20. Соединение облицовок сотовой конструкции с помощью и^кладок
(с лицевой стороны накладки уложены под обшивку)
I
ция левой законцовки панели существенно более технологична,
чем правой. На рис. 21.19 показана такая же панель, заделка
усиливающих накладок которой имеет низкую стоимость. Послед-
нее обусловлено тем, что усиливающие накладки были установ-
лены до соединения композита. В случае использования в ка-
честве несущего слоя алюминиевой фольги толщиной 0,25 мм,
препрега из стеклоткани или углеволокнита можно использовать
тонкие дублирующие накладки без резки заполнителя. Разрывы
сплошности в этом случае заполняются адгезивом. Иногда тре-
буются дополнительные слои связующего, как, например, в кон-
струкции, показанной на рис. 21.20.
21.6. Структурный анализ для специальных видов 1
материалов 1
В этой главе приведен расчет балок и колонн из сандвичевых |
структур с сотовым заполнителем различной толщины при оди-
наковой толщине несущих слоев — обшивок.
Для конструкторских расчетов необходимы следующие данные
о свойствах сандвичевых структур: j
D — жесткость при продольном изгибе, D = Eftfh^/^f, Н-м/м; Я
Ес — модуль упругости сотового заполнителя при сжатии, Па; Я
Ef — модуль упругости несущей пластины (облицовки, обшивки), Па; Я
Gc — модуль сдвига сотового заполнителя, Па; . Я
Кь — коэффициент нелинейности при изгибе; Я
К, — коэффициент нелинейности при сдвиге; ’
L — длина пролета балкн или высота колонны (база), мм;
Ь — ширина балки, мм;
М — максимальный удельный момент инерции (в расчете иа 1 м ширины),
Н-м/м; j
Р — нагрузка, Н; удельная нагрузка, Н/м;
Ркр — критическая удельная нагрузка иа единицу длины колонны, Н/м;
К — удельная нагрузка,вызывающая пластическую деформацию иа иесу- Я
щей пластине в колонне, Н/м;
V — максимальное удельное усилие сдвига в расчете иа 1 м ширины, Н/м; Я
d — общая толщина сандвичевой конструкции (готового заполнителя), мм;
h — расстояние между средними осями несущих пластин, мм, h = te + tf, 1
J—размер ячейки сотового заполнителя, мм; I
t — толщина паиели, мм; 1
te — толщина сотового заполнителя (рис. 21.21), мм; 1
tf — толщина несущей пластины (облицовки, обшивки), мм; I
w — распределенная нагрузка в балке, Па; |
Д — максимальная стрела прогиба балки, мм; |
368
Рис. 21.21. Схематическое
изображение плоской
саидвичевой панели
(?6 ~ О т" квадрат коэффициента Пуассона материала иесущей пластины, т. е.
, (I-v2);
V коэффициент Пуассона несущей пластины;
О/ — максимальное напряжение (предел прочности) в материале иесущей
пластины, Па;
0V — напряжение пластической деформации (предел текучести) в материале
иесущей пластины, Па;
тс с — максимальное напряжение сжатия в заполнителе, Па;
тсд — максимальное сдвиговое напряжение в заполнителе, Па.
Для точного расчета большинства видов сандвичевых структур
необходимо иметь более полные данные о всех элементах конструк-
ции. В конце этой главы мы проведем детальный анализ конструи-
рования одной из структур на основе имеющихся данных.
21,6.1. Требования к конструкциям
Проектирование сандвичевых структур может осуществляться
исходя из следующих критериев, причем предложенные критерии
определяются типом приложенных нагрузок:
несущие пластины должны иметь достаточную толщину, чтобы
выдерживать заданные напряжения растяжения, сжатия и сдвига;
заполнитель должен обладать достаточной прочностью, чтобы
выдерживать заданные сдвиговые нагрузки;
заполнитель должен иметь достаточную толщину и модуль
упругости при сдвиге, чтобы обеспечить неразрушение Сандвиче-
вой конструкции при изгибных нагрузках;
модуль упругости при сжатии заполнителя и предел прочности
несущей пластины при сжатии должны быть достаточными, чтобы
избежать смятия поверхности под нагрузкой;
размер ячеек заполнителя должен быть достаточно мал, чтобы
избежать возникновения потери устойчивости несущих пластин
между ячейками при заданных нагрузках на конструкцию;
заполнитель должен иметь достаточно высокий предел проч-
ности при сжатии, чтобы противостоять смятию при приложении
нагрузок нормально к несущей поверхности или напряжениям
сжатия, возникающим при изгибе.
21.6.2. Виды разрушения
Типичные схемы разрушения представлены в табл. 21.14.
369
21.14. Схемы разрушения савдвичевых конструкций (сотовых паиелей)
Тип и причина разрушения Эскиз Расчетные формулы критических нагрузок
Разрушение несущей пластины Начало разрушения может произойти либо в пластине, работающей на растяжение, либо в пластине, работаю- щей на сжатие, вследствие недостаточной толщины па- нели (или пластины) или ма- лой прочности последней Jl
if
Поперечное разрушение
при сдвиге
Недостаточная сдвиговая
прочность заполнителя или
малая толщина панели
V
Тод = "Й"
Локальное смятие
заполнителя
Низкий предел прочности
заполнителя при сжатии
ЛПППпППППГ
р
стсж = -л-
Полная потеря устойчивости
(продольный изгиб)
Недостаточная толщина па-
нели или малая сдвиговая
жесткость заполнителя
р -
яр~ +
+ teGc
Образование гофры
при сдвиге
Возникает вслед за продоль-
ным изгибом из-за низких
значений сдвигового модуля
сотового заполнителя и сдви-
говой прочности адгезива
Потеря устойчивости
(образование морщины)
несущей пластины
Зависит от упругих свойств
пластины. Может образовы-
ваться выпуклая или вог-
нутая морщина в зависимо-
сти от относительных проч-
ностей сотового заполните-
ля при сжатии и адгезион-
ного слоя при отрыве
Ркр — 1,64^£у X
х Г E'tf 11/2
х LwrJ
370
Продолжение табл. 21.14
“—I---------------'-----
Тнп (И причина разрушений
Эскиз
Расчетные формулы
критических нагрузок
Межъячеистые прогибы
(образование лунок.
и пуклей)
Возникает только при ис-
пользовании сотового запол-
нителя в результате тонких
несущих пластин и крупных
ячеек заполнителя. Вслед
за лунками и пуклями могут
появиться морщины, описан-
ные выше
Обозначения. А — разрушение несущей пластины при растяжении;
Б — разрушение адгезионного слоя; В — разрушение сотового заполнителя при
сжатии; Г — прогибы несущей пластины внутрь ячейки сотового заполнителя.
21.16. Данные для расчета балок
Опора и нагрузка Тяп балки V м к.
Простая опора, распре-
деленная нагрузка
P=ql
Заделка концов, распре-
деленная нагрузка
Р=ц1
Простая опора, сосредо-
точенная нагрузка
р 2 PL 5 1 8
8 384
р PL 1 1
2 12 .384 8
Р PL 4 1
2 4 192 4
Заделка концов, сосредо-
точенная нагрузка
Г
Р PL 1 1
2 8 192 4
371
Продолжение табл. 21.15
Опора н нагрузка Тнп балки V м К» /*а
z. P=4l у.
Консоль, распределен- 1 / р PL 1 1
ная нагрузка 2 8 2
Консоль, сосредоточен- 1 г р PL 1 1
3
Консоль, линейно падаю- р PL 1 1
щая нагрузка 3 15 3
Коисоль с простой опо- _ р= ч1 Кр рг 1 1
рой, распределенная на- У | | | | | | | Q я 18<; 142
грузка 777^777
21.6.3. Последовательное проектирование сандвичевых
конструкций
1. Определение нагрузок. Для многоточечного нагружения используют
формулы, полученные Р. Роарком [16].
2. Выбор типа балки. В табл. 21.15 приведены данные для начальных расче-
тов. Особое внимание необходимо обратить иа тип заделки и приложения нагрузки.
В реальной практике полное закрепление не может быть достигнуто, поэтому
стрела прогиба всегда оказывается больше расчетной.
3. Определение предельных прогибов. Для большинства применений предел
прогиба структур обычно не превышает величины L/360.
В ряде случаев эта величина может быть превышена, например для мате-
риалов, используемых при изготовлении лыж. Очень большие прогибы могут
быть нормальным явлением также в ряде других конструкций.
4. Выбор материала для несущих пластин (облицовок). В табл. 21.1 при-
ведены данные по физико-механическим свойствам несущих (облицовочных) мате-
риалов. Выбор этих материалов должен учитывать задачи снижения массы,
возможность перегрузок, локальные (вминающие) нагрузки, коррозионные свой-
ства и декоративные требования, а также стоимость материала. Обычно выбирают
стандартную толщину материала и делают расчет, как показано ниже. Толщина
несущего слоя определяет в основном как напряжения в нем, так и стрелу про-
гиба.
5. Расчет первого приближения. Определив толщину сандвичевой струк-,
туры h, выбирают величины if и Ef. Большинство сандвичевых Структур имеют
толщину 1,5 ... 150 мм.
372
6. Выбор толщины обшивки. Обычно исходят из того, что стеклопластико-
вые и алюминиевые покрытия выпускаются с определенной, нормированной тол-
щиной. После того как определена толщина несущей пластины для выбранной
стрелы прогиба, определяют границы напряжений. При расчетах используют
формулу для 6/ и определяют запас прочности.
7. Выбор заполнителя. Проводят расчеты сдвиговых напряжений в заполни-
теле тс с. Исходя из данных табл. 21.1. — 21.8, предварительно выбирают мате-
риалы. Необходимо дополнительно обратить внимание на то, что сдвиговые свой-
ства в направлениях L и W не одинаковы. После этого проводят вторичный выбор
заполнителя с учетом совместимости материалов, размеров и типа ячеек. Исходя
из графиков иа рис. 21.5, определяют поправки к прочностным характеристикам
в зависимости от толщины. Расчетные предельные напряжения сверяют с запасом
прочности, вносят корректировки в допустимые напряжения. Кроме этого, рас-
сматривают прочность на смятие и пределы прочности при сжатии, модули сдвига,
массовые и стоимостные характеристики. Для вращающихся деталей прочность
на смятие и толщина обшивки являются наиболее важными показателями.
8. Стрела прогиба. В большинстве применений при расчетах прогиба не
учитывают влияния сдвига при прогибе, считая его малым. Для очень малых стрел
прогиба Сандвичевых конструкций при большой толщине этих материалов или
при очень малой базе сдвиговая компонента должна учитываться и выбор запол-
нителя должен осуществляться с учетом влияния модуля сдвига.
9. Сморщивание несущей пластины и межъячеистые прогибы. Для тонких
облицовочных пластин могут быть рассчитаны локальные прогибные напряжения.
Сравнение с о/ кр покажет, следует ли принимать их в расчет.
10. Другие параметры, которые необходимо определять. Часто сотовые
панели имеют больше двух точек закрепления. Если соотношение длины и ширины
панели больше 3:1, расчеты можно проводить по методу короткой балки. Фор-
мулы, приведенные в работе [16] и применяемые при условии пренебрежения
сдвигом при изгибе, дают моменты инерции соответственно саидвичевой структуры
и твердого тела:
, tfhtb . , Ы3
‘ санд — 2— ’ 1 тв- тела--jy •
Параметры панели и пластин рассчитываем по формуле
^тв. тела ~
Используя эту формулу для оценки прогиба, можно получить заниженные
данные. Следовательно, учет напряжений сдвига при изгибе необходим. Табл. 88,
приведенная в [16], дает ряд приближенных характеристик, применимых для
панелей с несколькими точками закрепления.
21.6.4. Простейшие формулы, используемые при расчетах
Напряжение изгиба в несущих пластинах:
М
°и - tfh ’
где М определяется по табл. 21.15.
Напряжение при сдвиге в заполнителе:
V
^сд- А ’
где V определяется по табл. 21.15.
Прогиб:
. _ 2КьРЬ3 , KSPL
. а Ewtfh3 hGa ’
где Кь и Ks определяются по табл. 21.15.
373
Для большинства балок вторичные эффекты относительно
малы, но необходимо оговаривать пределы прогиба или величину
базы.
Момент инерции:
. tfhtb
1 санд — 2
Потеря устойчивости несущей пластины:
Предел прочности при отрыве несущей пластины:
«„,0,82 =
Запас прочности:
ЗП___ Возможные или типичные напряжения
— Расчетные напряжения
21.6.5. Анализ плоской прямоугольной сандвичеиой балки
Рассмотрим конструкцию крыши автобусной стоянки. Пусть
нагрузка создается выпавшим снегом и давление составляет
5,7 кПа. Для расчетов будем рассматривать простую балку с про-
летом 2,4 м. Предельный прогиб будем считать равным L/270,
а запас прочности должен быть больше двукратного. Материал
несущей пластины — стеклоровинг с полиэфирным связующим,
а заполнитель — сотовая структура К.Р-318-60 (25).
При нагрузке Р' — 5,7 кПа и пролете L = 2,4 м выберем из
табл. 21.15 следующие значения: Кь = 0,013; Ка — 0,125; М =
= 10,8; V = 8,9.
Выберем толщину несущей пластины — 2,3-10"’ м.
Для стеклопластиков из табл. 21.1 возьмем А = 0,98; Ef =
= 29,6 ГПа.
Вычисляем параметр
. КъР’ь42^2 п ..
h = —7-7—=-----— 0,14 м.
Толщина заполнителя tc ж 0,135 м.
Если выбрать толщину несущей пластины if = 3,8 мм, то
расстояние между осевыми линиями пластин h — 108,6 мм «
яз 0,109 м. Если взять за основу общую толщину Сандвичевой
конструкции t = 0,102 м, то h = 0,098 м. Для практической кон-
струкции определим предельно допустимые напряжения в несу-
щей пластине и заполнителе. Для несущих пластин разных тол-
щин имеем
р‘ь2
at = < клл ' - 13,5 МПа при = 2,3 мм;
Of « 11,45 МПа при tf = 3,8 мм.
374
Зная напряжения в несущих пластинах, определяем запас
прочности в обоих случаях соответственно 19 и 22.
Максимальные сдвиговые напряжения для заполнителя будут
соответственно
’’од ~ П5Г = 50,9 кПа:
тсд = 71,5 кПа.
Необходимо заметить, что напряжения в заполнителе оказы-
ваются очень низкими в обоих случаях, и это не позволяет сделать
выбор из двух предложенных вариантов толщины несущей пла-
стины. Для выбора материала заполнителя обратимся к табл. 21.4.
Для KP-3i8-60 (25) предел прочности при сдвиге в IF-направлении
равен 414 кПа.
Из рис. 21.5 следует, что фактор толщины равен 0,42, а модуль
сдвига в IF-направлении равен 39,9 МПа.
Уточненный предел прочности при сдвиге в IF-направлении
равен 414-0,42 = 174 кПа. Запас прочности ЗП ж 2,4.
Использование сотового заполнителя К Р-3(8-60 (25) с запасом
прочности 2,4 является предельным. Типичные значения, приве-
денные в табл. 21.4, могут значительно меняться для разных ма-
териалов. Другие свойства, такие как предел прочности при сжа-
тии и плотность, находятся в пределах допустимого. Необходимо
заметить, что может быть использован сотовый заполнитель
К.Р-Н2-80 (11) с тсд = 202 кПа в /.-направлении.
Расчет прогиба: >
Для Сандвичевой конструкции толщиной t — 0,14 м прогиб
Д=4^2. + ^£_= 1,03.10-3 м.
tfh2Ea 1 GJi
Заметим, что деформация сдвига составляет только 9 % от
прогиба.
Для конструкции толщиной 0,102 м прогиб Д = 1,2-10-2 м.
21.6.6. Анализ плоских прямоугольных сандвичевых колонн
Рассмотрим пример расчета колонны с незакрепленными кон-
цами.
Несущая пластина. Оргалит с af = 2,07 МПа. Из табл. 21.1
имеем: v = 0,99; Ef = Ю ГПа.
375
Заполнитель. Полиуретановый пенопласт плотностью
96,1 кг/м3 и толщиной tc = 0,076 м. Из табл. 21.3 имеем: 1сд =
= 0,62 МПа; Хс.с = 1,1 МПа; Ge = 10,3 МПа.
Нагрузки (при пределе текучести) на материал облицовочной
пластины составляют: Ри = 2tf; ау = 0,315 кН/м.
Предельная нагрузка при потере устойчивости (при продоль-
ном изгибе)
= 1916 кН/м’
*С^С
где D = = 46,3 кН-м из расчета на 1 м ширины ко-
лонны.
Предельная нагрузка разрушения с образованием гофры при
сдвиге Ркр — teGc — 171 кН-м из расчета на 1 метр ширины
колонны.
Относительно предельных нагрузок при локальной потере
устойчивости с образованием морщины, лунок и пуклей отметим,
что поскольку несущие пластины достаточно толстые, а заполни-
тель — пенопласт, то проблем локальной потери устойчивости не
существует.
21.6.7. Требования к конструированию
Более полные требования к порядку конструкторских разра-
боток можно найти в регулярно обновляемом и переиздаваемом
правительственным управлением печати США справочнике
MIL-HDBK-23 следующего содержания:
, №№ глав
Потеря устойчивости с отрывом несущих пластин саидвичевых кон-
струкций при осевом нагружении ........................... . 3
Потеря устойчивости (вогнутость) несущих пластин саидвичевых
структур при осевом нагружении................................... 4
Расчет конструкций плоских прямоугольных сандвичевых панелей
при осевых сжимающих нагрузках................................... 5
Расчет конструкций плоских прямоугольных саидвичевых панелей
при сдвиговых нагрузках.......................................... 6
Расчет конструкций плоских прямоугольных саидвичевых панелей
при изгибающем моменте .......................................... 7
Расчет конструкций плоских прямоугольных саидвичевых панелей
при комбинированном нагружении................................... 8
Расчет конструкций плоских сандвичевых панелей при распределен-
ной нагрузке по нормали к плоскости пластины .................... 9
Расчет конструкций саидвичевых цилиндров при внешнем радиаль-
ном давлении ................................................... 10
Расчет конструкций сандвичевых цилиндров при торсионных на-
грузках ........................................................ 11
Расчет конструкций саидвичевых цилиндров при осевом сжатии или
изгибе ......................................................... 12
Расчет конструкций саидвичевых цилиндров при комбинированных
нагрузках....................................................... 13
Расчет конструкций реек иа основе саидвичевых структур при тор-
сионных нагрузках............................................... 19
Расчет конструкций круговых саидвичевых панелей с нагруженными
вставками....................................................... 20
376
21.7. Производство саидвичевых структур
Технологический процесс производства сандвичевых структур
(сотовых конструкций) требует соблюдения трех обязательных
условий: использования давления; использования температуры
(необходимо учесть, что и давление, и температура должны быть
в точно заданных регламентами пределах в течение всего времени
отверждения адгезивов); обеспечение инструментом и оборудова-
нием, которое будет совмещать детали и выдерживать их под
нагрузкой в течение всего режима отверждения. Существует много
технологических приемов обеспечения условий отверждения санд-
вичевых структур: от формования в вакуумных мешках до авто-
клавного прессования. В основном все оборудование для произ-
водства сандвичевых структур аналогично оборудованию для
производства армированных пластиков, так как сандвичевые
структуры являются одним из видов таких композитов. Однако
давление при производстве сандвичевых структур почти всегда
ниже, что связано с особенностью свойств заполнителя. Стоимость
оборудования в этом случае может быть несколько более низкой.
Кроме того, низкие максимальные давления при соединении эле-
ментов сандвичевых структур приемлемы и для ряда других ком-
позиционных материалов.
Приводим несколько рекомендаций, которые могут, быть по-
лезны при сборке элементов сандвичевых структур.
1. Необходимо убедиться, что заполнитель имеет размеры, совпадающие
с размерами конструкции, для которой он предназначен. Если существует воз-
можность, необходимо немного растянуть заполнитель, так как во время цикла
отверждения может произойти усадка материала, в результате чего могут поя-
виться дополнительные пустоты. Если толщина заполнителя иа разных участках
панели неодинакова, необходимо усилить несущие пластины дополнительными
слоями или прокладками, чтобы избежать образования иепроклеенных участков.
2. При применении сотовых заполнителей необходимо помнить, что при их
соединении с несущими пластинами толщина адгезионного слоя существенно
меньше, чем толщина связующего между несущей пластиной и вставкой (или твер-
дым заполнителем). Поэтому необходимо, чтобы сотовый заполнитель был иа
0,25 мм толще закладных деталей.
3. Зачастую контроль температуры нагрева, необходимого для отверждения
системы адгезив — заполнитель — несущая пластина осуществляется плохо.
Контроль процесса отверждения связующего в Сандвичевой структуре может осу-
ществляться только по контролю температуры отверждения. На некоторых про-
изводствах через специальные вставки вводят термопары непосредственно в адге-
зионный слой, чтобы иметь возможность такого контроля.
4. Большинство адгезивов текучи иа раииих стадиях процесса отверждения.
Толщина адгезиоииого слоя за это время может существенно уменьшиться. Обо-
рудование должно быть установлено таким образом, чтобы процесс соединения
деталей был бы последним технологическим процессом. Например, пластина с на-
несенным тонким слоем связующего, предиазиачеииая для закрытия саидвичевой
структуры, помещается иа нагретую плиту пресса или в автоклав, затем туда поме-
щаются элементы структуры и только после этого подается давление, соединяющее
элементы в единую структуру. Большинство используемых адгезивов имеют
малое время гелеобразования и быстро «схватываются».
5. Вставки и тяжелые детали, закладываемые в саидвичевую структуру
вместе с легким заполнителем, будут нагреваться существенно медленнее, а при
377
охлаждении создадут угрозу коробления композита. Коробление может произойти
также из-за того, что одна сторона материала нагрета больше или меньше другой.
Последнее происходит вследствие неравномерного нагрева или охлаждения обо-
рудования. Снижение скоростей нагрева и охлаждения или более тщательная
разработка конструкций оборудования могут снять эту проблему.
6. Необходимо предусмотреть возможность отвода паров и газов, образовав-
шихся при отверждении связующих, из полностью закрытых объемов ячеистой
структуры. Это особенно важно при вакуумном и автоклавном прессовании.
При вакуумном прессовании материал помещается внутрь герметичного «вакуум-
ного мешка». Разница внутреннего и внешнего давления обусловливает образова-
ние линии соединения.
7. Сборочная плита, используемая при создании сандвнчевых конструкций,
может дать большие преимущества. Это вспомогательное оборудование исполь-
зуется для сборки структур, включающих несколько различных частей заполни-
теля, вставки, законцовкн н т. д. Тонкий слой облицовочной пластины не может
создать достаточного давления на каждую деталь и обеспечить нанесение хотя бы
тонкого слоя связующего. Когда сборочная плита имеет жесткость меньшую,
чем у верхней несущей пластины сотовой конструкции, давление распределяется
более равномерно: большее передается толстой вставке, меньшее—вставке
с толщиной меньшей, чем у заполнителя. В неотвержденном связующем детали
как бы «плавают», чем достигается оптимальное относительное расположение
внутренней структуры сотовой конструкции. Если сборочная плита слишком
жестка или толста, те же эффекты проявляются только для слегка утолщенных
деталей. В этом случае возрастает опасность возникновения повышенной порис-
тости и образования непроклеенных участков. В основном толщина сборочных
плит не до'лжна превышать 2—3 толщин несущих (облицовочных) материалов
сандвичевых конструкций. Если применяются более толстые сборочные плиты,
размеры элементов сандвичевых структур должны быть лучше согласованы.
Использование толстых сборочных плит позволяет сделать обе поверхности Санд-
вичевой конструкции гладкими. Обычно же только одна поверхность, соприка-
сающаяся со сборочной плитой, гладкая.
8. Необходимо обеспечивать точное прилегание между заполнителем, предва-
рительно отвержденным, и сплошными законцовками, вставками, несущими пла-
стинами и другими деталями, чтобы получить прочное клеевое соединение. В про-
стых соединениях допуск составляет ±0,1 мм. При соединении слоев препрегов
и дублирующих металлических листов обшивки контроль зазоров может быть
менее жестким,
21.7.1. Резка заполнителя
Для резки, придания фасонной формы и обработки кромок за-
полнителя разработано много разных инструментов и оборудо-
вания. Чаще всего применяют механическое распиливание диско-
выми и ленточными пилами. Для некоторых операций исполь-
зуют специальные полотна, работающие при обратном ходе, в ко-
торых зубья заточены по задней кромке и каждый зуб врезается
наклонно, как лезвие ножа.
Дисковые пилы и фрезы (рис. 21.22) предназначены для фигур-
ной выборки сотовой или пенопластовой структуры заполнителя.
Частота вращения дисковой пилы может меняться в пределах
1200 ... 30 000 мин-1 для пил и фрез диаметром 18 ... 100 мм.
Металлические сотовые заполнители можно формовать на
вальцах. Чтобы избежать порчи сот, деталь заполнителя следует
обкладывать сверху и снизу незакрепленными тонкими металли-
ческими листами. Неметаллические заполнители формуются
378
Рис. 21.22. Фрезы для обработки торцов сандвичевых конструкций. Пила тол-
щиной 0,25 мм имеет диаметр 50 мм, шаг зубьев 0,8 мм и работает с частотой вра-
щения 12 000 ... 30 000 мин-1, обеспечивая чистый (без заусенцев) рез практи-
чески в любом сотовом заполнителе. Фрезы для грубой обработки заполнителя
могут быть использованы для толщин 5 ... 50 мм
только при повышенных температурах. Формование может быть
облегчено, если используются заполнители со специальными ви-
дами сотовых ячеек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MIL-HDBK-23, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
2. MIL-HDBK-17, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
3. MIL-HDBK-5, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
4. MMM-A-132, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
5. M1L-A-25463, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
6. MIL-STD-401, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
7. Adhesive Bonded Aerospace Structures Standard Repair Handbook, U. S. Go-
vernment Printing Office, Washington, D. C.
8. Hexcel Corporation, TSB-120.
9. Hexcel Corporation, TSB-123.
10. Hexcel Corporation, TSB-124.
11. American Cyanamid, TR-112.
12. American Cyanamid, Handbook of Adhesives.
13. Baltek Corporation, Baltek Catalogue.
14. Plantema, Frederic J., Sandwich Construction, John Wiley & Sons, New York,
N. Y., 1966.
15. American Plywood Association, Plywood Design Specification.
16. Roark R. J., Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill, New York, N. Y.,
5th Edition, 1975.
17. Timoshenko S., Woinowsky-Krieger S., Theory of Plates & Shells, McGraw-
Hill, New York, N. Y., 2nd Edition, 1959.
379
22. СОЕДИНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ И ИХ МЕХАНИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА
С. Дж. Дастин
22.1. Введение
Для создания каких бы то ни было конструкций элементы из
композиционных материалов, так же как и из прочих видов мате-
риалов, должны соединяться с другими элементами. Кроме того,
эти элементы должны быть пригодны для механической обра-
ботки. Те или иные технологические приемы, которые будут
применены, определяют эффективность и пригодность материалов.
Конструирование соединений, проводимое для композицион-
ных материалов, должно учитывать не только прочностные кри-
терии или массовые характеристики, но и стоимость этой техноло-
гической операции. Результаты исследований различных типов
соединений, проведенных в промышленных и государственных
исследовательских учреждениях, опубликованы в справочниках
MIL-HDBK-17 и Advanced Composite Design Guide.
22.2. Механические соединения композиционных
материалов
22.2.1. Общие замечания
При использовании механических соединений слоистых ком-
позиционных материалов необходимо учитывать не только на-
пряжения при растяжении и изгибе в композите, но и напряжения
изгиба в соединении, потери прочности при растяжении за счет
сверления материала, сдвиговые свойства соединения; трение
между соединяемыми частями, уменьшающее напряжение; типы
соединений и их усталостные свойства.
Механические соединения композиционных материалов раз-
личаются по видам используемых металлических креплений:
клепаные, резьбовые и штифтовые. Применение того или иного
вида соединения зависит от типа нагрузок (статические или уста-
лостные), надежности, легкости в производстве, стоимости и от
специальных условий (необходимости получения съемных, по-
движных или других видов соединений).
Могут осуществляться и механические соединения слоистых
композитов с металлами (для этого они совмещаются, засверли-
ваются и соединяются заклепками, болтами, винтами или штиф-
тами).
380
22.2.2. Конструирование соединений. Механически соединенные
композиты
Практически все композиционные материалы являются орто-
тропными, имеющими три взаимно перпендикулярные оси упру-
гой симметрии, которые соответствуют двум направлениям в пло-
скости слоя и направлению, перпендикулярному слоям. В стекло-
текстолитах, где в каждом слое существует два взаимно перпен-
дикулярных направления максимальных прочностных свойств,
прочность материала не зависит от ориентации волокон. В основ-
ном же имеется существенная зависимость прочностных свойств
материалов от ориентации армирующей компоненты.
В дальнейшем будут рассматриваться композиты иа основе
термореактивных связующих и следующих волокон: стекловоло-
кон, борных, арамидных («Кевлар»), углеродных. Композицион-
ный материал (слоистый пластик) состоит из многих слоев арми-
рующей компоненты. Армирующая компонента воспринимает
растягивающие и сжимающие нагрузки, в то время как матрица
(связующее) перераспределяет напряжения между волокнами и
предотвращает потерю устойчивости волокон. Тип матрицы опре-
деляется в основном величиной температуры эксплуатации из-
делия.
Диаграммы напряжение — деформация показывают, что ком-
позиционные материалы больше соответствуют по упругим свой-
ствам чугуну и другим «мягким» материалам, чем стали или другим
«жестким» материалам. Для большинства композитов существует
два линейных участка на диаграмме напряжение — деформация,
соответствующих двум модулям упругости. В основном компо-
зиты являются материалами, обладающими малыми деформациями
разрушения (порядка 1ч-2 %). При конструировании соединений
композиционных материалов необходимо знать прочность этих
материалов при смятии и сдвиге, прочность при растяжении
и сжатии, напряжения сдвига, возникающие при изгибе в соеди-
нениях. Необходимо также знание термических напряжений,
пределов усталости и воздействия окружающей среды.
22.2.3. Геометрия соединений
Для связи элементов из композиционных материалов могут
с успехом применяться различные типы простых соединений
(рис. 22.1, а). Для усиления могут использоваться те же соедине-
ния, но с удвоенными элементами, которые снижают уровень
сдвиговых напряжений (рис. 22.1, б).
На рис. 22.2, а представлено распределение напряжений в ма-
териале с отверстием для соединения [1].
22.2.4. Критерии проектирования
Основные критерии проектирования соединений композицион-
ных материалов зависят от типа структур, назначения соединяе-
мых деталей, типа соединения и целого ряда других факторов.
381
Рис. 22.1. Типы соединений деталей из композитов:
а — простые соединения: 1 — обычное нахлесточное; 2 —. нахлесточное с нагибом: 3 —
стыковое с простой накладкой; 4 — стыковое со скошенной накладкой; 5 — соединения
в ус с накладкой; б — двойные соединения; 6 — стыковое с двумя накладками; 7 — дву-
стороннее нахлесточное; 8— скошенное двустороннее нахлесточное
Кроме того, в рекомендациях, представленных ниже, будут опи-
сываться материалы с высокими прочностными характеристиками:
несущей способностью, пределом прочности в плоскости образца.
Одновременно будет определяться распределение напряжений
в концентраторе — отверстии для механических соединений. Кон-
струкции соединений должны быть подвергнуты испытаниям
при статических нагрузках, определены их усталостные свойства
и влияние окружающей среды. Разрушение композита в резуль-
бвча, мпа
Рис. 22.2. Напряжения в композитах:
а — распределение напряжений в окрестности отверстия в композите: 1 — изотропный
стеклопластик; 2 — однонаправленный боро- и углепластик, кевлар-эпоксидный компо-
зиционный материал; К — коэффициент концентрации напряжений; L — расстояние от
центра отверстия; R — радиус отверстия; б — напряжения смятия в направлении эы-
кладки авчи (материал — стеклотекстолит на основе ткани 181 и полиэфира) при нагру-
жении по основе
382
22.1. Предел прочности при смятии в зависимости от соотношения D/t
Вид материала асн> МПа а при Дй = 4 %, МПа
Стеклопластики
Ткань 181/полиэфирное связующее 297,6 241
Стекломат/полиэфирное связующее Боропластик 206,7 137
(0°/90°)/эпоксидное связующее 1378,0 1033,5.
(0°/90°/±45°)/эпоксидное связующее Композиты на основе арамидных («Кевлар») волокон 1033,5 826,8
Стеклоткань 181, ткань «Кевлар»/эпоксидное связующее Углепластики 379,8 310
(0°/90°)/эпоксидное связующее 447 . 379
(0790о/±45°)/эпоксидное связующее 344,5 310
22.2. Рекомендуемые толщины композита
при раззенковывании отверстий
22.3. Рекомендуемое
расстояние между
соединениями дли
композитов
(стеклопластик — эпок-
сидная смола) различной
толщины
Толщина ’композита, мм 'т. ММ 1$, ИМ
^3,2 3,0 2,0
3,2—4,8 2,5 1,5
>4,8 2,0 1,3
Диаметр отверстия для соединения, мм Минимальная тол- щина композита при угле раззен- кования 100°, мм Диаметр отверстия для соединения, мм Минимальная тол- щина композита при угле раззен- кования 100°, мм Диаметр отверстия для соединения, мм Минимальная тол- щина композита при угле раззен- кования 100°, мм
2,38 1,78 4,76 2,54 7,14 3,56
3,18 2,03 5,56 2,79 7,94 4,83
3,27 2,29 6,35 3,18 9,52 5,99
тате смятия будет происходить, если напряжения ст вызывают
4 %-ное удлинение диаметра отверстия (АР). Типичные резуль-
таты определения предела прочности при смятии представлены
в табл. 22.1. Напряжения в композите при смятии снижаются
с ростом соотношения D/t (отношение диаметра отверстия к тол-
щине образца), как это показано на рис. 22.2, б [2 ]. В стандарт-
ных конструкциях из стеклопластиков используют величину
D/t, равную 1 для композитов толщиной большей, чем 2,3 мм,
хотя возможно получить более высокие значения D/t для таких
слоистых пластиков. Для предельно тонких ламинатов (~0,76 мм)
можно использовать локальное усиление мест соединения, что
383
Рис. 22.3. Зависимость эквивалентно-
го диаметра £>э отверстий с раззенков-
кой под углом 100 0 от толщины слои-
стого пластика t для различных диамет-
ров d заклепок с потайной головкой
также позволяет повысить
соотношение D/t, доведя его
до значений >4. Для боль-
шинства боро- и углепла-
стиков соотношение D/t та
та 3 для всех толщин. Ком-
позиты могут обрабатывать-
ся для заполнения соедини-
телем (зенковка под потай-
ные головки), но толщина
соединяемых деталей не дол-
жна быть меньше, чем
0,76 мм. Рекомендованные
толщины композитов под
различные размеры соеди-
нительных элементов при-
ведены в табл. 22.2. Для
них использовались потай-
ные головки с углом раз-
зенковки 100°. Практичес-
кое конструирование соединений стеклопластиковых материа-
лов основано на использовании соединительных элементов без
потайных головок, для чего необходимо знание только диаметра
и глубины отверстия. Для проектирования соединений с ми-
нимумом массы и малым запасом прочности область сминающих
напряжений оценивают как толщину без раззенковки плюс поло-
вина глубины раззенковки плюс диаметр отверстия. Для этой
области применительно к угле- и боропластикам используются
накладки с раззенкованными отверстиями. Нагрузка при растя-
жении образца композита, имеющего ряд отверстий с раззенков-
кой, распределяется по ширине образца минус суммарный эффек-
тивный диаметр отверстий. Эффективный диаметр отверстия,
эквивалентный полному диаметру отверстия, с учетом раззенковки
под углом 100° для стеклопластиков представлен на рис. 22.3 [1 ].
Для боро- и углепластиков необходимо определить ориентацию
ряда отверстий относительно оси ориентации армирующей компо-
ненты. Диаметр и тип соединения выбираются исходя из соотно-
шения D/t, минимальной глубины зенковки, необходимой проч-
ности соединения, температуры эксплуатации, усилия прижима,
размера соединения, фактора концентраций напряжений, жест-
кости и устойчивости к внешним условиям.
Малые крепежные изделия (диаметром 1,6 мм) обычно редко
используются в самолетостроении. Они трудны в изготовлении
и имеют тенденцию повреждать композит во время установки.
Напротив, для создания соединений стекло- и органопластиков
(«Кевлар»), используются крепежные изделия большого диаметра
(1>8 мм). Для боро- и углепластиков диаметр крепежных изделий
имеет мень'шее значение. Обычно стараются выбирать отверстия
384
Рис. 22.4. Болтовые соединения деталей из композитов:
а — параметры соединения: А, Б — удаление центра отверстия соответственно от кромки
и края листа; В — расстояние между центрами отверстий поперек листа; Г —- направле-
ние приложения нагрузки; Д — диаметр крепежиого изделия (болта); Е — расстояние
между центрами отверстия вдоль листа; б —- применение втулок в болтовых соединениях
твердых слоистых пластиков
наименьшего диаметра из всех, способных обеспечить необходимую
прочность соединения. Для композитов тоньше 1,5 мм для соеди-
нений необходимо использовать дополнительные накладки.
Расстояния от торца /т и от края боковой стороны 1g — важ-
ные параметры при механических соединениях композитов. Первое
определяется расстоянием от конца соединения до центра от-
верстия, а второе — удалением края соединения от центра сле-
дующего отверстия (рис. 22.4, а).
В табл. 22.3 даны рекомендации по выбору расстояний от
торца или бокового края композита в зависимости от толщины
последнего.
Если необходимо конструкционное решение, связанное с нали-
чием многих отверстий, то между ними должно быть предусмотрено
определенное расстояние. Расстояние между смежными рядами
определяется по центрам отверстий в каждом ряду (рис. 22.4, а).
Чаще всего это расстояние выбирается равным пяти диаметрам
отверстий, что соответствует достаточно большому запасу проч-
ности. В случае необходимости конструкторского решения со мно-
гими рядами отверстий расстояния между внешними рядами
должны быть больше, чем между внутренними, так как при растя-
гивающих нагрузках в соединении на них приходится большее
усилие'.
В конструкциях должны быть учтены и нетривиальные соеди-
нения, в том числе включающие несимметричные системы отвер-
стий для крепления. В таких соединениях возникают дополни-
тельные напряжения. Если для соединения необходимо много
рядов отверстий, то кроме выполнения требований по минимиза-
ции потерь прочности нужно сделать минимальными удельные
осевые нагрузки. В этом случае в каждом ряду располагается
только каждое второе отверстие. Для таких соединений расстоя-
ние между рядами отверстий должно быть не менее 4D. Особо
13 п/р Дж. Любииа 385
прочные соединения (симметричные, с расстояниями между ря-
дами 2D) лучше перераспределяют напряжения, нежели несим-
метричные соединения.
Конструкции соединений композиционных материалов тре-
буют иногда локального наращивания толщины в месте соедине-
ний, чтобы обеспечить возможность использования потайной
головки и уменьшить сминающие нагрузки. Такое утолщение
может быть осуществлено расплавкой технологией, оно не должно
давать резкого увеличения жесткости или быть концентратором
напряжений.
22.2.5. Эффективность соединения
Оценка эффективности соединения из композиционных мате-
риалов несколько отличается от аналогичной, сделанной для
металлов. Эффективность соединений из композитов основана на
сравнении прочностных характеристик соединения и образца
исходного материала такого же размера. Комплексное понятие
эффективности включает также и учет массового фактора наряду
с прочностными. Двойной стандарт в подходе к оценке свойств
соединений из композиционных материалов заключается также
и в том, что металлы достаточно «пластичны», в то время как ком-
позиционные материалы являются хрупкими, не обладающими
податливостью. Эффективность металлического соединения оце-
нивается как
д, w — nd
Лэф. м — ~ >
где w — ширина образца, мм; п — число отверстий в ряду; d —
диаметр отверстия, мм.
Для композитов, в свою очередь, эффективность оценивается
как
к- — Lf
Лэф.к — Le ,
где Lf — нагрузка разрушения соединения, Н; Lc — нагрузка
разрушения образца из композиционного материала того же раз-
мера, Н.
22.2.6. Требования к материалам при конструировании
соединений
Для реализации средних прочностных показателей материала
в конструкции из композитов необходимо выполнение следующих
условий:
высокая надежность (90 ... 95 %) воспроизводимости высокого
уровня прочности (95 %) материала;
возможность замены материала или изменения технологиче-
ского процесса;
контроль качества;
учет влияния размеров формы.
386
22.4. Сдвиговые свойства композитов при комнатной температуре
Параметр ЭУП (поперек слоя) СВКМ (ткань 181) ЭБП (поперек слоя) Арамидио- ЭПОКСИДНЫЙ композит (ткань 181)
тсд (поперечный плоский сдвиг), МПа 137,8 110,2 206,7 124,0
Модуль сдвига, ГПа 9,0 5,5 10,3 6,9
тпп (сдвиг при раздире), МПа 68,9 55,1 103,3 55,1
тсд (межслоевой сдвиг), МПа 55,1 27,6 68,9 41,3
Требования к материалам при соединении композиционных
материалов в отношении предела прочности при смятии приведены
в табл. 22.1. Необходимыми при конструировании являются дан-
ные по прочностям при сдвиге: межслоевом в боковом направле-
нии, при разрыве. В табл. 22.4 приведены данные по сдвиговым
характеристикам материалов, которые основаны на предполо-
жении об отсутствии влияния концентраторов напряжений. При
учете влияния концентраторов напряжений неизбежно снижение
прочностных характеристик при межслоевом сдвиге и срезе.
22.2.7. Запас прочности
Как и при проектировании соединений элементов из металлов,
для композиционных материалов вводится понятие запаса проч-
ности. Запас прочности (ЗП) является отношением задающихся
в конструкции напряжений к уровню максимальных напряжений,
могущих возникнуть в процессе эксплуатации. При проектирова-
нии в самолетостроении металлических деталей конструкций ЗП
выбирается равным 1,5 по прочностным характеристикам и 1,15
по текучести. Для композиционных материалов, которые практи-
чески не проявляют текучести, ЗП определяется только по проч-
ностным показателям. Традиционно для стеклопластиков ЗП
выбирается равным 3. В то же время конструкции, имеющие ЗП,
равный 2, также применяются, но должны обладать очень высо-
кими качествами, чтобы избежать преждевременного разрушения.
Для боро-, арамидных («Кевлар») и углепластиков ЗП выбирается
равным 1,5 с фактическим запасом выше этого значения на 15 %.
22.2.8. Анализ соединений
Так как соединения применяются для конкретных конструк-
ций, требования к ним задают уровень нагрузок на проектируемое
соединение. Эти нагрузки должны учитывать и ЗП, закладывае-
мый в конструкцию. Требования к прочностным характеристикам
конструкций приводят к необходимости анализа различных типов
соединений. Последовательность такого сравнительного анализа
различных соединений приведена ниже:
13* 387
1. Необходимо определить максимальные эксплуатационные
нагрузки и ЗП в данном материале, сравнив нх с характеристиками
других материалов, которые могут быть применены в конструк-
циях.
2. Определить условия эксплуатации (статические или уста-
лостные нагрузки; температурные условия; наличие звуковых
нагрузок; срок эксплуатации; погодные условия).
3. Необходимо определить вид нагрузок, испытываемых со-
единением.
4. Необходимо определить вид разрушения и условия, при-
водящие к разрушению соединения. Классическими видами раз-
рушения являются сдвиг в соединяющем материале и разрушения
при растяжении или смятии в соединяемом материале. Разрушение
при смятии не является препятствием для дальнейшего исполь-
зования в конструкции данного вида материала и соединения.
Этот вид разрушения происходит не мгновенно, в то время как
разрушение за счет разрыва матрицы при растяжении происходит
очень быстро. В случае, если соединение расположено слишком
близко к торцу, при растяжении могут возникать большие мо-
менты, приводящие к расслаиванию материала.
22.2.9. Возможные типы и конструкции соединений для
композиционных материалов
Особенностью механических соединений композиционных ма-
териалов является то, что они могут не только выдержать большие
нагрузки, но и перераспределить их. Эксплуатационные нагрузки
на элементы соединений могут быть рассчитаны, но определить
нагрузки, возникающие при самом акте соединения, можно только
на уровне ориентировочных оценок. Обычно такие нагрузки для
соединительных элементов малого диаметра должны быть менее
10 % от общей аксиальной нагрузки на композит. Повреждения
композита при соединении могут привести к преждевременному
разрушению при сжатии или растяжении. Следовательно, при
использовании резьбовых соединений особенно необходимо из-
бегать Повреждений при прижиме.
Основные процедуры механической обработки композицион-
ных материалов, такие как сверление, развертывание, зенкова-
ние и т. д., описаны в разд. 22.4.
Соединения с помощью винтов для арамидных («Кевлар»)
композитов и стеклопластиков являются типичными и полностью
обеспечивают необходимую прочность как в аксиальном, так
и в боковом направлениях. Размеры элементов резьбовых соедине-
ний для стеклотекстолитов толщиной t на основе ткани типа 181
приведены в табл. 22.5. Резьбовые соединения применяются в слу-
чаях, когда необходима многократная сборка-разборка деталей
из композитов. Для обеспечения высоких нагрузок прижима при
соединении деталей из композитов (как резьбовых, так и нерезь-
бовых) пользуются металлическими втулками (рис. 22.4, б).
388
22.5. Стягивающие усилия для винтовых соединений стеклопластиковых
композитов различной толщины прн глубине вдавливания 1,6 мм
Стеклотекстолит *’ (ткань 181/полиэфир)
Винт •• Осевое усилие Боковое (поперечное) усилие
минимальное максимальное минимальное максимальное
t, мм | Р, н мм Р, н t, мм | Р. н мм Р, н
4-40 3,17 579 7,94 2 225 1,58 934 3,17 1 557
6-32 3,17 757 9,53 3 649 1,58 1 112 4,76 3 115
8-32 4,76 1 424 11,11 5 073 3,17 1 958 4,76 3 604
10-32 4,76 1 869 12,7 6 675 3,17 3 782 6,3 5 340
1/4-20 6,35 3 115 15,9 12 460 3,17 5 340 7,94 8 455
5/16-18 6,35 3 649 19,1 18 690 4,76 9 348 9,53 12 460
3/8-16 7,94 5 162 22,2 26 700 4,76 14 685 11,11 17 355
7/16-14 7,94 5 785 25,4 35 600 4,76 16 910 12,7 23 140
1/12-13 9,53 7 387 26,9 43 610 7,94 23 585 15,9 33 375
9 16-12 9,53 8 099 28,6 53 400 7,94 25 810 17,5 40 050
5/8-11 11,11 9 790 31,7 680 085 9,53 32 485 20,6 52 955
3/4-10 11,11 И 347 34,9 91 672 11,11 39 605 23,8 66 750
41 Механические свойства текстолита: ств = 241 ... 310 МПа, стсж (при сжа-
тии с торцов) = 172 ... 254 МПа, тСд (двойной сдвиг) = 83 ... 117 МПа.
*а Калибр (4, 6, 8, 10) винта или его диаметр в долях дюйма и число ниток
резьбы на один дюйм (на 25,4 мм).
Резьбовые соединения используются и при соединении ме-
таллических деталей с конструкционными элементами из компо-
зитов. Стандарты на резьбовые и другие соединения описаны
в военных стандартах для соединений структурных элементов,
а также в различных ведомственных спецификациях. Для угле-
пластиков, соединяемых с металлами (коррозионно-стойкой сталью
А286 или титаном), соединяющие элементы должны быть сделаны
из материалов, обеспечивающих минимальный гальваноэлектри-
ческий эффект для уменьшения коррозии.
При проектировании соединений, использующих заклепки,
следует учитывать необходимость снижения напряжений, рас-
тягивающих заклепки. Для создания соединений с умеренной
прочностью могут быть использованы заклепки из мягких мате-
риалов. Так как соединения такого типа используются редко,
минимальные гарантированные прочности таких соединений не
публикуются. Обычно для конструкторских расчетов заклады-
вается прочность соединения, равная 3/4 от прочности применяе-
мых заклепок. Длина используемых заклепок выбирается исходя
из толщины соединяемых материалов, как это показано на
Рис. 22.5, а. Для всех видов заклепочных соединений толщина рас-
клепанной части должна составлять не менее чем 30 % от диа-
метра отверстия и быть соизмеримой с толщиной головки заклепки
389
Рис. 22.5. Схема выбора размеров заклепки:
а — определение необходимой длины заклепки: D — диаметр и длина расклепываемой
части стержня заклепки (/); 2 — металл; 3 — композит; б — пропорциональные размеры
заклепки с низкой полукруглой головкой: Л = 2,3D — диаметр головки (D — диаметр
стержня заклепки); Н = D/3 — высота головки заклепки; L — длина стержня заклепки;
г = 2.5D — радиус сферической поверхности
(рис. 22.5, б). Отверстия под заклепку должны быть достаточно
большими, чтобы обеспечить быстрое соединение, но не слишком
большими, чтобы надежно удерживать тело заклепки. Обычно
отверстие на 0,39 мм больше, чем тело заклепки.
Для соединений, в которых возникают большие нагрузки на
структурные элементы, используется целый ряд специальных
заклепок: расклепывающиеся заклепки и заклепки односторон-
него доступа (рис. 22.6) [3]. Использование и контроль алюми-
ниевых заклепок для соединений арамидных («Кевлар») или стек-
лопластиковых композитов, применяемых в авиастроении, осу-
ществляются в соответствии с правительственными специфика-
циями и стандартами.
Рис. 22.6. Заклепки для одностороннего доступа:
а — с вытягиваемым и обрезаемым стержнем; б — алюминиевые заклепки с забиваемым
стержнем для расклинивания лепестков !
390
22.3. Адгезионное соединение композитов
22.3.1. Общие положения
Создание единых конструкционных структур на основе адге-
зионно связанных композиционных материалов или композицион-
ных материалов, соединенных с металлами, является важной проб-
лемой в связи с применением композитов в военном и гражданском
самолетостроении. Адгезионно соединенные материалы и про-
цессы их получения регламентируются правительственными и
отраслевыми спецификациями, в которых изложена технология
создания соединений. Те же документы определяют методы полу-
чения сандвичевых материалов. Адгезионно соединенные элементы
стали применяться в самолетостроении еще в 1945 г. За про-
шедшее время значение этого вида соединений существенно воз-
росло. Расширяются не только объемы использования, но и тем-
пературные интервалы, в которых эти соединения эксплуати-
руются. В современных условиях они находятся в пределах от
—253 до +260 °C.
Ниже приведены сравнения преимуществ и недостатков механических и адге-
зионных (клеевых) соединений композиционных материалов:
1. После однократной нагрузки адгезионные соединения имеют меньшие
остаточные деформации, чем аналогичные механические соединения.
2. Адгезионные соединения являются меньшими концентраторами напря-
жений, чем механические. В соответствии с этим возрастает предел прочности
при статическом нагружении.
3. По сравнению с механическими соединениями экономится до 25 % массы
вторичных структур (несущих элементов) и от 5 до 10 % массы первичных струк-
тур (несущих элементов конструкций) (данные по самолету F-27).
4. Адгезионные соединения могут быть спроектированы так, что будут иметь
гладкую внешнюю поверхность и обладать минимальной возможностью для рас-
пространения трещин.
5. Могут быть легко соединены большие площади, причем стоимость такого
соединения будет существенно ниже, чем механического.
6. С помощью адгезионных соединений могут быть объединены различные
материалы, в том числе и с неодинаковыми коррозионными свойствами. Однако
при проектировании таких соединений должны учитываться термодеформациои-
ные свойства исходных композитов.
К недостаткам адгезионных соединений нужно отнести:
1. Сопротивление ползучести при повышении температуры невелико для
большинства типов адгезивов.
2. Конструкции с адгезионными соединениями должны обеспечивать мини-
мальные раздирающие напряжения (не должны «работать на раздир»).
3. Для адгезионных соединений затруднен неразрушающий контроль их
качества.
4. После отверждения связующего соединение становится постоянным.
Этот вид соединения не может быть использован для разъемных конструкций.
5. Эффективность полученных связей зависит от точности взаимного рас-
положения деталей (аналогично сварке).
6. Надежность и долговечность адгезионного соединения определяются уско-
ренными лабораторными методами, стоимость которых весьма высока.
391
22.3.2. Конструкция соединений
22.3.2.1. Основные положения
Даже в изотропных металлических структурах узлов самоле-
тов редко возникают однородные поля механических напряжений.
В композиционных материалах за счет анизотропности структуры
материала поля напряжений всегда анизотропны. Адгезионные
соединения, таким образом, находятся в области несимметричных
напряжений. Напряжения в адгезионных соединениях возникают
уже во время процесса отверждения связующего при повышенной
температуре. При определении геометрии соединения композитов
адгезионным методом необходимо учитывать максимальные коле-
бания напряжений, скорость изменения напряжения, необходи-
мую размеростабильность соединения.
Чаще всего используются «неупругие» типы адгезивов, т. е.
такие, у которых существует нелинейная зависимость соотноше-
ний напряжение — деформация. Используя материалы с высо-
кой сдвиговой прочностью и не очень высоким модулем сдвига,
можно создать соединения композитов, не слишком чувствитель-
ные к концентраторам напряжений. С другой стороны, такой тип
адгезивов за счет высоких прочностей может существенно увели-
Рнс. 22.7. Виды соединений:
а •— в ус; б — иахлесточиое со скосом; в «—
простое иахлесточиое; г — двойное нахле-
сточное; д модифицированное нахлесточ-
ное
392
чить абсолютное значение на-
пряжений в соединении.
Большинство существующих
методов анализа соединений
композиционных материалов
базируется на предположении
об упругом поведении компо-
нентов. Следовательно, учет
анизотропии, изменения свойств
материалов во времени и учет
неупругих эффектов являются
дополнительными факторами,
повышающими надежность сое-
динений.
22.3.3. Геометрия соединений
Классическими для соеди-
нений адгезионного типа яв-
ляются следующие: соединения,
на ус, нахлесточное со скосом,
простое нахлесточное и моди-
фицированное нахлесточное. На
рис. 22.7 [4] схематично изо-
бражены эти виды соединений.
Каждый из типов соединений
Рис. 22.8. Эпюры напряжений в типичном соединении панелей из компози-
ционного материала:
а — иеиагружеиная панель; б — действие сдвиговых нагрузок; в — утрированная кар-
тина деформации; А — место адгезионного (клеевого) соединения; Б — распределение
сдвиговых напряжений в склейке, когда сдвиговое усилие прилагается ие к стрингеру
имеет свои преимущества в зависимости от характера
и направления приложения нагрузок. На рис. 22.8 [4] представ-
лена система сдвиговых нагрузок на типичную панель, применяе-
мую в самолетостроении. Соединение, которое прекрасно выдер-
живает нагрузки при сжатии, может плохо работать на растяже-
ние или смятие. На рис. 22.9—22.12 [5] представлены некоторые
типы соединений и показаны их различия как концентраторов
напряжений. Представленные схемы являются ориентировочными.
Поэтому для применения в конкретных конструкциях каждый из
вариантов соединения должен быть проверен дополнительными
механическими испытаниями.
Типичное распределение напряжений в структурах адгезионно
связанных композиционных материалов представлено на рис. 22.13.
Как показано на рис. 22.14 [6], для простого нахлесточного
соединения с увеличением длины перекрытия удерживающее
удельное усилие возрастает пропорционально ширине, а сдвиго-
вые напряжения в адгезионном слое остаются постоянными или
даже падают. Испытания, проведенные для различных адгезивов,
показывают, что материалы с низким модулем (податливые свя-
зующие) обладают большим сопротивлением сдвиговым напря-
жениям с ростом длины перекрытия.
Для соединений композиционных материалов в конструкции
В основном используются соединения внахлест (простые или двой-
ные). Скошенные соединения несколько эффективнее, но они либо
Малотехнологичны, либо дороги в производстве. Обычно они
393
Схема соединения Соотношение элементов Концентрация напряжений лов действием
F< Fi м
Ei=C2 И М Б
Е<>Е2 Б Б Б
^ = е2 Б Б Б
£1>Ег Б Б Б
41 41 И Л Ма 4? Б С Б
E^i - E2t2 Б М С
Е1 = Е2 С М Б
Е1>Ег Б М Б
Рис. 22.9. Поведение соосных плоских соединений под нагрузкой.
Обозначения концентрации напряжений; Б — большая; М — малая; С — средняя
используются в ремонтных работах. Однако адгезионные соедине-
ния, даже самые простые в изготовлении, не используются для
основных несущих конструкций.
22.3.4. Линейные дифференциальные напряжения
в соединениях (термические напряжения)
Повышенная температура эксплуатации деталей, содержащих
соединения, приводит к возрастанию термических напряжений,
особенно если коэффициенты линейного расширения отдельных
элементов не совпадают. Кроме того, напряжения вырастают
еще и потому, что линейные коэффициенты термического расши-
рения адгезионного слоя не совпадают со значениями того же
параметра соединяемых элементов. Особенно значительны эти
различия, если одним из элементов соединения является металл.
Так как структурные элементы конструкции должны работать
394
Схема соединения Соотношение элементов Концентрация напряжений под действием
Fi f2 м
= Е2 б б б
Б 6 Б
-Р1 II Б 6 Б
С С Б
Б Б С
С С С
Е-, = Ег В М Б
E-t> Ег Б И Б
Е^ = Е2 С м Б
Е1>Ех С м Б
Рис. 22.10. Поведение асимметричных нахлесточных соединений под нагрузкой
(обозначении — см. подпись к рис. 22.9)
в широком диапазоне температур, существование температурных
напряжений должно обязательно учитываться. Типичные гра-
диенты напряжений для различных термодеформационных харак-
теристик показаны на рис. 22.15 [6]. Аналитическая оценка сред-
них сдвиговых напряжений, возникающих в соединении, дается
выражением
_ АГ— АГ2а2
Т° " (1/£х) + (1/£г) ’
где т0 — среднее сдвиговое напряжение; Ег, Ег — модули упру-
гости соединяемых структур; 04, а2 — коэффициенты линейного
расширения тех же структур; ATj, &Tt — различия температур
элементов соединения и температуры отвержденного адгезива.
395
Схема соединения
Жесткость подложен Концентрация напряжений под действием
F-, ^2 дг>£1 М
1 II М м И М И
Б Б м Б Б
Б Б Б М Б
^1^1 _ ^2^2 *1 " d2 Б Б М И Б
^2^2 di di Б Б Б И Б
d, d2 Б Б М Б Б
. ^2 ^2 d1 d2 Б Б М И И
Eftf t2 di d2 Б М Б м Б
^2 ^2 d-i d2 Б М И Б Б
d, d2 Б М М М Б
£,ti , ^2 di d2 Б м Б М Б
£fti £2*2 di d2 Б м М М Б
Рис. 22.11. Поведение трубчатых соединений под нагрузкой (обозначения —
см. подпись к рис. 22 9)
22.3.5. Характеристики ползучести
Изменение параметров соединений и их разрушения за счет
ползучести требует отдельного обсуждения. В соединениях адге-
зионного типа ползучесть является функцией температуры и
времени приложения нагрузки. Кроме того, вклад в ползучесть
вносят конфигурация соединения, уровень напряжений, тип
адгезива, ориентация соединяемых композиционных материалов.
Под ползучестью понимают обычно изменение деформации об-
разца во времени при постоянной нагрузке. Различают три стадии
ползучести, которые показаны на рис. 22.16. Первая и вторая
стадии ползучести (начальная и постоянная степень ползучести)
должны особенно учитываться в конструкциях.
Основные типы ползучести адгезионных материалов приведены
ниже:
396
Угловые соединения
Рис. 22.12. Поведение угловых й тавровых соединений под нагрузкой. Обозна-
чения эффективности:
В — высокая; ВСН — высокая с накладкой; ВСУ — высокая с уголками; Н — низкая;
НБН — низкая без накладок; X — хорошая; ХБН — хорошая без накладок; ХБУ —
хорошая без уголков
1) хрупкие (с высоким сдвиговым модулем) адгезивы менее
ползучи, чем податливые связующие;
2) при уменьшении на 30 % напряжений или температуры про-
исходит возрастание длительности крипа для достижения того же
Уровня деформаций более чем в 500 раз;
3) скорость ползучести является экспонентой, аналогичной
экспоненте долговечности (скорость крипа равна , где А
Рис. 22.13. Пример распределе-
ния напряжений сдвига при ад-
гезионном нахлесточном соеди-
нении длиной А (область под
кривой — грузонесущая спо-
собность адгезива):
Г — эластифицированный адгезив
(неэластичный с высоким сопроти-
влением сдвигу низкомодульный
адгезив); 2 — стандартное распре-
деление сдвиговых напряжений для
нормального адгезива; 3 — опти-
мальная кривая распределения
сдвиговых напряжений
397
Рис. 22.14. Влияние длины склейки иа прочность в плоских нахлесточных со ед и*
нениях (адгезив Redux'):
а — со скосом кромок; б — с прямыми кромками; в — зависимость удельной (иа 1 мм
ширины) прочности F от длины нахлестки L: 1 — теоретическая кривая; 2 и 3 — кривые
соединений соответственно со скосом н без скоса кромок
5)
Рис. 22.15. Эпюры напряжений,
возникающих из-за различия тем-
пературных коэффициентов линей-
ного расширения элементов соеди-
нения:
а — расширение одного элемента от-
носительно другого; б — одновремен-
ное расширение обоих элементов; 1 —
параболическая форма торцов в ре-
зультате нагрева; 2 — градиент на-
пряжений
Рис. 22.16. Типичные кривые зави-
симости деформации ползучести е
от времени i при скорости ползуче-
сти Ae/At
/, II, III — стадии ползучести; 1 —
пластичные материалы; 2 — хрупкие
материалы; М Р — момент разрушения
398
и Q постоянные, зависящие от уровня напряжений и свойств
материала; — газовая постоянная; Т — температура соеди-
нения).
22.3.6. Усталостные свойства
Усталостные свойства адгезионных соединений композицион-
ных материалов определяются в основном свойствами адгезива.
Предел долговечности при усталостных нагрузках симметричных
адгезионных соединений выше, чем несимметричных (типа про-
Рис. 22.17. Типичные кривые сопротивления усталости для соединений адге-
Знойного типа элементов конструкций из металлов:
о — зависимость максимального растягивающего напряжения атах от числа циклов до
Разрушения б — R = атщ/атпах’ — адгезионные нахлесточные соединения; 2
алюминиевый сплав 2024-ТЗ CLAD, толщина 2,3 мм, R = 0,02; 3 — сплав 2024-ТЗ,
Толщина 2,3 мм, R = 0, Ki = 1,5; 4 — сплав 2024- ТЗ CLAD, L/ f = 30; 5 — пластина
с отверстием диаметром 9,5 мм из сплава 2024-ГЗ CLAD, R = 0; б — адгезионное нахле-
сточное соединение элементов из сплава 2024-ТЗ CLAD, L/t= 30
Рис. 22.18. Влияние длины перекрытия L (а) в адгезионных нахлесточных соеди-
нениях и числа циклов до разрушения N (б) на сопротивление усталости (макси-
мальное растягивающее напряжение в металле атах). Данные испытаний при
Комнатной температуре приведены для алюминиевого сплава 2024-ТЗ CLAD прн
Я = 0,02, Lit = 30 и толщине 0,81 и 1,63 мм (а) и 1,63 мм (б)
399
Рис. 22.19. Типичная усталостная
зависимость максимального напря-
жения в металле агаах от числа цик-
лов до разрушения N клепаных (У,
3) и клеевых (2, 4) нахлесточных со-
единений образцов из алюминиевых
сплавов 2024 (/, 2) и 7075 (3, 4) тол-
щиной 0,8 мм. Применено два ряда
заклепок диаметром 3 мм с шагом
19 мм. Длина нахлесточного пере-
крытия клеевого соединения 19 мм
Рис. 22.20. Образцы для усталостных испытаний клеевых и клепаных соеди-
нений:
1 — стрингер; 2 — типичное место локализации разрушения при многоцикловых нагруз-
ках; 3 — четырехслойиый образец, склеенный из алюминиевых пластин сплава 7075-76
CLAD и материала F.M-47; — растягивающая нагрузка, приложенная к клеевому или
клепаному соединению стрингера с пластиной обшивки; F — сжимающая нагрузка
Рис. 22.21. Усталостные свойства
клеевых и клепаных конструкций
при воздействии нагрузок со звуко-
вой частотой интенсивностью 117 s и
продолжительностью t:
1 — сандвичевые конструкции с сото-
вым заполнителем; 2 — адгезионные
(клеевые) соединения стрингера с пла-
стиной обшивки; 3 — клепаные соеди-
нения
400
стого нахлеста)’. Основные характеристики усталостных свойств
адгезионно связанных соединений приведены ниже:
1) усталостные свойства повышаются с увеличением длины
перекрытия нахлесточного соединения;
2) усталостные свойства адгезива падают с ростом толщины
склеиваемых элементов;
3) изучение усталостных свойств различных соединений адге-
зионного типа показывает, что для некоторых видов связующих
с повышением температуры эти свойства растут, а для некоторых
связующих усталостные свойства снижаются с повышением тем-
пературы.
Усталостные свойства соединений адгезионного типа приве-
дены на рис. 22.17 и 22.18 [6]. Графики построены для соединений
алюминиевых пластин (сплав 2024-ТЗ). Аналогично могут быть
получены данные для композиционных материалов. Усталостные
кривые для образцов адгезионных соединений стеклопластиков
с эпоксидным связующим, выполненных простым нахлестом,
лежат между усталостной кривой для исходного металла и уста-
лостной кривой образца металла с отверстием (аналогично тем,
которые используются для заклепочных соединений). Усталост-
ные свойства соединений борно- и углеродно-эпоксидных компо-
зиционных материалов (адгезив также эпоксидный) существенно
выше, чем аналогичные для металлов. На рис. 22.19 [6] приведены
усталостные кривые для адгезионных соединений по сравнению
с заклепочными для материалов на основе алюминиевых сплавов
2024 и 2025.
Усталостные испытания образцов адгезионных соединений
плоских пластин стрингеров (низкие уровни нагрузок) по сравне-
нию с данными аналогичных испытаний для заклепочных соеди-
нений приведены на рис. 22.20.
Из графиков видно следующее:
растягивающие нагрузки при усталостных испытаниях ока-
зались идентичными, но разрушений по адгезионному слою не
наблюдалось;
при приложении циклической сжимающей нагрузки адгези-
онно соединенные образцы имели на 25 % большую стойкость.
Особенно большие преимущества дает адгезионное соединение
при испытаниях на многоцикловую усталость на звуковых ча-
стотах. Типичное возрастание свойств соединений показано на
рис. 22.21 [7].
• 22.3.7. Типы адгезивов
В основном для связующих, играющих роль адгезивов при
соединении композитов, используются термореактивные связую-
щие. Отверждаясь, эти связующие образуют на молекулярном
Уровне трехмерную сетку. После отверждения адгезивы такого
типа обладают электроизоляционными свойствами и не имеют ста-
401
22.6. Промышленные адгезивы
Термореактивные адгезивы . Термопластичные адгезивы
Эпоксидные Акриловые
Эпихлоргидрин-бисфенол А Циклоалифатические Эпоксиноволачные Эпоксинитр ильные Эпоксифенольные Эпоксиполиамидные Эпоксиполису льфидные Метилметакрилат Целлюлозные Ацетат целлюлозы Ацетат-бутират целлюлозы Нитрат целлюлозы
Фенольные Этилцеллюлоза
Ф енолформаль дег идные В инилфенольные Нитрилфенольные Пол иамидфенольные Меламинфенольные Сульфоновые Полнсульфоновы е Пол иэфирсульфо новые Пол иарилсульфоновые
Силиконовые Виниловые
Диметилдихлорсилановые Фенилсиликоновые Силиконалкидные Силиконэпоксидные Силиконовые эластомеры (RTV) Ацеталь Ацетат Поливиниловый спирт Хлорид-ацетат ч Резиноподобные "
Полиимидные
Диангидрид-диамин (PI) Полибензимидазол (ПБИА) Амидимидные Содержащие имидные группы Каучуки: натуральный очищенный бутилкаучук бутадиеннитрильиый бутадиенстирольный пол ису льфндный Неорганические Неорганические связующие . й Силикат натрия « Оксихлорид магния Цемент Гипс 5 Г Натуральные Асфальт Живица (канифоль) Казеиновый клей
402
дии плавления. Термореактивные связующие могут быть разде-
лены на пять основных классов: полиэфиры, эпоксидные и феноль-
ные смолы, полиимиды и силиконы. В самолетостроении для об-
разования конструкционных соединений структур наиболее часто
применяются связующие эпоксидного типа. Однако смеси из
других связующих, перечисленных выше, также могут использо-
ваться в качестве адгезива. Часто создаются компаунды из раз-
личных связующих для достижения требуемого эффекта, с исполь-
зованием преимуществ каждого вида адгезива. Сдвиговый модуль
адгезива является основной характеристикой его пригодности.
Среди термопластичных связующих, используемых в соединениях
в качестве адгезивов, необходимо отметить синтетические свя-
зующие: нитрилсодержащие, полиамидные (найлон) и различные
поливинильные связующие. Такие смеси адгезивов являются
материалами, которые легко смешиваются и вступают в реакцию
в процессе отверждения, образуя химически инертный твердый
материал.
В табл. 22.6 приведен перечень различных типов промышлен-
ных адгезивов.
22.3.8. Характеристики термореактивных адгезивов
Основные свойства термореактивных связующих и их смесей
приведены в табл. 22.7.
Конструкционные адгезивы, использующиеся в самолетострое-
нии, имеют одну из двух основных форм. Чаще всего связующие,
на которые будет приходиться большая нагрузка, используются
в полуотвержденном состоянии (стадия В) в виде препрега. В этом
случае связующее с нанесенным отвердителем наносится отлив-
кой или экструдированием на несущую ткань или разделительную
пленку и переносится на материалы, подлежащие склеиванию.
Отвержденное до стадии В связующее не теряет своих свойств при.
длительном хранении при температуре 4,4 °C. При использовании
таких адгезивов реакция отверждения происходит при прессова-
нии в условиях повышенной температуры. Адгезивы этого типа
имеют высокую текучесть на ранних стадиях отверждения, в даль-
нейшем становятся нерастворимыми и не имеющими стадии
плавления.
Во второй форме связующие используются в виде тиксотроп-
ных паст. Это чаще всего всякие жидкости, представляющие из
себя одно- или двухкомпонентные системы. Такой вид адгезивов
используется, если есть необходимость соединять вертикальные
элементы, когда потеря связующего должна быть сведена к мини-
муму. Адгезивы этого типа наиболее широко используются при
создании вторичных конструкций, когда применение внешнэго
Давления для улучшения контакта невозможно или прижатие
соединяемых частей не может быть проконтролировано. Одно-
403
22.7. Характеристики термореактивиых адгезивов
Группы связующего Недостатки Преимущества Область приме- нения
Полиэфиры Значительная усад- ка, хрупкость при ударе, низкая теп- лостойкость Достаточно высокая прочность, низкая вязкость, низкая температура отвер- ждения, хорошие электрические свой- ства Для ремонтов; со- вместимы со взрыв- чатыми вещества- ми; для обтекате- лей
Эпоксидные Высокая жесткость, низкая теплостой- кость, токсичность Высокие механиче- ские свойства, ма- лая усадка, низкая температура отвер- ждения, неплохие электрические свой- ства Адгезивы для ме- таллических соеди- нений; обтекатели, детали самолетов
Резольиые Необходимость рас- творителей, высокая температура отвер- ждения, плохие электрические свой- ства, возможна кор- розия Высокая теплостой- кость, иетоксич- ность, низкий тем- пературный коэффи- циент линейного расширения Для склейки высо- котемпературной керамики
Каучу ко- фенолы Наличие раствори- телей, высокая тем- пература отвержде- ния, плохие элек- трические свойства Умеренные проч- ность и сопротивле- ние отрыву Соединение метал- лических деталей, подверженных ударным нагруз- кам
Эпоксифе- нольиые Жесткость, высокая температура отвер- ждения, плохие электрические свой- ства Высокая теплостой- кость, достаточно высокая прочность, хорошая прочность при криогенных температурах Соединение дета- лей в самолето- строении, работа- ющих в условиях низких темпера- тур
Силиконо- вые Низкая прочность, необходимость в растворителях Предельно высокая теплостойкость, хо- рошее сопротивле- ние электрической дуге Высокотемпера- турные соедине- ния силиконом или сополимерами
Полиимиды Жесткие, обладают высокой температу- рой отверждения, подвержены корро- зии Предельно высокая теплостойкость, хо- рошие электриче- ские свойства Высокотемпера- турные соединения металлических де- талей в самолето- строении
404
компонентные адгезионные системы этого типа требуют повышен-
ных температур, вто время как двух компонентные системы могут
отверждаться при комнатной температуре.
22.3.9. Адгезивы эпоксидного типа
Эпоксидные смолы и модифицированные эпоксидные связую-
щие наиболее часто используются для соединений структур из
композиционных материалов. Этот тип связующих является наи-
более пригодным и адаптивным к конструкционным требованиям
при соединении как композиционных материалов, так и металли-
ческих структур. Эпоксидные связующие наиболее просты в пере-
работке, имеют очень малую усадку при отверждении, обладают
прекрасной смачиваемостью по отношению почти ко всем мате-
риалам. Основное их достоинство — высокая несущая способ-
ность. Рекомендуемая толщина клеящего слоя составляет 0,1 ...
0,2 мм — для обеспечения максимальной эффективности соедине-
ния. Могут, однако, использоваться и соединения толщиной
3,2 мм. Адгезивы на основе эпоксидных связующих имеют хорошие
эксплуатационные свойства при низких температурах. При тем-
пературах выше 176 °C начинается резкое падение прочностных
свойств этих материалов. Максимальной теплостойкостью обла-
дают эпоксифенольные связующие, имеющие температуру эксплуа-
тации ~204 °C или температуру выше 127 °C, если связующее
содержит влагу (~2 %).
Чтобы повысить температурную стабильность эпоксидов и
увеличить их сопротивление отрыву, проводят модификацию
эпоксидных связующих. Эти адгезивы могут существовать как
в виде жидких связующих, так и в виде препрегов и имеют сле-
дующую классификацию:
Связующее 7*отв. max* °с тСд при растяжении прн Тк (металл — металл, перекрытие 12,7 мм), МПа Прочность на отрыв при Тк (металл—металл), Н
Эпоксидное 149 24,1 13,3
Эпоксииейлоновое 93 44,8 666,0
Эпоксинитрильное 121 27,6 133,2
Эпоксиноволачное 176 26,2 88,8
Эпоксифенольное 204 20,7 44,4
22.3.10. Возможности адгезивов
Определить абсолютные механические свойства адгезионных
соединений для элементов из композиционных материалов или
из металлов весьма сложно, так как они меняются в зависимости
°т типа композиционного материала, ориентации его структуры,
405
22.8. Физико-механические свойства соединений слоистых эпоксистеклопластиков
Адгезив Стандарт Поставщик Цвет после от- верждения Химическая основа Темпера- тура/давле- нне при отвержде- нии. °С/кПа 7»ко> Стойкость к воз- действию тсд mtn ПРН Рас" тяжеиии образцов <з нахлесткой 12,7 мм, МПа, прн Св к 3 И К Я R е? Прочность на отрыв, Н (металл» металл) Характеристика я применение
Марка Тип —54 °C 71 °с 121 °C
““ BR 93fA ТП M1L-A-5090 АЦ СЖ Эпоксидная 93/прижим Ероп 934 ТП » «Декстер» Се » 93/прижим ЕС 1933 ТП » ЗМ Се » 65/69 ЕС 2186 ТП » ЗМ СК » 176/69 М-97 ПСП » АЦ Кр » (93—176)/345 AF ПО ПСП » ЗМ Бе » 176/69 AF111 ПСП » ЗМ ПБ Эпокси- 12/69 иитрильиая FM 1000 ПСП » АЦ Бе Эпокси- 176/17^И иайлоновая НТ 424 ПСП » АЦ Се Эпоксифе- 176/27б^И иольиая —100/200 СВР 8,9 8,3 7,6 4,0 1722 13 Для соединения неметал- лических деталей, элемен- тов сандвичевых кон- струкций с пенопласто- вым заполнителем —320/350 СВР 11,0 8,3 8.3 5,9 1722 13 Для соединения металли- ческих деталей, имеет вы- сокую прочность при по- вышенной температуре, малую ползучесть и вы- сокую стойкость к излу- , чению —85/200 СВР 10,3 7,6 9,3 3,7 1550 1313 Для получения монолит- ных соединений, когда необходима низкая ди- электрическая проницае- мость материала —67/700 СВР 8,3 8,3 8,3 4,5 1378 155 Для получения монолит- ных соединений, когда ме- сто соединения не может быть проконтролировано. Обладает высокой удар- ной и изгибной проч- ностью —100/300 СВР 12,4 9,7 12,4 8,3 2411 89 Для соединения моноли- тов и сандвичевых струк- тур, используемых во вра- щающихся обтекателях антенн —67/200 СВР 10,0 9,3 10,0 2,4 1722 111 Для склеивания монолит- ных и сандвичевых кон- струкций самолета ЕА16А —67/250 СВР 11,0 9,0 11,0 4,1 1378 133 Для склеивания монолит- ных и сандвичевых струк- тур в хвостовом оперении самолета Е-2А —423/200 JP-4, 13,8 11,7 9,7 2,8 345 666 Для монолитных и сандви- Сл, чевых соединений. Обла- ГЖ дает высокими: ударной прочностью, прочностью на отрыв и выносливостью —423/500 СВР 11,0 11,0 11,0 8,3 3450 666 Для монолитных и санд- вичевых соединений; имеет высокую теплостой- кость. Не применяется в электронной промышлен- — ности
406
407
Адгезив Стандарт Поставщик Цвет после от- верждения Химическая основа Темпера- тура/давле- ине при отверждении. °С/кПа
Марка Тип
FM 123 ПСП МММ-А-132 АЦ, «Цела- Ян Эпокси- 121/276
AF 126 __ __ нез» «Нармко», Го нитрильная
AF 40 ПБП MIL-A-5090 ЗМ ЗМ Ро Эпоксипо- 176/345
Mett bond ПСП » «Целанез», Ко Се лиамидная Эпоксино- 176/172
329 «Нармко» волачная
Замечания: 1. Усталостные свойства соединения должны обеспечи
при уровне R = 0,1 (минимальное напряжение/максимальное напряжение цикла).
2. Соединения, где эпоксиламинат Styll-181 толщиной 1,5 мм имеет межслое
3. В соответствии с MIL-A-5090 температурные испытания проводились после
4. Растяжение образцов, склеенных внахлестку, для проведения испытаний
5. Модуль сдвига оценивался по значениям модуля упругости при растяже
6. Данные, приведенные для соединений стеклопластик — эпоксистекло
эпоксидная смола — металл при комнатной температуре. При других темпера
Сокращения: АЦ — фирма «Американ цианомайд»; Бе — белый;
кремовый, ПБ — полупрозрачный белый, ПБП — пленка без подложки; ПСП —
(СБ), влаги и рабочих жидкостей гидросистем; Се — серый; СЖ— светло-жеЛ
янтарный.
22.9. Типичные данные по зависимости сдвиговой прочности
при растяжении от длины нахлестки, соединений
стеклопластик — стеклопластик с эпоксидным связующим
Тип соединения тсд, МПа, при Тк и длине нахлестки, мм
12,7 25,2 50,8 76,2 101,6
Простое нахлесточное 10,4 6,9 6,2 4,5 3,8 Двойное нахлесточное 13,8 11,0 4,1 3,1 —
408
Продолжение табл. 22.8
Такс °C Стойкость к воз- действию тсд min ПРИ Рас- тяженни образцов с нахлесткой 12,7 мм, МПа, при Сед прн Тк, МП» Прочность на отрыв, Н (металл— металл) Характеристика я примеиеиие
и о to 1 и о 121 °C
—67/250 СВГ 13,8 10,3 13,8 5,9 1206 222 Для монолитных соеди- нений; стоек к ползучести
—67/200 СБ, JP-4, Сл 13,7 10,3 6,9 2,8 345 333 Для монолитных соедине- ний; обеспечивает высокие прочности при ударе и
—67/350 СБ, JP-4, гж 11,0 8,3 11,0 9,7 2411 89 отрыве Для монолитных и саид- вичевых соединений; хо- рошо сопротивляется пол- зучести
вать 30 ... 35 %-ное сохранение свойств после 10е циклов нагрузка—разгрузка
вую сдвиговую прочность тсд = 30 МПа для ПСП н 19 м для ПБП.
Десятиминутного прогрева образца.
на сдвиговую прочность проводилось со скоростью ~8,3 МПа/мии.
нии образца с учетом коэффициента Пуассона.
пластик — эпоксидная смола, пригодны для оценки соединений стеклопластик —
турах значения должны быть уменьшены на 25 %.
ПК — рабочая жидкость гидросистем; Го — голубой; Ко — коричневый; Кр —
пленка с подложкой; Ро — розовый; СВГ — стоек к воздействию соленых брызг
тый; СК — светло-кремовый, Сл — «скидрол»; ТП — тиксотропная паста; Яи —
условий получения и самого процесса изготовления соединений.
Поэтому сведения о прочностных свойствах соединений, пред-
ставленные в табл. 22.8, носят не справочный, а иллюстративный
характер. Истинная прочность может быть определена для пер-
вичных конструкционных структур в соответствии со специаль-
ными программами испытаний и с учетом условий получения ма-
териала. В табл. 22.9 приведены данные по зависимости предела
прочности сдвига при растяжении соединений от эффективной
Длины перекрытия в нахлесточных соединениях. Эти данные ти-
пичны для жидких эпоксидных адгезивов.
409
22.4. Механическая обработка композиционных
материалов
У. Марко
22.4.1. Основные положения
Механическая обработка композиционных материалов осно-
вывается на применении четырех типов операций:
1) раскрой неотвержденных препрегов;
2) сверление отвержденных препрегов;
3) обрезка или профилирование отвержденных композитов;
4) отделка отвержденных композитов.
В зависимости от вида композиционного материала выбирается
тот или иной специфический метод его механической обработки.
Композиты с термопластичной или термореактивной матрицей,
с металлической матрицей, армированные короткими или непре-
рывными волокнами, с органическим, неорганическим или ме-
таллическим армирующим компонентом требуют различных ме-
тодов обработки. Нами рассматриваются три основных категории
материалов: термопласты, реактопласты и высокомодульиые ком-
позиционные материалы — борио-, арамидио- и углеродио-эпок-
сидиые. Для всех процессов механической обработки, сопрово-
ждающихся образованием стружки (пыли), необходимо преду-
сматривать устройства ее отвода.
22.4.2. Раскрой (резка) неотвержденных препрегов
Основной техникой раскроя (резки) неотвержденных компо-
зиционных материалов является ручная резка с помощью твердо-
сплавных дисковых, обычных и механических ножниц. В рамках
современных технологий существует возможность улучшить этот
процесс. Процесс резки может осуществляться струей воды под
сверхвысоким давлением; это может быть также и лазерная резка.
Резка может быть заменена вырубкой заготовок. Каждый из
перечисленных методов имеет свои достоинства и ограничения
в применении. Использование того или иного способа резки дол-
жно диктоваться конкретным видом материала и требованиями
к образцам.
22.4.3. Резка струей воды
Этот способ осуществляется высокоскоростной струей воды
под давлением >408 МПа (скорость резания 7,6 м/мин) и пред-
назначен для резки разнонаправленных листовых композитов.
Резка может осуществляться как послойно, так и пластом или
пакетом. Преимуществами данного метода является то, что ис-
точник резки точечный, что операция обеспечивает чистый рез и,
410
наконец, то, что процесс может быть автоматизирован. Недостат-
ком процесса является то, что требуется двусторонний доступ
И заготовке и что его стоимость — высокая. Кроме того, при этом
виде резки генерируется очень сильный шум. Этот метод очень
хорошо применим для арамидных пластиков и плохо приспособ-
лен для резки борно-эпоксидных материалов.
22.4.4. Лазерная резка
Лазерное оборудование для резки является универсальным
для всех видов неотвержденных композиционных материалов и
не зависит от их жесткости, твердости, абразивности. Обычно
для резки применяют лазерные системы мощностью 250 ... 500 Вт
со скоростью 7,6 ... 15,2 м/мин. Различные виды лазерных уста-
новок для резки позволяют осуществить эту операцию в различных
направлениях, в том числе и проводить ее автоматически по опре-
деленной программе. Резка осуществляется с одной стороны ма-
териала. К недостаткам следует отнести термическое повреждение
материала (оплавление кромок), высокие капитальные затраты
и падение скорости резки с ростом числа слоев.
22.4.5. Возвратно-поступательная механическая резка
Эта технология привнесена в область использования компози-
ционных материалов из швейного производства. Возвратио-по-
ступательиая резка предполагает доступ к материалу только
с одной стороны и исключает тепловое повреждение краев компо-
зита. Ножи для данного типа резки очень чувствительны ,к аб-
разивному износу и, следовательно, непригодны для резки борно-
эпоксидиых материалов. Целый ряд других видов композитов
может быть подвергнут резке со скоростью 15,2 ... 22,9 м/мии.
Ограничения иа данный технологический процесс: большие ка-
питаловложения и необходимость использования специальных
материалов, закрывающих препрег от отходов резки.
22.4.6. Вырубка с помощью ножевого штампа
Это быстрый способ обрезки наружной краевой части сразу
всей заготовки, состоящей из одного или нескольких слоев ма-
териала. По этому способу ножевой штамп располагают над пли-
той из мягкой стали.Вырубка производится при ходе пресса вниз.
Закаленный стальной резак, используемый для вырубки, имеет
конфигурацию детали и заточен с одной стороны. Ограничения
в использовании этого процесса связаны с необходимостью нали-
чия, хранения и переналадки ножевых штампов.
411
22.4.7. Механическая обработка композитов на основе
реактопластов
Техника механической обработки композитов на основе тер-
мореактивных смол, таких как стеклонаполненные слоистые пла-
стики, была тщательно изучена и разработана. Стандартное обору-
дование, применяемое для обработки металла и дерева, может
быть использовано с модификацией, проводимой, чтобы увели-
чить частоту вращения шпинделя и снизить подачу. В силу того,
что обычные режущие инструменты по своей малой стойкости
пригодны только для мелкосерийного производства, в настоя-
щее время используется твердосплавный и алмазный инструмент.
Инструменты, используемые для таких композитов, должны быть
острыми не только для получения чистых резов, но и для сниже-
ния возможности расслаивания.
В случае механической обработки необходимо следовать при-
веденным ниже рекомендациям:
избегать нагрева материала заготовки;
свести до минимума расслоение материала в процессе резания;
затачивать режущий инструмент, как для обработки латуни;
использовать сверла, разработанные для слоистых пластиков
(с малым углом наклона винтовой канавки, полированные ка-
навки на сверле, с подточкой поперечной кромки);
применять малую подачу;
использовать малое усилие подачи сверла;
контролировать стойкость сверл (заменять при затуплении).
22.4.8. Сверление и фрезерование пальцевыми фрезами
В основном сверление и фрезерование пальцевыми фрезами
выполняются без СОЖ, хотя лучшая чистота обработки дости-
гается в случае свободной подачи СОЖ (поливом) или при об-
дуве сжатым воздухом. В силу того, что большинство слоистых
реактопластов имеет тенденцию к усадке после механической об-
работки, для достижения большей размерной точности деталей
следует предусматривать некоторый размерный припуск в случае
сверления или фрезерования. Когда это удобно, следует исполь-
зовать зажимные приспособления при сверлении и фрезерова-
нии, причем приспособления должны быть разработаны таким об-
разом, чтобы можно было избежать разрушения при прохождении
нижнего слоя и при выводе инструмента из верхнего слоя изде-
лия. В случае большой глубины сверло следует выводить из от-
верстия несколько раз. Следует избегать сверления и фрезерова-
ния вдоль слоев материала (параллельно слоям), так как это часто
приводит к его расслоению. Если, однако, в этом есть необходи-
мость, следует максимально увеличить угол при вершине и пол-
ностью зажать деталь. Для этой цели можно использовать нор-
мальные спиральные сверла и стандартные фрезы. Рекомендуется
412
также использовать сверла с высоким углом подъема винтовой
линии и широкими полированными канавками. В серийном про-
изводстве необходимо использовать твердосплавные и алмазные
сверла и фрезы. Сверла должны быть острыми и при этом следует
использовать такие методы, которые позволяют быстро удалять
стружку при минимальном нагреве заготовки. Скорость сверления
при малом усилии подачи колеблется в пределах 61 ... 122 м/мин.
Слоистые пластики весьма эффективно сверлят и фрезеруют без
СОЖ, хотя удаление пыли и отвод теплоты и хорошую чистоту
поверхности удается обеспечивать с помощью СОЖ и сжатого
воздуха.
22.4.9. Нарезание резьбы
Нарезание резьбы в слоистых пластиках на основе термореак-
тивных смол может быть выполнено стандартными метчиками
для обработки металла. В большинстве случаев отверстие, в ко-
тором должна быть нарезана резьба, имеет большую фаску до
наружного диаметра резьбы. Используемый метчик изготовляют
из быстрорежущей стали и хромируют. При нарезании резьбы
предпочтительно использовать воздушное охлаждение, причем
скорее используют резьбу крупного шага, чем мелкую. Как и
в случае обработки латуни, резьба в слоистом пластике должна
быть нарезана резцом на станке с помощью метчиков и винто-
резных головок.
Нарезание резьб резцом на станке обычно производится при
высоких скоростях с масляным охлаждением, при этом требуется
высокая квалификация рабочего. Как при машинной, так и при
ручной технологии нарезания резьб скорость резания 61 м/мин
является оптимальной. Метчики, используемые в крупносерийном
производстве, должны быть твердосплавными, если желательно
обеспечить длительный срок их эксплуатации.
22.4.10. Фрезерование
Слоистые пластики можно фрезеровать на обычных станках
с использованием отработанных методов, применяемых для об-
работки латуни. Для слоистых пластиков применяются обычные
зажимные приспособления, хотя при этом необходимо проявлять
особую заботу для предотвращения возможности расслоения в ходе
резания. Следует использовать фрезы из быстрорежущей стали,
а также твердосплавные и алмазные. Задний угол должен быть
7 ... 12° при острых режущих кромках. Скорость резания для
большинства слоистых пластиков должна составлять 180 ...
300 м/мин при подаче 0,05 ... 0,15 мм/об. Низкие скорости реза-
ния и подачи в этих диапазонах указаны для фрез из быстрорежу-
щей стали, а высокие — для твердосплавных и алмазных. Для
охлаждения предпочтительно использовать сжатый воздух или
туман СОЖ. Глубина резания не должна быть более 0,25 мм за
одни- проход.
413
22.4. 11. Токарная обработка
• р -»
Слоистые пластики можно легко обтачивать, растачивать,
торцевать, подрезать торцы у них и отрезать на обычных универ-
сальных токарных станках. Специальные зажимные устройства
требуются только в тех случаях, когда обрабатывают детали
нестандартной формы. Для токарной обработки следует исполь-
зовать резцы из быстрорежущей стали, а также твердосплавные
и алмазные. Режущие кромки резцов должны иметь малый радиус
закругления и быть хорошо доведены. Токарные резцы с за-
кругленной вершиной и малым задним углом используют в том
случае, когда необходима чистовая обработка поверхности, как
при полировании выглаживанием. Для обычного точения глав-
ный и вспомогательный задние углы резца должны быть такими,
как ’при обработке металла, или несколько больше. Скорость
резания может колебаться от 183 до 305 м/мин, но глубина реза-
ния должна быть малой, так же как и подача. Можно использо-
вать СОЖ, особенно при черновых проходах или при большой
подаче.
22.4.12. Шлифование
Слоистые пластики можно обрабатывать с жесткими допуска-
ми полированием шкуркой или шлифованием. Шлифовальные
станки ленточного или барабанного типа успешно используются
с применением шкурки зернистостью 30 ... 240. Для шлифования
рекомендуется использовать абразив на основе карбида кремния
в сочетании со связкой из синтетической смолы, хотя большинство
применяемых в промышленности абразивов также дает удовле-
творительный результат. Скорость шлифования обычно составляет
примерно 1220 м/мин. При крупной зернистости (до 80) процесс
проводят без СОЖ, а при мелкой — во влажных условиях, чтобы
предотвратить засаливание шкурки или выгорание связки. Про-
цесс шлифования абразивными кругами, подобно обработке шкур-
кой или ленточному шлифованию, широко используется при
бесцентровом шлифовании слоистых пластиков в форме труб и
стержней. Предпочтительно использовать крупнозернистый круг
с открытыми зернами с применением СОЖ для предотвращения его
засаливания.
22.4.13. Резка, вырубка и пробивка отверстий
Листы из слоистых пластиков толщиной менее 3,2 мм, исполь--
зуемые для полунесущих или ненесущих конструкций, можно
разрезать обычными механическими или гидравлическими нож-
ницами для листового металла. Во избежание возможности рас-
слоения кромки резку следует проводить при повышенной тем-
пературе.
Слоистые пластики можно вырубать в штампах или пробивать
дыры в них, используя те. же методы, что и. при металлообработке,'
414
исключая изготовление несущих конструкционных деталей. В сло-
истых стеклопластиках толщиной 3,2 мм и менее отверстия могут
пробиваться вхолодную в штампах при небольшом зазоре между
пуансоном и матрицей. Штамп изготовляют с применением твер-
дых сплавов в расчете на длительный срок службы; однако для
этой цели используют также углеродистые, хромистые и инстру-
ментальные стали.
22.4.14. Распиливание стеклопластиков
Слоистые стеклопластики с термореактивным связующим раз-
резают с помощью ленточных или дисковых пил. Необходимо пред-
принимать дополнительные меры предосторожности из-за низ-
кой теплопроводности материала и возможности его расслоения
в результате вибрации.
Материал является абразивным, и поэтому достаточно сложно
поддерживать необходимую остроту режущего инструмента.
Удовлетворительные методы, позволяющие преодолевать возни-
кающие проблемы, предполагают использование кондукторов и
зажимных приспособлений при окружной скорости дисковой пилы
2440 ... 3965 м/мин или ленточной пилы 610 ... 2440 м/мин. Пилы
изготовляют с применением хромистой стали и твердых сплавов.
Рекомендуются: мокрое резание, шахматное расположение зубьев
на ленточной пиле или использование дисковых (циркулярных)
пил, разработанных специально для слоистых пластиков.
22.4.15. Специальные виды механической обработки
Для композитов с термопластичной матрицей могут успешно
применяться такие специальные виды механической обработки,
как токарно-автоматные операции, нарезание наружной резьбы,
нарезание и шевингование зубчатых колес, строгание, разверты-
вание, вырубка и пробивание отверстий. Так как эти процессы
требуют для их реализации специального оборудования и инст-
румента, для них не существует единой стандартной технологии.
22.4.16. Отделка и полирование
Отделка композиционных материалов производится следую-
щими операциями: пескоструйная обработка, хонингование, при-
тирка, доводка и полирование. Пескоструйная технология осно-
вана на использовании песка либо абразивов из окиси алюминия
с зернистостью 980 ... 240 и струи воздуха под высоким давлением.
Пескоструйная обработка дает матовую поверхность и является
промежуточным этапом для дальнейшей обработки. Хонингование
Может быть сухим или влажным в зависимости от типа используе-
мого оборудования. Крупные и мелкие частицы абразива из окиси
алюминия используются в виде суспензии — взвеси в воде или
415
масле. Технология этого вида обработки зависит от конкретного
вида хонинговального станка. Обработка легко обеспечивает
шероховатость поверхности 0,8 мкм. Дальнейшая, более тонкая
обработка ведется методом доводки вручную или машинным спо-
собом. Собственно полирование накатанными и мягкими кругами
является окончательным процессом отделки, доводящим поверх-
ность до зеркального блеска. Мягкий полировальный круг со-
стоит из набора суконных дисков; абразивная пудра из окиси крем-
ния применяется без жировой связки. Круг вращается с малой
частотой и легким прижимом к заготовке.
22.4.17. Механическая обработка термопластов
Механическая обработка неармированных термопластов хо-
рошо изучена. Введение армирующей добавки (стекловолокна,
арамидного типа «Кевлар» или углеродного волокна) меняет
свойства материала. Хотя основные свойства композиционных
материалов при механической обработке остаются теми же, что
у ненаполненных термопластов, существуют все же особенности
процессов, которые необходимо знать и соблюдать:
обязательно использовать охлаждение, чтобы не допустить
плавления матрицы в заготовке;
производить обработку на очень высоких частотах вращения;
предусматривать гораздо большие задние углы при заточке
режущего инструмента;
работать с малыми глубиной резания и подачей;
в токарных резцах использовать большой передний угол,
обеспечивающий минимальную силу резания;
для сверления использовать спиральные сверла с малым
углом наклона винтовой канавки;
необходимо использовать твердосплавный режущий инстру-
мент или специальный инструмент, изготовленный из быстрорежу-
щей стали;
заготовка должна жестко крепиться, чтобы избежать упругих
деформаций под нажимом режущего инструмента;
температура помещения, в котором производится обработка и
хранение изделий из термопластов, выбирается с учетом того, что
они могут деформироваться, ухудшая точность обработки;
режущие кромки инструмента должны быть острыми, так как
тупой инструмент увеличивает усилия, приложенные к заготовке.
22.4.18. Распиливание термопластов
Главной особенностью этой технологической операции для
термопластов является необходимость использования интенсивного
охлаждения. Для самого процесса распиливания применяется
традиционное оборудование: ленточные и дисковые пилы. Можно
рекомендовать инструмент с зубьями из твердосплавных вставок.
Скорости резания составляют 610 ... 2020 м/мин.
416
22.4.19. Сверление
Сверление термопластов требует осторожности, чтобы избежать
забивания канавок стружкой и перегрева. Обычно сверление про-
изводится специальными спиральными сверлами с широкими
полированными канавками. Угол наклона винтовой канавки со-
ставляет 10 ... 50°, задний угол равен 9 ... 20° и угол при вершине
60 ... 120°. Поток воздуха или охлаждающая жидкость должны
свободно попадать в отверстие, что обеспечит необходимую точ-
ность, предотвратив перегрев заготовки. Частота вращения при
сверлении зависит не только от материала, но и от диаметра и глу-
бины отверстия. В основном для отверстий диаметром 12,7 мм
частота вращения составляет 900 мин-1. Могут использоваться
сверла из быстрорежущей стали, однако твердосплавный инстру-
мент может работать на высоких угловых скоростях и обеспечи-
вать получение гладких отверстий.
22.4.20. Нарезание резьбы
Как и в случае термореактивных композитов, отверстия дол-
жны иметь фаску для облегчения входа метчика и предотвращения
срыва нескольких первых ниток у резьбы. Резьба с закругленной
впадиной предпочтительнее, так как обладает минимальной кон-
центрацией напряжений. Резьба может быть нерезана как рез-
цом на токарном станке, так и с помощью метчиков и плашек.
Для получения качественных резьб используются метчики из
быстрорежущей стали, с прямыми канавками и слегка увеличен-
ного размера из-за упругой деформации КМ. Передний угол мет-
чика лежит между 10 и 15°, а задний угол приблизительно равен
5°. При использовании метчиков желательно применять охлажде-
ние потоком сжатого воздуха или СОЖ, которое уменьшает забива-
ние канавок и повышает скорость резания.
22.4.21. Фрезерование и токарная обработка термопластов
Стандартные металлорежущие фрезерные и токарные станки
могут использоваться и для механической обработки термопла-
стов. Для режущего инструмента предпочтительно использовать
быстрорежущие стали, твердые сплавы или алмазы. В зависимости
от типа материала заготовки и от вида обработки скорости реза-
ния лежат в пределах 9 ... 305 м/мин, а подачи — 130 ... 250 мм/мин.
Следует применять заданные приспособления, исключающие от-
гибание заготовки и ее вибрацию. Желателен небольшой радиус
закругления вершины резца или зубьев.
22.4.22. Шлифование термопластов
При обработке термопластов на обычном оборудовании проис-
ходит засаливание инструмента. Шлифование шкуркой произ-
водится мокрым способом в ленточном варианте и с помощью
14 П/р Дж. Любвиа 417
сухого или влажного абразивного диска при частоте вращения
3000 мин-1. Обычное шлифование выполняют абразивными кру-
гами, изготовленными из карбида кремния или окиси алюминия.
При этом виде обработки необходимо охлаждение струей СОЖ,
чтобы избежать оплавления заготовки. Круги зернистостью 30—
80 менее подвержены засаливанию.
22.4.23. Другие виды механической обработки
Композиционные материалы на основе термопластов могут
подвергаться вырубке, пробивке отверстий, термической резке,
обработке развертками, галтовке, хонингованию и полированию.
Вырубка чаще всего осуществляется с использованием стальных
ножевых штампов и вырубных прессов. Пробивка отверстий и
резка ножницами в холодном и нагретом состоянии производится
на стандартном металлообрабатывающем оборудовании. Термиче-
ская резка осуществляется с помощью раскаленной проволоки
или пламени, расплавляющих заготовку по заданной линии. Ско-
рость этого типа резки определяется параметрами, характеризую-
щими скорость плавления материала. Хонингование и полирова-
ние должны проводиться с большой осторожностью, чтобы избе-
жать плавления термопластичной матрицы. Технология и обо-
рудование, используемые для полирования композитов на основе
термореактивных связующих, пригодны и для термопластичных
материалов.
22.4.24. Механическая обработка высокомодульных
композиционных материалов
В течение последних лет для нужд аэрокосмической промышлен-
ности активно исследовались процессы механической обработки
композитов на основе высокомодульных армирующих агентов.
Окончательных рекомендаций по методам обработки этих материа-
лов до сих пор не выработано. Большинство работ посвящено
борно-, арамидно- и углеродно-эпоксидным материалам. Каждый
из этих армированных пластиков имеет свои особенности и требует
специальных приемов механической обработки. Практически
все основные операции механической обработки (сверление, то-
карная обработка и отделка) могут проводиться для высокомо-
дульных материалов так же, как для обычных, включая необыч-
ные технологические процессы: водоструйную резку и ультразву-
ковую размерную обработку.
22.4.25. Традиционные методы сверления
Сверление углепластиков может осуществляться твердосплав-
ными сверлами. Сверла должны быть хорошо заточены и в про-
цессе сверления желательно обеспечить удаление мелкой стружки
и пыли, так как операция чаще всего проводится сухим методом.
Для большинства термореактивных материалов при охлаждении
обрабатываемого участка могут возникать усадки, поэтому инстру-
мент может быть слегка увеличенного размера для большей точ-
ности выполнения операции. Необходимо избегать сверления
параллельно армирующим слоями, так как это может приводить
к расслоению материала. В случае, если такая операция необ-
ходима, место сверления обжимают зажимами и увеличивают угол
при вершине сверла. Зажимные приспособления должны исклю-
чить выкрашивание КМ при выходе сверла и при выводе его
из заготовки. Средняя скорость резания составляет 122 м/мин,
хотя желательно довести ее до 275—320 м/мин при сверлении
углепластиков.
Для сверления арамидно-эпоксидных пластиков необходима
совершенно другая конфигурация сверл. Эффективно использо-
вать зенковочные сверла корончатого типа «Джэнси». Такое сверло
при малых скоростях резания (90—120 м/мин) дает возможность
получать отверстия хорошего качества (нераспущенные). После
обработки каждых пяти отверстий сверло необходимо тщательно
очищать от смолы и волокон.
Так как борно-эпоксидные композиты обладают высокими аб-
разивными свойствами, для их сверления используются алмазные
сверла. Алмазная компонента инструмента обычно включена
в металлическую матрицу и чувствительна к температуре. Работа
с алмазным инструментом должна производиться при охлаждении
водой. Типичные скорости резания составляют 915 ... 1525 м/мин,
при скорости подачи 25 мм/мин.
22.4.26. Ультразвуковое сверление слоистых композиционных
материалов с термореактивной матрицей
Наряду с использованием алмазного инструмента эффективным
при сверлении боропластиков оказывается применение ультра-
звуковой техники. Типичный ультразвуковой сверлильный станок
имеет мощность 600 Вт; его резонатор колеблется с частотой 20 кГц.
Сверлом служит алмазный инструмент зернистостью 80 ... 100.
В процессе сверления обязательно охлаждение инструмента во-
дой. Стойкость сверлильного инструмента для ультразвуковой
обработки в 2 раза выше, чем при обычном сверлении. Типичные
частоты вращения сверл диаметром до 13 мм составляют 2250 ...
4000 мин-1 при скорости подачи 25 мм/мин.
22.4.27. Обрезка и зачистка
Для зачистки и резки высокомодульных композиционных ма-
териалов используется много различных методов. Основными фак-
торами при выборе того или иного метода являются следующие:
прямой или криволинейный рез; размеры и форма детали; произ-
водительность труда и качество реза; доступность оборудования
и стоимость операции. Наряду е правильным выбором процесса
14* 419
резки важное значение имеет инструмент. Обычно инструмент
для резки композитов изготовляют из быстрорежущих сталей.
Возможно использование и необычного алмазного инструмента.
22.4.28. Резка композитов
Для резки композитов используются стандартные металло-
и деревообрабатывающие дисковые или ленточные пилы. Дисковая
пила может применяться для резки композиционных материалов
как в стационарных установках, так и в переносном оборудовании.
Основное ограничение — получение только прямых резов.
Как для боропластиков, так и для углепластиков наиболее
эффективным оказывается использование алмазного инструмента,
который сразу обеспечивает чистую кромку реза. Размер зерна
обычно выбирается 60 мкм при скорости резания 2100 м/мин.
При использовании этого инструмента для резки арамидно-
эпоксидных пластиков алмазный инструмент быстро засаливается.
Для этого типа материалов наиболее эффективным оказалось
использование пил из быстрорежущих сталей с шагом 1,6 мм.
С помощью ленточных пил можно производить рез по слож-
ному контуру, но края реза затем должны подвергаться дополни-
тельной обработке. Полотна для ленточных пил, используемых
для резки угле-, боро- и арамидных пластиков, изготовляются
с твердосплавными зубьями из алмазной крошки зернистостью
60 или из быстрорежущей стали. Типичные скорости резания со-
ставляют 610 ... 2526 м/мин. Для арамидно-эпоксидных пластиков
скорость выбирается ближе к верхнему пределу.
22.4.29. Резка струей воды под давлением
Резка и обработка краев композиционных материалов может
осуществляться струей воды под давлением до 420 МПа. При
таком давлении струи композит на основе арамидных («Кевлар»)
волокон разрезается очень чисто. Тонкие углепластики при таком
виде резки могут быть подвержены расслоению.
22.4.30. Фрезерование
Фрезерование пальцевой фрезой является разновидностью
операции резки и может производиться как вручную, так и авто-
матически. Различие в методах фрезерования для разных высоко-
модульных материалов заключается в использовании тех или иных
фрез. Алмазный и твердосплавный режущий инструмент эффекти-
вен для углепластиков. Фрезы, шаржированные алмазной крош-
кой зернистостью 40 ... 50 мкм, хорошо служат при обработке
боропластиков, обладающих высокими абразивными свойствами.
Фрезы со спиральными канавками применяются для обработки
арамидно- («Кевлар»)-эпоксидных пластиков. Частота вращения
фрез составляет 13 000 ... 21 000 мин-1.
420
22.4.31. Шлифование
Шлифование (и абразивная отрезка) является одним из основ-
ных видов механической обработки высокомодульных компози-
ционных материалов. Лучшим инструментом для этой операции
является алмазный круг. Могут использоваться и шлифовальные
круги из карбида кремния и окиси алюминия. Охлаждение необ-
ходимо, чтобы предотвратить термическое разрушение матрицы.
Обычные скорости резания составляют 915 ... 2440 м/мин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Strauss Е. L., «How to Design Mechanical Joints», Materials in Design Engi-
neering, February 1963.
2. Lockheed Aircraft Corporation, Memorandum 107a, October 1957.
3. Society of the Plastics Industry, Handbook of Reinforced Plstics, Reinhold,
New York, 1964.
4. Jungstrom 0. L., «Design Aspects of Bonded Structures», Aircraft Bulletin No. 4,
Bonded Structures, LTD, Duxford, England, May 1959.
5. Perry H. A., Adhesive Bonding of Reinforced Plastics, McGraw-Hill, New
York, 1959.
6. Bloomingdale Rubber Division of American Cyanamid Co., Handbook for Adhesi-
ves, 1957.
7. Catchpole E. J., «Bonding and Sandwich Construction», Aeroplane and Astro-
nautics, June 1, 1961.
23. СМАЗКИ И АНТИАДГЕЗИВЫ
Шелдон Л. Кларк
23.1. Введение
Под терминами смазки и антиадгезивы, освобождающие и раз-
деляющие вещества (разделители) понимается широкий класс
химических соединений, создающих барьер между расплавом и по-
верхностью, с которой расплав соприкасается (табл. 23.1). Су-
ществуют два основных типа антиадгезионных смазок —• внутрен-
ние и внешние. К внутренним антиадгезивам относятся те, кото-
рые вводятся непосредственно в связующее и являются как бы
его частью. Внешние антиадгезивы наносятся на поверхность
пресс-форм.
Важность антиадгезивов состоит в том, что поверхности двух
твердых тел зачастую плохо разъединяются. Если же между
телами существует граница твердое тело—жидкость или твердое
тело—паста различной консистенции, поверхности легко разъе-
диняются. Среди факторов, влияющих на адгезию двух материа-
лов, имеющих способность взаимного проникновения, следует
назвать химическую реакционную способность, поверхностное
натяжение, конфигурацию поверхности и различную полярность.
При многократном вакуумном формовании также используются
23.1. Операции формования композитов, требующие
применения антиадгезивов
Пластики Композиты, применяе- мые в аэрокосмиче- ской технике Каучуки
Прямое прессование Переработка углерод- но- и бороволокни- стых композитов Литье под давлением
Литьевое прессование Формование стекло- пластиковых ламина- Прямое прессование
Литье под давлением Технология переработки слои- стых пластиков (ламинатов) тов Склеивание Литьевое прессование
Технология переработки арми- рованных пластиков (АП) Технология с впрыском поли- эфирного связующего Ротационная технология Ручная выкладка Операции производ- ства шин
422
антиадгезивы. Достаточно сказать, что смазки и антиадгезивы
сегодня сделались неотъемлемой частью почти 70 технологических
операций при приготовлении и переработке композитов. Неко-
торые фирмы вынуждены для формования композитов на основе
уникальных связующих разрабатывать специальные антиадге-
зивы. Большинство специалистов и промышленность пользуются
обыкновенными упаковками стандартных химикатов в виде аэро-
золей.
Большинство производств полимерных материалов сегодня уже
не может существовать без антиадгезивов и с ростом перерабаты-
вающей промышленности применение смазок и антиадгезивов
включается как составная часть во все технологические операции.
Среди потребителей, которые не могут обойтись без этой продук-
ции: самолете- и ракетостроение, автомобилестроение, металло-
обработка, производство резиновых изделий, получение и перера-
ботка композиционных материалов, получение полимеров и пла-
стиков на их основе, упаковка пищевых продуктов и т. д. Так,
например, липкая лента не могла бы найти себе такого широкого
применения, если бы ее обратная сторона не была бы покрыта
антиадгезивом.
23.2. Свойства антиадгезивов
Свойства применяемых смазок и антиадгезивов настолько же
широки, насколько велик выбор этих агентов, причем выбор
того или другого качества диктуется конкретными условиями.
Оптимальным может считаться такой антиадгезив, который будет
предотвращать повреждения, не взаимодействовать со связующим
(расплавом); такой антиадгезив должен предохранять как соз-
данную деталь, так и оборудование. Его применение должно де-
лать производственные процессы более быстрыми, экономичными
и выгодными. Использование антиадгезивов должно сокращать
время нахождения формуемого материала в форме. В то же время
необходимо выяснить преимущества применения внутренних и
внешних антиадгезивов. Сделать обоснованный выбор о примене-
нии того или иного типа антиадгезивов можно будет при учете
следующих факторов.
1. Особенности полимерных, композиций, с которыми антиад-
гезив будет использоваться. Будет ли и в какой степени прояв-
ляться в этой системе антиадгезионный эффект?
2. Технологический процесс и условия технологического про-
цесса, в котором используется полимерная композиция. Будет ли
наличие таких агентов влиять на литейные формы? Будут ли
антиадгезивы совместимы с условиями производства? Будут ли
литейные формы оставаться чистыми? Снизится ли минимальная
продолжительность технологического процесса? Если формы нужно
будет часто чистить, не повредит ли это формам? Совместимы ли
антиадгезивы (внешние или внутренние) с такими операциями,
423
как покраска и склеивание деталей? Если агенты внешние, до-
статочно ли в производственном цикле времени для их нанесе-
ния?
3. Требования, предъявляемые к конечной продукции. Если
применяются внутренние антиадгезивы, не будут ли они плохо
влиять на свойства готовой продукции? Если применяются внеш-
ние антиадгезивы, то какой тип обработки желателен? Должен ли
быть принят во внимание косметический эффект?
4. Безопасность применения внешних антиадгезивов. Какие
растворители будут использоваться? Каковы требования к венти-
ляции? Возможно ли появление дерматитов у обслуживающего
персонала? В случае применения внутренних агентов не возни-
кает ли эффект последующего выделения его «выпотеванием»
на поверхности материала?
5. Экономичность. Как подействует применение антиадгези-
вов на цену единицы изделия? Будет ли считаться внесение анти-
адгезивов отдельной технологической операцией? Все ли состав-
ляющие компоненты стоимости приняты во внимание? Это осо-
бенно важно, когда антиадгезив закупается. Рассмотрение стои-
мостных критериев существенно более распространено и является
разумным критерием.
Как показано выше, существует несколько возможностей вы-
бора между внешними и внутренними антиадгезивами. Во мно-
гих случаях, однако, такого выбора не существует. Так, напри-
мер, ручная выкладка требует применения внешних антиадгези-
вов. Стеклопластики с полиэфирным связующим можно получить
23.2. Промышленные антиадгезивы
Фирма-поставщик Торговая марка Адрес в США
«Фрекоут» «Фрекоут» 31, 33, ЗЗС, ЗЗД, 34, 34Я, 44, RRM; HMT-RP Бока-Рейтон, Флорида шт.
«Дау Корнинг» «Дау Корнинг» 200, 1101, J7V-490, 347, 24, 203, 7, 233А, 20 (силиконы) Мидленд, шт. чиган Ми-
«Юнион карбайд» «Юнион карбайд» Z.-45, -7001, -7002, LF-42, -45, -46, -420, -460, -467ЯЗ; LS-46 (силиконы) Нью-Йорк, Нью-Йорк ЩТ.
«Дженерал элек- трик» АИЛП SM-2140, -2159, -2162, SK-96, -1080, G-662, SK-18, Sf-1221, SK-1066, SA1-2068 (силиконы) M0LD-WIZ (более 100 составов для внутренних и внешних антиадгезивов) Уотерфорд, Нью-Йорк Вудсайд, шт. Нью-Йорк щт.
«Кем-Тренд» СТ-31, -45, -51, -61 (смеси) Хаувел, шт. чиган Ми-
«Контур кемикал» KRAXO, EXITT, LIFFT, N0NSTI- CKENSTOFFE, RIMLEASE, 1711 (силиконы и смеси) Вобурн, шт. сачусетс Мас-
«Дюпон» YDAX (тетрахлорэтиленовый тело- мер) Уилмингтон, Делавэр шт.
424
только с внешними агентами. В то же время ЭУП, ЭСП и пре-
миксы, получаемые методом прессования в металлической мат-
рице, требуют применения внутренних антиадгезивов. Многие
операции литья под давлением разработаны в расчете на присут-
ствие внутренних антиадгезивов и даже оборудование проектиру-
ется с учетом применения именно этих агентов. В недавнем прош-
лом в качестве антиадгезива при производстве композиционных
материалов широко применялось вощение поверхностей. С воз-
растанием скоростей производственных операций должен быть
усовершенствован и этот метод. В результате исследовательской
работы были разработаны многочисленные антиадгезивы, произво-
димые сегодня фирмами «Фрекоут», «Контур кемикал» и Акселев-
ской исследовательской лабораторией пластмасс (АИЛП). Разра-
ботаны внутренние антиадгезивы, не распадающиеся в процессе
применения. Широко используются также силиконы, которые
легки в переработке, так как могут распыляться воздухом,
что обеспечивает возможность нанесения их даже на малые
участки поверхности. Однако если поверхность загрязняется,
это может помешать последующим операциям склеивания и ок-
рашивания. Это обстоятельство бывает весьма существенным.
В частности, на самолетостроительных и некоторых ракетострои-
тельных производствах применение силиконов запрещено.
В табл. 23.2 приведен перечень некоторых промышленных анти-
адгезивов.
23.3. Внешние антиадгезивы
Внешние антиадгезивы не ухудшают свойств полимеров. Чаще
всего их расход меньше, чем при применении внутренних антиад-
гезионных агентов. В то же время существует мнение, что внеш-
ние антиадгезивы переносятся с формовочного оборудования на
поверхность изделия, загрязняя последнее. Действительно, по-
падание антиадгезивов с поверхности формы на поверхность
изделия нежелательно, так как это требует еще одной технологи-
ческой операции — очистки. Зачастую растворители, способные
удалить антиадгезионные агенты, не совместимы с материалом
изделия. Следовательно, необходимо применять такие агенты,
которые не переносятся на изделия; например, фирма «Фрекоут»
разработала антиадгезивы, которые используются в случае, если
требуется последующая покраска или операции, связанные с кле-
евыми соединениями отформованных деталей.
Большинство внешних антиадгезивов наносится методом пуль-
веризации, промывания или погружения. Так как они наносятся
на поверхности форм, состояние последних особенно важно.
Качественная подготовка поверхности формовочного оборудо-
вания может гарантировать качественное нанесение покрытия из
незагрязненного антиадгезива. Силиконовые масла наносятся
обычно в виде растворов в толуоле или уайт-спирите. Воски дол-
425
жны наноситься с хлорсодержащими растворителями, такими
как метиленхлорид, трихлорэтилен, перхлорэтилен. Поверхность
формы перед обработкой должна тщательно очищаться и от остат-
ков полимера, и от избытков антиадгезива, причем методы очистки
зависят от типа материала, применяемого в формовочной конст-
рукции. Например, формы из алюминия могут промываться му-
равьиной кислотой. Стальные детали легко очищаются в спирто-
вых растворителях. Медные формы очищаются кислородсодер-
жащими препаратами типа «Куперайт», а никелевые очищаются
с помощью специально разработанных промышленных (коммер-
ческих) препаратов (например «Спикнспан»), Существуют ме-
тоды и абразивной очистки поверхности. Чаще всего для этой
цели используют стеклянные бусинки, измельченный песок или
известь, скорлупу орехов. В таких случаях все следы масел, вос-
ков и других посторонних включений должны удаляться до на-
несения нового антиадгезива. Для некоторых из применяемых
антиадгезивов необходимо проведение цикла отверждения. Опти-
мальная прочность нанесенной пленки и ее антиадгезионный
эффект достигаются при точном соблюдении технологии.
Число необходимых обработок антиадгезивами будет опреде-
ляться всегда конфигурацией форм и абразивными свойствами
перерабатываемых полимеров. Армированные пластики, естест-
венно, имеют очень высокие абразивные свойства. Это не значит,
что формы должны каждый раз заново обрабатываться антиадге-
зивами. Поверхность формы, пока она еще горячая, обрабаты-
вается лишь в тех местах, где обнаружено отсутствие антиадгезион-
ной пленки. В случае операций нанесения антиадгезива на горя-
чую поверхность используются специальные составы, предназна-
ченные для повышения температур. Однако в соответствии с тех-
нологическими регламентами должна проводиться полная очистка
и обработка форм. Надежность покрытия определяется хорошей
совместимостью тщательно очищенной поверхности и свежего
(вновь нанесенного) антиадгезива.
В основном требования к чистоте поверхности предъявля-
ются при создании композиционных материалов, особенно в само-
летостроении при применении технологии ручной выкладки
и прессовании. Чем выше температура переработки материала,
тем больше возникающие трудности, тем выше требования к анти-
адгезивам. Все сказанное выше верно, но является не только ре-
зультатом применения высоких температур переработки. Боль-
шинство композиционных материалов, применяемых в самолето-
строении, содержит в качестве связующего эпоксидные смолы.
Если антиадгезионные свойства поверхности форм оказываются
недостаточными, то может произойти повреждение не только
формуемой детали, но и формы; при извлечении детали на по-
верхности формовочного оборудования могут оказаться и сколы,
и задиры. Кроме того, учитывая размеры и сложный профиль по-
лученных изделий, чаще всего не представляется возможным
426
очистить их от остатков антиадгезивов, перенесенных с форм на
поверхность деталей. Таким образом, для самолетостроения одной
из важнейших задач является требование непереносимости анти-
адгезивов на поверхность изделия.
За исключением перфторированных соединений типа «Видаке
соулд» фирмы «Дюпон», а также одного или двух видов силиконо-
вых антиадгезивов, являющихся окрашиваемыми и незагрязняю-
щими, на заводах пользуются обычно естественными антиадгези-
вами. В исходном состоянии силиконы нежелательны при произ-
водстве и переработке материалов в самолетостроении, а в ряде
случаев их применение запрещено [1]. Системы, предложенные
фирмой «Фрекоут», представляют собой раствор высокореактив-
ных материалов, которые полимеризуются на хорошо очищенной
поверхности. После отверждения этих составов на поверхности
формы образуется прочная, твердая, сухая и неотслаивающаяся
сверхтонкая пленка. Необычность характеристик такого вида
антиадгезивов заключается в том, что реакция полимеризации
начинается со взаимодействия с обрабатываемой поверхностью.
К другим уникальным свойствам этого агента следует отнести
высокую термостойкость. Антиадгезивы фирмы «Фрекоут» могут
использоваться при температурах выше 482 °C, что выше темпера-
туры эксплуатации любого другого антиадгезива внешнего типа.
Такая высокая температура эксплуатации делает эти антиадге-
зивы незаменимыми в приложении к расплавному ротационному
формованию. На сегодняшний день эти агенты используются пов-
семестно при получении расплавным методом изделий из сшитого
полиэтилена высокой плотности.
Кроме перечисленных выше антиадгезивов используются и
другие. Ряд их характеристик приводится ниже.
1. Воскообразные вещества. Существуют как натуральные, так
и синтетические воски, используемые в качестве антиадгезивов.
Чаще всего используются парафины и микрокристаллические
воски, воски растительного и животного происхождения. Сущест-
венный вклад вносит применение синтетических восков. В этом
качестве могут быть использованы практически все органические
материалы с числом атомов углерода более 10 (С10 и выше).
2. Соли металлов. К категории широко используемых в ка-
честве смазок жирных кислот относится стеариновая кислота.
Она имеет узкую область температуры плавления и обладает
хорошими смачивающими свойствами. Главные производные сте-
ариновой кислоты, такие как соли кальция, цинка и т. д., могут
быть использованы в качестве антиадгезивов. В зависимости от
перерабатываемого полимера и поверхности форм применяется
та или другая соль стеариновой кислоты. Чаще всего использу-
ется кальциевая соль. Цинковые соли нестабильны, но исполь-
зуются, если ставится задача отсутствия токсичности. Наиболее
эффективен стеарат кальция, диспергированный в поливинил-
хлориде. В технологических процессах получения резин исполь-
427
зуются также алюминиевые и магниевые соли стеариновой кислоты.
3. Поливиниловый спирт используется в основном для полу-
чения пленок из водных растворов либо экструдированием.
4. Полиамиды находят применение только в виде экструди-
рованных пленок, так как нерастворимы в большинстве доступ-
ных растворителей.
5. Полиэтилен используется в производстве и упаковке неот-
вержденных связующих (сырых резин), а в последнее время —
для различных видов упаковок (ламинированные бумаги).
6. Силиконы. Все виды промышленно производимых силико-
нов обладают высокими точками кипения, малой летучестью, низ-
кой теплопроводностью и плохой окислительной способностью.
Силиконы применяются в виде жидкостей, смол и масел.
7. Фторуглероды. Фторуглеродные полимеры могут употреб-
ляться в виде листов и дисперсий. Один из видов применения —
покрытие фторуглеродами кухонной посуды. Технологически это
производится нанесением дисперсии с последующими сушкой и
спеканием при 250 °C. Из всех видов наибольшее распространение
получили полимеры тетрафторэтилена. В целях обеспечения без-
опасности при нанесении этих веществ пульверизацией следует
избегать попадания брызг на табак, а также курения во время
этой операции. «Тедлар» — поливинилфторид фирмы «Дюпон» —
образует пленку толщиной 0,05 мм, являющуюся антиадгезион-
ным покрытием при автоклавном прессовании. Так как отверди-
тели, входящие в состав некоторых препрегов, включают комп-
лекс BF3, разлагающий «Тедлар», необходимо использовать до-
полнительные неуносимые покрытия, если используются именно
эти препреги.
8. Неорганические компаунды — это самые старые из извест-
ных антиадгезивов. Так как они чаще всего нерастворимы, то
используются в виде пудр или сильно измельченных хлопьеоб-
разных кристаллических структур. Наиболее важными в этом
классе являются тальк и слюда. Они используются в виде мел-
кой пудры, распыляемой или втираемой в поверхность. В не-
которых случаях они смешиваются со стеаритами металлов для
достижения лучших антиадгезионных свойств.
23.4. Внутренние антиадгезивы
Существует ряд преимуществ при применении внутренних
антиадгезивов, исключающих ряд операций. Исключается спе-
циальная чистка пресс-форм. Исключается также влияние испа-
рения летучих веществ. В некоторых случаях введение внутрен-
него антиадгезива повышает ударную вязкость жестких полиме-
ров; в ряде применений внутренние антиадгезивы оказываются
очень экономичными. Однако при их использовании необходимо
иметь гарантии, что их введение не ухудшит ни физических
свойств, ни других характеристик материала. На практике внут-
ренние антиадгезивы используются в основном в пултрузионных
428
технологических процессах, когда готовая продукция может
уносить внешние антиадгезивы. Лецитин был одним из первых
применяемых внутренних антиадгезивов. Однако в связи со слож-
ностью его получения, пастообразной консистенцией, затрудняю-
щей введение в материал, сегодня он широко не применяется.
Наиболее распространенными видами внутренних антиадгезивов
являются стеараты металлов. Они имеют и то преимущество, что
введением их можно достаточно широко варьировать состав для
некоторых компаундов на основе полиэфиров. Наиболее часто
используются стеараты кальция и цинка. Стеарат кальция улуч-
шает блеск поверхности и в ряде случаев ее цвет. Хотя стеарат
цинка более дорог, но он лучше смешивается с вязкой исход-
ной массой. Так как выбор вида внутреннего антиадгезива весьма
важен для качества продукции, существует ряд разумных испы-
таний, позволяющих оценить конечный результат и процесс перед
принятием окончательного решения.
При расплавкой технологии внутренние антиадгезивы могут
быть введены на первых технологических стадиях методом пря-
мого перемешивания с гранулами термопласта. В термореактив-
ных связующих внутренние антиадгезивы вводятся и смешива-
ются со связующим до введения катализаторов и других добавок.
Кроме того, стеараты, органофосфаты, мыла, силиконовые масла,
воски и ряд связующих также могут быть использованы в каче-
стве внутренних антиадгезивов. При введении внутренних анти-
адгезивов необходимо представлять их химическое взаимодейст-
вие с катализаторами, ускорителями реакции, то как они изменят
процесс получения композита. В ряде случаев повышаются анти-
статические характеристики, могут возрасти ударная вязкость
или прочностные характеристики. Может увеличиться и твердость
поверхностных слоев.
В заключение хотелось бы рассмотреть несколько ключевых
факторов, определяющих изменение свойств при применении
внутренних и внешних антиадгезивов. Ряд внешних антиадгези-
вов требуется для работы только с узким типом полимеров. Од-
нако можно выделить один наиболее значительный фактор. Таким
фактором является цена (стоимость). Если используется антиадге-
зив и это дает выигрыш при минимальном влиянии на стоимость
последующих операций, тогда вклад стоимости антиадгезива не-
значителен по сравнению со стоимостью продукции. Внешние
антиадгезивы наиболее легкодоступны, широко применяются и
в минимальной степени изменяют свойства композиционных ма-
териалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. A. Kingsbury, «Poly (dimethylsiloxanes) as Release Agents», Pentacal, 74, 12,
52, 53, 1974.
2. G. Kovach, «Release Agents», Encyclopedia of Polymer Science and Technology,
12, 57—65, John Wiley & Sons, New York, 1970.
3. C. Kirkland, «The Mold Release Quandry: No Easy Answers for Molders», Plas-
tics Technology, 26, 65—70, 1980.
24. ИСПЫТАНИЕ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
Дж. Эпштейн
24.1. Введение
Задачи испытаний, проводимых для определения пригодно-
сти материалов, процессов и конструкций для тех или иных при-
менений, сведены в табл. 24.1 [1]. Существует пять основных
причин непригодности продукции:
1) невозможность применения продукции;
2) плохая конструкция;
3) неадекватный контроль материалов;
4) плохо налаженный технологический контроль;
5) невозможность применения исходных материалов.
Испытания армированных пластиков особенно важны в связи
с тем, что их свойства существенно меняются в зависимости от
вида материала, процесса его получения и от характера конст-
рукции.
Стандартные и специальные методы контроля необходимы для
выбора материалов, наиболее перспективных процессов их полу-
чения, получения характеристик материалов для конструкцион-
ных работ и для качественного контроля (включая проверку
выпускаемой продукции). Методы контроля подразделяются на
разрушающие и неразрушающие в зависимости от того, разруша-
ется, стареет или нет образец в процессе испытания.
При испытаниях, цель которых — выбор материала, серия
потенциально применимых материалов (основной выбор делается
при предварительных испытаниях) подвергается одному или более
видам испытаний, чтобы выделить материал, наиболее приемлемый
для данного применения. Самые важные для конкретного приме-
нения свойства материалов исследуют специальными методи-
ками.
24.1 . Основные задачи испытаний изделий армированных пластиков
Определение качества сырья
Оценка и оптимизация свойств материалов
Оценка и оптимизация процессов получения
Определение эффективности оборудования и осиастки
Создание банка данных для конструкторских разработок
Определение качества и воспроизводимости свойств конечной продукции
430
При проведении серий проверочных испытаний для выделения
или отбора материала с какими-то определенными параметрами
может быть введен критерий исключения. Если материал не удов-
летворяет хотя бы одному виду испытаний, он исключается из
дальнейшего рассмотрения. Таким образом, число испытаний
может быть уменьшено.
Характер технологического процесса влияет на свойства
изделий из армированных пластиков. Процессы отверждения, вид
оборудования, механическая обработка и различные с ними свя-
занные условия определяют широкий диапазон химических, фи-
зических и механических свойств композитов. Условия хранения
и переработки материалов также могут оказывать существенное
влияние на их свойства. Катализаторы отверждения должны быть
отмерены, перемешаны и введены в связующее. Заранее должны
быть определены оптимальные условия и толерантность этих
операций.
Испытания зачастую необходимы для определения характери-
стик материалов в процессе производства и переработки.
Такие испытания призваны устанавливать оптимальные (или,
по крайней мере, приемлемые) условия устойчивости процесса
и требования к переработке материалов перед, в течение и после
окончания технологического процесса.
Для успешного конструирования изделий необходимо знание
ряда свойств материала (табл. 24.2). В зависимости от оперативных
требований значимыми могут оказаться те или иные параметры.
Так, если материал подвергается длительному воздействию внеш-
них условий и нагрузок, то должен быть установлен и учтен при
конструировании результат этих воздействий на его критические
физические и механические свойства.
Контроль качества играет особо важную роль при производ-
стве компонентов армированных пластиков. Воспроизводимость
и унификация методик необходимы для уверенности в том, что
все элементы выполнены в соответствии с требованиями. Жела-
тельно наличие контроля (испытаний) качества всех исходных
компонентов для насколько возможно практически более полной
характеристики материалов в процессе производства и определение
качества готовой продукции.
Разброс по партиям и изменение условий хранения является
общей проблемой для связующих, препрегов и литьевых материа-
лов. Для предотвращения этих затруднений часто бывает необ-
ходимо провести испытания с целью определения качества материа-
лов и обоснования приемки партии. Определение качества (раз-
браковка) требуется в основном при проведении больших серий
испытаний для надежного определения того или иного свойства.
Приемка партий может включать малое число испытаний, что
является как бы выборкой из серии испытаний для определения
качества, но достаточное для надежного определения тех или
иных характеристик. Проводятся также периодические испытания
431
24.2 . Свойства армированных пластиков
Механические свойства
1. Свойства при растяжении:
предел прочности
модуль упругости
предел упругости
2. Свойства при сжатии:
предел прочности
модуль упругости
3. Свойства при продольном изгибе:
предел прочности
модуль упругости
4. Свойства при поперечном изгибе
5. Ударная вязкость
6. Свойства при высоких скоростях
деформирования (динамические)
7. Сдвиговые свойства:
предел прочности
модуль жесткости
8. Предел устойчивости
9. Поверхностная твердость:
сопротивление индентору
сопротивление царапанию
сопротивление истиранию
сопротивление излому
10. Ползучесть (крип-разрушение И
релаксация напряжения)
11. Усталостные свойства (много-
цикловые методы)
12. Коэффициент Пуассона
13. Чувствительность к надрезам
14. Вибростойкость
15. Ударостойкость
16. Сопротивление раздиру
Оптические свойства
1. Спектральные характеристики
2. Коэффициент отражения
3. Светорассеяние
4. Сопротивление растрескиванию
5. Изучение внутренних напряжений
в пластиках
6. Оптическаи однородность и иска-
жения
7. Оптическая стабильность поверх-
ности
Термические свойства
1. Термическое расширение
2. Термическое сжатие
3. Теплопроводность
4. Теплоемкость
5. Температура потери формы (откло-
нение при температуре под нагрузкой)
6. Огнестойкость (сопротивление сжи-
ганию)
7. Температура самовозгорания
8. Максимальная температура пере-
работки
9. Температура текучести
10. Температура хрупкости
Электрические свойства
1. Электрическое сопротивление (изо-
ляционные свойства — поверхностные
и объемные)
2. Электрическая прочность н сопро-
тивление пробою (пробивное напряже-
ние)
3. Диэлектрическая постоянная и тан-
генс диэлектрических потерь
4. Сопротивление дуги
Другие физические свойства
1. Плотность
2. Пористость
3. Возможность механической обра-
ботки
4. Возможность штамповки
Химические и другие свойства
1. Устойчивость к химическим средам:
кислой
щелочной
к растворителям
к жидкому топливу >
к бактериям и грибкам
к соленым брызгам
2. Влагопог лощение
3. Паро-, водо- и газопроницаемость
4. Ускоренное «старение» (температура
и влажность)
5. Погодо- и светостойкость («старе-
ние»)
6. Воздействие излучений
7. Чувствительность к ударай (L0X)
8. Токсичность
9. Уменьшение объема дегазирования
10. Трещиностойкость
432
в течение срока хранения, чтобы убедиться в отсутствии ухуд-
шения свойств материалов за это время. Частота испытаний зави-
сит от чувствительности материалов к хранению.
В большинстве случаев в конце концов может быть установлен
широкий перечень методов контроля как разрушающего, так и не-
разрушающего, используемый для разбраковки или для приемки
материалов. Часто эти испытания необходимы при исследовании
влияния непредельных нагрузок или внешних сред на матери-
алы. В зависимости от результатов исследований могут быть
внесены изменения в конструкторские разработки.
Разбраковочные испытания зачастую требуются для того,
чтобы убедиться, что конечная продукция изготовлена из ка-
чественного сырья, в соответствии с техническими условиями на
материал и при выдерживании всех необходимых условий при
производстве. Наличие единых требований к качеству продукции
необходимо для реализации воспроизводимых и качественных при-
емочных испытаний. Если разбраковочные испытания могут
проводиться по широкому кругу параметров (в зависимости от
предварительных требований), то приемочные испытания огра-
ничиваются обычно одним-двумя параметрами, оценивающими
качество продукции, а также соответствие цене и регламенту на
продукцию. В некоторых случаях внутри партии может быть про-
ведена выборка для разрушающего контроля. Часто образцы
для испытаний готовят из остатков материала. Такие образцы
могут получать (отверждать) одновременно с изделиями или по
аналогичному режиму, принятому для изделий.
24.2. Нормативная документация
по методам испытаний армированных пластиков
Стандартные методы испытаний, необходимое оборудование и
методики испытаний описаны во многих литературных источни-
ках. Источники, список которых приводится ниже, являются наи-
более информативными по тематике армированных пластиков.
ASTM (Американское общество испытаний материалов).
IPC (Institute of Printed Circuits).
NEMA (Национальная ассоциация электрических производств).
SAE (Общество инженеров автотракторной промышленности).
FTMS No. 406 «Plastics: Methods of Testing», supercedes Federal
Spesification L-P-406. (Федеральные стандарты методов испы-
таний).
Military Handbook MIL-HDBK-17, «Plastics for Military Ve-
hicles. Part II. Reinforced Plastics.
Military Handbook (Военный справочник) MIL-HDBK-23.
Composite Construction for flight Vehicles. Part I. Fabrication,
Inspection, Durability and Pepair (supercedes ANC-23 Bulletin).
Последний документ касается в основном сандвичевых кон-
струкций. Данная глава целиком посвящена тестированию и ме-
433
24.3. Перечень и нумерация методов испытаний по стандартам
Метод FTMS 406 ASTM
Абразивный износ 1091 1 01242-56
Адсорбция влаги пластинами 7031 D 52 0-77
Аппретирование 3051 0523-67
Вибростойкость 1073 —
» стекловолокна 1075 —
Влияние горячих углеводородов на поверхностную 6062 —
стабильность
Внешнее напряжение в листовых пластиках 6052 —
Воздействие горячих масел 6061 —
Воспламеняемость пластиков толщиной более 2021 О 635-77
0,13 мм
То же, менее 0,13 мм 2022 0568-77
Временной фактор разрушения и ползучесть при 1063 —
растяжении
Деформация под нагрузкой 1101 0621-64,
Диэлектрическая постоянная н фактор потерь 4021 0150-75
Дугостойкость 4011 D495-73
Защита пластиков 1131 D1893-67
Изгибные свойства пластиков 1031 . D 790-71
Изменение температуры под нагрузкой 2011 0648-72
Изменение цветности 6031 —
Измерение термического расширения 2032 —
Износостойкость 1051 0953-75
» пленок и листов 1121 D1004-66
Калибровка твердомеров типов А и D 1084 —
Коробление 6051 —
» листовых пластиков 6054 D1181-50
Коррозионная стойкость пластиков и пленок 7071
Коэффициент прозрачности пластиков 3022 D1003-61
Коэффициент преломления ЗОН 0542-50
Кратковременная стабильность хлорсодержащих 7051 0793-49
пластиков при повышении температуры
Линейное термическое расширение (метод кварце- 2031 0696-70
вой трубки)
Напряжение пробоя и электрическая прочность 4031 0149-75
Объемная сжимаемость жестких связующих 4042
Огнестойкость 2023
Оптическая неоднородность и деформация 3041 0637-50
Паропроницаемость 7032 ОЕ96-66
Перерабатываемость 5041 —
Поверхностный износ 1092 01044-76
Погодостойкость пластиков при испытаниях в ка- 6024 01501-71
мерах
Поперечные нагрузки на панели 1032 . D1502-60
Пористость 5021
Потеря летучих 6081 01203-67
Предел прочности при сдвиге 1041 —
То же, слоистых пластиков 1042
Прочность связи 1111 0229-77
Растяжение, свойства пластиков 1011 ' 0638-77,
02290-76
То же, отформованных электроизоляционных мате- 1012 —
риалов
434
Продолжение табл. 24.3
Метод FTMS 406 ASTM
Растяжение тонких листов и пленок 1013 0882-75
Светорассеяние 3031 D1494-60
> в армированных пластиках 3032 D1494-60
Свойства жестких пластиков при сжатии 1021 0695-77
Связующие для КМ с неорганическими наполните- 7061 —
лями Совместимость пластмассовых смесей 7081
Сопротивление податливых пластиков. Метод сме- 6091 —
сей. Среда Агара Сопротивление растрескиванию под нагрузкой 6063 —
Сопротивление царапанию 1093 D673-70
» электроизоляцин (объемное и по- 4041 0257-76
верхиостное) Степень отверждения фенольных связующих мето- 7021 0494-60
дом экстракции в ацетоне Сушка. Определение потери массы 7041
Твердость жестких пластиков, определяемая с по- 1083 02240-75
мощью твердомеров То же, мягких пластиков Твердость по методу падающего шарика 1082 D2740-75
1074 —
Твердость по Роквеллу 1081 0785-65
Температура течения термопластов 2041 0569-69, А
» хрупкости пластмасс при ударе 2051 0746-73
Ударная вязкость по Изоду 1021 0256-73, А
Ударопрочность 1072 —
Удельный вес, определяемый погружением в жид- 5011 0792-66
КОСТЬ Ускоренные испытания на долговечность при экстре- 6011 0756-56
мальных температуре и влажности Ускоренный абразивный износ 6022 £42-65
Усталостная прочность при статическом изгибе (по- 1061 —
стояниая деформация) То же (постоянная нагрузка) 1062
Усталостные свойства — 0671-71
Устойчивость к соленым брызгам 6071 —
Хемостойкость пластиков 7011 02240-75
Электрическое сопротивление листов и пленок из 4052 —
пластиков
* Могут существовать расхождения в названиях методой по ASTM.
годам испытаний композиционных материалов, включая и выход-
ной контроль (поверхность, внутреннее строение, адгезионные
свойства) сырья, используемого при производстве композитов и
их составляющих. В главе обсуждены методы разрушающего и
неразрушающего контроля.
Описание большинства рекомендаций методов испытаний опу-
бликовано Международной организацией стандартов (ISO), ряд
которых применим для армированных пластиков \
1 American National Standards Institute.
435
В табл. 24.3 приведен алфавитный список методов, содержа-
щийся в Федеральных стандартах на методы испытаний (Federal
Test Method Standard (FTMS), № 406). Приведены также соответ-
ствующие ASTM-методы, которые распространены. Виды испытаний
имеют по стандарту FTMS следующую нумерацию:
Механические ...............................................1011—1131
Термические................................................. 2011—2051
Оптические .................................................ЗОН—3051
Электрические .............................................. 4011—4052
Определение других физических свойств.................. 5011—5041
На стабильность............................................. 6011—6091
Химические.................................................. 7011—7081
Необходимо заметить, что перечисленные выше методы испы-
таний подходят для всех типов пластиков: как термо-, так и реак-
топластов. Они так же хорошо могут использоваться как для ар-
мированных, так и для неармированных материалов.
В конце главы читатель найдет достаточно полную библиогра-
фию по методам испытаний армированных пластиков.
24.2.1. Пластики, полученные методом намотки
Быстрое развитие исследований и применение материалов,
полученных намоткой, привело к созданию большого числа специ-
фикаций и стандартов на методы их испытаний. Следующие стан-
дарты ASTM представляют собой интерес:
ASTM D2290-76. Определение предела прочности при растя-
жении кольцевых или трубчатых образцов при испытании на
разрезных полудисках;
ASTM D2291/76. Получение кольцевых образцов компози-
ционных материалов для испытаний;
ASTM D2343-67. Механические свойства при растяжении
стекложгутов, пряжи, ровинга, используемых при производстве
армированных пластиков;
ASTM D2344-76. Определение предела прочности армиро-
ванных пластиков при сдвиге методом короткой балки;
AS7M4 D2585-68. Изготовление и испытание сосудов высокого
давления, полученных методом намотки нитью; А
ASTM D2586-68. Определение гидростатической прочности
цилиндров из армированных пластиков;
ASTM D2996-21. Намотка нитью труб с использованием
термореактивного связующего;
ASTM D3299-24. Технические условия для изготовления хи-
мически стойких емкостей методом намотки стеклонитью.
24.2.2. Армированные термопласты
Увеличение производства композитов на основе термопластов
диктует необходимость создания стандартов и методов испытаний
Для этого широкого класса материалов из семейства армированных
436
пластиков. Перечисленные ниже стандарты могут использоваться
для этой цели:
ASTM D2848. Армированные пластики на основе поликарбо-
ната, полученные методом литья под давлением или экстру-
зией;
ASTM D2853. Армированные материалы на основе полиоле-
финов, полученные методом литья под давлением или экстру-
зией;
ASTM D2897. Армированные и наполненные материалы на
основе найлона, полученные методом литья под давлением или
экструзией;
ASTM D2948. Стеклопластики на основе ацеталя, полученные
методом расплавного прессования или экструзией;
ASTM D2990. Ползучесть пластиков при растяжении и их
разрушение при ползучести;
ASTM D3011. Армированные и наполненные материалы на
основе полистирола, стирола-акрилонитрила и акрилонитрила-
бутадиен стирол а, полученные методом литья или экструзией;
ASTM D3220. Армированные пластики на основе политере-
фталата, полученные методом литья или экструзией.
24.2.3. Трубы из армированных пластиков
Все более широкий спрос находят трубы и фитинги из армиро-
ванных пластмасс. Наиболее подходящие стандарты на испытания
таких изделий приведены ниже:
ASTM D1598-76. Долговечность пластмассовых труб при
постоянном внешнем давлении;
ASTM D1599-74. Прочность пластмассовых труб, тюбингов
и фитингов при быстром разрушении;
ASTM D1694-67. Резьба в трубах из армированных материа-
лов на основе термореактивных связующих;
ASTM D2105—67. Механические продольные свойства при
растяжении для армированных труб и тюбингов на основе термо-
реактивных связующих;
AS7M4 D2143-69. Прочность при циклическом нагружении
внутренним давлением труб на основе армированных пластиков
с термореактивным связующим;
ASTM D2310-71. Трубы и фитинги из армированных эпок-
сипластиков для газа под высоким давлением (описание методов
получения и испытаний);
ASTM D2517-73. Оборудование для получения армированных
труб на основе термореактивного связующего;
ASTM D2925-7Q. Измерение лучепреломления в трубах из
армированных пластиков на основе термореактивных связующих
при закрытых отверстиях;
ASTAf D2992-71. Применение гидростатических методов для
исследования труб и фитингов из армированных пластиков на
основе термореактивных связующих;
437
ASTM D2996-71. Трубы, полученные намоткой (на* основе
термореактивных связующих);
Л5ТЛ1 D2997-71. Трубы из армированных материалов на ос-
нове термореактивных связующих, полученные центрифугирова-
нием;
ASTM D3615-77. Химически стойкие термореактивные рас-
плавленные композиты для производства фитингов расплавным
методом.
24.2.4. Гофрированные панели
Существует ряд методов испытаний, разработанных специа-
ально для изучения свойств гофрированных панелей из армиро-
ванных пластиков, используемых в строительстве. Метод
ASTM D1494-60 (Коэффициент пропускания рассеянного света
из армированных пластиков) может быть применен как для пло-
ских, так и для гофрированных панелей. Для контроля качества
и при поставках продукции используется метод D1502-60
(Трансверсальные нагрузки в гофрированных панелях из арми-
рованных пластиков), позволяющий определять прочностные
свойства материала без изменения форм гофров. Действительно,
в случае зависимости свойств композита от точки крепления об-
разца отсутствует возможность охарактеризовать истинные зна-
чения прочностных свойств панелей, применяемых в строительстве.
Метод ASTM D1602-60 (Усталостные нагрузки в гофрированных
панелях из армированных пластиков) используется при примене-
нии заклепочных, болтовых или других механических соединений
панелей. Образцы для этих испытаний вырезаются из гребня и
впадины гофра панели.
24.2.5. Композиты с металлической матрицей
Расширение производства и исследований в области создания
волокнистых композиционных материалов с металлической мат-
рицей потребовало создания специальных методов испытания
этих материалов. Метод ASTM D3552-77 описывает стандартные
методы испытаний для определения механических свойств при
растяжении композитов с металлической матрицей, армированных
как непрерывными, так и короткими волокнами. Метод применя-
ется при испытаниях как в направлении оси армирования, так
и перпендикулярно ей. Метод ASTVH D3553-76 (Определение
содержания волокна в композитах с металлической матрицей
методом удаления последней) описывает метод химического уда-
ления (растворение в кислоте, тип которой зависит от типа металла
матрицы) металлической матрицы. Образец взвешивается до
химического воздействия на него. Волокно, оставшееся после
растворения матрицы, отфильтровывается, промывается и су-
шится. Взвешиванием волокна определяется его содержание в ком-
позите. ’
438
24.3. Основные положения
24.3.1. Конфигурация образцов
Для получения воспроизводимых результатов конфигурация
образцов для испытаний должна строго фиксироваться. Для каж-
дого вида испытаний стандартизуется определенный вид образца.
Конфигурация образца может быть модифицирована, если это
дает стабильность результатов (в частности уверенность, что раз-
рушение произойдет в необходимой зоне, а не в зажимах).
24.3.2. Кондиционирование образцов и условия испытаний
Влажность и температура окружающей среды при испытаниях
могут оказывать существенное влияние на результаты. В связи
с этим в спецификации на испытания обычно вводятся требования
на кондиционирование образцов перед испытаниями. В табл. 24.4
представлены требования к кондиционированию образцов в соот-
ветствии со стандартами ASTM и FTMS № 406.
Часто проведение испытаний допускается в широком диапа-
зоне атмосферных условий. Например, военный стандарт
MIL-R-9299 (Фенольные связующие. Прессование при низких
давлениях) определяет, что «испытания могут проводиться при
атмосферных условиях в интервале температур 21 ... 27 °C и
при относительной влажности в интервале 30... 60 %». Стандарт-
ные условия (23 ± 2 °C и относительная влажность 50 %) тре-
буются только в том случае, если более широкие температурные
и влажностные условия явно влияют на результаты испытаний.
В том случае, когда могут возникнуть сомнения в надежности
данных, условия проведения испытаний могут быть ужесточены:
по температуре до ±1 °C и по относительной влажности до ±2 %.
24.4. Требования к стандартизации условий испытаний образцов
(перед испытаниями)
Параметр ASTM D618-61 FTMS № 406
Температура, °C
Относительная влажность *, %
Время кондиционирования (ми-
нимальное) образцов в зависи-
мости от толщины /**
23 ± 2
50 ± 5
40 при t 6,4 мм,
88 при t > 6,4 мм
23 ± 1,1
50 ± 4
48 при t < 3,2 мм,
96 при t > 3,2 мм
* См. также стандарт ASTM 104-51 для лабораторного определения рав-
новесной влажности.
* * Стандарт ASTMD618-61 описывает также и другие методы кондициони-
рования пластиков. Данный метод употребляется, если не предложены другие
варианты кондиционирования.
439
Для определения влияния внешних условий на свойства компо-
зиционных материалов используются специальные виды испыта-
ний. Исследование зависимости свойств от экспозиции во влажной I
среде показывает, что на изменение характеристик материала
оказывает влияние содержание связующего, ориентация волокна, Я
геометрия образца, относительная влажность и температура. Ста-
бильность размеров композитов также зависит от равновесных
значений сорбции и десорбции влаги. Относительная влажность
может воздействовать и на жесткость композитов, особенно при
циклических нагрузках [2].
Использование композиционных материалов для защиты от j
коррозии в различных технологических процессах в условиях про-
мышленного производства стимулировало развитие методов испы- I
таний этих материалов на влияние коррозионных сред. Лабора- I
торные и натурные испытания, проводимые как государственными, I
так и частными фирмами, позволяют дать рекомендации по при- I
менению армированных полимерных материалов в системах хи-'Я
мического производства [3]. "
Если образцы хранятся и испытываются в помещении с контро-
лируемыми атмосферными параметрами, требования к их конди-
ционированию становятся существенно менее жесткими. В этом
случае рекомендуется производить лишь контроль и запись пара-
метров условий испытаний.
В ряде случаев существует необходимость определения свойств
КВМ после или во время воздействия на образец внешних условий
(повышенная температура, криогенная температура, влажность,
вакуум или радиация). Время экспозиции образца при повышенной
температуре (время прогрева), при котором устанавливается рав-
новесная температура в образце, составляет чаще всего 10 ...
30 мин. Время смешанных условий на образец требует учета
синергических эффектов на свойства композита. В этом случае
вместе с результатами испытаний записываются условия испытаний
и допуски к этим условиям.
Стандарт ASTM D759 (Изучение физических свойств пласти-
ков в широком температурном интервале) включает практические
рекомендации по проведению испытаний для определения физи-
ческих свойств пластиков в интервале температур —269 ...
+ 550 °C, включая и нормальную лабораторную температуру 23 °C.
Стандарт ASTM D794 (Определение тепловых воздействий на -
пластики) регламентирует условия проведения испытаний при
воздействии на пластики длительных температурных экспозиций.
Этот стандарт описывает проведение испытаний при повышенных
температурах и экспозиции от нескольких минут до нескольких
недель, а также испытания при циклическом изменении темпе-
ратуры.
Погодостойкость композиционных материалов определяется
в соответствии со стандартом ASTM D1435 (Влияние внешних
погодных условий на пластики).
440
Стандарт ASTM С581 описывает относительно быстрый ме-
тод испытаний химической стойкости стеклопластиков на основе
термореактивных связующих применительно к условиям эксплу-
атации этих материалов. Метод базируется на определении из-
менения различных свойств композитов после длительного воз-
действия различных химических веществ (кислот, оснований,
растворителей).
24.3.3. Анизотропия свойств
Так как армированные пластики обладают анизотропией
свойств (т. е. в различных направлениях свойства материала
различны), необходимо проводить испытания материала в различ-
ных направлениях. Направление испытания (например, направ-
ление приложения нагрузки или потока тепла при определении
теплопроводности) должно быть заранее определено и записано
вместе с результатами испытаний. Например, в слоистых пласти-
ках свойства поперек и вдоль слоев существенно различаются.
Для текстолитов и композитов, полученных методом ручной вы-
кладки, существует сильная анизотропия в плоскости слоев.
Нагрузка к образцу может прилагаться либо в соответствии с сим-
метрией армирующей компоненты (основа ткани в текстолитах),
либо в соответствии с симметрией образца (осевая, круговая
и т. д.).
24.3.4. Скорость нагружения
Механические свойства материалов весьма чувствительны
к скорости проведения испытаний (скорости нагружения) х.
В соответствии со стандартом ASTM D638-77 (Свойства пла-
стиков при растяжении) стандартная скорость испытаний уста-
навливается в соответствии со специальными таблицами, учитыва-
ющими особенности испытаний данного вида материалов, либо
по специальным согласованным данным. Если спецификация на
материал не устанавливает скорости механических испытаний,
выбирается наименьшая скорость для данной геометрии образца
по стандарту ASTM D638. В основном эти скорости лежат в
пределах, обеспечивающих разрушение образца за время 0,5 ...
5 мин. Для жестких и полужестких пластиков скорость нагруже-
ния лежит в пределах 5 ... 500 мм/мин для образцов больших раз-
меров. В случае использования образцов с малым сечением (тол-
щина <7 мм) и в случае, когда размеры образцов диктуются ма-
лостью объема для испытаний (термокамеры для температурных
испытаний), скорость нагружения образцов может быть снижена
до 1 ... 100 мм/мин.
1 Читатели могут также воспользоваться следующими стандартами:
ASTM Е4-72 (Поверка испытательных машин), в котором описаны методики
поверки испытательного оборудования с применением различных средств поверки;
ASTM Е6-76 (Методы механических испытаний) с изложением стандартной
терминологии и определений, касающихся испытаний.
441
Стандарт ASTM D2289 (Высокоскоростные испытания для
определения механических свойств пластиков) регламентирует
испытания при более высоких скоростях, расширяя рамки, опре-
деленные в стандарте ASTM D638. В этом случае становится
важным эффект распространения волны деформации. Когда ско-
рость испытаний (скорость перемещения зажимов во время испы-
таний) не определена условиями испытаний или техническими
условиями на материал, выбираются три основных скорости ис-
пытаний: 2,5; 25 и 250 м/мин.
24.3.5. Отбор образцов и обработка результатов
Число образцов для каждого вида испытаний, необходимое
для получения надежных значений данного свойства материалов,
может быть получено после предварительной оценки. Изменение
объемов испытаний часто требуется, если необходимо получить
более жесткие пределы свойств (см. также ASTM D2188. Ста-
тистическое описание межлабораторных испытаний пластиков).
Требования к процедуре отбора образцов описываются в до-
кументах, представленных в списке литературы к гл. 25. Стандарт
ASTM D1898 представляет особый интерес, так как в нем опи-
сана процедура отбора образцов.
При использовании данных по испытаниям материалов в прак-
тике конструирования результаты испытаний должны подвер-
гаться статистической обработке. Все величины должны тракто-
ваться как вероятностные, а то или иное значение имеет свою
степень надежности. В каждом случае необходимо проводить оцен-
ку совокупности средних значений для каждого из свойств и со-
ответствующих величин коэффициентов вариации, что определяет
доверительный интервал и минимальный объем выборки.
Стандартные методы обработки результатов измерений вклю-
чаются в технические условия и стандарты на испытания. Чаще
всего они включены в форму отчета по результатам испытаний.
Отчет включает идентификацию (описание) материала, операции
производства образцов, конфигурацию и размер образцов, усло-
вия хранения, кондиционирования и испытания, технику испыта-
ний, полученные значения. В отчет включаются все данные по
испытаниям индивидуальных образцов, среднее значение и коэф-
фициент вариации. Под средним значением обычно понимается
среднее арифметическое серии испытаний. Оценка коэффициента
вариации
где X — значение одиночного испытания; п — число испытаний
(число образцов); X — среднее арифметическое серии испытаний.
442
24.4. Испытания исходных компонентов
для производства композиционных материалов
Компоненты (сырье) для производства композиционных мате-
риалов обычно подвергаются испытаниям, цель которых — конт-
роль качества сырья. К сырьевым материалам при производстве
композитов относятся армирующие материалы, связующие и ка-
тализаторы (отвердители), а также предварительно пропитанные
расплавные материалы. Вспомогательные материалы (например
антиадгезивы, вакуумные мешки и другие аксессуары, использу-
емые в производстве композитов) обычно не подвергаются испы-
таниям в связи со сложностью их анализа.
24.4.1. Связующие поверхностные слои и катализаторы
(отвердители)
Описанные ниже свойства наиболее часто определяют для свя-
зующих и материалов с поверхностными покрытиями (слоями)
связующих. Типичные спецификации приведены для каждого вида
испытаний.
24.4.1.1. Вязкость. Исходные связующие до введения катализатора
и после него
Изменение вязкости для каждого вида связующего обуслов-
лено рядом факторов. Она может меняться при изменении про-
порций исходных реагентов, во время синтеза, вследствие изме-
нения технологического режима получения связующего, наличия
примесей в химическом составе, а также условий хранения.
Применяются различные типы оборудования для определения
текучести жидких связующих или их растворов. В ротационном
вискозиметре Брукфильда1 используется принцип вращающегося
шпинделя. Измеряются сдвиговые напряжения, возникающие при
вращении внутреннего цилиндра в вязких растворах связующего.
Стандарт ASTM D2393-68 описывает использование вискози-
метра Брукфильда или его модификаций для определения вяз-
кости эпоксидных связующих, их модификаций, растворителей,
использующихся при получении эпоксидных систем, жидких
отвердителей и жидких эпоксидных систем смола—отвердитель
или других жидких смесей. Вискозиметр Макмайкла измеряет
вязкость по изменению крутящего момента на плунжере, погру-
женном в цилиндр со связующим, вращающийся с постоянной
скоростью. Существует целый ряд вискозиметров другого типа,
особенно для жидкостей с низкой вязкостью. В этом случае за-
частую используется метод капиллярной вискозиметрии или
падения шарика (например, вискозиметры Гепплера).
1 Разработан в лаборатории Brookfild. Engineering Laboratories, г. Стаутон,
шт. Массачусетс.
443
Для предельно вязких и твердых связующих определение этого
параметра проводят после растворения связующего в специаль-
ных, соответствующих данному связующему растворителях.
Стандарт ASTM D2857 (Вязкость разбавленных растворов по-
лимеров) описывает методы определения вязкости разбавленных
растворов полимеров, когда не происходит химической деструкции
связующего, т. е. раствор стабилен.
В случае исследования систем связующее—отвердитель вяз-
кость является индикатором такого параметра, как время жизни
связующего.
Значения вязкости особенно важны при пропитке армирую-
щих структур, при получении намоточных изделий, при приме-
нении техники расплавного формования и для регулирования
процесса отверждения.
24.4.1.2. Визуальный контроль
Связующие и их растворы необходимо подвергать визуальному
контролю как с целью входного контроля, так и для контроля
технологического процесса. Примеси и изменение цвета всегда
видно невооруженным глазом. Цвет может быть определен сравне-
нием с известными стандартами (см., например, «Большой ката-
лог цветности», ASTM D1544). Коэффициент преломления
(FTMS № 406, метод № ЗОН или ASTM D542-50) часто исполь-
зуется при определении качества связующих в полупрозрачных
стеклопластиках.
24.4.1.3. Сохранение свойств при хранении, время жизни
и желатинизации связующего
Время жизни связующего без катализаторов-отвердителей за-
висит от условий хранения (особенно от температуры и влаж-
ности), доступа воздуха и от наличия примесей. Как было ска-
зано выше, вязкость является хорошим индикатором жизнеспо-
собности связующего.
После введения катализаторов-отвердителей начинается «рабо-
чая» жизнь связующего. Вязкость системы изменяется во времени.
Время желатинизации (время гелеобразования) системы связую-
щее—отвердитель может служить основной характеристикой ра-
бочего времени жизни связующего.
Промышленное общество пластмасс (ПОП) (The Society of the .
Plastics Industry (SPI) 1 и другие организации установили стан-
дартную процедуру определения времени желатинизации. Система
связующее — отвердитель помещается в специальный цилиндри-
ческий объем определенных размеров и нагревается в ванне с по-
стоянной температурой 82,2 °C, причем уровень связующего ниже
уровня ванны. Температура связующего постоянно контролиру-
ется. Время желатинизации определяется по изменению тем-
пературы от исходного значения 65,6 °C при температуре ванны
82,2°Сдо температуры, превышающей последнюю на 5,5 °C [5].
444
Время желатинизации (гелеобразования) может быть опреде-
лено не только по максимуму температуры связующего, но и по
экзотермическому пику на термограммах [6]. Связующие, вы-
деляющие больше тепла, более подвержены усадке при отвержде-
нии и растрескиванию. Для каждого вида связующих экзотерми-
ческий всплеск при гелеобразовании специфичен. Было замечено,
что для композитов, в которых при отверждении происходило
большое выделение тепла, наблюдалась тенденция к уменьшению
межслоевых связей и, следовательно, физико-механические свой-
ства оказывались невысокими [7].
Изменение времени желатинизации и смещения экзотермиче-
ского пика после хранения связующего и отвердителя (катализа-
тора) может свидетельствовать о химических изменениях, проис-
шедших в них. Чтобы быть уверенным в том, что при хранении
не происходит изменений, необходимо периодически проверять
вязкость связующего и определять время желатинизации перед
употреблением.
Стандарт ASTM D2471-71 (Время желатинизации и экзотер-
мическое повышение температуры при реакции в термореактив-
ных композитах) используется для оценок, контроля качества и
характеристики материалов. В этом стандарте описываются сам
метод испытаний и измерение объема образца и рабочего объема,
проводимые при различных применениях.
Стандарт ASTM D3532-76 (Время желатинизации в препре-
гах на основе углеродных волокон и эпоксидных связующих)
посвящен определению времени желатинизации в предварительно
пропитанных эпоксидным связующим волокнистых структурах
на основе углеродных (графитовых) волокон. Этот метод пригоден
для связующего как с высокой, так и с низкой вязкостью. Образцы
вырезаются из препрега и нагреваются на горячей поверхности
(с заданной для данного связующего температурой). Наблюда-
ется образование «бусинок» из связующего, выступающих из
препрега. Время желатинизации отмечается в точке, когда вместо
«бусинок» образовываются зазубрины или застеклованные под-
теки.
24.4.1.4. Плотность
Плотности (удельные веса) связующего и отвердителя обычно
паспортизованы и могут служить для определения качества и
для контроля процесса получения связующего. Методы опреде-
ления плотности могут быть применены как для жидкого, так и для
твердого материала. Измерения могут проводиться как до, так
и после отверждения.
Для жидкостей наиболее часто применяется метод, преду-
смотренный стандартом ASTM D1475 (Определение плотности
красок, лаков и родственных им материалов).
Военная спецификация на термореактивные связующие
(MIL-R-7575. Связующие. Полиэфиры. Прессование при низком
445
давлении и MIL-R-9300. Связующие. Прессование при низком
давлении) дает метод определения плотности исходной смолы (без
отвердителя или катализатора) и отвержденной смолы без наполни-
теля. Этот метод основан на простом взвешивании единичного
объема связующего (масса объема в г, отнесенная к объему в см3).
Для этой цели подходят также весы Вестфаля. Для оценки плот-
ности по этому методу проводится сравнение результатов взвеши-
вания номированного груза в связующем и в воде.
Для твердых материалов применяются следующие стандарты:
FTMS 406, метод 5011. Определение удельного веса методом
погружения в воду;
FTMS 406, метод 5012. Определение удельного веса взвеши-
ванием и измерением объема;
ASTM D792. Определение удельного веса и плотности пла-
стиков методом погружения;
ASTM D1505. Определение плотности пластиков методом
градиента плотности;
ASTM D1895. Кажущаяся плотность, объемный фактор и
сыпучесть пластических материалов.
В основном все последние методы касаются твердых пласти-
ков. Они могут быть также применены к пластмассам в форме
размолотой пудры, хлопьев или гранул.
24.4.1.5. Твердость
Степень отверждения связующего контролируется в основном
по измерению его твердости. Для контроля качества связующего
или процесса отверждения используется тест, в котором опреде-
ляется минимальное время для системы смола—отвердитель, за
которое достигается определенное (заданное) значение, сохраняю-
щееся при данной температуре.
Стандарт FTMS, метод № 1081 (ASTM D785) описывает
метод определения твердости пластиков, совпадающий с испы-
танием на твердость по Роквеллу. Стальной шарик внедряется
в материал образца под определенной нагрузкой, проградуиро-
ванной в единицах шкалы, предложенной Роквеллом. Исследуе-
мая характеристика (твердость) представляет собой сопротивле-
ние внедрению индентора в испытуемый образец.
Испытание на твердость по Роквеллу заключается в пенетра-
ции маленького стального шарика под нагрузкой с использова-
нием круговой шкалы. В соответствии со стандартом
ASTM D785 метод А заключается в измерении углубления,
оставленного индентором, находящимся под большой нагрузкой
в течение 15 с. Вдавливание производится через 15 с под малой
нагрузкой 100 Н (10 кгс). Метод В того же стандарта предусма-
тривает измерение глубины проникновения индентора в образец
через 15 с под действием исходной большой нагрузки.
Для пластиков широко используется и метод определения твер-
дости по Барколу (аппаратура фирмы «Барбер-Колман»). В этом
446
методе используется острый индентор, который внедряется под
нагрузкой в поверхность образца. В стандарте Д57Л4 D2583-75
(Определение твердости пластиков с помощью пенетрометра Бар-
кола) описана процедура определения твердости по Барколу как
армированных, так и неармированных пластиков с использова-
нием пенетрометра Баркола (модель № 934-1). Небольшие раз-
меры и возможность создания еще более портативной аппаратуры
позволяют использовать этот метод на производстве для контроля
продукции. Необходимо следить, чтобы направление движения
индентора было перпендикулярно поверхности образца. Необ-
ходимо также, чтобы образец располагался на жесткой и твердой
поверхности, так как в процессе измерений он может деформи-
роваться.
Для гибких связующих обычно используются дюрометры,
определяющие твердость по глубине отпечатка индентора. Игло-
образный стальной пенетрометр внедряется в поверхность об-
разца под действием пружины. Глубина отпечатка считывается
с калиброванного индикатора перемещений. Требования к ис-
пользованию такого метода изложены в стандартах FTMS 406,
методы № 05, 1082, 1083 и 1084, и в стандарте ASTM D2240-75.
Дюрометры (твердомеры) типа А используются для испытаний
мягких и некоторых полужестких материалов (специальные пла-
стики и эластомеры); дюрометры (твердомеры) типа D использу-
ются для испытаний жестких и полужестких материалов.
Возможны изменения в аппаратурном оформлении этих испы-
таний. Описания таких изменений особенно часто встречаются
применительно к исследованию твердости армированных пла-
стиков.
24.4.1.6. Химический состав
Чтобы быть уверенным в высоком качестве связующих, зачас-
тую необходимо определить некоторые особенности их химического
состава,- Это помогает убедиться в реакционной способности свя-
зующего и в отсутствии в нем посторонних примесей. Примеси
могут существенно изменять физические, химические и электри-
ческие свойства материала. Ниже приводятся несколько видов
испытаний, проводимых для определения химических свойств
связующих.
Для эпоксидных связующих определение эпоксидного экви-
валента и содержания гидроксилов достаточно для определения
реакционной способности связующего. Точно измеряется содержа-
ние хлора и влаги: избыточное содержание этих примесей может
влиять как на реакционную способность связующего, так и на его
электрические и другие свойства. В случае необходимости опре-
деляется и точка плавления (размягчения) связующего.
В качестве примера можно привести стандарт Д5ТЛ4 D1763-76
на эпоксидную смолу, применяемую как в жидком, так и в твер-
дом виде для литья, покрытий, в качестве герметика, клея и,
447
наконец, в качестве связующего в композиционном материале.
Отвердитель не включен в стандарт. В зависимости от химиче-
ской природы предусмотрено шесть типов связующих: I — эпи-
хлоргидрин и бифенол Л; II — продукты реакции фенола и фор-
мальдегида (новолачное связующее) и эпихлоргидрин; III —
циклоалифатические соединения и перокси кислота; IV — гли-
цидиловые эфиры; V — продукты реакции аминофенола и эпи-
хлоргидрина; VI — продукты реакции глиоксальтетрафенола и
эпихлоргидрина.
По этому стандарту испытания включают определение
вязкости (ASTM D1544), массового эпоксидного эквивалента
(ASTM D1652), цвета (ASTM D1544) и определение температуры
размягчения (для твердых связующих). Последний параметр
определяется следующим образом: навеска связующего массой
2 г помещается в специальный цилиндрический объем и нагрева-
ется на масляной бане до плавления.
Затем, после охлаждения с термометром, погруженным в рас-
плав, в цилиндр наливается 50 г ртути. Образец вновь помещается
в масляную баню и нагревается со скоростью 2° С/мин. Точкой
размягчения считается температура, при которой связующее ока-
жется поверх ртути.
Для неотвержденных полиэфирных связующих особый инте-
рес представляет определение кислотного числа. Это такое коли-
чество гидрооксида калия, которое необходимо для нейтрализа-
ции 1 г связующего (см., например ASTM D2849). Знание этого
параметра дает уверенность в однородности реакционной способ-
ности связующего. Поскольку для образования сшитой структуры
добавляются мономеры: стирол, винилтолуол, диаллилфталат и
т. д., технические условия на полиэфирное связующее требуют,
чтобы концентрация полиэфиров устанавливалась на нужном
уровне. Для растворов связующих, а также связующих, образу-
ющих летучие компоненты, необходимо определение содержания
нелетучего (или твердого) компонента материала. Стандарт
ASTM D1259 описывает метод определения содержания нелету-
чего компонента в растворах связующих, a ASTM D1644-75
регламентирует измерение содержания связующего в лаках.
В различных методах время и температура экспозиции волокна
различны. В стандарте ASTM D1644, метод А, предусмотрена
необходимая экспозиция при 105 ± 2 °C в течение 3 ч (в условиях
вентиляции). Метод В требует экспозиции при 149 ±3,3 °C
в течение 10 мин (на горячей пластине). Нелетучий остаток опре-
деляется всегда взвешиванием образца до экспозиции и после нее.
Катализаторы и отвердители также должны подвергаться
проверкам, позволяющим убедиться в их чистоте и составе. Так,
например, для типичного органического пероксида, используе-
мого в качестве катализатора отверждения в полиэфирных свя-
зующих, количество активного кислорода должно быть выше оп-
ределенного техническими условиями минимального уровня. Со-
448
держание железа в таком катализаторе не должно превышать
некоторого заданного значения. Эти параметры определяются при
помощи стандартных методов аналитической химии. Аналогич-
ным образом определяются и параметры аминных и ангидридных
отвердителей эпоксидных связующих. Для ангидридов опреде-
ляется содержание свободной и общей кислоты, для аминных от-
вердителей — содержание аминных групп и воды.
Аналитический метод инфракрасной спектрометрии исполь-
зуется для целей химической идентификации связующих, отвер-
дителей и модификаций ингредиентов, а также для определения
чистоты этих продуктов.
24.4.1.7. Физические, механические и электрические свойства
отвержденных ненаполненных связующих
Кроме описанных методов испытаний связующих и других ком-
понентов материалов, описанных выше, зачастую требуется опре-
деление еще ряда свойств отвержденных (ненаполненных) свя-
зующих. Особенно это касается полностью отвержденных свя-
зующих, которые в процессе отверждения не образуют летучих
(эпоксидные и несмешиваемые полиэфирные связующие).
Удельный вес (плотность) и твердость по Барколу определяют
для тестирования материалов по чистоте и реакционной способ-
ности и по режиму отверждения. Должны контролироваться также
характерные значения диэлектрической постоянной и тангенса
угла диэлектрических потерь связующих, особенно для связую-
щих, использующихся в электротехнике.
Время от времени для ненаполненных, неармированных пла-
стиков возникает необходимость определения механических
свойств как характеристики исходной структуры композита.
Предел прочности, модуль упругости и значение критического
удлинения (особенно при испытаниях на растяжение) могут опре-
деляться для гарантии того, что смещение, отверждение и все
другие технологические процедуры будут обеспечивать требуе-
мые характеристики связующего. Минимальные возможные пара-
метры могут быть указаны в технических условиях на связующие.
Методы проведения электрических и механических испытаний
для связующих такие же, как и для других пластиков (см. табл.
24.3).
24.4.2. Армирующие материалы
Стандарты (н спецификации), перечисленные ниже, описывают методы испы-
таний армирующих волокнистых материалов различных видов и форм.
24.4.2.1. Основные стандарты
ASTM D76-77. Машины для испытаний на растяжение текстильных мате-
риалов;
ASTM D123-77. Условия испытаний текстильных материалов;
ASTM D1117-74. Испытания нетканых материалов;
ASTM D1175-71. Сопротивление истиранию текстильных материалов;
15 П/р Дж. Любина 449
A STM 01682-64. Разрушающая нагрузка и деформация текстильных ма-
териалов;
ASTM D1776-74. Кондиционирование тканей и текстильной продукции для
испытаний;
ASTM D1777-64. Измерение толщины текстильных материалов;
ASTM D2654-76. Определение содержания влаги и влагопоглощения тек-
стильных материалов.
24.4.2.2. Стандарты ASTM для стекловолокон
ASTM D578-61. Спецификация и испытания стекловолоконной пряжи;
ASTM D579-66. Спецификация и испытания стеклотканей;
ASTM D580-49. Испытание и надежность толстых стеклотканей;
ASTM D2150-70. Тканн нз стеклоровннга для получения стеклопластиков
иа основе полиэфирных связующих;
ASTM D2343-67. Испытания для определения свойств стекловолокон при
растяжении. Пряжа, ровинг, жгут для армированных пластиков;
ASTM D2408-67. Стеклоткани. Очистка и обработка их амнносиланами для
применения в стеклопластиках;
A STМ D2409-67. Стеклоткани. Очистка и обработка винилсиланами для
применения в стеклопластиках;
ASTM D2410-67. Стеклоткани. Очистка и обработка комплексами хрома
для применения в стеклопластиках;
ASTM D2587-68. Метод экстракции ацетоном и выжигания для пряжи,
ровннга жгута, для армированных пластиков;
ASTM D2660-70. Стеклоткани. Очистка и обработка акрилсилаиами дли
использования в стеклопластиках;
ASTM D3098-72. Стеклоткани. Очистка и обработка эпоксифункцнональ-
иыми силанами для использования в стеклопластиках.
24.4.2.3. Военные стандарты и спецификации
M1L-Y-1140. Пряжа, корд, рукава, тканн и маты из стекловолокон;
MlL-C-9084. Тканн, стекловолокна, обработка для стеклопластиков с по-
лиэфирным связующим;
MIL-F-9118. Обработка для стеклотканей;
MIL-F-12298. Получение стеклотканей;
M1L-M-15167. Маты, стекловолокна для армированных пластиков;
MIL-C-19663. Ткани, стекловолокна, ткани из ровннга стеклопласти-
ков;
M1L-P-60346. Ровннг, стекловолокна (для использования при намотке).
Кроме документов, приведенных выше, описаны методы испы-
таний текстильных материалов в Федеральной спецификации
ССС-Т-191. Другим источником информации по текстильным ис-
пытаниям является справочник: Е. R. Kaswell. Wellington Sears
Handbook of Industrial Textiles. — N. Y.: Wellington Sears Co.
Inc. 1963.
Хотя в настоящее время наиболее распространенными явля-
ются композиты на основе стекловолокон, достаточно широко ис-
пользуются и КВМ на основе асбестовых, углеродных, графи-
товых и кварцевых волокон. Широкое применение находят арми-
рованные пластики на основе арамидных волокон (особенно во-
локна «Кевлар» фирмы «Дюпон»), найлона, гидратцеллюлозы,
бумаги, сизаля и других натуральных и синтетических волокон.
Для получения специальных композитов используются волокна
(или проволоки) из бора, бериллия, карбида кремния или нитрида
450
бора. В последнее время все более широкое распространение полу-
чают металлические и металлизированные стеклянные волокна.
Последнее особенно важно для достижения высоких электро-
и (или) теплопроводности композитов. Находят применение ми-
неральные волокна из базальта (из застывшей лавы), а также раз-
нообразные гибридные материалы, использующие два типа и
более различных волокон [8 ]. Методы исследования этих объек-
тов в основном изложены выше, но чаще всего необходимо до-
полнительное изучение для создания специальных методик кон-
троля качества вновь разрабатываемых армирующих материалов.
Последние исследования высокомодульных волокон стимули-
ровали появление следующих стандартов:
Д5ТЛ4 D3317-74a. Высокомодульная органоволокнистая
пряжа и ровинг;
ASTM D3318-76. Тканые материалы на основе высокомодуль-
ных органических волокон;
ASTM D3544-76. Руководство по испытаниям высокомодуль-
ных волокон.
Разработка и применение новых армирующих волокон с улуч-
шенными свойствами стимулирует изучение возможности ча-
стичного приспособления старых методов. Спецификация
AFML-TR-67-159 описывает методику изучения следующих
свойств волокон и пряжи [9]:
Свойства при растяжении:
1) предел прочности;
2) относительное удлинение;
3) работа или энергия разрыва;
4) поведение при снятии нагрузки (деформация и энергия)
как непосредственно, так и после выдержки;
5) необратимая деформация: мгновенная и постоянная;
6) начальный модуль упругости;
Модуль при сдвиге:
модуль упругости и предел прочности при изгибе;
стойкость при многоцикловых испытаниях на изгиб;
плотность (удельный вес);
линейная плотность;
диаметр и площадь поперечного сечения.
Свойства при растяжении определяют обычно, используя раз-
рывные машины. Методы оптической индикации изменения длины
образца [10] используются в том случае, если необходима очень
высокая точность определения деформации или модуля, а также
при изучении особо жестких волокон. Прибор для изучения
свойств волокон при растяжении при повышенных температурах
(«Dual Head Tensile Tester»} может быть использован для свойств
волокон длиной 101,6 мм и диаметром менее 0,05 мм при темпера-
турах до 1093 °C. Другие типы испытательных разрывных машин
также могут быть оборудованы специальными нагревательными ка-
мерами для проведения испытаний при повышенныхтемпературах.
15* 451
Модуль упругости волокна чаще всего определяют по тангенсу
угла наклона касательной к начальному участку кривой диа-
граммы нагрузка—удлинение. Эти испытания требуют высокой
точности измерения деформации и отсутствия проскальзывания
образца в зажимах разрывной машины. Должна быть исключена
и несоосность зажимов.
Акустический модуль волокна может быть определен по вы-
нужденным колебаниям волокна под постоянной нагрузкой (по
длине стоячей волны). В этом случае один конец волокна должен
быть прикреплен к осциллятору. Акустический модуль рассчи-
тывается по частоте колебаний, длине волны и плотности волокна
(метод FMT-13 [9]).
Динамический модуль волокон может определяться по ре-
зонансной частоте колебаний. Волокно закрепляется одним кон-
цом в вибраторе, а второй конец выводится на датчик, регистри-
рующий колебания. Резонанс фиксируется по максимальной ам-
плитуде колебаний образца. (Часто этот метод называют методом
«колышущегося тростника»). Метод определения сдвигового мо-
дуля основан на измерении периода кручения торсионного маят-
ника. Модуль при изгибе также определяется с использованием
двух маятников, причем волокно отклоняют в двух противополож-
ных направлениях [9J.
Модуль упругости и предел прочности при изгибе для очень
жестких волокон и пряжи могут быть определены на изгибных
приспособлениях. Образцы зажимаются горизонтально за концы,
и нагрузка прикладывается к центру. Модуль и предел проч-
ности рассчитываются из нагрузки и отклонения.
Устойчивость пряжи к многократным изгибам определяют,
закрепив образец при постоянном натяжении и подвергая его
изгибам на определенный угол через штифт, до разрушения.
Плотность волокон может быть определена прямым взвешива-
нием, если известно и постоянно его сечение. Эта процедура тре-
бует большой аккуратности. При определении плотности волокон
с неизвестным или переменным сечением предпочтительно приме-
нять метод «градиента плотности». Короткие волоконца погру-
жаются в градиентную колонку, заполненную иммерсионной
жидкостью (как описано в ASTM D1505), плотность которой ле-
жит в интересующих пределах (1 ... 3,5). Взвешиванием на воз-
духе и в воде (или в другой жидкости с плотностью меньшей,
чем у образца) также можно определить этот параметр (ASTM
D792. Определение удельного веса и плотности пластиков мето-
дом погружения).
Линейная плотность волокна (обычно она измеряется в де-
нье — масса в граммах 9000 м волокна) может быть определена
тремя методами.1
1 В советской литературе для характеристики линейной плотноств обычно
употребляется единица текс. — Прим. ред. пер.
452
Образец волокна определенной длины может быть взвешен
на микровесах и линейная плотность определена прямым расче-
том. Этот метод применяется, если навеска волокна больше, чем
100 мкг. Существуют специальные торсионные весы, протариро-
ванные в денье, на которых взвешиваются образцы волокна дли-
ной 90 см. Виброскопический метод использует измерение резо-
нансной частоты волокна при колебаниях под известной растяги-
вающей нагрузкой. Виброскоп используется для тонких волокон
с линейной плотностью меньше 50 денье, и особенно для гибких
материалов. В стандарте ASTM D1577 этот метод описывается
более подробно.
Диаметр волокна может определяться большим числом раз-
ных методов. Волокна с правильным круглым сечением могут
измеряться прямым микроскопическим наблюдением с исполь-
зованием окулярмикрометра. Площадь сечения волокон с непра-
вильной формой определяют планиметрически, используя про-
екции сечения.
Диаметр волокна может быть рассчитан также из значений
линейной и объемной плотностей волокна.
Среди различных военных спецификаций на армирующие
волокна наиболее известен и распространен стандарт MIL-C-9084.
Эти спецификации включают требования к тканям из стеклово-
локон, включая операции очистки и аппретирования для даль-
нейшего применения в стеклопластиках с полиэфирными связую-
щими. Такие ткани должны быть удобны для переработки в спе-
циальные конструкции и обладать необходимыми физико-механи-
ческими свойствами. Кроме того, по имеющимся методикам об-
разцы текстильных структур должны воспроизводимо перераба-
тываться в стеклопластик. Испытания для определения предела
прочности при изгибе проводят как в сухом, так и во влажном
состояниях.
Перед испытаниями проводят визуальное обнаружение сле-
дующих дефектов: пропуски и изломы пряжи; волнистость, за-
ломы или вспучивание ткани; дыры, надрезы или пропуски; пятна,
загрязнения или непрокрасы; разрядка ткани; разбитые участки;
сломанные или отсутствующие концы и заделки; пролеты; дефекты
кромки; неполная отделка; участки с пережогами; ширина, пре-
вышающая заранее заданную; сильные запахи; цвет, не характер-
ный для данной обработки; желобки на ткани.
24.4.3. Методу контроля препрегов и расплавных материалов
Предварительно пропитанные связующим армирующие струк-
туры широко используются как для получения армированных
слоистых пластиков, так и при использовании техники получе-
ния композитов из расплавов. Свойства конечного продукта за-
висят как от свойств обоих исходных материалов, так и от тех-
453
нологии получения, а следовательно, и от методов контроля ка-
чества этих материалов. К контролируемым параметрам отно-
сятся: содержание связующего, содержание летучих.
24.4.3.1. Содержание летучих
Измерение содержания летучих производится для определе-
ния количества летучих продуктов, выделяющихся из материала
в процессе нагрева и нахождения материала при повышенной
температуре (в интервале 100 ... 175 °C). В соответствии с воен-
ным стандартом MIL-P-7575 (Связующие. Полиэфиры. Получе-
ние композитов при малом давлении) из однослойного препрега
вырезается образец площадью 10,2 см2, отступив 2,5 см от края
материала и по возможности исключая косые срезы. Образец
взвешивается до сушки, проводимой в течение 15 ±1 мин при цир-
куляции воздуха с температурой 163 ± 3 °C, и после сушки.
Образец охлаждается в эксикаторе с нормированной влажностью.
Содержание летучих в процентах рассчитывается по формуле:
Начальная масса — Сухая масса
Содержание летучих =---------------1-------- • 100.
Начальная масса
Обычно испытания проводят не менее чем на трех образцах.
Стандарт ASTM D3530-76 (Содержание летучих в эпокси-
углеволокнистом препреге) определяет изменение массы пре-
прега из углеродной (графитовой) ткани и ленты с эпоксидным
связующим, выдержанных при одной из двух стандартных тем-
ператур (121 °C или 177 °C), которые приблизительно соответ-
ствуют максимальному нагреву в режиме отверждения. Этот ме-
тод не дает точных значений содержания летучих, если будет
использовано другое связующее, летучие в котором удаляются
при более высокой температуре (например для полиимидов).
Обычно цикл нагревания длится 10 ± 0,5 мин.
Стандарт MIL-G-83410 (USAF) (Препреги на основе угле-
волокнистых матов и листов для ручной выкладки) предписывает
выдержку образца массой 1 г в течение 60 ± 5 мин при темпера-
турах, характерных для получения жизнеспособного связующего.
24.4.3.2. Содержание связующего
В случае, когда содержание связующего определено (в соот-
ветствии с одним из методов, указанных выше), высушенный об-
разец используется для определения содержания сухого связую-
щего. Образец помещается в муфельную печь и выдерживается
в течение 30 мин при температуре 566 ± 28 °C (или 565,5 ±
± 1 °C) или до того времени, когда в образце выгорит связующее
и масса его станет постоянной. Выжженный образец охлаждают
в эксикаторе, взвешивают и рассчитывают содержание связую-
щего в процентах по формуле:
454
Масса сухого исходного образца —
Содержание сухого связующего =я
— Масса выжженного образца
Масса сухого исходного образца
•100.
Для графитовых и других углеродных волокон этот метод
не годится, так как при длительном нагреве происходит окисле-
ние.
Стандарт MIL-G-83410 предусматривает два метода определе-
ния содержания связующего: экстракция связующего раствори-
телем и вываривание связующего в кислоте (для нерастворимых
связующих). Первый способ заключается в том, что образец
массой 1 г погружается в растворитель и кипятится 2 мин. Обра-
зец, освобожденный от связующего, высушивается в потоке воз-
духа при температуре порядка 163 ± 5 °C и затем взвешивается,
как указано выше.
Вываривание проводится в азотной или серной кислоте, либо
в смеси серной кислоты и перекиси водорода. В том случае, если
используется азотная кислота, температура не должна превы-
шать 60 °C. Два образца (навеска 1 г) помещаются в кислоту.
После удаления связующего волокно, оставшееся после вывари-
вания образца, фильтруется, промывается, сушится и взвеши-
вается.
Стандарт ASTM D3529-76 (Содержание связующего в пре-
прегах на основе эпоксидной смолы и углеродного волокна)
предлагает метод определения содержания связующего в высушен-
ных углеволокнистых матах и листах. Образцы вырезаются так же,
как и для определения содержания летучих (ASTM D3530).
После взвешивания образцы подвергают обработке в кипящем
растворителе до полного удаления связующего из композита.
Оставшееся волокно сушится и взвешивается. Этот метод сходен
с методом MIL-G-83410. В качестве растворителя используются
метилэтилкетон, ацетон, диметилформамид. Применение каждого
из вышеуказанных растворителей диктуется конкретной ситуа-
цией.
Определение содержания связующего в препрегах на основе
углеродных волокон методом экстракции в растворителе изло-
жено в стандарте ASTM С613-67. По этому методу образец поме-
щается в аппарат Сокслета, заполненный соответствующим рас-
творителем (этиловый спирт или диметилформамид). Образец
вырезается в виде квадрата со стороной 12,7 мм и взвешивается.
Образец помещается в предварительно высушенную колбу, а
уже затем в аппарат Сокслета. Экстрагирование ведется в тече-
ние 4 ч, пока все связующее из образца не перейдет в раствор.
Затем образец высушивается и взвешивается. Для получения
истинных значений содержания связующего необходимо предва-
рительно определить содержание в нем летучих. Содержание су-
хого связующего (ССС, %) в препреге
ссс = 1 л ^ИГ100’
455
где А — исходная масса образца препрега, г; С — масса остат-
ков образца после экстрагирования, г; V — массовая доля свя-
зующего, %.
24.4.3.3. Определение количества вытекшего связующего
Цель этих испытаний — определить массовую долю связую-
щего Св. св, которое вытекает при переработке препрега в компо-
зит. (Связующее должно быть достаточно текучим, чтобы обеспе-
чить пропитку армирующего компонента, но не полностью выте-
кать из материала).
Для определения указанного выше параметра из препрега
вырезается квадрат со стороной 10,2 см (для препрегов из тканей
крой делают по косой). Образец взвешивается, заворачивается
в целлофановую или тефлоновую пленку и помещается между
пластинами пресса. Отверждение проводят по режимам, рекомен-
дованным для данного связующего. После отверждения образец
охлаждается (обычно в эксикаторе), с него осторожно удаляются
пленка и облой, после чего он взвешивается. Доля вытекшего
связующего, %,
Г — Начальная масса — Конечная масса
’ св — Начальная масса
Условия отверждения по этому методу зависят от вида при-
меняемого связующего. Стандарт MIL-P-7575 (Связующее. Поли-
эфир. Прессование при низких давлениях) рекомендует параметры
режима: Т = 162,8 °C; Р = 105 кПа; t = 5 мин. Стандарт
MIL-P-9300 (Связующее. Эпоксиды. Прессование при низких
давлениях) предлагает температурный режим в соответствии с ви-
дом смолы при Р = 210 кПа и t = 5 мин. Стандарт MIL-P-25506
(Связующее. Силикаты. Прессование при низких давлениях)
требует применять режим предварительного отверждения в воз-
душном потоке при 110 °C в течение 5 мин, а затем само прессо-
вание при Т = 175 °C, Р = 70 кПа и t = 5 мин. Стандарт
MIL-P-25042 (Связующее. Полиэфиры. Устойчивость к высоким
температурам. Прессование при низких давлениях) требует,
чтобы было спрессовано четыре листа препрегов при Т — 162,8 °C,
Р = 105 кПа и t = 5 мин. С другой стороны, стандарт
MIL-P-9299 (Связующее. Фенольные смолы. Прессование при
низких давлениях) указывает на необходимость использовать ре-
жимы отверждения, указанные в спецификациях поставщиков
смол.
Стандарт ASTM D3531-76 (Вытекание связующего из пре-
прегов на основе углеродных волокон и. эпоксисвязующих) регла-
ментирует методику определения количества вытекающего свя-
зующего из препрегов на основе листов или матов при соответ-
ствующих давлениях и температурах. Из препрега вырезается
квадрат со стороной 50 мм. Два слоя соединяются, взвешиваются
456
и заворачиваются в пленку. Образец помещается в разогретый
пресс и прессуется под давлением 690 кПа в течение 15 мин или
до точки гелеобразования. В зависимости от вида связующего
температура прессования выбирается 121 °C или 177 °C. После
охлаждения пленка и облой удаляются, а образец вновь взвеши-
вается. Процентное изменение массы образца относительно исход-
ного веса соответствует проценту вытекания.
Вытекание связующего в расплавных компаундах чаще всего
определяют в соответствии со стандартом ASTM D731-67 (Изме-
рение расплавного индекса термопластичных связующих). Этот
метод обычно применяют для определения количества вытек-
шего связующего в плохотекущих материалах, используемых
для расплавного прессования при средних и высоких давлениях.
Используемые пресс-формы чашечного типа имеют ограничи-
тели, создающие облой или заусенцы толщиной не менее 0,14 мм.
Расплав нагревается предварительно до 160 ± 1 °C и только за-
тем подается давление. Давление повышают, пока образец не
достигнет нужной толщины. Время вытекания (в секундах) фик-
сируется одновременно с показаниями гидравлических приборов
(давления прессования) до того момента, когда толщина облоя
достигнет 0,2 мм для материалов с ударной вязкостью по Изоду
образца с надрезом (26,7 Дж/м) или 0,66 мм для материалов с удар-
ной вязкостью по Изоду большей, чем 26,7 Дж/м. Этот метод мо-
жет быть рекомендован для группового контроля (определение
единства свойств и их воспроизводимость в партии), но не может
быть применен для селективного и арбитражного контроля рас-
плавных компаундов или конструкций из них.
24.4.3.4. Свойства отвержденных, материалов
Механические, физические, электрические и/или химические
свойства определяются составом препрегов и особенностями их
переработки. Методы определения этих характеристик совпадают
с методами испытаний отвержденных армированных пластиков
и описаны ниже.
24.5. Методы испытаний литьевых
и слоистых композитов
В этой же главе рассмотрены методы определения физических,
механических, электрических и химических свойств армирован-
ных пластиков и других аналогичных материалов.
24.5.1. Композиты из расплавов
Большой интерес представляет рассмотрение типичных мето-
дов испытаний для компонентов, композитов, получаемых из
расплавов. Военный стандарт MIL-M-14 (Пластики из распла-
вов и компоненты пластиков из расплавов, термопласты) распро-
457
24.5.MIL-M-14. Методы испытаний расплавных компаундов
Определяемый показатель Метод испытаний • Примечание
Предел прочности при 1012 Образцы размером 6,35 мм растяжении Предел прочности при 1021 — сжатии Предел прочности прн 1031 Отношение базы к толщине 16/1 изгибе Теплостойкость 1031 Предел прочности прн продольном изгибе прн повышенных температу- рах (150 н 200 °C) Ударная вязкость 1071 Как сплошного образца, так н образца с надрезом Влагопоглощение 7031 С вариантами метода Температура потери 2011 Поверхностные надрезы, вариант устойчивости метода Сопротивление дуги 4011 — Диэлектрическая по- 4021 При 1 кГц и 1 МГц стоянная Тангенс угла диэлек- 4021 Прн 1 кГц и 1 МГц трнческнх потерь Электрическая проч- 4031 Кратковременный и с постоянным ность подъемом напряжения, с модифика- циями Электрический пробой 4031 Кратковременный н с постепенным подъемом напряжения, с варианта- ми метода Объемное и поверхност- См. MIL-M-14 Измерение прн комнатной темпера- ное электрическое со- туре во влажной среде (и в камере противление с нагревом) Сопротивление образова- ASTM 2303 — нию мостнка Огнестойкость ASTM D229 С изменениями Стабильность размеров См. ниже — Токсичность прн нагре- AD297-457 — ванин * FTMS-406, если отсутствуют другие обозначения.
страняется на основные свойства расплавных компаундов (и их
компонентов) и методы определения этих свойств. В него вклю-
чены компаунды на основе фенольного, меламинового, полиэфир-
ного, диаллилфталатного и силиконового связующих и армирую-
щих волокон. В качестве последних могут быть использованы
стеклянные, асбестовые, минеральные и целлюлозные наполни-
тели, полиакрилонитрильные и полиэтилентерефталатные во-
локна. Стандартные образцы для испытаний готовятся в соответ-
ствии с FTMS № 406 (см. табл. 24.3). Методы испытаний приве-
дены в табл. 24.5.
Стабильность размеров (формоустойчивость) образцов опреде-
ляется в соответствии со стандартом MIL-M-14. Образцы подвер-
гаются десятикратному циклическому нагреванию на воздухе.
458
Температура меняется от комнатной 23±1,1 °C до 125±5 °C.
Влажность циркулирующего воздуха 50 ± 2 % при комнатной
температуре. Перед началом испытаний образцы кондициони-
руются в течение 96 ч при 23± 1,1 °C и 50±2 % относитель-
ной влажности. Длина образцов измеряется с точностью 0,025 мм.
В течение цикла температура 125±5°С поддерживается в тече-
ние 48 ч, а комнатная (23±1,1 °C) — в течение 24 ч. После 10
циклов измеряется конечная длина образцов и рассчитывается
(в процентах) изменение этой длины.
Огнестойкость материалов определяется в соответствии со
стандартом MI L-M-14, являющимся видоизменением стандарта
ASTM D229 (Испытание жестких листов и пластин материалов,
используемых для электрических изоляторов. Метод II. Огне-
стойкость). Для испытаний формуется образец размером 12,7Х
X 12,7X127 мм. Ток в нагревательную спираль (охватывает обра-
зец) подается одновременно с подачей напряжения на дуговые
электроды, расположенные горизонтально по обе стороны об-
разца. Время изготовления (в секундах) без удаления газов при
нагревании измеряется от момента включения энергии до загора-
ния образца. После возгорания нагреватель и дуговые электроды
обесточиваются. Время горения образца определяют как время,
в течение которого образец продолжает гореть (пока не исчез-
нет пламя). Взвешивая образец до и после горения, определяют
потерю массы. Вариант стандарта MIL-M-14 дает пять значений
времени горения (пять испытаний образцов) в возрастающем по-
рядке: 7\, Т2, ..., Т5. Рассчитываются отношения (Т2 — ТА/
/(Т5 — ТА и (Т& — ТА/(Т6 — ТА- Если эти величины превы-
шают 0,642, тогда Тг (или Т5) выпадает из ряда и исключается
из рассмотрения. Время горения в этом случае рассматривается
как среднее арифметическое из четырех значений.
Необходимо заметить, что описанные испытания на огнестой-
кость проводятся на воздухе. Во время испытания вентилятор
должен работать. Для космических программ аналогичные испы-
тания проводятся в атмосфере кислорода, а часть их — и при
давлениях больших, чем 0,1 МПа [11, 12].
В соответствии со стандартом MIL-M-14 определяется ток-
сичность при нагревании. При испытаниях измеряются наличие
и максимальная концентрация токсичных газов, которая должна
быть меньше допустимой. Определяется содержание следующих
газов: углекислого, угарного, аммония, альдегидов (например
Н-СНО), цианидов (HCN), окислов азота в расчете на (NO2)
и хлористого водорода.
Для качественного проведения испытаний MIL-M-14 послед-
ние могут быть дополнены определением ряда свойств материалов
в соответствии с другими спецификациями:
«Сопротивление дуги»—FTMS 406, метод 4011;
«Диэлектрическая постоянная и фактор рассеяния (диэлектрические поте-
ри)» — FTMS 406, метод 4021;
459
«Электрическая прочность, ступенчатый подъем напряжений) — FTMS 406,
метод 4031 (вариант);
«Предел прочности при изгибе»— FTMS 406, метод 1031 (вариант);
«Ударная вязкость» — FTMS 406, метод 1071;
«Адсорбция воды»— FTMS 406, метод 7031.
24.5.2. Слоистые пластики (ламинаты)
Методы испытаний, применяемые для армированных слоистых
пластиков (ламинатов), изложены в военном стандарте
MIL-P-25421 (Пластические материалы. Системы. Стеклово-
локна — эпоксидные связующие. Прессование при низком дав-
лении), в котором изложены требования к материалам, исполь-
зуемым в самолетостроении и других отраслях техники. Методы
испытаний описаны в FTMS 406 (Пластики. Методы испытаний)
(см. табл. 24.3), Физические свойства определяют плотность,
содержание связующего и твердость по Барколу. Значения этих
величин могут варьироваться в зависимости от требований за-
казчика.
Определение механических свойств включает в себя измере-
ние растяжения, поперечного сжатия, предела прочности при
изгибе, а также модуль упругости при изгибе. Испытания прово-
дятся: 1) при нормальных условиях: температура 23±1 °C и
относительная влажность (после 4 дней экспозиции) 50±4 %
(или без кондиционирования условий); 2) после кипячения об-
разца в течение 2 ч в дистиллированной воде. В последнем слу-
чае образец охлаждается в воде и испытывается непосредственно
после извлечения из нее. Если существуют сомнения в надеж-
ности таких испытаний, образец выдерживают в воде в течение
30 дней при комнатной температуре.
24.5.2.1. Методы испытаний по ASTM. армированных слоистых
пластиков
ASTM D494. Экстракция в ацетоне расплавных или прессованных мате-
риалов на основе фенольных смол;
ASTM D1867. Медные проволоки, плакированные термореактивнымн лами-
натами;
ASTM D1823. Травление и очистка электроизоляционных материалов для
плакирования меди н электрические испытания термореактивных ламинатов;
ASTM D2861. Гибкие композиты на основе медной фольги с пленкой диэлек-
трика или с обработанной тканью;
ASTM D709. Слоистые термореактнвные материалы;
ASTM D1532. Стеклопластиковые ленты на основе полиэфирного связую-
щего;
ASTMD3039. Механические свойства ориентированных композиционных
волокнистых материалов при растяжении;
ASTM С582. Слоистые армированные пластики для конструкций, исполь-
зуемых в химических отраслях;
ASTM D2408. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка амнносила-
нами для использования в стеклопластиках;
ASTM D2410. Стеклоткани. Очистка н последующая обработка комплек-
сами хрома для использования в слоистых пластиках;
460
ASTM D2660. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка акрилоси-
лаиами для использования в слоистых пластиках;
ASTM D3098. Стеклоткани. Очистка и последующая обработка силанами
с эпоксифункциональными группами для использования в слоистых пластиках;
ASTM D2150. Ткани из стеклоровинга для стеклопластиков на основе поли-
эфиров.
24.5.2.2. Методы испытаний по ASTM для исследования
физических свойств
A STM D792. Плотность;
A STM D792. Удельный объем;
ASTM D638. Предел прочности при растяжении и модуль упругости;
ASTM D695. Предел прочности при сжатии и модуль при сжатии;
ASTM D790. Предел прочности и модуль упругости при изгибе;
ASTM D732. Предел прочности при сдвиге и модуль сдвига;
ASTM D953. Долговременная прочность (долговечность);
ASTМ D256. Ударная вязкость (по Изоду);
ASTM D952. Когезионная прочность;
ASTM D785. Твердость (по Роквеллу);
ASTM D2583. Твердость (по Барколу);
A STM И570. Адсорбция влаги.
24.5.2.3. Методы испытаний по ASTM для изучения тепловых
свойств
ASTM С177. Теплопроводность;
ASTM D696. Коэффициент теплового линейного расширения;
ASTM С351. ASTM D275ff.; Удельная теплоемкость.
24.5.2.4. Методы испытаний по ASTM для исследования
электрических свойств
ASTM D257. Сопротивление изоляции и объемное сопротивление;
ASTM D149. Электрическая прочность;
ASTM D150. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических
потерь (фактор потерь);
ASTM D495. Дугостойкость.
24.5.2.5. Методы испытаний по ASTM для исследования
химических свойств
ASTM D543. Устойчивость к воздействию химических реагентов (кислот,
щелочей, растворителей).
При проведении испытаний слоистых пластиков на изгиб
(если образцы получены методом вакуумного прессования) не-
обходимо учитывать, что прочность зависит от особенностей рас-
положения верхней и нижней сторон образца [13]. Показано
также, что для слоистых пластиков на основе тканей сатинового
переплетения механические свойства несимметричны относи-
тельно структуры ткани [13]. При формовании композитов эти
свойства необходимо учитывать.
В соответствии со стандартом ASTM D638 образцы для испы-
таний на растяжение изготавливают в виде пластин с утонением
в зоне разрыва, либо удлиненными с утонением в зоне разрыва
461
Рис. 24.1. Стандартный образец с утонением для испы-
таний на растяжение. Ширина образца плавно умень-
шается к середине с 12,7 до 12,6 мм. Переход от цен-
трального прямолинейного участка к крайним клино-
видным участкам расширения выполнен по радиусу,
равному 1/4 длины центрального прямолинейного участ.
ка
Рис. 24.2. Прямобокий образец с усиливающими на-
кладками. Ширина образца Ъ = 12,6 ... 12,7 мм. Уси-
ливающие накладки А параллельны с точностью 0,5 мм,
их кромки перпендикулярны поверхности образца в
пределах ±3°. Материал накладок — восьмислойный
текстолит 1002, адгезионный слой — клей типа «Метл-
бонд-329», ориентация волокон текстолита относительно
оси симметрии образца 45 и 135°, отверстия Б для фик-
саторов зажимов имеют диаметр 4,8 мм
12,150,25,
12,1*0,15, . 30
0,0*0,25^
ТО ±1,3
215
250
6,0*0,25
+
точз^Л
в соответствии с военной спецификацией (MIL) или со стандар-
том AMS (рис. 24.1). Образцы могут быть и прямоугольные с уси-
ленными накладками концами (рис. 24.2), обычно применяемые
при испытаниях особовысокопрочных композитов. Для тексто-
литов используются обычно удлиненные образцы с утонением
в зоне разрыва, которые не занижают значения прочности и ло-
кализуют зону разрушения. Образцы с усиленными накладными
концами используют в основном при испытаниях однонаправлен-
ных композитов на основе высокопрочных армирующих волокон
117].
Модуль упругости при растяжении стеклопластиков так же,
как и другие модули упругости, подразделяют обычно на первый
и второй. Последнее связано с тем, что форма кривой напряже-
ние — деформация может быть аппроксимирована двумя прямыми
с различными углами наклона.
Существует много видов испытаний образцов на сжатие. Недо-
статком большинства из них является либо разрушение концов
образца в результате воздействия сдвиговых напряжений, либо
расщепление концов образца при нагружении. Если концы об-
разцов не обжаты либо обжаты частично, то предел прочности
462
при сжатии оказывается ниже, чем предел прочности при растя-
жении. Обжатие концов образца или модификация самих образ-
цов дает возможность получить значения предела прочности при
сжатии, вдвое превышающие предел прочности при растяжении.
Испытания на изгиб являются самыми простыми видами ис-
пытаний. Результаты этих испытаний являются первичными при
проведении контроля качества материалов. Соотношение база —
толщина является наиболее значимым фактором при этом виде
испытаний. В зависимости от природы и типа образца разрушение
может происходить из-за растяжения, сжатия или сдвига.
Испытания на сдвиг могут быть проведены большим числом
способов. Ниже представлены типичные значения предела проч-
ности при сдвиге, полученные различными способами для стекло-
пластика на основе ткани типа 181:
Межслоевой сдвиг (с надрезом)............................. 12—15
Метод короткой балки (сдвиг по изгибу} ................... 48—84
Плоский сдвиг (метод рамки)............................... 7—48
Рельсовай сдвиг................................................ 110
Сдвиг по Джонсону ........................................ 48
Сдвиг кручением.............................................Различные
значения
Наиболее полное описание современных методов изучения
сдвига можно найти в монографии [14].
24.6. Другие виды испытаний
Ряд испытаний должен проводиться при повышенных темпера-
турах. Зависит это от типа композиционного материала и области
его применения. Обычные композиты не должны терять проч-
ность и модуль после получасовой экспозиции при темпера-
туре 71 °C. Композиционные материалы с повышенной теплостой-
костью испытывают для определения предела прочности при из-
гибе при температуре 71° С после экспозиции при той же темпера-
туре в течение 0,5 ч. Предел прочности при растяжении и сжатии
и начальный модуль упругости при изгибе таких материалов
определяют при 260 °C после экспозиции образцов в течение 0,5 ч
при температуре 288 °C. Испытания для определения предела
прочности и модуля упругости при изгибе проводят при темпера-
туре 260 °C после 192 ч экспозиции образцов при той же темпера-
туре.
Изучение электрофизических свойств композитов необходимо,
если их эксплуатация проводится при излучении в радио- и СВЧ-
диапазонах. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлек-
трических потерь определяются как при нормальных условиях,
так и при повышенной влажности 1.
1 Для этих испытаний образец насыщается влагой путем погружения в воду
на 24 ч.
463
Для композитов, которые будут применяться при излучениях
в радиодиапазоне, электрофизические свойства определяют при
частоте 1 МГц в соответствии со стандартом FTMS 406 (метод 4021).
Для композитов, применяемых при излучениях в СВЧ-диапазоне,
те же свойства определяют на частотах 8500 ... 10 000 МГц, ис-
пользуя коротковолновую технику.
В зависимости от вида композита методы испытаний могут
несколько меняться, однако и сами испытания, и условия кон-
диционирования образцов могут быть включены в стандарт.
Например, предел прочности при сдвиге (по FTMS 406, метод
104), многоцикловая прочность (по FTMS 406, метод 1051),
ударная вязкость (по FTMS 406, метод 4071), адсорбция влаги
(по FTMS 406, метод 7031) и огнестойкость (по FTMS 406, метод
2021) могут быть определены по указанным выше стандартам для
слоистых пластиков.
24.6.1. Методы определения пожароопасных свойств
Увеличение объемов применения пластиков в строительных
конструкциях повышает интерес к исследованию пожароопасных
свойств этих материалов [15]. Лаборатория The Underwriters
Laboratories издала комплект документации по исследованию
пожароопасных свойств (Бюллетень № 94), в который включены
стандартные методы определения горючести материалов (обра-
зец расположен горизонтально). Там же приводятся и оценочные
методы определения пожароопасных свойств (вертикальный обра-
зец), обеспечивающие сравнение различных материалов, но не
позволяющие использовать данные этих испытаний при кон-
структорских разработках. В том же документе описываются ме-
тоды определения способности образцов к возгоранию от источ-
ника тепла. В качестве такого источника использовались прово-
лока, нагреваемая током, или электрическая дуга.
Стандарт ASTM D635 разработан на метод измерения скорости,
степени и времени горения пластиков в горизонтальном положе-
нии. Стандарт ASTM Е-84 описывает метод1 определения по- |
верхностной горючести материалов в туннельной печи диаметром |
2,4 м. Измерения кислородного индекса проводятся в соответ- '
ствии со стандартом ASTM D2863, который зачастую вытесняет i
используемый в лабораториях бунзеновский метод сжигания. 1
Кислородный индекс определяет, какая процентная доля кисло- .]
рода из кислородно-азотной смеси необходима для поддержания ]
горения вертикально стоящего образца, нагреваемого пламенем j
внешней газовой горелки с верхнего конца. Стандарт ASTM D2843
описывает в основном метод определения плотности дыма, воз- !
никающего при горении или термическом разложении пластиков.
1 Аналогичный способ UL-723 называют «туннельным методом».
464
24.6.2. Дегазация и загрязнение
Все больше армированных пластиков и других неметалличе-
ских полимерных материалов находят свое применение в кон-
струкциях, поверхность которых весьма чувствительна к за-
грязнению летучими веществами, которые могут конденсироваться
на ней. Оптические компоненты и поверхности термического кон-
троля у искусственных спутников являются примерами такого
применения и оказываются особенно чувствительными к таким
явлениям, если их температура становится ниже, чем у соседних
конструкций.
Как следствие, основным методом изучения этих свойств яв-
ляется измерение потери массы и конденсация летучих в ва-
кууме. Стандарт ASTM Е595-77 описывает методы испытаний,
заключающиеся в использовании техники экранирования для
оценки пригодности материалов или для изучения изменения
свойств материалов во времени.
После кондиционирования в течение 24 ч при температуре
23 °C и относительной влажности 50 % образцы выдерживают
в вакууме при 125 °C в течение 24 ч. Часть паров, выделяющихся
из образца, проходит через камеру коллектора, где пары кон-
денсируются на тарелках коллектора при температуре 25 °C.
Общая потеря массы (ОПМ) и сконденсированных летучих (СЛ)
определяется взвешиванием образца и коллектора до температур-
ной экспозиции в вакууме и после нее. После взвешивания об-
разца для определения ОПМ может быть определено и равновесное
содержание влаги (РСВ). Для этого образец вновь экспонируется
при Т — 23 °C и 50 %-ной относительной влажности в течение
24 ч. После экспонирования образец взвешивается и определяется
масса влаги, сорбированной образцом.
24.6.3. Стабильность размеров (формоустойчивость)
Композиционные материалы на основе углеродных и арамид-
ных волокон имеют очень низкий температурный коэффициент
линейного расширения (ТКЛР). Использование этого свойства
обеспечивает высокую стабильность размеров изделий в широком
интервале температур и других внешних условий. Существует
много методов точного определения размеров и изменения раз-
меров .образцов [161.
Тензометрические приспособления (проволока, фольга), из-
меняющие свое сопротивление при деформировании, позволяют
измерять средние деформации в одном, двух или трех направ-
лениях. Линейный переменно-дифференциальный преобразова-
тель (ЛПДП) позволяет измерять изменение длины образца
меньшее, чем 10~8 м. В большинстве дилатометров ЛПДП яв-
ляется чувствительным элементом и, следовательно, его точность
определяет предельную точность определения изменений длины.
На это накладываются ошибки за счет контактов, перемещения
465
частей преобразователя, трения, неровностей и тепловых эффек-
тов в ЛПДП.
Электрооптические методы основаны в основном на примене-
нии автоколлимационной техники, позволяющей детектировать
малые угловые отклонения пучка света при перемещении отра-
жающей поверхности. Расширение образца при нагревании мо-
жет быть зафиксировано и методом «оптического рычага». Для
бесконтактных измерений могут быть использованы и пучки оп-
тических волокон.
Интерферометры различного типа, особенно лазерные, могут
быть использованы для определения изменений длин образцов
в процессе внешних воздействий. Интерферометр объединяет два
или более пучков света, полученных методом расщепления исход-
ного пучка. Интенсивность каждого из пучков света и общего
потока зависит от длины пути, пройденного светом. При измене-
нии этого пути меняется интерференционная картина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Epstein G., «Testing Considerations for High-Performance Filament-Wound
Structures», Paper No. 440, ASTME Collected Papers 62, Book 2, 1962.
2. Kriener J. H. and Almon M., «А Study of Environmental Effects on Aerospace
Grade Composites», In: Advanced Composites Technology, Technology Confe-
rences Associates, Box 842, El Segundo, California, March 1978.
3. National Association of Corrosion Engineers, Managing Corrosion Problems
with Plastics, Houston, Texas, 1975.
4. Moon D. P., Shinn D. A. and Tyler W. S., «Use of Statistical Considerations
in Establishing Design Allowables for Military Handbooks», 5th Reliability
and Maintainability Conference, July 18, 1966.
5. «Resin, Polyester, Low-Pressure Laminating», Military Specification
MIL-R-7575C, June 29, 1966.
6. «SPI Procedures for Running Exotherm Curves — Polyester Resins», Septem-
ber 1960.
7. Calderwood R. H., «Some Factors which Determine Glass Reinforced Polyester
Laminate Quality», 16th Annual Technical and Management Conference, Rein-
forced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois, February 1961.
8. Advanced Composites Technology, Technology Confernces Associates, Box 842,
El Segundo, California, March 1978.
9. «Evaluation Techniques for Fibers and Yarn Used by the Fibrous Materials
Branch, Nonmetallic Materials Division, Air Force Materials Laboratory»,
AFML-TR-67-159, September 1967.
10. AFML-TR-65-366, December 1965.
11. «Apollo Spacecraft Nonmetallic Materials Requirements», NASA Document
MSC-PA-D-67-13, NASA Manned Spacecraft Center, February 9, 1968.
12. ASTM D2863-77, «Measuring the Minimum Oxygen Concentration to Support
Candlelike Combustion of Plastics (Oxygen Index)».
13. Lubin G. and Тарре W. C., «Factors Causing Scatter and Unreliable Design
Data for Fiberglass Fabric Laminates for Aerospace Applications», 22nd Annual
Technical Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Washington, D. C.,
January 31 — February 3, 1967.
14. Pagano N. J., AFML Technical Memorandum MAN 67-16, September 1967.
15. Reymers H., «New Flammability Indexes and What They Mean», Modern Plas-
tics, October 1970.
16. Wolff E. G., «Measurement Techniques for Low Expansion Materials», In:
9th National SAMPE Technical Conference 9, October 4—6, 1977.
466
17. Dasfln S., Lubin G., Mungak J. and Siobodzinski A., «Mechanical Properties
and Test Techniques for Reinforced Plastic Laminates», Technical Publication
No. 460, ASTM, 1970.
Дополнительная литература no испытаниям армированных пластиков
Beach N. E., «Defense Specifications and Standards for and Relating to Reinforced
Plastics», PLASTEC Note 3 (AD402-225), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey,
March 1963.
Beach N. E., «Government Specifications and Standards for Plastics, Covering
Defense Engineering Materials and Applications», PLASTEC Note 6 (AD410-401),
Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, May 1963.
Beach N. E., «Guide to Test Methods for Plastics and Related Materials», PLASTEC
Note 17, Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, August 1967.
Beach N. E,, Plastic Laminate Materials — Their Properties and Usage, Foster
Publishing Co., Long Beach, California, 1967.
Boiler К- H., «Strength Properties of Reinforced Plastic Laminates at Elevated
Temperatures», ASD TR61-482, 1962.
«Comparison of United States and British Methods for Testing Plastic Materials»,
PLASTEC Note N32 (AD A034-734), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, Sep-
tember 1976.
Composite Materials: Testing and Design, STP 617 (ASTM), 1977. Environmental
Effects on Advanced Composite Materials, STP 602 (ASTM), 1976.
Epstein G., «Testing Considerations for High-Performance Filament-Wound Struc-
tures», American Society of Tool and Manufacturing Engineers, Paper No. 440,
1962.
«Filament-Wound Reinforced Plastics: State of the Art», Special Report No. 174,
Materials in Design Engineering, August 1960.
«А Glossary of Physical Properties and Tests», Manual No. 159, Materials in Design
Engineering (now Materials Engineering), June 1959.
«International Symposium on Plastics Testing and Standardization», ASTM Special
Technical Publication No. 247, 1959.
Kobler, Ruth S. and McNally, Cecilia U., «Guide to Specifications for Rigid
Laminated Plastics», PLASTEC Report 7 (AD276-142), Picatinny Arsenal, Dover,
New Jersey, March 1962.
Lever A. E. and Rhys J., The Properties and Testing of Plastics Materials, Che-
mical Publishing Co., New York, 1962.
Litvak S., «Conference on Structural Plastics, Adhesives and Filament Wound
Composites», ASD-TDR-63-396, December 1962.
«Mechanical Properties and Tests, «Manual No. 106, Materials and Methods (now
Materials Engineering), July 1954.
Oleesky S. S. and Mohr J. G., Handbook of Reinforced Plastics. Van Nostrand
Reinhold Co., New York, 1963.
Frados J., ed., Plastics Engineering Handbook, Society of the Plastics Industry,
Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1976.
Simulated Service Testing in the Plastics Industry, STP 375 (ASTM), June 1964.
Thirty-third Annual Technical Conference, Reinforced Plastics/Composites Insti-
tute, the Society of the Plastics Industry, 1978.
Неразрушающие методы контроля
Anzalone A. M., «The Application of Nondestructive Testing to Plastics», PLASTEC
Note 1 (AD 261-550), Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, July 1961.
ASTM Fourth Pacific Area National Meeting, October 1962.
Baldanza N. T., «А Review of Nondestructive Testing for Plastics: Methods and
Applications», PLASTEC Report 22, Picatinny Arsenal, Dover, New Jersey, August
1965.
«Nondestructive Testing: Trends and Techniques», NASA SP-5082, October 1966.
«Sampling Procedures and Tables for Inspection by Attributes», Military Standard
MIL-STD-105.
«Sampling Procedures and Tables for Inspection by Variables for PerCent Defective»,
Military Standard MIL-STD-414.
«Tentative Recommended Practice for Sampling of Plastics», ASTM D1898-68.
25. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
Дж. Эпштейн
25.1. Введение
Целью методов неразрушающего контроля (МНК) является
определение и измерение отклонений от нормы свойств материала
и обнаружение его скрытых дефектов без разрушения изделия х.
К этим же методам относятся виды испытаний, не разрушающие
и не повреждающие образцы материалов. Годность образца за-
висит от инженерной оценки и от корреляции между «наблюдае-
мыми» дефектами и величинами определяемых параметров.
МНК играют важную роль при создании конструкционных и
защитных материалов, помогая определить их целостность, на-
дежность и безопасность [1].
В докладе [2] представлен широкий обзор существующих
МНК для пластиков [3,4].
25.2. Визуальные методы неразрушающего контроля
Внимательный визуальный осмотр является одним из распро-
страненных МНК- Дефектами, которые можно наблюдать, яв-
ляются: разнооттеночность (следствие перегрева), посторонние
включения, трещины, царапины, зазубрины, пузыри, «апельси-
новая корка» — шероховатая фактура поверхности, точечная
коррозия (питтинг), воздушные пузыри, поры, натеки связую-
щего и непропитанные участки, пустоты и расслоения. Наблю-
дения могут проводиться с использованием различного освеще-
ния и приборов. Отраженный свет используется для определе-
ния дефектов на поверхности; проходящий свет (если материал
может быть просвечен) позволяет обнаруживать дефекты внутри
образцов. Особенностью визуальных МНК является возможность
обнаружения только сравнительно больших дефектов, которая
зависит от квалификации контролера. Стандарт ASTM D2563-70
(Классификация визуальных дефектов в стеклопластиках и из-
делий из них) уточняет ряд деталей этого метода.
1 Важность МНК была отмечена в следующем заявлении представителя ВВС
США Г.Эстера в его обращении к 10-му Национальному симпозиуму по контролю
качества и надежности: «Мы не можем позволить себе разрушать готовое изделие
для оценки его качества, поэтому мы должны приспособить иеразрушающие ме-
тоды контроля для решения проблемы надежности».
468
Визуальные МНК. применяются не только для армированных
пластиков. Использование композитов в сандвичевых конструкциях
вызывает необходимость и в этом случае применять такие методы
контроля. Визуальный осмотр непосредственно после отвер-
ждения еще не остывших сотовых сандвичевых конструкций поз-
воляет обнаружить пузыри, непроклеенные участки или расслоен-
ные участки. Эти пузыри могут исчезнуть после охлаждения кон-
струкции при пониженном давлении. Когда необходимо опреде-
лить визуально наличие или отсутствие открытых пор в слоистых
пластиках, желательно использовать специальные световые уста-
новки, которые могут помочь увидеть дефекты в структуре. Од-
нако таким способом в основном могут наблюдаться только боль-
шие дефекты.
Установление места наблюдаемого дефекта является одной из
задач оценки качества проверяемой детали. Только большими уси-
лиями можно провести корреляцию между различными по типу
и размеру дефектами и характеристиками армированных компо-
зитов [5]. Инженерная оценка и предварительные испытания
обычно используются только для установления средних приемле-
мых критериев.
25.3. Ультразвуковые методы диагностики
Один из распространенных МНК, использующих акустическую
энергию на частотах выше 20 кГц, называется ультразвуковым.
Чаще всего используются частоты от 100 кГц до 25 МГц. Более
низкие частоты, относящиеся к области слышимого звука, имеют
длину волны, сравнимую с размером дефекта, и звук как бы «об-
текает» дефект. Надежные методы генерации и детектирования
ультразвуковых волн особенно пригодны для обнаружения ма-
лых дефектов [6).
Картины С-сканирования (в плоскости волны) для образцов
стеклопластика, полученных намоткой, демонстрируют возмож-
ность обнаружения несвязанных или неармированных участков,
например пустот размером 6 мм или более [7]. Темные полосы
на картине соответствуют дефектам.
Когда ультразвуковые волны достигают границы раздела или
места обрыва волокна, часть их отражается. Суммарная отражен-
ная энергия зависит от удельного акустического сопротивле-
ния Z, характерного для данного материала, в котором распро-
страняется ультразвуковая волна со скоростью о, и от плотности
материала р. Энергия акустического сигнала, проходящего через
образец, уменьшается в результате поглощения в самом материале
и отражения на дефектах. Детектирование (локация) дефектов
проводится путем оценки различия в пути, а следовательно, и
в потере энергии отраженных и (или) прошедших ультразвуко-
вых волн.
469
На практике импульс от генератора сигналов передается
по коаксиальному кабелю на пьезоэлектрический преобразова-
тель, который трансформирует электрический сигнал в механиче-
ский.
Передача механической энергии от источника к образцу
осуществляется через среду, улучшающую акустический контакт:
воду, глицерин, масло, водные эмульсии. Кроме того, иногда
используются резиновые прокладки или локальные источники
воды; используются и увлажненные резиновые прокладки. Зву-
ковой сигнал, прошедший образец и отраженный в нем, детекти-
руется приемником, вновь преобразующим энергию механиче-
ских колебаний в электрический сигнал. Этот сигнал анализи-
руется и выводится на визуализирующее устройство, например
на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на анализатор
сканирующего типа.
Ультразвуковой эхо-импульсный метод неразрушающего кон-
троля построен на принципе обнаружения сигналов, отраженных
от нарушений сплошности для локации места дефекта. Для этого
метода достаточен доступ только с одной стороны образца. Де-
фект определяется, если сигнал отразился ранее,
задняя по отношению к датчику поверхность
наблюдается в виде дополнительного импульса
чем достигнута
образца. Дефект
расположенного
между импульсом исходным и отраженным от задней поверхности.
Зная скорость распространения звука в материале образца,
по
положению промежуточного импульса относительно исходного
можно провести локацию дефекта в образце.
При сквозном прозвучивании материала измерения произво-
дят после прохождения ультразвука через образец. Необходим
двусторонний доступ, т. е. ультразвуковые преобразователи рас-
положены по обе стороны от образца. Уменьшение энергии в ре-
зультате наличия дефекта определяется по уменьшению ампли-
туды импульса на экране ЭЛТ. Методом сквозного прозвучива-
ния проверяются в основном более толстые материалы, чем при
эхо-импульсном способе.
Оба вышеизложенных метода позволяют определять наличие
в изделиях несплошностей больших размеров и проводить их
локацию только в направлении, перпендикулярном направлению
распространения ультразвука. Однако не менее важно опреде-
лять малые дефекты армирующего компонента, пузыри, места
с недостатком связующего, пористость. Обнаружить такие де-
фекты можно по затуханию ультразвука при сквозном прозву-
чивании образца. Для этих целей может использоваться также
ультразвуковой эхо-импульсный метод, однако образцы не должны
быть слишком тонкими, так как исходный и отраженный от зад-
ней поверхности импульсы могут интерферировать. Но образец
не должен быть и очень толстым, поскольку на результате сильно
сказывается затухание отраженного импульса даже для свобод-
ных от дефектов образцов.
470
Техника ультразвуковых сдвиговых колебаний используется
для контроля изделий сложной формы там, где неэффективны
сквозное и эхо-импульсное прозвучивания. В этом случае сигнал
посылается под углом 17,5 ... 30б к нормали. Если дефекты от-
сутствуют, волны, отражаясь от поверхностей образца, затухают,
т. е. к источнику сигнал не возвращается. При наличии дефекта
появляется отраженный сигнал, который будет зарегистрирован
преобразователем [81.
Кроме локации (обнаружения) дефектов с помощью ультра-
звуковых методов можно определять толщину материалов. Сквоз-
ное прозвучивание и эхо-импульсный метод позволяют опреде-
лять толщину стеклопластиков с ошибкой не более 2 % при тол-
щине 3,2 ... 1,3 мм [9]. Для меньших толщин эхо-импульсный
метод непригоден из-за возможной интерференции, а метод сквоз-
ного прозвучивания используют и на более толстых образцах.
Резонансный метод ультразвукового контроля основан на де-
тектировании изменения резонансной частоты или уменьшения
энергии на резонансной частоте вследствие наличия дефектов в ар-
мированных пластиках. Исходно определяемая резонансная ча-
стота зависит от состава материала и толщины образца. Изменения
в составе и (или) толщине образца сказываются на чувствитель-
ности метода и на локационном разрешении дефекта. С помощью
этого метода можно определять также и толщину образца:
, _ nA
г- 2 ,
где X — резонансная длина волны; п — число, соответствующее
гармонике данных колебаний (основной гармонике — резонансу —
соответствует п = 1).
Изменение скорости прохождения ультразвука при извест-
ной толщине образца может служить для определения изменения
плотности и модуля упругости [10], исходя из соотношения
v _ Е Г 1—V 11/2
Р 1(1 + V) (1 - 2v) J ’
где VL — скорость распространения продольных волн; Е —
объемный модуль упругости; р — плотность материала; v — коэф-
фициент Пуассона. Для стеклопластиков на основе Е-стеклотка-
ней типа 181 с эпоксидными, фенольными, полиэфирными, сили-
коновыми, а также полибензамидазольными (ПБИ) связующими
в отчете AVCO рекомендуется соотношение
VlP = 0.0124Е,
где Vl — продольная скорость распространения волны, изме-
ряемая в плоскости слоя.
Измерения продольной скорости распространения ультразву-
ковых колебаний VL при сквозном прозвучивании образца дают
достаточно хорошую корреляцию с пределом прочности при ра-
471
стяжении для стеклопластикового цилиндра, армированного ко- ;
роткими волокнами [11]. Аналогично измерение продольной ско-
рости распространения волны в направлении армирования для
однонаправленных борэпоксидных композитов (ЭБП) коррели-
рует с переделом прочности этих материалов при сдвиге [12].
В обоих случаях высокой продольной скорости распространения .
волн соответствует высокая прочность материалов, в то время ’
как для модуля упругости этот параметр зависит еще и от плот-
ности. )
Широкие исследования ультразвуковых МНК для намоточных j
композитов были проведены фирмой «Дуглас» по заказу ВВС США :
[131. Техника сквозного прозвучивания была приспособлена для '
образцов толщиной 508 мм с использованием воды в качестве им-
мерсионной жидкости для акустического контакта. Определялись
дефекты, связанные с нарушением армирующего компонента,
пористостью и изменением состава связующего. Надежно уда-
валось фиксировать обрывы нитей при намотке сосудов высокого
давления.
Определение глубины проникновения трещин в материал и
классификация типов трещин проведены Бар-Коэном [14] с по-
мощью варианта эхо-импульсного метода с очень коротким «удар-
ным» импульсом \ На ЭЛТ выводится сигнал образца, в котором
отсутствуют дефекты. При дальнейших измерениях участки с де-
фектами вносят изменения в картину на экране ЭЛТ. Могут на-.
блюдаться следующие изменения: дополнительные отражения сиг-
нала, изменение скорости его прохождения, вариации затухания
или смещение фазы отраженного сигнала. Этот метод приме-
нялся для оценки сандвичевых конструкций, состоящих из угле-
пластиковых слоистых обшивок и сотового алюминиевого запол-
нителя. Исследовалась возможность определения дефектов раз-
личного типа, включая нарушение сплошности в слоистом пла-
стике, несвязанные (непроклеенные) участки между обшивкой
и заполнителем и расхождение между концами волокон в слои-
стой обшивке.
Следующие стандарты Американского общества (ASTM) по
испытаниям материалов излагают ультразвуковые неразрушающие
методы контроля:
ASTM El 13-67. Ультразвуковой контроль резонансным методом;
ASTTM El 14-75. Ультразвуковой коротколучевой эхо-импульс-
ный контактный метод контроля;
ASTAf Е214-68. Иммерсионный ультразвуковой метод кон-
троля, использующий отражение импульса продольной волны;
ASTM Е317-68. Оценка технологических характеристик с по-
мощью ультразвукового эхо-импульсного метода;
1 В оригинальном тексте используется термин shock wave — «ударная волна»,
хотя скорость распространения считается звуковой, что не соответствует опре-
делению ударной волны, фронт которой распространяется со скоростью, большей
скорости звука. — Прим. пер.
472
ASTM E494-75. Измерение скорости прохождения ультразвука
в материалах.
В военно-морской лаборатории прикладных исследований
США был опубликован ряд сообщений о возможностях использо-
вания ультразвуковой техники для неразрушающего контроля
армированных пластиков различных типов [15]. Центр по иссле-
дованию материалов армии США (шт. Массачусетс, г. Уотер-
таун) издал обзор по методам ультразвуковых испытаний (A re-
port guide to ultrasonic testing literature, v. I, March 1966).
Прибор «Фоккербондтестер», созданный голландской фирмой
«Фоккер», использует ультразвуковой резонансный метод, вклю-
чая пьезоэлектрические преобразователи колебаний в широком
интервале частот. Были предложены другие разработки в виде
приборов «Коиндаскоп», «Стабметер» и «Сонизон». При контроле
образцов весьма существенное влияние оказывает контакт пре-
образователя колебаний с образцом. Обычно используемая схема
включает вольтметр (В-шкала), фиксирующий общее затухание
преобразователя. Визуализация на экране ЭЛТ позволяет выде-
лить резонансную частоту.
Прибор «Фоккербондтестер» широко используется для нераз-
рушающего контроля адгезионно связанных конструкций. Наи-
более эффективно он используется для определения качества ад-
гезионных соединений металлов с металлами. Успехи достигнуты
и при определении качества сотовых сандвичевых структур, для
выявления несвязанных участков [16].
При определении качества продукции такие приборы градуи-
руются по образцам, в которых дефекты отсутствуют. Для санд-
вичевых конструкций качество адгезионных связей металла с ме-
таллом в плоскости растяжений определяет сдвиговые характе-
ристики материала. Качество таких связей определяется по ам-
плитуде колебаний на резонансной частоте (A-шкала) и по зату-
ханию максимальной амплитуды (В-шкала).
25.4. Звуковые методы контроля
В звуковом методе используются колебания в слышимом диа-
пазоне частотой от 10 Гц до 20 кГц. Методы, относящиеся к этой
технике, позволяют определить наличие больших трещин или рас-
слоений. Чистый, звенящий звук характерен для хорошо связан-
ной, твердой структуры. Глухой, быстро затухающий звук яв-
ляется признаком расслоения в композите или наличием протя-
женных участков пустот (малые поры не могут детектироваться
звуковыми методами).
Кроме того, операции прозвучивания могут выполняться на
автоматизированной аппаратуре, что облегчает проверку и увели-
чивает эффективность контроля. Так, например, «Флометер»
является электронной испытательной аппаратурой, контролирую-
щей силу выталкивания и время задержки. Сигнал с микрофона
473
подается на дисплей для визуального наблюдения [17]. Прибор
используется для контроля лопастей винтов вертолетов. При
наличии несвязанных (расслоившихся) участков частота сигнала
падает и волна может вообще затухнуть. В то же время в мате-
риале без дефектов практически не происходит изменения частоты.
Звуковой резонатор, разработанный фирмой «Роквелл», ис-
пользуется для локации плохо связанных областей в сандвиче-
вых конструкциях с сотовыми заполнителями. Как и в предыду-
щем способе, обнаруживаются только большие дефекты. Вибра-
ция задающего кристалла вызывает акустические колебания всего
изделия. Резонанс наступает, когда собственные колебания из-
делия (образца) совпадают с частотой задающего устройства. Для
улучшения акустического контакта между образцом и кристаллом
необходимо использовать иммерсионные жидкости: глицерин,
воду и т. д. Дефекты влияют на локальные упругие свойства и,
соответственно, на определяемые ими характеристики колебаний,
что приводит к изменению воздействия на кристалл вибратора.
Результат такого изменения, преобразованный электронной схе-
мой прибора, визуализуется на экране или выводится на запись.
Для проведения такого контроля необходим доступ только с од-
ной стороны.
В способе «Эдди-Соник» [18] для возбуждения колебаний
используются вихревые токи. Соответствующий акустический
отклик позволяет определять местоположения дефекта. В этом
случае нет необходимости в контакте образца и преобразователя.
Не используются при этом и жидкости или масла. Однако для воз-
буждения вихревых токов в структуре образца должны быть пред-
усмотрены проводники электрического тока х.
Метод резонансного прозвучивания, как МНК. для определе-
ния дефектов в сотовых конструкциях с облицовками из армиро-
ванных пластиков, был использован для контроля абляционных
удлинителей сопл ракетных двигателей [19]. Было показано, что
обнаруживаемые дефекты расслоения как в наружной, так и во
внутренней облицовке из стеклоламината на основе фенольной
смолы при измерении с одной стороны удлинителя имеют размер
не менее 6,45 см2. Могут быть определены и нарушения адгезион-
ной связи облицовочных слоев (обшивок) с сотовым заполнителем.
Акустическую связь головки с изделием обеспечивала липкая
пленка «Майлар» (металлизированная полиэфирная пленка). По-
пытка использовать для акустической связи очищаемое покрытие
ставит другие проблемы — на поверхности ламината после уда-
ления покрытия остаются следы, ухудшающие качество изделия.
Колебания окружающей температуры при этом методе контроля
делают показания приборов неустойчивыми и их нужно избегать.
1 Материал включения должен не только обладать проводимостью, ио и быть
магнитным. — Прим. пер.
474
Звук (шум), генерируемый и во время простого нагружения
образцов армированных пластиков, может быть индикатором
появления разрывов или трещин. Изменение интенсивности и
уровня звуковых импульсов сопровождает развитие трещин
в структуре, эти области разрушения могут быть определены
с помощью специальной аппаратуры. Такая методика не отно-
сится, конечно, к области неразрушающего контроля. Для ее
осуществления необходимо приложить нагрузку, которая, в свою
очередь, часто приводит к снижению свойств и даже к разрушению
исходной структуры материала. Установлено, что во время гидро-
испытаний при уровне нагрузки ниже разрушающей может быть
получена корреляция между предельной нагрузкой и уровнем
шумов. Испытания проводились для сосудов высокого давления
и корпусов ракетных двигателей. А. Грин и др. [20] использо-
вали метод акустической эмиссии для комплексной проверки ка-
мер ракетных двигателей «Поларис АЗ», полученных методом
намотки стеклонитью.
Акустическая эмиссия использовалась и для композитов, ар-
мированных борными волокнами. Было показано, что сущест-
вует возможность идентификации разрушения волокон, растрес-
кивания матрицы и разрушения на границе раздела слоев при
приложении нагрузки к образцу [21 ].
Акустические преобразователи должны иметь хорошую связь
с поверхностью образца во время испытаний. Для этой цели су-
ществуют специальные приспособления. Описание аппаратуры
и анализ метода акустической эмиссии приведены в работе
Ч. Бейли [22].
Следующие стандарты ASTM регламентируют применение ме-
тода акустической эмиссии:
ASTM Е569-76. Применение метода акустической эмиссии при
контрольных нагружениях;
ASTM Е610-77. Определение терминов акустической эмиссии.
25.5. Радиография
Радиография позволяет исследовать внутреннюю структуру
твердых материалов, делая ее видимой. Для этого образец поме-
щается между источником проникающего излучения и регистра-
тором теневого изображения этого образца. Прошедшее образец
излучение фиксируется на фотопленке или на фотопластине,
находящейся сразу за образцом. Внутренние поры и разрывы
сплошности уменьшают количество твердого вещества на пути
излучения, а следовательно, для фотопленок появляется воз-
можность локации этих повреждений, так как в этих местах ин-
тенсивность излучения выше и фотопленка будет засвечена силь-
нее. В результате на регистрирующей пленке темные пятна соот-
ветствуют дефектам, а интенсивность засветки таких областей
при одинаковой экспозиции и толщине может определять глубину
их расположения в материале.
47&
Рентгенография является одним из наиболее распространен-
ных вариантов МН, использующих проникающее излучение. Су-
ществующий дефект изменяет условия прохождения рентгенов-
ского излучения, поскольку изменилась плотность материала и
толщина изделия.
Участки, в которых плотность ниже, будут иначе поглощать
излучение, что и будет регистрироваться детектором — фото-
пленкой или фотопластинкой. Так как плотность пластиков су-
щественно ниже плотности металла, посторонние металлические
включения будут очень хорошо видны.
Радиографические методы используются и для регистрации
больших пор, расслоений и трещин в изделиях из армированных
пластиков. Дефект должен быть достаточно большим (больше
длины волны). Дефекты малой толщины и расположенные перпен-
дикулярно к потоку излучения детектируются с большими по-
грешностями.
Для контрастирования поверхностных дефектов при рентгено-
графии образцы обрабатывают тетрабромэтаном (ТБЭ) [23].
Надежность этого метода определяется тем, что непрозрачный для
рентгеновского излучения ТБЭ проникает в поврежденные об-
ласти.
С помощью этого метода оценивают ударные повреждения
в эпоксиграфитовых композитах. Обработав образцы ТБЭ и ис-
пользуя рентгенографию, Ч. Бейли [24] смог и определять раз-
меры дефектов, и наблюдать разрывы волокон при условии, что
трещины имели выход на поверхность образца.
Военные технические условия MIL-T-271 описывают оборудо-
вание и методы проведения радиографических испытаний.
Следующие стандарты регламентируют условия контроля ра-
диографическими методами:
ASTM Е94-68. Радиографический контроль;
ASTM Е142-77. Контроль качества радиографическим мето!
дом; I
ЛЗТЛ4 Е568-76. Методы гамма-радиографии и рентгенографии!
Для получения рентгеновских пучков с энергией более высо-
кой, нежели дают обычные рентгеновские трубки, используют
метод бомбардировки мишени из тяжелых металлов пучками элек-
тронов, ускоренных в линейных ускорителях и бетатронах.
Такое излучение имеет более высокую проникающую способность.
Кроме того, оно слабо рассеивается и может быть сфокусировано
в очень узкий пучок. Линейные ускорители более совершенны,
чем бетатроны.
В университете штата Огайо разработаны оборудование и ме-
тод для преобразования данных рентгеноскопии в телевизион-
ное изображение. Это оборудование было использовано для об-
наружения разнообразных дефектов в стеклопластиках [25].
При, флюороскопии картина, даваемая рентгеновским излуче-
нием, выводится на флуоресцирующий экран. Чувствительность
476
этого метода несколько ниже, чем у лучших радиографических
методов [261. На выведенной на экран картине можно детектиро-
вать поры и трещины, соответствующие изменению толщины об-
разца на 2—3 %. Кроме того, этот метод чувствителен к содержа-
нию связующего и к неоднородности в ориентации волокна в ком-
позите.
Методы сканирующей радиографии используют рентгеновскую
дефектоскопию для обнаружения таких дефектов, как непарал-
лельность, обрывы, утонение пряжи и качество соединения ее
с полимерной матрицей [27]. Технически этот метод осуществ-
ляется стационарными детекторами, установленными в створе со
стандартным источником рентгеновского излучения, в то время
как материал движется в зазоре между источником и датчиком.
Результирующая картина несет информацию как о центральных,
так и о периферийных участках пряжи.
Все виды испытаний, использующие радиографические методы,
основаны на принципе изменения поглощения излучения дефек-
тами внутри материала. В качестве примера можно привести
ксерорадиографию, метод изотопной метки [28] и изотопную ра-
диографию.
Бета-радиоактивность (электроны больших энергий) может
быть использована для определения содержания связующего
в стеклопластиках с точностью ±2 %. Метод базируется на яв-
лении обратного рассеяния (отражения) электронов от материала
с более высокой плотностью (средний атомный номер стекла
выше, чем у связующего) [29]. Чувствительность метода ограни-
чена относительно тонкими структурами, позволяющими радиа
ции проникать лишь на 0,5 мм. Техника измерений с использо-
ванием быстрых электронов исследовалась для применения при
непрерывном измерении массы единицы длины (линейной плот-
ности) и содержания связующего в препрегах на основе лент из
стеклоровинга [30]. Большие трудности возникли из-за необхо-
димости точного юстирования ровинга в поле бета-излучения.
Размеры оборудования и его цена также являются большой проб-
лемой на этапе внедрения метода в производство. Однако точность
определения технологических параметров этим методом ниже,
чем это было бы необходимо.
Поглощение тепловых нейтронов ядрами бора, присутствую-
щими в Е-стеклах, служит основой еще одного метода неразрушаю-
щего контроля толщины ламината (числа слоев) и содержания
компонентов в материале [31 ].
Гамма-радиационный метод основан на использовании источ
ников кобальта-60, кадмия-109 и цезия-137, имеющих узкий энер
гетический спектр. Техника просвечивания гамма-лучами, ко-
торая может быть использована для определения изменения плот-
ности материалов, основана на соотношении [4]
= 1^,
477
где In — энергия излучения, проходящего через образец в еди-
ницу времени; /0 — энергия источника (гамма-излучения), рас-
считанная в единицу времени; р — объемная плотность материала.
ц — линейный коэффициент поглощения; d — толщина образца.
25.6. Методы неразрушающего контроля
на основе электрических свойств
Диэлектрическая постоянная и фактор рассеяния (тангенс
угла диэлектрических потерь) могут быть использованы как пара-
метры при определении свойств армированных материалов мето-
дами неразрушающего контроля. При заданных толщине образца
и составе композита величина диэлектрической постоянной и
тангенса угла потерь будет зависеть от степени отверждения свя-
зующего. Значение этих параметров уменьшается с ростом сте-
пени отверждения связующих. Аналогично может быть опреде-
лено и содержание влаги, при этом точность может быть достиг-
нута ±1 %.
AVCO [32] определяет диэлектрические характеристики ма-
териалов в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц.
Для изучения термического разложения эпоксистеклопласти-
ков и эффектов отверждения был использован анализатор «Дел-
сен D/Ky> [33, 34 ]. Возрастание тангенса угла диэлектрических
потерь обусловлено началом термического разложения (падение
прочности при изгибе) уже при температуре 150 ... 260 °C. Для
этих экспериментов диэлектрическая постоянная является не
такой чувствительной характеристикой, как тангенс угла диэлек-
трических потерь. Изменение диэлектрической постоянной и тан-
генса угла диэлектрических потерь в процессе отверждения мо-
жет служить для определения оптимальных температурных и
временных условий отверждения и контроля полноты отвержде-
ния. Измерения емкости могут быть также применены для опреде-
ления содержания влаги в ламинатах в сандвичевых конструк-
циях.
Объемное электрическое сопротивление также может служить
для определения оптимального состава и для измерений содержа-
ния влаги [35, 36, 37 ]. Измерение сопротивления может служить
методом непрерывного контроля режима отверждения в компози-
тах. Поскольку электрическое сопротивление пластиков весьма
чувствительно к температуре (сопротивление растет экспонен-
циально с ростом температуры), во время измерений должен осу-
ществляться тщательный температурный контроль. При измере-
нии объемного сопротивления электроды должны располагаться
с обеих сторон образца. Для обнаружения пор (пузырей) в лами-
натах может быть использован и коронный разряд. При прило-
жении высокого электрического потенциала происходит иониза-
ция газа (воздуха, влаги и других выделений из связующего),
который находится в закрытых порах. Свободные электроны мо-
478
гут проникать через стенки пор. Определение пористости компо-
I зитов может осуществляться по току утечки (падение напряже-
ния), свечению или по методу акустоэмиссии, улавливающей шум
разряда. Воздействие высокого напряжения, создающего корон-
ный разряд, должно быть коротким, чтобы избежать поврежде-
ния образцов.
25.7. Микроволновая техника (СВЧ-методы)
К микроволновому диапазону 1 принято относить электромаг-
нитное излучение очень высокой частоты в пределах 0,5 ...
1000 ГГц. Эти частоты широко используются в радарных установ-
ках. СВЧ-методы могут быть использованы для обнаружения и
локации дефектов, измерения толщины изделия, определения со-
держания в нем влаги, а также для изучения диэлектрических
свойств неметаллических материалов.
Дефекты, которые могут быть обнаружены этими методами,
включают пузыри, расслоения, пористость, посторонние включе-
ния, области с избытком или недостатком связующего, изменения
в степени отверждения и ненормативное содержание влаги [38,
39, 401. Так как на высоких частотах электромагнитное излуче-
ние подчиняется законам лучевой оптики, оно может быть сфоку-
сировано в малой области, что позволяет получить большое раз-
решение при локализации дефектов.
СВЧ-источник (антенна) направляет излучение на испытуе-
мый объект. Отраженная или прошедшая через образец волна
может быть использована для энергетической оценки. Кристал-
лический детектор преобразовывает результирующую волну в элек-
трический сигнал. Затухание такого излучения в пластических
массах незначительно.
Пустоты (закрытые поры) могут определяться даже в закрытых
сотовых конструкциях и в абляционных материалах, адгезионно
связанных с металлическими структурами [41. Рассеяние СВЧ-
излучения на пустотах уменьшает амплитуду сигнала, выводи-
мого на экран ЭЛТ.
Используя сигнал частотой 30 ... 40 ГГц, можно различить
дефекты на площади 1,6x1,6 мм для композитов в сотовых санд-
вичевых конструкциях. СВЧ-техника может быть использована
и для непрерывного контроля процесса отверждения связующего,
и для определения степени отверждения. Изменение диэлектриче-
ской постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь при от-
верждении связующего соответствует изменению отражения микро-
волнового излучения при том же процессе.
Поскольку диэлектрические свойства армированных пласти-
ков зависят от химического состава, содержания компонентов и
х В советской литературе употребляется термин СВЧ (сверхвысокочастотная).
— Прим. пер.
479
от чистоты материала, эти параметры также могут контролиро-
ваться СВЧ-методами.
Так как микроволновое излучение очень сильно взаимодей-
ствует с молекулами воды, оно может служить для определения
содержания влаги в пластиках. При наличии свободных молекул
воды абсорбированной влаги в образце, облучаемом СВЧ, проис- j
ходит поглощение энергии, что приводит к изменению как ампли- I
туды, так и фазы проходящего и отраженного СВЧ-луча [42]. 1
В случае, если армированные пластики используются в ка- 1
честве обтекателей радаров, СВЧ-излучение служит методом не- I
разрушающего контроля при определении совершенства их струк- Я
туры. Диэлектрическая постоянная и тангенс угла потерь могут I
быть измерены прямым методом. Кроме того, определяются изме- 1
нение толщины, соотношение связующее/стекловолокно, а также 1
несплошности материала [42]. |
Затухание сигнала вследствие потерь СВЧ-энергии в материале I
и изменение фазы по сравнению с исходной волной могут быть
использованы для создания новых МНК. Сдвиг фазы может про-
исходить в случае изменения диэлектрических свойств материа-
лов. Изменения толщины и геометрии образцов могут влиять на
результаты измерений МНК, как уменьшая сигнал, так и сдви-
гая фазу.
25.8. Инфракрасные (термические) методы
неразрушающего контроля
Метод неразрушающего контроля для обнаружения дефектов
в структуре материала использует и различия в распростране-
нии тепловых потоков [43]. Материал сначала подвергают на-
греву. Как при нагревании, так и при охлаждении регистри-
руется температура поверхности, для чего применяют чувстви-
тельную инфракрасную аппаратуру (радиометры). Серийно вы-
пускаемые радиометры позволяют измерять температуру с очень
высокой точностью: их погрешность менее 0,1 °C.
Если предварительному нагреву подвергнут армированный
пластик, то перенос (рассеяние) тепла происходит существенно
быстрее, если отсутствуют дефекты, в частности не связанные
участки. При наличии таких дефектов температура поверхности
В их окрестности выше [44].
Простые точечные измерения, построение температурных про-
филей и определение температуры площадей являются наиболее
распространенными термическими МНК.
Для контроля сотовых сандвичевых конструкций часто приме-
няют метод «малярной кисти», основанный на измерении темпера-
туры поверхности материала. После кратковременного нагрева
температура поверхности измеряется радиометром. Температура
поверхности может непрерывно регистрироваться [45]. При
этом методе нет необходимости контакта прибора с образцом.
480
Другой термический МНК основан на использовании высо-
кой чувствительности жидких кристаллов к температуре. Осо-
бенно чувствительны к температуре структуры, содержащие холе-
стерин. Бесцветные в изотропном состоянии вещества, содержа-
щие холестерин, проходят через ряд ярко окрашенных состояний,
пока при охлаждении не достигнут жидкокристаллической фазы.
Подбирая смеси эфиров холестерина, исследователи из фирмы
«Боинг» смогли детектировать температуру материалов с большой
точностью. Изменения цвета от красного до синего происходят
в интервале температур всего 2 ... 4 °C [46, 47 ]. В случае приме-
нения водных растворов покрытия могут быть сняты простым про-
мыванием после окончания температурных измерений.
Жидкокристаллическое покрытие нагревается одновременно
и равномерно вместе с образцом. Дефекты могут быть выявлены
по изменению цвета покрытия, так как вблизи дефекта цвет по-
верхности (покрытия) изменится из-за более высокой или более
низкой температуры окрестности дефекта. Поскольку метод ос-
нован не на равновесном нагреве, а на тепловых потоках, он мо-
жет быть применен как при нагревании, так и при охлаждении
образца. Области, содержащие дефекты, или соседние с ними ок-
рашены обычно в более «теплые» цвета, так как эти области хуже
передают теплоту. Простота применения и низкая стоимость
метода делает МНК на основе жидкокристаллических покрытий
весьма привлекательным.
Исследования [48 ] показали практическую возможность при-
менения фотохромных «картин» как недорогого метода локации
дефектов в композиционных материалах. Изученные покрытия
могут быть удалены механически или смыты слабыми раствори-
телями. Покрытия этого типа «активируются» ультрафиолетовым
облучением. Образец с активированным покрытием нагревают и
наблюдают изменение цвета, связанное с уменьшением тепло-
проводности в областях, лежащих вблизи несплошностей.
Необходимо заметить, что инфракрасные (термические) МНК
не могут определять участки с низкими физико-механическими
свойствами. Идентифицируются только такие дефекты, как поры,
пузыри, несплошности и несвязанные (непроклеенные) участки.
Дефекты, лежащие близко к поверхности образцов, определяются
легче. Чувствительность метода падает с ростом толщины иссле-
дуемого материала.
25.9. Другие методы неразрушающего контроля
Кроме описанных выше, существует еще ряд методов неразру-
шающего контроля армированных пластиков, которые могут быть
использованы при исследованиях.
Часть этих методов достаточно распространена для исследова-
ний пластиков и поэтому обсуждается в данном тексте кратко.
Техника голографии может быть применена для неразрушающего
16 П/р Дж. Любин* 481
контроля как композитов, так и других структур. Материал в этом
случае располагается на очень жесткой платформе и подвер-
гается деформированию — механическому или тепловому. Голо-
грамма позволяет очень точно фиксировать изменение размеров
относительно исходной конфигурации, так что легко могут быть
выявлены аномалии деформации материала. Существуют также
методы обнаружения поверхностных дефектов, основанные на
проникновении контрастирующих жидкостей (используются бе-
лые или черные) в эти дефекты. Измерение деформаций при изме-
нении размеров или при искривлении образцов под нагрузкой
также относится к МНК. Для определения предельных дефор-
маций могут быть использованы хрупкие покрытия, а также
могут применяться методы, основанные на измерении фотоупру-
гости.
В последних методах применяется пленочное покрытие, об-
ладающее свойствами двойного лучепреломления. Покрытие
должно быть нанесено на исследуемый материал. Когда к образцу
приложена нагрузка, деформация может быть легко определена
по изменению показателя преломления (по изменению цвета)
в поляризованном свете. Техника фотоупругости [49] может быть
применена и для определения дефектов, связанных с факторами
потери прочности при испытаниях сосудов высокого давления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ballard D. W., «NDT Testing», Industrial Resarch, October 1965.
2. Baldanza N. T., Plastec Report 22, «А Review of Nondestructive Testing for
Plastics: Methods and Applications», August 1965.
3. McGonnagle W. and Park F., «Nondestructive Testing», International Science
and Technology, July 1964.
4. Zurbrick J. R., «The Mystery of Reinforced Plastics Variability: Nondestruc-
tive Testing Holds the Key», AVCO Space Systems Division, Annual Technical
Conference of the Society of Plastics Engineers, Detroit, Michigan, May 1967.
5. Werren F. and Heebink B. G., «Effects of Defects on the Tensile and Compressive
Properties of Glass-Fabric-Base Plastic Lamminate», U. S. Forest Products
Laboratory Report 1814.
6. McGonnagle W. J., Nondestructive Testing, McGraw-Hill, New York, 1961.
7. Hitt W. C., Automation Industries, Inc., Santa Clara, California.
8. Kramer J. M., Nuzzo A. F. and Epstein G., «Large Plastic Moldings OK'd by
Ultrasonic Inspection», Materials in Design Engineering, February 1961.
9. Hand W., «Testing Reinforced Plastics with Ultrasonics», Plastics Technology
February 1962.
10. Zubrick J. R., «Development of Nondestructive Methods for the Quantitative
Evaluation of Glass-Reinforced Plastics», AFML Technical Report TR-66-269,
June 1966.
11. Lockyer G. E., «Evaluation of a Resin-Ceramic Heat Shield Material by Ultra-
sonic Techniques», Materials Evaluation 23, No. 3, March 1965.
12. «Properties Determination and Process Control of Boron Filament Composites
Using Nondestructive Test Methods», SAMPE Symposium on Advanced Fibrous
Reinforced Composites, San Diego, California, 1966.
13. Adams C. J., Radtke N. H. and Klein J. D., «Ultrasonic Techniquesand Stan-
dards for Testing Filament-Wound Structures», AFML Rept. TDR-64-117,
May 1964.
482
14. Bar-Cohen Y., Arnon U. and Meron M., «Defect Detection and Characterization
in Composite Sandwich Structure by Ultrasonics», SAMPE Journal 14, No. 1,
January—February 1978.
15. New York Naval Shipyard, Laboratory Project 6188, Project No. SR007-03-04,
Identification No. 18-1010-1.
16; Miller N. B. and Boruff V. H., «Adhesive Bonds Tested Ultrasonically»,
Adhesives Age, June 1963.
17. Arvin M. J. and Howell W. D., «Development of General Specification for a
Device for Inspecting Helicopter Bonding», FAA, Bureau of R&D, Test and
Experiment Division, November 1969.
18. North American Aviation Sonic Test System, NA-67-491 and STS 2-3, 1967.
19. Hribar V. F., «NDT Challenged—Proving the Structural Integrity of Ablative
Extensions by Sonic Resonance», Aerospace Corp., October 1967.
20. Steele R. K., Green A. T. and Lockman C. S., «Use of Acoustic Techniques for
Verification of Structural Integrity of Polaris Filament-Wound Chambers»,
20th Annual Technical Conference, Society of Plastics Engineers, Atlantic
City, New Jersey, January 1964.
21. Mehan R. L. and Mullin J. V., «Analysis of Composite Failure Mechanisms
Using Acoustic Emissions», J. Composite Materials, 5, April 1971.
22. Bailey C. D., Hamilton J. M. and Pless W. M., «АЕ Monitoring of Rapid Crack
Growth in a Production-Size Wing Fatigue Test Article», NDT International,
December 1976.
23. Rose J. L. and Shelton W., «Damage Analysis in Composite Materials», Com-
posite Reliability, ASTM STR 580, 1975, p. 215-f.
24. Bailey C. D., Freeman S. M. and Hamilton J. M., «Detection and Evalua-
tion of Impact Damage in Graphite/Epoxy Composites», 9th National SAMPE
Conference, 9, October 4—6, 1977.
25. Mitchell J. P., Rhoton M. L. and McMaster R. C., «Nondestructive System for
Inspection of Fiber Glass Reinforced Missile Cases and Other Structural Mate-
rials», Report No. WAL-TR-142.5/2-9, December 1963.
26. Hund F. C., «Fluoroscopy of Filament Wound Fiberglass Missile Motor Case
Feasibility Study», Report No. QE/CD-AGC-139, Naval Weapons Station,
Concord, California, September 1961.
27. Littleton H. E., «Collimated Scanning Radiography», SAMPE Journal 14,
No. 3, May—June 1978.
28. Perry H. A., «Tracer-Radiography of Glass Fiber Reinforced Plastics», Naval
Ordnance Laboratory, 17th Annual Technical Conference, Reinforced Plastics
Division, SPI, February 1962.
29. Baldanza N. T., PLASTEC Report 22, «А Review of Nondestructive Testing
for Plastics: Methods and Applications», Picatinny Arsenal, August 1965.
30. Brown G. and Novkov R. L., «Development of Nondestructive Dynamic Moni-
toring Instrumentation for Resin Impregnated Glass Roving», 22nd Annual
Technical Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Washington, D. C.,
February 1967.
31. Kalinsky J. L. and DiLauro S., «Application of Radioisotopes to Nondestruc-
tive Testing of Fiber Glass Reinforced Plastics», 12th Annual Technical and
Management Conference, Reinforced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois,
February 1957.
32. Lynnworth L. C., «Nondestructive Testing ot Plastics for Aerospace Applicati-
ons», presented at Society of Nondestructive Testing, New York, January 1962.
33. Delomonte, Julian, «Prediction of Mechanical Properties Through Determina-
tion of Electrical Properties of Plastics», SPE Regional Technical Conference
on Plastics for Airborne Applications, November 1957.
34. Knudsen J. J., «Electrical Properties during Cure», SPE Regional Technical
Conference on Plastics for Airborne Applications, November 1957.
35. Warfield R. W., «Studying the Electrical Properties of Casting Resins», SPE
Journal, November 1958.
36. Warfield R. W. and Petree M. С. «А Study of the Polymerization of Epoxide
Polymers by Electrical Resistivity Techniques», American Chemical Society,
16* 483
Division of Paint, Plastics, and Printing Ink Chemistry, Atlantic City, New
Jersey, September 1959.
37. Warfield R. W. and Petree M. C. «New Curing Techniques for Resins», U. S.
Patent 3, 049, 410, August 14, 1962.
38. Hendron J. A. et. al., «Corona and Microwave Methods for the Detection of
Voids in Glass-Epoxy Structures», Materials Evaluation, July 1964.
39. Lindsay E. W. and Works C. N., «Corona Detection Techniques as a Nondestruc-
tive Method for Locating Voids in Filament-Wound Structures», Joint ASTM-Na-
vy Symposium on Standards for Filament Wound Reinforced Plastics, June
1962.
40. Hochschild R., «Microwave Nondestructive Testing in One (Not-So-Easy) Les-
son», Materials Evaluation 26, No. 1, January 1968.
41. Rockowitz M. and McGuire L. J., «А Microwave Technique for the Detection of
Voids in Honeycombed Ablative Materials», Society of Nondestructive Testing
Convention, October 1964.
42. Botsco R. J., «Microwave Applications in Moisture Measurement and Nondes-
tructive Testing», presented at Instrument Society of America, San Francisco,
California, December 11, 1967.
43. Martin B. G., «Infrared Technology and Nondestructive Testing», Redstone
Arsenal, February 1963 (available as AD402-888, from Office of Technical
Services, IL S. Department of Commerce, Washington, D. C. 20230).
44. Gericke O. R. and Vogel P. E. J., «Infrared Bond Defect Detection System»,
Materials Evaluation, 22, February 1964.
45. Birks A. S. and Apple R., «Temp Test Sheds New Light on Nondestructive
Tests of Aerospace Materials», Automation Industries, Inc., Boulder, Colorado,
February 1967.
46. Sabourin L., «Nondestructive Testing of Bonded Structures with Liquid Crys-
tals», presented at Structural Adhesives Bonding Conference, NASA-Marshall
Space Flight Center, March 15—16, 1966.
47. Woodmansee W. E., «Cholesteric Liquid Crystals and their Application to
Thermal Nondestructive Testing», Materials Evaluation, October 1966.
48. Allinikov S., «Application of Photochromic Coatings for Nondestructive Ins-
pection», Air Force Materials Laboratory Technical Report, AFML-TR-70-245,
December 1970.
49. Eshbaugh R. W., «Photoelastic Stress Analysis of Filament Wound Internal
Pressure Vessels», 18th Annual Technical and Management Conference, Rein-
forced Plastics Division, SPI, Chicago, Illinois, February 1963.
IV. Практическое применение
композитов
26. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
М. Мартин, Дж. Ф. Докум
26.1. Введение
В производстве легковых и грузовых автомобилей, включая
фургоны, городские автобусы и междугородные автобусы-экс-
прессы, а также при изготовлении железнодорожных вагонов
используется огромное количество разнообразных материалов.
Разработка составов материалов и процессов изготовления дета-
лей из них должна обеспечить низкую себестоимость, малую
энергоемкость, высокие эксплуатационные качества и красивый
внешний вид изделий. Появление новых технологий и их быстрая
смена из соображений наличия источников энергии, защиты прав
потребителя, ответственности изготовителя за качество выпускае-
мой продукции, гарантийных обязательств и охраны окружающей
среды потребовали пересмотра традиционной методики отбора
материалов. Перед применением в промышленности, выпускающей
наземные транспортные средства, любой потенциальный материал
или технологический процесс должен быть оценен в свете указан-
ных требований, а в автомобилестроении, кроме того, — и с уче-
том общего экономического состояния отрасли *.
Автомобильная промышленность выросла в гигантскую от-
расль под влиянием растущего спроса на продукцию и в условиях
сильной конкуренции. Тратятся огромные денежные средства и
время на разработку новых конструкций, отбор материалов и
технологической оснастки, прежде чем задуманный автомобиль
поступит в продажу. Новые материалы и нетрадиционные приме-
нения старых материалов способствуют росту промышленности,
однако их внедрение не всегда протекает гладко и одновременно
во всей отрасли. Автомобильные фирмы часто рискуют своей ре-
путацией и возможностью роста прибылей, внедряя новшества,
1 Возможности реализации конструкторских разработок от выбора исходных
материалов до проектирования и создания готовых изделий, которые предоста-
вляют композиты, открывают широчайшие возможности для развития различных
отраслей техники и технологии. Их применение в машинах, оборудовании, соору-
жениях позволяет снизить массу конструкций в 1,3—1,5 раза, материалоемкость
в 1,6—3,5 раза, энергоемкость производства в 8—10 раз и трудоемкость изгото-
вления в 1,5—3 раза. Использование композитов позволяет резко уменьшить
Потери от коррозии, а также в 1,5—3 раза увеличить ресурс техники. Весьма
существенным преимуществом композитов при их применении в транспортной
технике является возможность снижения расхода топлива. — Прим. ред. пер.
485
однако они требуют от поставщиков, чтобы новые материалы и
комплектующие изделия соответствовали своему назначению,
были высокого качества, а объем их поставок отвечал потребно-
стям. Спрос рынка, кроме того, требует соблюдения строгой дис-
циплины поставок по срокам. Таковы критерии отбора и армиро-
ванных пластиков как новых конструкционных материалов.
26.2. Экономика и объем рынка
Ранее применение армированных пластиков (АП) строилось
на основе принципа безубыточности. Естественно, требовалось
инженерное подтверждение того, что изготовленная из АП де-
таль будет выполнять свою функцию. Кроме того, общая стоимость
технологической оснастки не должна была превышать расходов
при изготовлении деталей из традиционных материалов; при этом
число сборочных единиц в изделии не должно было увеличи-
ваться.
Так как технологический процесс и оснастку можно было выб-
рать с учетом объема выпуска продукции, то АП быстро завое-
вали признание в серийном производстве. Стоимость самых слож-
ных форм для прямого прессования АП составила всего лишь
долю расходов на штампы, применявшиеся при изготовлении де-
талей из листовой стали. При производственной серии 20—-
40 тыс. деталей и в зависимости от сложности конструкции де-
тали более высокая стоимость АП по сравнению со стоимостью
листовой стали оказывалась экономически оправданной. Столь
малый размер рентабельной партии изделий позволяет конструи-
ровать автомобили и другие транспортные средства, точнее отве-
чающие специфическим запросам потребителей, и быстро изме-
нять конструкцию, как того требует конъюнктура рынка. Помимо
снижения расходов на технологическую оснастку, сокращение
времени подготовки производства также снижает общий риск вне-
дрения АП. Подтверждением ощутимых выгод могут служить
автомобили «Корвет», выпускавшиеся фирмой «Шевроле» в пе-
риод с 1953 по 1970 гг.
По мере совершенствования самих АП и технологии их пере-
работки в изделия изменялось изготовление основных деталей
автомобилей «Корвет». Прежде всего отказались от получения
деталей в формах открытого типа и из предварительно сформо-
ванных заготовок и перешли к прямому прессованию листового
формовочного материала, обеспечивающему существенное повы-
шение производительности труда. В 1970 г. в массовое произ-
водство легковых автомобилей была внедрена передняя панель
с проемом под облицовку радиатора, впервые изготовлявшаяся
из листового формовочного материала. Помимо снижения массы
на 50 % было достигнуто значительное сокращение расходов за
счет объединения нескольких деталей в одну. Эта цельная панель
исключила множество операций листовой штамповки, механиче-
486
26.1. Экономия энергии и автомобильного топлива
при замене металлической передней панели иа пластмассовую
Показатель Металл АП
Общая масса отливок под давлением нз цинка и сталь- 9,07 4,08
ных штамповок, кг Расход энергии на деталь, кВт*ч 117,2 58,6
Снижение удельного расхода топлива, % —— 0,2
Экономия топлива, гл —- 492
ской обработки на станках и сборки, устранила связанные с ними
штампы, формы и станочные зажимные приспособления. Она
объединила 16 листовых штамповок и отлитых под давлением
деталей в одну деталь из АП. В 1979 г. на более чем 35 моделях
легковых автомобилей стали применять передние панели из АП,
включающие корпуса и гнезда фар, стояночных фонарей, стоп-
сигналов, сигналов поворота и габаритных огней.
Задолго до того, как энергетический кризис потребовал гене-
рального уменьшения габаритов автомобиля, конструкторы по-
няли, что облегчение одной какой-либо части транспортного сред-
ства может уменьшить размеры, а следовательно, и стоимость
многих других деталей и узлов с несущими, удерживающими,
тормозными и другими функциями. Снижение массы легкового
автомобиля, которое является, по сути, одной из основных целей
конструкторов, позволяет платить за каждый килограмм легких
материалов на 1,1 долл, дороже, чем за листовую сталь. Для гру-
зовых автомобилей за 1 кг легких материалов можно платить
дороже на 11 долл., так как каждый сэкономленный килограмм
собственной массы автомобиля дает соответствующее повышение
его полезной нагрузки. Если для сравнения взять за основу сталь,
то АП-композиты дают снижение массы автомобиля на 40 ... 60 %,
а экономия энергии (от затрат на производство сырья до расхода
топлива) за весь срок службы автомобиля составляет 50 %.
В табл. 26.1 приведены сведения об общей экономии энергии
и снижении расхода топлива, по данным фирмы «Форд, мотор»,
при замене одной цельной передней панелью, изготовленной из
листового формовочного материала, узла, состоящего из мно-
жества металлических деталей, на массово выпускаемой модели
легкового автомобиля. В расчет взят срок службы автомобиля
9,2 года.
В 1978 г. в легковом автомобиле США применялось в среднем
81,6 кг пластмассовых деталей, из которых 13,6 кг составляли
детали из армированных стеклопластиков (АСП). Ныне общее
число пластмассовых деталей различных размеров в одном авто-
мобиле превышает 350 шт. При ежегодном выпуске 9 млн. автомо-
билей потребление АСП составило 127 кт, в том числе термореак-
тивных смол — 75 кт и термопластов 52 кт.
487
26.2. Сбыт АП заводам, изготовляющим автомобили
и другие наземные транспортные средства
Год Поставки, тыс. т И Год Поставки, тыс. т Год Поставки^ тыс. Т I
1968 75,7 | 1973 139,2 1978 242,7 I 249,5 I 197,8 215,0
1969 99,8 J 1974 132,9 1979
1970 75-7 II 1975 120,2 1980
19/1 88,4 || 1976 180,5 1981
1972 113,4 [ 1977 215,4
Динамика роста поставок АП заводам, выпускающим названные
транспортные средства, представлена в табл. 26.2 [по данным
Института армированных пластиков и композитов Общества про-
мышленности пластмасс (США)]. В таблице приведены совокуп-
ные данные по реактопластам, термопластам и наполнителям, I
при этом данные за 1980 и 1981 гг. даны как результаты эксперт- (
ной оценки.
26.3. Композиционные материалы, их свойства
и применение
Простота переработки и разнообразие свойств АП в сочета- ;
нии с различными технологическими процессами изготовления
деталей из них предоставляют конструкторам широкие возмож-
ности в сравнении с металлами. Хотя АП, как правило, менее
жесткие, детали и узлы из них можно легко спроектировать так,
что они по своим функциональным качествам не будут уступать
штампованным из листовой стали. Ими можно заменить отливки,
поковки и прессованные металлические профили. При этом сни-
жается масса, повышается коррозионная стойкость, а зачастую л
также ударопрочность и выносливость. Эти свойства крайне важны J
для капотов и крыльев грузовых автомобилей средней и большой
грузоподъемности, при изготовлении которых традиционную ли-
стовую сталь уже успешно заменили полиэфирной смолой, арми-
рованной стекловолокном. Так как эти синтетические материалы
показали высокие эксплуатационные качества и были одобрены
потребителем, теперь из них заказывают крыши, нижние боко-
вины и двери кабин и даже целые кабины для большегрузных
автомобилей. Сравнительная характеристика основных механиче-
ских свойств АП и металлов приведена в табл. 26.3, по данным
фирмы «Форд мотор». Показатели усталости весьма общие из-за
недостаточного объема испытаний, множества составов АП, раз-
личия методов испытаний и критериев оценки усталостного раз-
рушения.
Разработка малоусадочных полиэфирных смол, прессуемых
в массе и в виде листовых формовочных материалов, обеспечила
488
26.3. Механические свойства материалов
Материал Сохранение стати- ческой прочности после 10’ циклов нагружения, % £н, ГПа Предел ав, МПа
Листовой формовочный материал
(ЛФМ) автомобильной марки
ЛФМ с большим количеством не-
ориентированных рубленых стекло-
волокон
ЛМФ с непрерывными ориентиро-
ванными волокнами
Алюминий
Сталь
Эпоксиуглепластнк
С* 12,4 69
С* 13,8 207 ,
30 37,2 552
30 68,9 414
45 207 1380
80 207 1242
* Независимые исследования Хаймбуха и Сандерса (фирма «Дженерал мо-
торе») показали, что образцы из этих композитов после 10е циклов нагружения
сохраняют соответственно 40 и 25 % статической прочности на изгиб. Уровень
напряжений, вызывающих усталость материала, выше при растягивающих на-
пряжениях.
возможность применения АП для изготовления полунесущих
наружных и облицовочных деталей массово выпускаемых легко-
вых автомобилей, например кузовных панелей автомобиля «Кор-
вет», надставок крыльев, панелей—обрамлений облицовок радиа-
торов, боковин передка кузова, обрамлений окон и брызговиков
колес. Кроме того, из листового формовочного материала изготов-
ляют спойлеры спортивных автомобилей, панели крыш автофур-
гонов для спортивных поездок, а также цельные передние и зад-
ние панели автомобилей-домиков (дач). Капоты, склеенные из
двух панелей, применяли на спортивных автомобилях в ограни-
ченном количестве, достигая определенных конструкционных
преимуществ. Для ремонта кузовов автомобилей «Корвет» стали
поставлять цельный капот с отформованными вместе с панелью
ребрами жесткости на ее внутренней стороне. Возможность из-
готовления с высокой точностью крупных деталей сложной кон-
фигурации за одну формовочную операцию с последующей руч-
ной зачисткой и окрашиванием на существующих поточных ли-
ниях делает АП наиболее выгодным материалом. Термореактив-
ную полиэфирную смолу используют в основном как связующее
при формовании наружных кузовных панелей, которые затем ок-
рашивают в тон окраски металлических деталей.
Армирование термопластов коротким рубленым стекловолок-
ном для повышения прочности и других механических свойств
позволяет уменьшить толщину деталей и ведет к стабильности
размеров деталей (особенно при повышенной температуре), сох-
раняя при этом их диэлектрические характеристики и высокую
коррозионную стойкость. Эти детали изготовляют литьем под дав-
489
лением и обычно располагают в двигательном отделении под ка-
потом. Армируют в основном такие смолы, как полистирол,
полипропилен, полиамиды, термопластичные полиэфиры, поли-
карбонаты и полиацетали, из которых изготовляют следующие
детали: держатели панели приборов и напольные консоли, ко-
жухи вентиляторов, накладки крыльев и корпуса-гнезда задних
фонарей, омыватель (опрыскиватель) ветрового стекла и детали
подъемных механизмов, защелки, дверные ручки, крыльчатки
вентиляторов, тормозные резервуары, крышки маслоналивных
горловин и корпуса систем зажигания, декоративные вентиля-
ционные решетки, держатели щеток стеклоочистителей, ламповые
патроны, разъемы, корпуса компьютерных модулей, крышки и
роторы распределителей зажигания, корпуса фар; детали топлив-
ных электронасосов. Кроме того, из листового полипропилена,
армированного стекловолокном, штампуют держатели передней
панели кузова, панели пола багажника, ящики для аккумулятор-
ных батарей и откидные основания сидений для автомобиля
«Корвет».
Длительное время практически все рефрижераторные и мно-
гие сухогрузные прицепы облицовывают изнутри панелями из
армированных стекловолокном полиэфирных смол. Эти панели
могут быть плоскими и гофрированными. Их применяют также
для наружной облицовки. Они могут выполнять важную кон-
струкционную функцию кузова прицепа. Панели способны про-
тивостоять тяжелым условиям износа и ударных нагрузок, за
исключением лобовых ударов вилочных автопогрузчиков, и до-
пускают очистку горячим паром.
Железнодорожные вагоны-хопперы, предназначенные для пере-
возки пищевого зерна и других сыпучих грузов, включая соль
и вызывающие коррозию удобрения, комплектуют герметично
закрывающимися крышками-люками из АП, отличающимися вы-
сокой долговечностью, малой массой (для удобства открывания)
и низкой стоимостью. В железнодорожных вагонах применяют
(или рассматривают возможность применения) также изготовлен-
ные из АП двери, раздвижные перегородки и различные погрузоч-
ные приспособления, а также цельнопластиковые хопперы.
Согласно федеральным предписаниям Национального управ-
ления по безопасности движения автомобильного транспорта
(США) в 1985 г. каждая автомобильная фирма обязана была вы-
держивать средний по выпуску автомобилей удельный пробег
11,7 км/л (соответствуют среднему удельному расходу топлива
8,5 л/100 км). Для грузовых автомобилей малой грузоподъем-
ности и автофургонов в 1981 г. он составлял 7,3 км/л (13,6 л/100 км).
Кроме того, министерство транспорта США требует создания
«социально приемлемого» легкового автомобиля, который был бы
безопаснее, меньше загрязнял атмосферу, меньше потреблял
топлива и был бы удобен в эксплуатации. К 2000 г. поставлена
задача увеличить средний по автомобилям каждой фирмы уд ель-
490
ный пробег до 17 ... 21,3 км/л (т. е. снизить удельный расход
топлива до 4,7 ... 5,9 л/100 км), чему должна способствовать по-
литика по разработке конструкции рационального автомобиля.
Путь к успешному решению поставленной задачи лежит че-
рез уменьшение массы транспортного средства, что требует как
уменьшения размеров легковых автомобилей, так и применения
в них более легких материалов по сравнению с традиционными.
Если предположить, что мощность двигателя будет уменьшаться
по мере снижения массы автомобиля при сохранении КПД сило-
вой передачи, то для увеличения удельного пробега на 0,43 км/л
потребуется облегчить автомобиль на 83 кг. Снижение массы че-
рез уменьшение размеров автомобиля на данном этапе служит
исходным решением. Одновременно проводятся тщательные ис-
следования легких материалов.
Происходит переоценка сталей повышенной прочности (детали
из них будут легче), более легких металлов и всех пластиков с со-
отнесением массы и физико-механических свойств. Во многих
случаях стоимость играет второстепенную роль. По сравнению
с 1979 г. предполагалось к 1985 г. снизить количество черных ме-
таллов в обычном легковом автомобиле на 25 %, хотя модели
1979 г. уже были сильно уменьшены. В то же время за указанный
период количество алюминиевых сплавов и пластиков должно было
увеличиться на 60 %. В табл. 26.4 приведены сведения о приме-
няемых перспективных материалах по данным фирмы «Питтсбург
плейт гласе (Пи-пи-джи) индастриз».
Во многих случаях пластики следует применять в конструк-
ционных высоконагруженных деталях, требующих использова-
ния АП. Капоты, дверцы и крышки багажников в основном изго-
товляют из АП, так как существующая технология и опыт поз-
воляют предполагать наличие малой степени риска, если вообще
таковой имеется, в случае применения для этих деталей. Приме-
ром возможности снижения массы при внедрении АП может слу-
жить задний откидной борт автомобиля фургонного типа марки В
фирмы «Дженерал моторе», дающий снижение массы на 9 кг.
Компоненты ходовой части, такие как опора системы силовой пере-
дачи, панели опоры радиатора, детали бампера, рессоры и колеса
также дают существенную возможность снижения массы. Такие
конструкционные применения требуют использования новых вы-
сокопрочных, содержащих большое количество стекловолокна
(или его смеси с углеродным волокном) композитов, свойства ко-
торых в сравнении с металлом приведены в табл. 26.5 и на
рис. 26.1 и 26.2.
При равных жесткости и пределах прочности и текучести при
растяжении стальные детали будут весить соответственно в 2,4,8
и 14 раз больше, чем детали из высокопрочного композита марки
ХМС при определении параметров в направлении непрерывного
армирования стекловолокном. Другими словами, деталь, сформи-
рованная из композита ХМС, обладает восьмикратной прочностью
491
26.4. Масса и доля материалов в легковом автомобиле
выпуска 1979 и 1985 гг.
, Матерная 1979 г. 1985 г.
Масса, кг Доля, % Масса, кг Доля, ; %
Легкие материалы Пластики 86 5,6 136 11,0 Сплавы алюминии 52 3,4 82 6,6 Высокопрочнаи ииаколегированиаи 86 5,6 211 17,1 сталь Итого 224 14,6 429 34,7 Традиционные материалы Сталь 862 55,9 535 43,5 Стекло 36 2,3 32 2,6 Прочие 136 8,8 86 7,0 Комплектующие изделия 284 18,4 150 12,2 Итого 1318 85,4 803 65,3 Всего: собственная масса 1542 — 1232 — инерционная масса * 1678 — 1368 — * Инерционная масса включает массы заправок топливом, маслом и охлажда- ющей жидкостью, а также массу двух человек.
26.5. Удельная прочность материалов при растяжении
Материал Прочность на единицу плотности, • 10е, см Материал Прочность на единицу плотности, • 10е, см
Сталь SAE 1015 1,88 Листовой формовочный 7,82 материал Алюминиевый 1,52 сплав 5052 Композиционный мате- 117 риал НМС * Композиционный мате- 31,2 риал марки ХМС *
* Формовочная композиция с повышенным содержанием стекловолокна
(НМС) и листовой формовочный материал с перекрестно-диагональным располо-
жением армирующих волокон (ХМС) фирмы «Питтсбург плейт гласе индастриз».
Рис. 26.1. Сравнение
свойств пластиков с высо-
кими эксплуатационны-
ми качествами со свойст-
вами стали SAE 1015
(«—» — хуже, «+» — луч-
ше) при равных:
А — жесткости; Б — преде-
ле прочности при растяже-
нии; Б — пределе прочности
при изгибе; Г — пределе те-
кучести; ЛФМ — листовой
формовочный материал;
НМС — формовочная ком-
позиция с повышенным со-
держанием стекловолокна и
ХМС—ЛФМ с перекрестно-
диагональным расположе-
нием армирующих волокон
при растяжении по сравнению со стальной деталью равной массы
и наоборот, деталь из композита ХМС имеет массу в 8 раз мень-
шую, чем стальная деталь равного предела прочности при растя-
жении.
Большинство таких будущих областей применения было про-
-3 -г 7 2 3 О 5 6 7 8 9 10 И п
Масса
а аз
в св
в ~
демонстрировано в качестве прототипов на модели транспортного
средства «Феникс» фирмы «Дженерал моторе». Внутренние па-
нели капота и крышки багажника кузова родстер являются
конструкционными армированными волокном пластиками (АВП),
так же как и мостик вдоль наливных горловин автоцистерн, крон-
штейн крыла и опора радиатора снижают массу на 5,5 кг и за-
меняют семь деталей из металла; опора коробки передач — сни-
жение на 2 кг; боковые кронштейны буфера, дверные кронштейны
и колеса дают экономию 4,5 кг.
Новые разработки, развитие
прототипов и техники формо-
вания, а также широко прово-
димые испытания используются
в качестве распространенных
факторов в производстве мо-
делей транспортных средств.
Поперечная задняя рессора из
эпоксидной смолы, армирован-
ной стекловолокном, уже ис-
пользуется в промышленном
варианте автомобиля «Корвет».
Определенный практический
опыт был получен не только
006660860^
Объем
5 с.
в
Г
Стоимость
А К
Б
В
гУ/Ч
wezzszzzzzi [—|- пфм
-НМС
:_____ VZI-XMC
Ж22
в результате применения этих
материалов в США, но также
на основе промышленного ис-
пользования композитов в за-
падно-европейских автомоби-
Рис. 26.2. Свойства пластиков с высо-
кими эксплуатационными показателя-
ми в сравнении со свойствами алюми-
ниевого сплава 5052 (см. обозначения
на рис. 26.1)
493
492
лях. Жесткая крышка из стеклопластика была использована
на автомобиле фирмы «Рено», а буферы — на автомобилях
фирм «Рено» и «Порше». Некоторые модификации моделей «Симка»
и «Лотус» имеют стеклопластиковые кузова. У автомобиля фирмы
«Фольксваген» бачок радиатора изготовлен из стеклонаполненного
полиамида, так же как и у автомобиля «Форд Эскорт». Стекло-
пластиковые колеса использовались на специальной модели
фирмы «Ситроен». Аналогичные колеса для автомобилей, выпус-
каемых в США, подготовлены к продаже. Дополнительные планы
развития западно-европейского отделения фирмы «Форд» дают
основания ожидать, что в перспективной модели автомобиля
будут использованы многие детали двигательного отделения из
АП, работающие под нагрузкой, такие как впускной трубопровод
и навесные детали, которые должны выдерживать высокую тем-
пературу. Фирмы-изготовители японских автомобилей рассма-
тривают АП как средство объединения деталей и снижения стои-
мости.
С учетом финансовых правил, гарантирующих в настоящее
время пятилетнюю ссуду на покупку новых автомобилей, корро-
зионная стойкость стеклопластиков становится весьма важной
в сравнении со стойкостью стали.
26.4. Процессы и материалы
Использование армированных пластиков связано в различной
степени с формованием деталей для наземных транспортных
средств. Различают процессы открытого (ручная выкладка, напы-
ление и формование панели с использованием непрерывного на-
полнителя) и процессы закрытого формования, наиболее важным
из которых является прямое прессование (компрессионное формо-
вание) с использованием композитных полиэфирных формуемых
изделий; реже применяют штамповку предварительно отформован-
ных заготовок, литьевое прессование (или литье под давлением)
термо- и реактопластов на основе полиэфиров и штамповку арми-
рованных термопластичных листов. Пултрузия также используется
для изготовления непрерывных профильных изделий и с использо-
ванием намотки волокна для изготовления пружин. Армирование
полиуретанов для замены некоторых листовых кузовных панелей
(например крыльев и дверей) осуществляется методом реакцион-
ного литьевого формования армированных пластиков, которое
также следует отнести к числу процессов и материалов для полу-
чения армированных пластиков.
Ручная выкладка, напыление и формование с помощью ва-
куумного мешка (диафрагмы) хотя и требует высоких затрат руч-
ного труда, но дает некоторые преимущества, заключающиеся
в низкой стоимости инструментальной оснастки, малом времени
подготовки производства, свободе дизайна и возможности формо-
вания очень больших, сложных деталей на основе полиэфиров
494
и стекловолокна. Для мелкосерийного применения в автомобиль-
ной промышленности США такие процессы более предпочтительны
по сравнению со штамповкой листовых металлов, требующей
либо дорогостоящего оборудования, либо дополнительных опе-
раций сварки, клепки или пайки. Для стран с менее развитой,
чем в США, промышленностью при невысокой стоимости труда
технология формования АВП привлекательна даже при средне-
серийном производстве. Изготовленные из АВП капоты двига-
телей, крылья, двери, крыши и некоторые внутренние детали,
сформованные по этому методу, использовали преимущественно
для автобусов, автомобилей скорой помощи и большегрузных
автомобилей.
Типичный состав для ручной выкладки представляет собой
слой шлифуемого гелькоата, некоторое количество слоев стекло-
мата или тканого ровинга в полимерной матрице на основе не-
наполненной полиэфирной смолы, и обеспечивает получение ком-
позита толщиной 3,2—4,8 мм. Древесина или другие материалы
могут быть также введены в систему путем соответствующего их
расположения для механического присоединения к сопряженным
деталям. Ребра жесткости формуются путем выкладки поверх
неконструкционных материалов основы, таких как часто исполь-
зуемые гофрированный картон и бальсовое дерево.
Ограничениями для использования такой технологии, наряду
с относительно высокими трудозатратами, являются трудность
при выдержке малых отклонений по толщине материала и линии
соединения, грубая неотделанная поверхность неформованной
стороны и проблемы окончательной окраски, которые могут по-
требовать доработки. Из-за возникновения многократных дефор-
маций изгиба и вибрационной усталости толщина слоя гелькоата
должна тщательно контролироваться и ограничиваться.
Для широкого применения армированных термореактивных
полиэфиров, особенно таких, которые обладают критической раз-
мерной точностью, обычно используется прямое прессование с на-
греваемым штампом для формования изделий из листовых термо-
пластов. Большая экономическая целесообразность использова-
ния прямого прессования по сравнению с методом ручной выкладки
выявляется при производстве 1—5 тыс. деталей и зависит от мно-
гих факторов. В случае прямого прессования нет необходимости
в гелькоате. Состав окончательных изделий содержит 15 ... 40 %
нетканого стекловолокна, 35 ... 45 % полиэфирной смолы и
остальную часть (15 ... 50 %) составляет минеральный наполни-
тель, что соответствует содержанию компонентов в большинстве
обычно применяемых с использованием прямого прессования
материалов для промышленности, производящей средства транс-
порта.
Большие, относительно простые детали получают в основном
методом «мокрого» формования с использованием матов из непре-
рывного ровинга или рубленого стекловолокна при наличии (или
495
отсутствии) вуалеподобного поверхностного мата или малоуса-
дочной полимерной добавки в зависимости от требований к по-
верхности. Эти детали в несущих конструкциях обычно обладают
хорошими физико-механическими показателями, размерной ста-
бильностью и чистотой поверхности. Соединение деталей, содер-
жащих структурные адгезивы, осуществляется просто, удобно и
тысячи сложных автомобильных кузовов и кабин грузовых авто-
мобилей составляют из деталей, полученных прямым прессова-
нием именно таким образом. Более мелкие детали, такие как кор-
пус отопителя, долгое время получали прямым прессованием из
липкой смеси полиэфира и стекла или премикса, смеси рубленого
стекловолокна или другого волокнистого армирующего компо-
нента, катализированной смолы и наполнителя.
В последние годы получило развитие производство химически
загущенных композиционных формовочных систем. Листовые и
объемные формовочные материалы становятся стандартными для
многих автомобильных деталей, таких как обрамление облицовки
(решетки) радиатора, панель передних фар и удлинители крыльев,
используемых на большинстве легковых автомобилей. С примене-
нием в изделиях низкоусадочных и требующих малой фасонной
обработки полиэфирных смол при относительно высоком давлении
прессования (~6,9 МПа) сложные детали могут быть изготовлены
методом прямого прессования с производительностью 30 шт.
в 1 ч на одну пресс-форму. Так как ребра жесткости, бобышки
и элементы утолщения стенок могут быть заформованы в деталь,
операции механической обработки, изготовления и объединения
деталей существенно упрощаются по сравнению с обработкой
аналогичных деталей, изготовленных из стального листа штам-
повкой или литьем в постоянные формы.
Хотя требуется несколько штампов для последовательного
формования тех же самых деталей в металле, суммарная стои-
мость оснастки может быть ниже, чем при переработке АВП в усло-
виях крупносерийного производства. Чтобы изготовить требуемое
число деталей из АВП для удовлетворения потребностей авто-
мобильного производства, может потребоваться, например, шесть
идентичных форм для литьевого прессования. Однако этот недо-
статок можно превратить в преимущество в том случае, если с по-
мощью минимальной модификации автомобиля, выпускаемого
малыми сериями, ему можно будет придать другой внешний вид
для удовлетворения запросов потребителя.
Низкое давление (3,45 МПа), используемое при формовании
листовых изделий, создает альтернативу необходимости капитало-
вложений в многотоннажные прессы для формования большего
числа деталей. Высококачественные детали, такие как передняя
часть грузового автомобиля (получаемая из предварительно
отформованной заготовки), изготовляют прямым прессованием
в стальных формах-штампах на прессах с усилием 5 ... 10 МН
(500 ... 1000 тс). Другими словами, формование изделий ив листо-
496
вых формовочных материалов (ЛФМ) при таких низких давле-
ниях — путь увеличения производительности малотоннажных
прессов.
Не во всех областях применения оказывается экономически
оправданным использование стальных штампов. В таких слу-
чаях следует рассмотреть холодное формование или литьевое
прессование полимеров. Многие из ограничений метода ручной
выкладки могут быть преодолены при ценах, меньших, чем тре-
буется для формования объемных литьевых материалов. Большие
простые изделия, которые требуется усилить стекломатами, или
такие, которые были предварительно отформованы, являются
наиболее целесообразными объектами для использования этого
метода. Кроме того, другой альтернативой для исследования
является использование обычного формования листовых изделий
в автоклаве на формах средней стоимости.
Использование композиционных материалов конструкцион-
ного назначения для наземных транспортных средств имеет своей
целью снижение массы и повышение эффективности использо-
вания топлива. Эта же цель предопределила создание компози-
ционных материалов повышенной прочности для изготовления
изделий методом прямого прессования. Содержание рубленого
стекловолокна в интервале 50 ... 65 % с малым количеством или
в отсутствие другого наполнителя в полимерной матрице позво-
ляет получать листовые формованные изделия, из которых можно
изготовлять детали, обладающие относительно высокой, но в до-
статочной мере изотропной (сбалансированной) прочностью, на-
пример с пределами прочности при растяжении до 207 МПа и
при изгибе до 400 МПа. Если же необходимо иметь более высокие
направленные показатели, как в случае использования пучков
волокон для армирования (например, при изготовлении бруса
буфера, объемном усилении секций опоры радиатора, а также
деталей боковых и задних дверей), можно использовать армиро-
вание непрерывным волокном, имеющим одноосную ориентацию,
как уже было сделано для ЛФМ: предел прочности при растя-
жении ов = 345 ... 550 МПа и модуль упругости при изгибе
£и = 21 ... 34 ГПа могут быть достигнуты при измерении в на-
правлении ориентации непрерывного армирующего компонента.
Другое семейство материалов однонаправленных композитов,
известное под маркой ХМС, состоящее только из армирующего
материала и полимера, было получено на стандартных машинах
для намотки волокном. Посредством использования системы
с программированными углами намотки и применением насыщен-
ного полимера осуществляется перекрестная укладка непрерыв-
ного армирующего волокна, приводящая к образованию сотен
узлов пересечения волокон, работающих в качестве множества
точек передачи напряжения в сформованной детали. В такой мате-
риал может быть введено рубленое стекловолокно, как например
в композите ХМС-3, для создания дополнительной прочности по
497
Рис. 26.3. Предел прочности при растяжении ав композитов на основе полиэфира
с различным содержанием непрерывного (в числителе) и рубленого длиной 25 мм
(в знаменателе) стекловолокна при испытании параллельно непрерывным арми-
рующим волокнам (Я) и перпендикулярно к ним (5)
отношению к крутящим и изгибающим напряжениям. Приведен-
ное выше усиление с одновременным контролем содержания арми-
рующего компонента позволяет получить более высокие суммар-
ные показатели, например предел прочности при растяжении
в интервале 517 ... 689 МПа, предел прочности при изгибе 862 ...
1069 МПа и модуль упругости при изгибе 38 ... 48 ГПа в направ-
лении непрерывного армирования, с коэффициентом вариации
показателей того же порядка, что и у металлов. Добавление угле-
родного волокна (т. е. «гибридное» армирование) дополнительно
увеличивает прочность и модуль упругости. В качестве областей
применения для дальнейшего использования таких материалов
можно назвать производство элементов, обеспечивающих безопас-
ность, а именно: опоры коробки передач, усилительные брусья
дверей, рессоры и колеса.
В любом случае при разработке деталей и выборе техники
формования следует учитывать, что армирующие волокна следует
ориентировать в направлении предполагаемых напряжений. На
рис. 26.3 и 26.4 приведены значения предела прочности при рас-
тяжении и модуля упругости при изгибе таких материалов
в сравнении с обычными листовыми формовочными материалами
(ЛФМ).
Литье армированных термопластов (АТП) и термореактивных
полиэфирных материалов (в том числе фенольных смол) целесо-
образно применять для изготовления многих широко распростра-
ненных деталей вследствие короткого цикла изготовления, авто-
матизации (возможной или уже реализованной), знакомства
с параметрами разработки изделий (термопласты), уменьшения
работ по отделке и небольших отходов. Используя нагретый пла-
стицирующий цилиндр для расплавления и холодный штамп для
498
Рис. 26.4. Модули упругости при изгибе Еи композитов на основе стекловолокна
и полиэфира (обозначения — см. подпись к рис. 26.3)
отверждения полимера, льют АТП, как «сухие» физические смеси
короткого стекловолокна с порошком (чешуйками) или грану-
лами (например, при прямом литье) или путем предварительного
получения смесей волокна и полимера в расплавленном состоя-
нии с конечным продуктом в виде гранул. Выбор зависит от типа
отливаемого термопласта и его характеристики, распределения
стекла и требований к механическим показателям композита,
необходимых объемов композиционных систем, а также экономи-
ческой оценки эффективности капиталовложений в смеси мате-
риалов и условий их использования по отношению к применяемым
деталям.
Литьевое формование термореактивных полиэфирных мате-
риалов представляет собой сравнительно новый технологический
процесс, особенно в случае изготовления крупных деталей, таких
как панель обрамления облицовки радиатора и элемент крепле-
ния передней панели, формование которых осложняется при
работе со штампами, нагретыми для обеспечения отверждения
смолы. Объемные детали, такие как питатель, получаются с необ-
ходимыми конструкционными характеристиками, если осуще-
ствить их изготовление из формовочных композиций ТМС с повы-
шенным содержанием стекловолокна.
Другим эффективным альтернативным вариантом этого про-
цесса является формование листовых деталей из непрерывно
подаваемых лент. Преимуществом этого варианта технологии
являются малая длительность цикла (около 1 мин), воспроизводи-
мость качественных характеристик изделий и точное формование
деталей больших размеров. Эти преимущества были использованы
в ходе постоянного технологического улучшения оборудования
процесса, конструирования форм, подбора материалов и их со-
ставов. Улучшения в дальнейшем были направлены на «защиту»
499
стекловолокна и в силу этого на улучшение средних физико-
механических показателей композитов, несмотря на неравномер-
ность ориентационных эффектов, достигающих 50 % и более по
сравнению с материалами, получаемыми компрессионным фор-
мованием.
Листы из армированных стекловолокном термопластов «Аздель»
фирмы «Питтсбург плейт гласе индастриз» и найлона марки STX
фирмы «Эллайд кемикел», которые могут быть предварительно
размягчены до температуры плавления под воздействием тепло-
вого излучения и отштампованы или сформованы в холодной
форме и далее могут быть использованы для изготовления деталей
с уникальными свойствами. По сравнению с традиционными сфор-
мованными стеклонаполненными полиэфирами прочность этих
материалов аналогична и изотропна, а модуль упругости даже
несколько ниже, но ударная вязкость и жесткость много выше.
Плотность полипропиленовых листов существенно ниже (1190
кг/м3) несмотря на высокое (40 %) содержание стекловолокна.
Отделка материала путем окраски затруднена в случае использо-
вания полипропилена в качестве связующего и удовлетвори-
тельна в случае применения найлона. Эффективность и целесо-
образность применения композитов, включая такие показатели,
как стойкость к ударам камней, абразивному износу и другим
эксплуатационным воздействиям (например, в случае буферов и
багажных полок), стойкость к коррозионным воздействиям
(в случае ящиков для аккумуляторов) и других деталей, требую-
щих износостойкости (например, сиденья), обусловливают важ-
ность конструирования соответствующих деталей и узлов.
Штампы, аналогичные тем, которые применяются для формова-
ния листовых материалов, используют в гидравлических прессах
или прессах для штамповки, которые должны быть предвари-
тельно модифицированы для того, чтобы иметь возможность за-
держивать пуансон в нижней мертвой точке. Циклы формования
менее чем 1 мин в данном случае типичны и позволяют обеспе-
чить высокую производительность.
Пултрузия также является экономичным процессом как по
расходам на оснастку, так и по себестоимости изделий в случае
производства больших партий деталей с постоянным поперечным
сечением. Непрерывно армированный элемент, будучи пропитан
термореактивной смолой, пропускается через нагреваемый штамп
для придания соответствующей формы. Этот процесс является
в достаточной мере гибким благодаря тому, что состав и ориента-
ция армирующих волокон (непрерывный ровинг, маты и плетеная
ткань) могут быть приспособлены к требованиям, предъявляемым
к конечному продукту. Многие конструкционные и декоративные
детали автобусов, грузовых автомобилей и прицепов, предназна-
ченных для дальних рейсов, изготовляются методом пултрузии.
Ступени для железнодорожных вагонов изготовляются таким же
образом. Пултрузия дает возможность проведения модификации
500
для достижения более широкой универсальности использования.
Намотка волокном и намотка с раздувом при использовании про-
питанного непрерывного армирующего компонента рассматри-
ваются в качестве важных методов получения АП для рессор и
рулевых колес соответственно. Наконец, последним методом
в один технологический этап могут быть изготовлены жесткие
рамные системы.
В настоящее время развивается метод получения армирован-
ных литьевых изделий в процессе синтеза, известный как реак-
ционно-литьевое формование усиленных пластиков для полиуре-
тановых (и, возможно, для полиэфирных) мономеров, он может
послужить основой для создания ударопрочных и коррозионно-
стойких систем для замены листового металла, особенно в дета-
лях, склонных к усталостному разрушению. Этот процесс вклю-
чает смешение армирующего компонента обычно с одним из двух
мономеров для получения полиуретанов (например, с изоциана-
том или полиолом) путем объединения потоков в смесительной
головке и впрыска смеси под малым давлением (345 кПа) в нагре-
ваемую металлическую форму.
Полимеризация мономеров происходит непосредственно
в форме, что приводит к формированию детали с собственной обо-
лочкой и хорошо окрашиваемой поверхностью. Проблемы, кото-
рые еще требуют разрешения, связаны с повышением вязкости
системы, содержащей большое количество армирующего агента,
замедлением процесса извлечения из формы и очисткой формы
между очередными операциями заполнения. Благодаря низким
капиталовложениям, неограниченному размеру деталей и потен-
циально высокой продуктивности (полутораминутный цикл) авто-
мобильные фирмы чрезвычайно заинтересованы в столь благо-
приятном сочетании процесса с материалом для использования
композитов при изготовлении наружных деталей с красивым
внешним видом.
26.5. Проектирование композитов
При разработке промышленных композиционных материалов
следует ориентироваться на средние физико-механические пока-
затели, приведенные в табл. 26.6 для композитов на основе стекло-
волокна и полиэфира. Прочность и модуль упругости композитов
меняется в основном линейно с содержанием стекловолокнистого
(или гибридного волокнистого) наполнителя. Подобные параметры
для стекловолокнистых композитов представляют обычно в виде
таблицы с указанием цены, массы, формуемости и качества по-
верхности изделий. Такие величины для основных видов АП
можно найти в гл. 7.
Чтобы предвидеть усталостные явления в деталях транспорта
и осознать возможности построения технологии их изготовления,
обычно за рабочие напряжения принимается величина, состав-
501
26.6. Физико-механические показатели материалов
в разработанных изделиях
Технология получения композита ®В. МПа Оя, МПа £*• ГПа
Ручная выкладка и напыление 68,9 117,2 6,9
Объемное формование 20,7 68,9 11,0
Формование листовых заготовок Предварительное формование стекломата: 68,9 151,7 10,3
для конструкционного назначения 103,4 206,8 9,0
для обеспечения малой усадкн 72,4 165,5 7,6
Формование листовых изделий из высокомодуль- ного стекловолокна 134,4 248,2 13,1
Формование композита ХМС-3 (в продольном направлении) 617 862 37,9
Пултрузия (в продольном направлении) 206,8 206,8 17,2
ляющая 20 ... 25 % среднего показателя свойств. Минимальная
прочность для листовых и объемных формуемых изделий может
снижаться до 80 % от средней из-за наличия швов и нежелатель-
ной ориентации армирующих волокон. Особое внимание следует
уделять этому вопросу при разработке конструкции изделия и
пресс-формы, а также самого процесса формования. Анализ такой
ситуации необходим также для уверенности, что эти явления не
обнаружатся в областях с критическими значениями напряжений.
Плотность стекловолокна типа Е составляет 2550 кг/м3, поли-
эфирной термореактивной смолы 1200 кг/м3 и минерального на-
полнителя (карбоната кальция) 2700 кг/м3. В зависимости от
соотношения этих компонентов в составе плотность сформован-
ного композита меняется в интервале 1490 ... 2080 кг/м3. Сниже-
ния плотности композита, сопровождаемого, однако, ростом стои-
мости материала, можно достичь замещением части минерального
наполнителя пустотелыми стеклянными микросферами.
Разработка оригинального корпуса автомобиля «Корвет» была
основана на предположении, что армированный стекловолокном
полиэфир будет реагировать на напряжения так же, как и сталь
в случае использования композита с толщиной примерно в 3 раза
большей, чем у аналогичного стального листа. Таким образом,
лист из АВП с армированием стекловолокном толщиной 2,5 мм
следует использовать для замены стального листа толщиной
0,95 мм в панелях кузовов, что приводит к снижению массы на
40 %. Хотя такой подход можно назвать эмпирическим правилом,
однако обычно его следует полагать излишним упрощением.
Большая толщина АП компенсирует более низкий модуль упру-
гости при изгибе, и используемые панели приблизительно равны
по жесткости панелям, изготовленным из стального листа тол-
щиной 0,95 мм. Прочность панели из композита будет во много
раз превышать прочность аналогичного стального листа благо-
502
даря его модулю упругости. Рабочее напряжение, однако, ниже,
в результате чего усталостные явления редко являются проблемой.
Стойкость к обычным усталостным напряжениям в этом случае
много выше, нежели у стали.
При разработке автомобильной техники важно помнить, что
композиты на основе АП не обладают пластичностью. В то время
как деталь из «утомленного» металла (изогнутая) может еще
функционировать, сломанная деталь из композита не может.
АП-композиты обладают способностью к сохранению значительно
большего количества энергии (как в пружине) по сравнению
с пластичными металлами, но их нельзя назвать качественными
материалами для поглощения энергии при напряжениях, превы-
шающих предельное. Такая комбинация свойств позволяет, на-
пример, использовать буфера и опоры радиаторов, изготовленные
из АП, но отнюдь не конструкционные детали, которые должны
выдерживать первоначальную или основную нагрузку в крити-
ческих случаях.
Нецелесообразно пытаться создать эффективную конструкцию
детали из АП, которая бы предназначалась только для замены
существующей детали из другого материала. Но такая возмож-
ность тем не менее достигается путем комплексной модификации
группы соседних деталей с целью реализации преимуществ уни-
кальных свойств и возможностей АП по снижению массы общего
числа деталей в узле, качеству их отделки, а также «вкладу»
в общую конструкцию изделия. Ежегодные модификации и изме-
нения моделей существующих транспортных средств как раз и
являются случаями такого рода.
В то же время создание совершенно нового кузова и его рамы
(или основания) дает возможность конструкторам использовать
новые, легкие материалы для широкого и эффективного исполь-
зования. Во многих случаях правильно спроектированные де-
тали могут быть использованы для выполнения нескольких функ-
ций. Конструкционные детали могут быть также декоративными и
коррозионно-стойкими (без дополнительной коррозионной за-
щиты) и работать в качестве изоляции и демпфирующих элементов
(уменьшающих внутри транспортного средства уровень шума,
вибрации и колебаний температуры). Все эти явления были про-
демонстрированы на примере автомобиля «Шевроле» модели
ХР-898, который представлял собой цельнопластиковое транс-
портное средство монококовой конструкции. Большие панели
кузова и несущие детали представляли собой поверхностно напря-
женные многослойные конструкции, обеспечивающие суммарную
жесткость и прочность. Трубчатая конструкция служила струк-
турным элементом. Введение пигментов или текстурирующих
добавок позволило исключить операцию отделки и окрашивания.
Всякое уменьшение массы кузова в дальнейшем отражается
на снижении стоимости и массы рамы (или основания кузова) и
элементов трансмиссии. Так, двигатель, коробка передач, мосты
503
(оси), тормоза, рессоры и колеса могут быть изготовлены более
легкими и иметь меньшие размеры без снижения качества и
эксплуатационных характеристик автомобиля.
Хотя и было доказано, что композиты обладают чрезвычайно
высокой прочностью при использовании их в широком круге
автомобильных деталей полунесущего назначения, опыт их исполь-
зования существенно меньше, чем в случае металлических дета-
лей. И поэтому естественно, то конструкторы склонны к некото-
рой перестраховке, используя при проектировании стенки боль-
ших толщин, чем необходимо в действительности. Чтобы пра-
вильно оценить возможность использования АП при обеспечении
оптимальной жесткости, прочности и минимальной массы, по-
лезно проводить компьютерное моделирование по определенным
элементам для анализа напряжений при ожидаемых условиях
нагружения. В этом случае можно ожидать большего доверия
к АП-материалам без использования избыточного запаса проч-
ности в расчете на безопасность.
Для разработки самых обычных, несущих нагрузку деталей
конструкции, имеющих приемлемый прогиб под нагрузкой, можно
использовать относительно простой метод анализа напряжений.
При сравнении с соответствующими стальными фланцевыми,
трубчатыми деталями и деталями крышки необходим более
серьезный учет механических факторов при компенсации более
низкой величины модуля эластичности АП. При расчете и оценке
таких ситуаций очень важно, чтобы конструкция сохраняла бы
свою форму под нагрузкой и по возможности части ее были бы
связаны (склеены) между собой, образуя единую секцию для обе-
спечения необходимой стабильности. В некоторых случаях для
предотвращения деформирования секций могут быть использо-
ваны ребра жесткости и косынки. При правильной разработке
конструкций разрешается введение внутренних элементов для
связывания внешних панелей без серьезного искажения формы.
Таким образом, создается возможность создания закрытых сек-
ций и одновременно лучший механизм передачи нагрузок на внеш-
ние панели и от них на конструкцию.
Узлы обычно изготовляют с использованием адгезионной
связи, осуществляемой с помощью наполненных полиэфирных,
эпоксидных и полиуретановых клеев-адгезивов. Прочность обра-
зующихся связей на сдвиг, равная 4,14 ... 5,52 МПа, является
обычной. Возможно также склеивание и (или) механическое соеди-
нение АП-материалов с металлом. В том случае, когда следует
ожидать отслаивающих или расщепляющих нагрузок, в допол-
нение к адгезионной связи часто используют заклепки. Клино-
вые полки (отбортовки) снижают концентрацию напряжений и
уменьшают до минимума возможность возникновения отслаиваю-
щих напряжений. Если имеющиеся внешние стыковые соедине-
ния должны быть зашпатлеваны и отделаны, их следует усилить
с помощью полосы или полки (уголка) более толстого или жесткого
504
сечения, чем внешние панели, для разгрузки стыкового соеди-
нения.
Часто используют самонарезающие винты и шпильки для
прикрепления приспособлений, элементов отделки и других дета-
лей автомобиля с использованием бобышек или без них. Для
случая более сильного нагружения (такого, как у дверных петель)
используют приклеиваемые гайки или накладки, которые в слу-
чае стальных панелей обычно привариваются или приклеиваются
к их обратной стороне. Для обеспечения правильного распреде-
ления нагрузок стальные накладки должны по толщине состав-
лять примерно одну треть от толщины листа композита, с кото-
рым они связаны таким образом, чтобы оба материала обладали
примерно одной и той же стойкостью к изгибу под нагрузкой,
а кромки накладок не прорезали бы композитную панель.
Съемные крыши кузовов автомобилей «Шевроле Блейзер»,
«Форд Бронко» и пикапа фирмы «Форд» являются примерами
адгезионно-соединенных конструкций, полученных прямым прес-
сованием. Фирмы «Форд», «Мак» и «Интернешинал Харвестер»
выпускают грузовые автомобили большой и средней грузоподъем-
ности со «склеенным» узлом крылья-капот. У грузовых автомо-
билей и автобусов фирмы «Дженерал моторе» узлы крылья-капоты
изготавливают из обычных листовых формовочных материалов и
листовых материалов, формуемых при низком давлении, а закреп-
ляют с помощью винтов и заформованных шпилек. Одна фирма
внедрила в производство для большегрузных автомобилей новую
кабину, изготовляемую из матов и предварительно отформован-
ных деталей. Это была разработка с предварительно напряжен-
ным поверхностным слоем и минимумом местных (локальных)
металлических усиливающих элементов в местах наибольшего
нагружения.
Модели, изготовленные по эскизным проектам при разработке
кузова автомобиля, могут быть использованы для изготовления
простых и недорогих форм для опытных образцов деталей по
технологии ручной выкладки с применением зажимов и с исполь-
зованием техники спекания. С учетом незначительной разницы
в физико-механических свойствах деталей опытных образцов и
деталей, изготовляемых при высоком давлении прессования,
в серийном производстве из опытных образцов деталей можно
изготовить кузов, раму (основание кузова) или кабину для про-
ведения статических или динамических испытаний. Решение
о продолжении испытаний с промышленной оснасткой может
быть принято после испытаний опытных образцов. Опыт показы-
вает, что высокой степени уверенности в разработке можно ожи-
дать в том случае, если опытный образец прошел все требуемые
испытания. Ответственное применение, например в дорожных ко-
лесах, требует формования испытуемых деталей в стальной
оснастке, для того чтобы оценить преимущества оптимальной
разработки из комбинации композитов ХМС и НМС по сравнению
505
Рис. 26.5. Различные автомобильные детали* изготовленные из АВП
с соответствующим колесом, выполненным из металла. Типичные
автомобильные детали, выполненные из АВП, приведены на
рис. 26.5.
На рис. 26.6 показан элемент шины «Бэндид тайер», изготов-
ленный фирмами «Грумман» и «Гудиар тайер энд раббер». Гру-
женый автомобиль малой грузоподъемности проехал на спущен-
ной шине с этим элементом путь, равный 48 км, со скоростью
48 км/ч. Легковой автомобиль проходил вдвое большее расстоя-
ние при скорости 80 км/ч.
Рис. 26.6. Намотанная из волокна армирующая лента шины «Бэндид тайер»
506
«Бэндид тайер» представляет собой радиальную шину, в кото-
рой обычный кордный пояс заменен тонкой высокопрочной лен-
той из композита на основе стекловолокна и эпоксидного свя-
зующего. Когда из шины спущен воздух, лента работает совместно
с радиальным кордом боковин, образуя конструкцию обода со
спицами, выдерживающую рабочую нагрузку. Спущенная шина
проминается примерно наполовину. Ее боковины местами дефор-
мируются, выступая наружу, но не соприкасаются одна с другой
и не касаются земли. Оставшаяся часть боковины натянута. Лента
действует как сжатая дуга, стабилизирующая боковины. По кон-
трасту с другими разработками по спущенным шинам, которые
основаны на сильном сжатии боковин или использовании вспомо-
гательных вкладышей, разработка фирмы «Грумман» приводит
к малому увеличению массы и не требует специального обода
колеса.
Такая шина обнаруживает преимущества в режиме давления,
например, в низком сопротивлении качению и низкой скорости
изнашивания благодаря стабилизации поверхности качения шины
под действием ленты. Из шины может быть частично или пол-
ностью спущен воздух для повышения проходимости на слабых
грунтах. Низкое давление накачки обеспечивает малый угол
входа (что снижает «бульдозерный» эффект) и обеспечивает рас-
пределение давления. Наконец, лента существенно повышает
сопротивление к проколам через протектор.
26.6. Возможности использования
Высокое отношение прочности к массе в случае АП чрезвы-
чайно важно в любых применениях, связанных со средствами
транспорта, так как оказывает прямое влияние на экономию
энергии. Ожидается, что покупатели автомобилей будущего
будут готовы платить большую сумму за транспортные средства,
обладающие лучшим комфортом и привычными удобствами полно-
размерного автомобиля, нежели купить автомобиль, который
был разработан лишь для того, чтобы достигнуть экономии топ-
лива просто за счет уменьшения размеров, ухудшения эксплуата-
ционных характеристик и снижения комфорта. Все легкие и вы-
сокопрочные материалы с хорошими физико-механическими пока-
зателями тщательно изучаются автомобильными фирмами. Такие
материалы используют для повышения уровня разработок, мно-
гие из которых имеют своей целью улучшение эксплуатационных
характеристик и более эффективное использование. Однако стои-
мость разработки одновременно с трудностями, возникающими
при этом, все еще является определяющим фактором.
Основными АП-материалами, на которые в дальнейшем будет
обращено наибольшее внимание в промышленности средств транс-
порта, являются новые виды термореактивных полиэфирных
смол (например, «эластичные» и ударопрочные варианты) и быстро-
Б07
Рис. 26.7. Динамика роста потребле-
ния С углеродного волокна:
/ — в аэрокосмической промышленности;
2 — в автомобилестроении; 3 — в произ-
водстве спорттоваров; 4 ~ в общей про-
мышленности
отверждаемые системы (менее
чем за 1 мин при толщине
2,5 мм), автомобильные марки
смол на основе виниловых эфи-
ров и эпоксидные смолы с но-
выми отверждающими систе-
мами, позволяющими сделать
их более технологичными по
отношению к требованиям ав-
томобильных производств. Уг-
леродные волокна находят все
более широкое использование,
особенно в гибридных арми-
рующих системах в сочетании
со стекловолокном (рис. 26.7)
благодаря тому, что цена на
углеродные волокна за по-
следние годы уменьшилась
с 40 до 22 долл, за 1 кг. Тем не менее основные данные по
разработкам свидетельствуют об интересе к новым, высоко-
прочным АП-композитам, обладающим большей способностью
к поглощению энергии и лучшими ударными характеристиками,
пониженной ползучестью и лучшими усталостными характерис-
тиками, что облегчает создание более эффективных разработок и
их дальнейшее развитие, а также более точное предсказание
эксплуатационных характеристик.
Сначала низкая стоимость оснастки была наиболее важным
преимуществом композиционных материалов. Существенные
улучшения как самих композитов, так и процессов их получения
предопределили возможность количественного увеличения произ-
водства. Это, в свою очередь, обусловило создание лучшей, более
удобной оснастки и разработку средств и методов автоматизации
процессов переработки. Использование контрольно-измеритель-
ной аппаратуры в процессах формования привело к улучшению
качества продукции. Применение покрытий из полиуретанов
прямо в форме, впервые использованное для панелей кузова
автомобиля «Корвет» в 1980 г. и повторенное в 1981 г. для задней
двери фургона фирмы «Олдсмобиль», явилось дополнительным
средством для улучшения качества поверхности деталей с одно-
временной перспективой снижения цен. В настоящее время раз-
рабатывается система перестановки форм, позволяющая снизить
на 80 % потребное количество формовочных прессов большого
усилия.
Наиболее трудными в процессах разработки и производства
изделий являются проблемы сборки кузовов с использованием
таких деталей, как панели крыши и пола. Решение этой задачи
следует искать в разработке деталей и процессов соединения для
обеспечения быстрого и прочного связывания разнородных мате-
508
26.7. Прогнозы потребления стеклопластиков
в наземных транспортных средствах *
АВП Потребление, кт, по годам Рост в период с 1980 по 1990 гг., %
1980 1985 1990
По видам транспорта Автомобили: 'легковые 118 159 244 7,5
грузовые и фургоны 39 73 103 10,1
Прочий транспорт 28 40 52 6,3
Итого: 186 272 399 7,9
По видам смол
Термореактивиые 128 206 318 95
Термопластичные 58 66 82 3,5
* Приведенные данные фирмы «Питтсбург плейт гласе индастриз» включают
как термореактивные, так и термопластичные смолы, армирующие добавки и
наполнители, используемые при изготовлении деталей легковых и грузовых
автомобилей, фургонов, автобусов, прицепов, автомобилей-дач, железнодорож-
ных вагонов н других наземных транспортных средств.
риалов конструкции. По мере того как в производстве компози-
ционных материалов и в процессах их переработки появляются
перечисленные выше и другие совершенствования, а скорость
изготовления деталей из АП-композитов возрастает, можно ожи-
дать, что их производство станет конкурентоспособным по сравне-
нию с производством металлических кузовов при равных или
даже более низких капиталовложениях. Наконец, с учетом воз-
можности внутризаводской переработки отходов материалов,
что было реализовано для термопластов, а для термореактивных
смол показана его принципиальная возможность, такая конку-
рентоспособность, несомненно, будет достигнута. Факторы, пере-
численные выше, одновременно с возможностью снижения массы
деталей из композитов и некоторых других материалов позволяют
прогнозировать рост потребления АВП на рынке средств транс-
порта США (в основном легковых и грузовых автомобилей) до
1990 г. (табл. 26.7). К тому времени высокопрочные композиты
займут в структуре применения до 15 %, ЛФМ и объемные фор-
муемые изделия — 70 % и полученные методом реакционного
литьевого формования армированных пластиков — 15 % от доли
термореактивных смол в общем объеме АВП. В качестве матрицы
для армированных термопластов по-прежнему будут в основном
509
использовать полипропилен, полиамиды, полистиролы и термо-
пластичные полиэфиры. Детали могут быть изготовлены как у раз-
работчика, так и у потребителя, разделяясь при этом поровну
по виду полимерной матрицы (термопласты и термореактивные
смолы). Ожидают, что производство автомобилей будет состав-
лять суммарно 9,5 млн. шт.
26.7. Выводы
Нет оснований считать, что наше общество станет менее мо-
бильным в обозримом будущем. До тех пор, пока эта мобильность
будет существовать, средства транспорта будут изнашиваться,
устаревать или требовать замены по другим причинам. Несмотря
на скорость и экономичность передвижения по воздуху, удобство
персональных средств транспорта, особенно для путешествий на
расстояния до 240 км, будут занимать существенное место в се-
мейном бюджете. Быстрая эволюция разработок средств назем-
ного транспорта создает постоянно растущие возможности для
использования новых и улучшенных материалов, процессов и
химических продуктов. Наибольшая масса (высокие прочность и
коррозионная стойкость, а также многосторонность возможностей
использования композитов в разработках, составах и изделиях
дают возможность с учетом специфических потребностей сделать
их привлекательными для применения в автомобилестроении.
Разработка качественных продуктов, надежной оснастки и обору-
дования для проведения процесса, а также снабжение соответ-
ствующими сырьевыми материалами придает уверенность в воз-
можности разработки качественных материалов с хорошими
эксплуатационными свойствами, необходимыми для гарантии
доверия при составлении программ выпуска, точного определения
вида АП и производства композитов на основе АП.
27. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В СУДОСТРОЕНИИ
У. Р. Грейнер
27.1. Введение
Слоистые пластики (СП), армированные стекловолокном
(СВКМ), нашли широкое применение в судостроении с момента
начала их использования в качестве промышленных материалов
в 40-х годах XX столетия. Их применение как конструкционных
материалов было обусловлено удачным сочетанием уникальных
свойств: высокого отношения прочности к массе, долговечности
и стойкости к морской среде, простоты эксплуатации и ремонта,
жесткости, особенно при очень низких температурах, их немаг-
нитных и диэлектрических свойств, а также их низкой теплопро-
водности по сравнению с металлами. Кроме того, эти материалы
дают возможность судостроителям использовать в конструкциях
эластичность композитов, отсутствующую у обычных металлов.
Например, при правильном выборе исходных компонентов,
а также процесса получения композитов, в том числе и ориента-
ции армирующей волокнистой добавки, удается получить кон-
струкционный материал, удовлетворяющий специфическим тре-
бованиям к данной конструкции, а также создать надежную кон-
струкцию, причем более легкую и эффективную. Использование
монолитной бесшовной конструкции снижает до минимума коли-
чество швов и исключает многие дорогостоящие вторичные про-
цессы сборки (например, механические соединения с помощью
сварки или клепки).
В данной главе кратко описаны основные материалы, их
свойства, поведение в морских условиях, а также история приме-
нения некоторых СВКМ в судостроении. Обсуждены также неко-
торые результаты последних исследований, направленных на
дальнейшее развитие производства и применения таких мате-
риалов в судостроении.
27.2. Основные материалы
27.2.1. Полимерные системы
В судостроении наиболее широкое применение в качестве свя-
зующих нашли ненасыщенные полиэфиры алкилстирольного типа
благодаря более низкой стоимости и большей эластичности в со-
511
четании с простотой использования и удачными характеристи-
ками процессов отверждения.
В их состав входят компоненты, обеспечивающие отверждение
при комнатной температуре, такие как органические перекисные
катализаторы, вводимые совместно с ускорителем (или промото-
ром), например нафтенатом кобальта. Наряду с такими смолами
«общего назначения» применяются галогенсодержащие полимеры,
которые предназначены для повышения огнестойкости ком-
позитов [50]. Тиксотропные агенты добавляют для уменьшения
потерь смолы; наполнители и пигменты используют для того,
чтобы получаемый материал отвечал специфическим требованиям.
Эпоксидные смолы используются для тех областей применения,
в которых требуются особые физические или механические пока-
затели или специфические характеристики по химической стой-
кости. Они также широко используются в качестве адгезивов,
а в сочетании с наполнителями — в качестве шпатлевки или
«примеси» для заполнения пустот или затирки поверхностей.
Эпоксиды могут отверждаться при комнатной температуре путем
смешения с активным отвердителем, таким как диэтилентриамин.
Однако для обеспечения оптимальных свойств СВКМ следует
подвергать термическому отверждению под давлением либо в ва-
кууме, или проводить отверждение под давлением в автоклаве.
27.2.2. Армирующие агенты
Многие виды армирующих агентов, такие как сизаль, джут
или асбест, в прошлом использовали для повышения экономич-
ности материалов или удовлетворения специальных конструктор-
ских требований. В настоящее время, однако, в основном исполь-
зуется стекловолокно марки Е боросиликатного типа, хотя су-
щественно возрос интерес к применению высокомодульных во-
локон, таких как углеродное, борное или арамидное («Кевлар»
фирмы «Дюпон»), Углеродные и борные волокна использовались,
например, в рангоуте корабля «Интерпид» (победителя Кубка
Америки) для придания ему большей жесткости без увеличения
массы [6].
Практически все промышленные типы стекловолокон прием-
лемы для армирования композитов, начиная с рубленого волокна
в виде матов или материала для распыления и кончая различ-
ными видами тканых текстильных изделий или нетканых ровин-
гов, и используются для удовлетворения специфических требова-
ний к конструкционным материалам в зависимости от областей
их применения. Стекловолокно должно быть подвергнуто спе-
циальной обработке или шлихтованию в зависимости от типа
используемой полимерной смолы, чтобы обеспечить эффектив-
ную пропитку стекловолокна смолой и уменьшение влияния влаж-
ности на связь стекло—полимер.
512
27.2.3. Процессы производства
Крупные конструкции, такие как корпуса судов, изготовляют
в основном «мокрой» ручной выкладкой или методами напыле-
ния с использованием полиэфирных смол, отверждаемых при
комнатной температуре. Для менее распространенных узлов, тре-
бующих более высокого качества материалов, используются
СВКМ с более высоким содержанием стекловолокна и применяя
метод вакуумного формования с эластичной мембраной. Для
более крупных партий изделий используют тщательно подогнан-
ные металлические формы.
Выбор используемого процесса производства в основном опре-
деляется стоимостью разработки, особенно в тех случаях, когда
стеклопластик конкурирует с другими конструкционными мате-
риалами, такими как дерево или алюминий. Однако в тех слу-
чаях, если это экономически допустимо или когда из-за специ-
фичности применения можно пойти на удорожание, суда могут
быть изготовлены по технологии, разработанной для процессов,
основанных на применении армированных пластиков (АП), вклю-
чая термическое отверждение или постотверждение, отверждение
в автоклаве, отверждение на специальных формах или путем на-
мотки волокном. Опыт эксплуатации изделий показал суще-
ственные различия в свойствах СВКМ в зависимости от процесса
получения. Это делает необходимым определение минимальных
требований к материалу и усиление контроля за процессами,
обеспечивающими соответствие материала требованиям, предъяв-
ляемым к готовой конструкции. Для ВМС США, например, тре-
буется, чтобы СВКМ был полупрозрачным (для обеспечения ви-
зуального просмотра, точного определения приемлемого содержа-
ния смолы, наличия пустот) и обладал необходимыми механи-
ческими свойствами.
27.3. Слоистые пластики, армированные
стекловолокном
27.3.1. Механические свойства
Как отмечалось выше, в судостроении применяются мате-
риалы с широким диапазоном показателей. В табл. 27.1 приве-
дены средние минимально допустимые показатели для стекло-
пластиковых полиэфирных композитов, используемых в судо-
строении, сформулированные в соответствии с техническими тре-
бованиями, предъявляемыми к такого рода материалам [49].
Подобная подборка, представляющая собой справочник по свой-
ствам СП для конструкций кораблей, показана в табл. 27.2 [52].
Р. Скотт [42] приводит данные, показывающие влияние типа
армирующего агента, его ориентации, а также содержания поли-
мера на механические свойства СП, полученных различными ме-
тодами.
1/« 17 П/р Дж. Любина 513
27.1. Требуемые свойства СВКМ для судостроения по MIL-P-17549
Показатель СП-1 СП-2 СП-3 СП-4 СП-6 СП-ТР
си. пр min, Стандарт- 345 255 214 159 124 МПа ные Мокрые* 310 228 186 138 103 £и. поп min» Стандарт- 17 14 Ю 7 6 5 9 ГПа ные * ’ Мокрые 16 12 8,6 6 8 5 3 св пип, МПа Стандарт- 255 193 138 97 62 „ , ,ные 228 172 145 117 110 “сж. пр min, Мокрые 193 159 131 103 97 МПа ^пустотах. % — 1,5 2,0 3,0 4,0 5 0 Исм. м> /о — 35—43 42—52 49—59 55—65 65—75 221 200 11,4 10 ПО 124 117 4,0 15—56
* После двухчасового кипячения.
Примечание. Стеклопластики СП-1 на основе стеклоткани 181; СП-2 —
на основе стеклоткани 1000; СП-3 — на основе стеклоткани 1044; СП-4 — на
основе стекломатов; СП-5 — на основе стекломатов с высоким содержанием смолы;
СП-ТР — на основе тканого ровинга.
27.2. Фнзико-механические свойства типичных СВКМ
для судостроении
Показатель 9 СВКМ на основе
мата нэ рубленой стекломатов раэ- стеклопряжн весом 610 н 809 г/м8 тканого ровннга
О°т7мз 0/0 30-40 40-55 £’ мп 1,4—1,5 1,4—1,5 1 65—1 8 > ппа 172-207 207-241 оЮМПа 7,6—10,3 10,3-15,2 £’’ГПа 6 2-8 3 6^~977 1093-13 8 £Ж,ГПаа 117-145 117-152 С°дЖперПМПа %2Z о° 6796=й’° И90=^35 Трд. пр, МПа 69-83 М ^5 исд, ГПа 2,8 3,1 3,4
Данные
получены при кратковременном нагружении в мокром состоянии
для композитов н тканых ровингов. Нагрузка прн испытаниях направлена вдоль
основы.
Нередко механические свойства превышают те, которые при-
ведены выше как минимально необходимые, это обусловливается
применением более сложных процессов производства (вакуумное
формование с эластичной диафрагмой или формование в автоклаве),
а также использованием эпоксидной смолы, а не полиэфирной,
или же в результате применения в качестве армирующего агента
комбинированной стеклоткани артикула 143 или нетканой одно-
направленной предварительно пропитанной стеклянной ленты
или ровинга.
27.3.2. Чувствительность к морской среде
В то время как наиболее благоприятное отношение прочности
к массе у стеклопластиков дает нам основу для первоначального
выбора этих материалов для судостроения, возможность исполь-
зования этих материалов зависит от их стабильности в морской
среде и долговечности в условиях эксплуатации. Первостепенную
важность приобретает при этом влияние воды на свойства мате-
риалов.
27.3.2.1. Влияние длительной выдержки в воде на статические
свойства композиционных материалов
Хотя в настоящее время стеклопластики, изготовленные
с использованием армирующих элементов, обработанных улуч-
шенной шлихтой или путем соответствующего аппретирования,
менее чувствительны к воде, чем ранее разрабатывавшиеся мате-
риалы такого типа, чувствительность таких материалов к воз-
действию воды до некоторой степени еще сохраняется.
Исходя из анализа значительного объема литературы по дан-
ному вопросу [12, 36] и докладов на семинарах по межфазным
проблемам, в данной книге не будет излагаться подробная дискус-
сия по этой проблеме.
Вода может быть абсорбирована смолой и действовать как
пластификатор, уменьшая как прочность, так и жесткость СВКМ.
Вода может также мигрировать на границу раздела фаз стекло—
полимер путем диффузии через полимер и проникая через тре-
щины, пустоты и другие дефекты в массе композита или мигри-
руя вдоль поверхности волокна. С этой точки зрения связь
стекло—полимер может быть ослаблена действием воды в резуль-
тате реализации различных механизмов проникновения ее в мате-
риал.
В основном отрицательное влияние длительной выдержки
в воде выражается в некотором снижении статических механи-
ческих свойств. Обычно наблюдаем первоначальное уменьшение
механических показателей до определенного уровня (за первые
месяц или два выдержки образца в воде), без дальнейшего их
ухудшения при последующей выдержке. В случае полиэфирных
»/» 17* , 515
514
СВКМ уменьшение прочности составляет 10 ... 15 %. Меньшие
потери можно ожидать при использовании эпоксидных СП, в то
время как вредное воздействие воды может отчетливо прояв-
ляться в композитах, в которых использован неравномерно аппре-
тированный армирующий агент, матрица неполностью отверждена
или содержит слишком много пустот. На предел прочности при
растяжении композитов вода влияет не столь существенно, как
на свойства, определяемые вероятными границами раздела фаз
(например, на пределы прочности при сжатии, изгибе и сдвиге).
Важность водостойкости СВКМ, используемых в судостроении,
привела к тому, что в технических требованиях к таким мате-
риалам установлен допустимый предел снижения показателей
после выдержки в воде. Эти данные приведены в табл. 27.1, в ко-
торую включены требования по прочности и жесткости после кипя-
чения в воде в течение 2 ч. Такой подход используется в качестве
ускоренного метода определения влияния длительной выдержки
в воде, практически эквивалентной месячной, для композитов
на основе полиэфирных смол. В то время как эти испытания могут
дать определенную полезную информацию, полученные таким
образом данные должны быть рассмотрены очень тщательно, осо-
бенно в тех случаях, когда эти методы используются для СВКМ,
отверждаемых при комнатной температуре, так как при темпера-
туре кипящей воды может произойти дальнейшее отверждение
связующего, ускоряющее разрушение композита в воде.
В таких случаях рекомендуется сравнивать показатели во влаж-
ных условиях (двухчасовое кипячение) со свойствами материала
в полностью отвержденном состоянии или выдержанного в су-
шильном шкафу в течение 2 ч при 100 °C.
27.3.2.2. Чувствительность композитов к воздействию воды под
давлением
Так как стеклопластики могут быть использованы для глубо-
ководных конструкций, представляет определенный интерес рас-
смотрение влияния выдержки в воде под высоким давлением на
свойства этих материалов. Результаты определения этих пара-
метров приведены в табл. 27.3. Эти данные были получены в ре-
зультате исследований, в которых полиэфирный СВКМ марки
1000 с аппретом «Волан» и толщиной 1 см был выдержан в течение
3 лет на глубине 1737 м в районе Багамских островов. Оказалось,
что на свойствах СВКМ выдержка на такой океанской глубине
существенно не сказалась. Дополнительные данные, относя-
щиеся к этому вопросу, особенно в случае применения изделий,
полученных намоткой, приведены в конце этой главы. Из полу-
ченных данных очевидно, что высокое качество, т. е. низкое со-
держание пустот в СВКМ, при выдержке в воде при высоком дав-
лении сказывается не больше, чем при окунании в воду при атмо-
сферном давлении. )
516 \
27.3. Влияние длительной выдержки в океане -.'аоЦ.
иа глубине 1737 м на свойства СВКМ
Показатель Исходные значения После выдерж- ки на глубине 1737 м в тече- ние 1045 сут Показатель Исходные значения После выдерж- ки на глубине 1737 м в тече- ние 1045 сут
аож, МПа 227 231 I £в, ГПа 18 17
ГПа 19 20 *^сд» МПа 12 13
<ти, МПа 267 263
27.3.2.3. Восстановление свойств композитов при сушке
Хотя у стеклопластиков обнаруживается снижение механи-
ческих показателей во влажном состоянии после длительной
выдержки в воде, показано, что этот эффект в основном обратим
для таких показателей, для которых имеется тенденция к восста-
новлению при сушке. Р. Винанс [53] описал это явление для ряда
стеклопластиков. В то время как материалы с армирующим ком-
позитом, чувствительным к воде, существенно разрушаются при
длительной выдержке в воде, слоистые пластики, армированные
стекловолокном, которые были высушены после длительной
(4500 ч) выдержки в воде, обнаруживают практически полное вос-
становление свойств. Этот эффект продемонстрирован в табл. 27.3,
где приведены данные по изменению свойств стеклонаполненного
полиэфирного композита после трехлетней выдержки в воде
с последующей сушкой.
27.3.2.4. Воздействие воды на свойства композитов в условиях
долговременного нагружения
Как и другие материалы, стеклопластики, подвергнутые цик-
лическому усталостному нагружению или долговременному ста-
тическому нагружению (механическое разрушение), характери-
зуются понижением уровня разрушающих напряжений до вели-
чины ниже максимальной, наблюдаемой для случая кратковре-
менного нагружения. Механическое разрушение и усталостные
характеристики обнаружены также в результате выдержки ком-
позита в воде. Данные по влиянию окунания в воду на снижение
разрушающего напряжения приведены в гл. 3 по MIL-HDBK-Y7
129]. В типичном случае образцы полиэфирного СП марки 181,
армированного стеклотканью, подвергнутые воздействию изги-
бающих напряжений на воздухе в течение 1000 ч, разрушаются
при напряжениях, равных 68 % <хг в то время как образцы,
нагружаемые под водой в течение такого же периода времени,
разрушаются при напряжениях, составляющих 48 % от макси-
17 П/Р Дж. Любяяа 517
мальных. Для эпоксидных СП подобной структуры разрушаю-
щие напряжения, получаемые при нагружении в течение 1000 ч,
составляют соответственно 70 и 60 % от максимальных значений
для сухих и влажных образцов.
Результаты усталостных испытаний, полученные для разно-
образных СВКМ, показывают, что предел выносливости состав-
ляет 25 ... 30 % от максимального при 107 циклов и выше. В усло-
виях полностью обратимого циклического нагружения (т. е. при
суммарном напряжении, равном нулю), ограничивающих область
испытаний полиэфирных СП в мокром состоянии, было обнаружено
значительное снижение сопротивления усталости при неболь-
шом числе циклов (N = 10s ... 104), но не было обнаружено раз-
личия между усталостными характеристиками композитов в су-
хих и влажных условиях при 107 циклов и выше.
27.3.2.5. Чувствительность композитов к погодным условиям
Г. Раггером и Д. Титусом [41 ] был опубликован исчерпываю-
щий труд по влиянию погодных условий на стеклопластики.
Влияние погодных условий представляет собой комплексное
явление, включающее целый ряд факторов, т. е. чувствительность
материала к светопогоде зависит от различных компонентов кли-
матического воздействия. Общий вывод из опубликованных све-
дений может быть следующим: теплая, влажная атмосфера
является наиболее вредной для полиэфирных стеклопластиков.
Можно ожидать, что длительные погодные испытания приводят
к эрозии поверхности полимера и проявляются в уменьшении
предела прочности при растяжении до 20 %, но меньше влияют
на предел прочности при изгибе и сжатии [41]. Влияние воздей-
ствия светопогоды на стеклонаполненные эпоксидные композиты
существенно не отличается от описанного выше результата дли-
тельных испытаний этих материалов, что свидетельствует о сни-
жении пределов прочности при растяжении и изгибе на 10 ... 20 %.
Необходимо отметить, что в настоящее время уже имеются поли-
мерные системы, специально разработанные в качестве погодо-
стойких, и этот тип связующих может быть выбран для тех слу-
чаев, когда требуется наибольшая устойчивость материалов
к морским условиям. Для защиты поверхности СВКМ рекомен-
дуется использовать гелькоат с пигментом или стандартное лако-
красочное покрытие, применяемое для морских условий. Лако-
красочное покрытие само по себе не предотвращает водопоглоще-
ния, так как водяной пар может проникать через все существую-
щие в настоящее время лакокрасочные покрытия. Однако такие
покрытия могут защищать конструкции от вредного воздействия
ультрафиолетового излучения, а также от истирания поверхности.
В настоящее время твердо установлено, что сочетание ультра-
фиолетового излучения и влаги вызывает существенное разруше-1
ние стеклопластиковых конструкций.
518
27.3.2.6. Биологическое воздействие. Обрастание
Стеклопластики ие подвергаются разрушению под действием
морских организмов. Действительно, Г. Раггер [41] показал, что
«биологической атакой» как фактором, воздействующим на техни-
ческие свойства этих материалов, можно пренебречь. С другой
стороны, нарастание морских организмов на стеклопластики проис-
ходит так же, как и в случае применения других материалов.
Эффективная очистка достигается достаточно простым соскаблива-
нием. Технологические аспекты изготовления СВКМ предполагают
привлекательную возможность введения пестицидных соединений
в смолу или в гелькоат для создания длительной защиты от обра-
стания, как предлагается У. Грейнером и М. Стандером [19].
Исследования в этой области постоянно продолжаются.
27.4. Эксплуатация и ремонт
Эффективность эксплуатации изделий из композитов и про-
стота их ремонта являются основными преимуществами СВКМ.
Конструкции на основе КМ следует подвергать периодическому
осмотру с целью обнаружения ухудшения поверхностных характе-
ристик (таких как сопротивление обрастанию или эрозии) или
повреждений (появление царапин, вмятин, изломов или расслое-
ния). Качественное покрытие на основе лакокрасочного материала
или гелькоата создает для конструкций из СВКМ существенную
защиту от ультрафиолетового излучения и влаги. Благотворное
влияние на устойчивость материала оказывает также нанесение
на кромки слоя лакокрасочного покрытия или смолы.
В задачи этой главы не входит изложение подробных инструк-
ций по ремонту стеклонаполненных СП. Такой ремонт может
быть произведен неквалифицированными рабочими с помощью
обычного ручного инструмента [42]. Если требуется ремонт
участков композиционного материала, то используются смола,
отверждаемая при комнатной температуре, и армирующий агент,
подобный тому, который входил в состав исходного СП. Условия,
в которых должен проходить ремонт, требуют чистоты, сухости
и температуры 15 ... 21 °C. Полимерная система должна отвер-
ждаться при низкой температуре, однако отверждение может
проходить быстрее при повышенной температуре.
27.5. Проектирование корабельных конструкций
из композитов
Процесс конструирования судов с использованием стекло-
пластиков включает не только проектирование конструкций, но
и разработку самих композиционных материалов. Разработчик
должен принять некие обоснования решения для обеспечения
требуемой прочности материала, необходимой для выполнения
17* 519
поставленной задачи. Он должен, кроме того, иметь некоторые
основы знаний о свойствах важнейших материалов на основе СП,
так же как и о технике формования и сборки, и, кроме того, j
о влиянии изменяющихся факторов на свойства СП, чтобы он 1
мог быть уверенным, что его требования выполнимы и могут быть I
достигнуты в необходимых границах по стоимости. Его инженер- 1
ное решение с одновременным обеспечением факторов безопасности 1
должно базироваться на рассмотрении природы нагрузок на мате- ”
риал (например, долговременная статическая и циклическая) и
условий окружающей среды при эксплуатации. Если область
применения композитов новая и отсутствует прецедент по исполь-
зованию аналогичных конструкций, необходимо составить про-
грамму по усовершенствованию прототипа для оптимизации раз-
работки. Это особенно важно, если применение приходится осу-
ществлять в критических условиях по массе, безопасности, в жест-
ких условиях эксплуатации или при ударных нагрузках. |
За прошедшие годы накоплен значительный объем информации I
и опыта по конструированию, которыми может воспользоваться 1
разработчик новых конструкций в области судостроения.
Так как методика разработки конструкций не является пред-
метом данной главы, мы приведем в ней лишь некоторые советы
о том, как воспользоваться имеющейся информацией для эффек-
тивного применения таких материалов в судостроении.
Основополагающий труд по созданию стеклопластиковых кон-
струкций опубликовали Гиббс и Кокс [15]. Хотя он относится
к началу разработок, все же может служить справочником, со-
держащим много общей полезной информации. Более поздняя и
более краткая проработка этой проблемы дана Скоттом [42].
Данные по разработке способов сборки деталей из композитов
опубликованы в работах [32, 40].
Разработка технологии сборки требует внимательного каче-
ственного контроля и существенно зависит от выбранного типа
соединения, адгезива и подложки так же, как и от условий при-
менения. Использование самонарезающих винтов оказалось по-
лезным для предотвращения расслоения композитов, особенно
в условиях циклических или высоких ударных нагрузок. Труды
ежегодных технических конференций по композитам являются
прекрасным источником современной информации по материалам,
разработке и фактическим данным, касающимся применения кон-
. струкций из АП. Примером практического применения компози-
тов является отчет об исследованиях по результатам эксплуата-
ции судов из стеклопластиков в ВМС США за 15 лет, описываю-
щий особенности поведения различных деталей конструкций.
Кроме того, имеется много технических брошюр, написанных
разработчиками основных материалов. Методы разработки путей
конструирования и критериев оценки АП все еще развиваются,
поскольку в настоящее время оказались доступными новые мате-[
риалы или их комбинации. Техника конструирования становится!
520 \
все более сложной благодаря использованию ЭВМ и в результате
этого должна базироваться на лучшем понимании механизмов
разрушения композитов,
27.6. Применение
Композиты на основе АП использовались как в разнообразных
ответственных несущих конструкциях, так и для изготовления
менее ответственных элементов. Их применение в судостроении
все ' возрастает благодаря накоплению опыта в разработке и
эксплуатации такого рода конструкций. Начиная с наиболее
раннего опыта в области создания небольших судов лет тридцать
назад, использование стеклопластиков все расширялось вплоть
до создания достаточно больших судов как коммерческого, так
и военного назначения, а также широкого разнообразия судовых
конструкций, включая обтекатели, палубные надстройки, мачты,
резервуары, поплавки и буи. Чтобы лучше продемонстрировать
широкие возможности применения стеклопластиков в качестве
конструкционных материалов для судостроения, ниже в качестве
предмета обсуждения приводится ряд наглядных примеров.
27.6.1. Строительство малых судов
Наиболее важной областью применения стеклопластиков
в морских конструкциях, особенно учитывая объемы потребле-
ния КМ [4, 31, 33, 34], было строительство судов, как граждан-
ских, так и военных. Развитие работ в этой области продолжа-
лось, а на рынке потребления малых судов положение все более
и более определялось уровнем разработки СВКМ. В указателе
по судам и судовому оборудованию за 1977 г., опубликованном
в журнале «Боутинг» (1977 г., № 1), перечислено 2400 малых су-
дов различных типов (прогулочные катера, шлюпки, моторные
лодки, парусные яхты) с корпусами длиной 5 ... 25 м. Из пере-
численных судов 2200 (т. е. 92 %) были изготовлены с использо-
ванием СВКМ. Наибольшими из них являлись моторная яхта
длиной 21 м и прогулочная парусная шлюпка длиной 25 м.
Стеклопластики все более широко используются при конструи-
ровании морских судов. ВМС США были первыми разработчиками
конструкций судов из стеклопластика, о чем свидетельствует
разработка корпуса судна длиной 8,5 м в 1947 г. Эти суда созда-
вались по технологии ручной выкладки на основе ровинговой
ткани [48] и огнестойкой полиэфирной смолы [50]. Военно-
морские суда, классифицируемые как малые, различаются по
своему размеру: от яликов длиной 3,7 м до минных тральщиков
длиной 17,4 м, включая суда промежуточных размеров, такие как
разъездные катера с длиной корпуса 8, 10 и 12 м и рабочие катера
длиной 15 м. ВМС Великобритании создали самое большое в мире
стеклопластиковое судно «Гилтон» длиной 46,7 м. В 1972 г. это
521
судно участвовало в очистке Суэцкого канала от мин и явилось
предшественником нового класса минных тральщиков, разраба-
тываемых в настоящее время. Консорциум фирм Нидерландов,
Бельгии, ФРГ и Франции по разработке военно-морских судов
в настоящее время конструирует из композитов большой минный
тральщик.
27.6.1.1. Процессы производства
С начала 1950-х годов использование технологии формования
в вакууме и под давлением с помощью мешка или простого вакуум-
формования было уже вполне обычным. Изготовление ровинго-
вой ткани тиксотропных полимерных составов и безвоздушных
распылителей существенно облегчило процесс ручной выкладки и
сделало его обычным методом формования корпусов судов, исполь-
зуемым в настоящее время. Рубленое стекловолокно, используе-
мое в форме матов или в напыляемых покрытиях, дает нам еще
один метод формования, широко применяемый в промышлен-
ности.
Методы формования корпусов судов могут быть подразделены
на два варианта: однослойный и многослойный (сандвичевый).
В США преобладает однослойный способ: он оказывается дешевле,
причем все СВКМ находятся в наружном слое корпуса, что улуч-
шает способность конструкции противостоять ударным нагруз-
кам, возникающим при эксплуатации. Оказалось, что многослой-
ные (сандвичевые) конструкции более популярны в Зап. Европе,
где часто используется оболочка из вспененного поливинилхлорида
(ПВХ), обладающая в большей мере эластичностью, чем жест-
костью, что дает преимущества по стойкости к ударам [38].
Корпуса судов с однослойной оболочкой обычно формуются
в негативной форме. Поскольку состояние внешней поверхности
определяется качеством поверхности формы, в дальнейшей отделке
корпуса уже нет необходимости, за исключением легкой зачистки
перед нанесением лакокрасочного покрытия, если это необхо-
димо. Силовой набор, основания и палубные перекрытия уста-
навливаются на клею. Для передачи давления на склейку во время
сборки изделия обычно применяют самонарезающие винты. Винты
используют также при ремонте трещин и отслаиваний.
Многослойные корпуса сотовой конструкции формуют путем
укладки листов в пакет на выпуклой (позитивной) форме-оправке.
Возможны два варианта процесса. Первый, так называемый про-
цесс без формы, при котором материал сотового заполнителя при-
крепляют к каркасной оправке, наносят на него методом ручной
выкладки слоев по форме наружную обшивку сотовой конструк-
ции и отверждают ее. Затем корпус судна снимают с формы-
оправки, переворачивают и внутри его накладывают слои вну-
тренней обшивки. В соответствии со вторым вариантом процесса
вначале формируют внутренний слой обшивки на позитивной
форме-оправке, затем материал сотового заполнителя приклеи-
522
вают к внутренней обшивке и на сотовый заполнитель наносят
слой наружной обшивки. Те, кто использует эту технологию,
подтверждают преимущества обоих методов. В обоих случаях,
однако, требуется дополнительная работа для получения доста-
точно гладкой внешней поверхности. Внутрь сотового заполни-
теля должны быть заформованы элементы силового набора (ребра
жесткости), а также вкладыши для монтажа различных приспо-
соблений и крепления палубы. Имеется много источников инфор-
мации для тех, кто заинтересован в знании основных процессов
конструирования и изготовления корпусов судов [6—9, 16, 17,
26, 28, 42, 43, 46, 52].
27.6.2. Конструирование больших военно-морских судов
27.6.2.1. Конструирование судов для военно-морского флота
Как было упомянуто выше, имеется тенденция к конструиро-
ванию больших военно-морских судов из стеклопластика, в част-
ности больших минных тральщиков. Стеклопластиковые кон-
струкции особенно приемлемы для минных тральщиков, но не
только потому, что эти материалы немагнитны (первая причина
выбора), но и по той причине, что они дают потенциальные преи-
мущества по снижению массы и упрощению эксплуатации.
27.6.2.2. Программа ВМС Великобритании
Военно-морская программа Великобритании по разработке
стеклопластиковых минных тральщиков с корпусом длиной
46 ... 61 м была первоначально опубликована Хентоном [26].
Первая разработка представляла собой многослойную сандви-
чевую или сотовую конструкцию корпуса, палубы и переборок.
Коробчатый заполнитель был изготовлен в виде уникальной сфор-
мованной стеклопластиковой конструкции, соединенной по сек-
ционному типу. Для его обкладки наружной и внутренней обшив-
ками были использованы армирующий компонент на основе ро-
винговой ткани и изофталевая полиэфирная смола холодного
отверждения. Полноразмерная секция — средняя часть корабля
длиной 10,4 м, предназначенная для испытаний, — была сформо-
вана в негативной (вогнутой) форме. Сначала на форму наложили
наружную обшивку, затем на нее наклеили коробчатый заполни-
тель и, наконец, на заполнитель наклеили слои внутренней
обшивки. После конструкционных и взрывных испытаний было
решено для первого военно-морского судна «Уилтон» [9, 43]
изготовить однообшивочную конструкцию. Однообшивочный кор-
пус был усилен поперечными элементами силового набора —
шпангоутами (рис. 27.1), которые были выложены на отвержден-
ной оболочке корпуса после удаления слоя стеклоткани. Для
^упрочнения связи шпангоутов с обшивкой корпуса были исполь-
зованы плотно расположенные сквозные болты, что повысило
523
Рис. 27.1. Средняя секция длиной 10,4 м английского минного тральщика
устойчивость конструкции к ударным нагрузкам. В результате
опыта, приобретенного в процессе эксплуатации судна «Уилтон»,
Британские ВМС в настоящее время создают флот минных траль-
щиков на основе технологии композиционных материалов.
27.6.2.3. Программа ВМС США
Целесообразность использования стеклопластиков для кон-
струирования минных тральщиков прибрежного типа длиной
34 м, каботажного типа длиной 44 м и океанического типа была
доказана ВМС США в 1965 [2] и 1966 гг. [45, 47]. На основании
этих исследований был разработан однообшивочный корпус судна
с поперечным силовым набором. Результаты испытаний по спе-
циальной программе показали, что при ужесточении контроля
качества и повышении уровня работы на всех этапах создания
524
судна показатели прочности, стандартизованные для СП в судо-
строении ВМС США (тканый ровинговый армирующий элемент и
огнестойкая полиэфирная смола), могут быть существенно улуч-
шены. С использованием английской формы для испытаний была
сформована средняя часть корпуса корабля, имевшая длину
10,4 м. Шпангоуты были выложены после формования оболочки
корпуса, и для упрочнения их связи с оболочкой против ударных
нагрузок были использованы самонарезающие винты. Корпус
корабля, снабженный стеклопластиковыми палубами, перебор-
ками, основаниями для машин и балластом для имитации нагрузки,
создаваемой двигателями и другим оборудованием, был подвер-
гнут серии испытаний для определения пригодности к использо-
ванию в минных тральщиках BAIC США. По данным Полера [35],
разработанная программа не пошла дальше этих испытаний вслед-
ствие ориентации на более широкое использование вертолетов для
поиска и обезвреживания мин и вызванного этим соответствую-
щего снижения потребности в новых минных тральщиках.
27.6.2.4. Корабли с большой несущей поверхностью
Кроме описанных выше больших военно-морских кораблей
во всем мире наблюдалась постоянная тенденция к увеличению
производства коммерческих и прогулочных судов. Опыт, приобре-
тенный за эти годы в производстве стеклопластиковых кораблей,
в сочетании с преимуществами новой технологии изготовления
судов, экономичными методами и материалами, накоплением
опыта их обслуживания и информацией по их разработке явился
достаточным основанием для разработки больших судов. Спол-
динг и Сильвия [461 составили обзор по разработке и конструиро-
ванию таких больших судов (длиной от 18 до 37 м) и сообщают,
что активная разработка в этом направлении ведется во многих
странах. В числе такого рода судов описан речной баркас, создан-
ный во Франции еще в 1958 г. Этот баркас длительное время
эксплуатируется на р. Сене. Японское рыболовное судно длиной
16,5 м, шведское прогулочное судно длиной 24 м, английские
моторные лодки длиной 19,5 и 20,4 м, а также советское речное
пассажирское судно на подводных крыльях длиной 24 м являются
другими примерами такого рода разработок. Судном, представ-
ляющим практический интерес, можно считать опытный образец
судна длиной 23,5 м, построенного в Нидерландах. Это судно
имеет двухоблицовочный корпус с промежуточным заполните-
лем из поливинилхлорида, предназначенным для поглощения
ударов, возникающих при эксплуатации. Два таких судна успешно
эксплуатируются с 1965 г. Еще два таких судна были переданы
в эксплуатацию несколько позднее.
Очень активно занимаются разработкой стеклопластиковых
судбд в Южно-Африканской Республике. Заслуживает особого
внимания разработка рыболовных траулеров длиной 23 и 25 м.
Траулер длиной 23 м имеет корпус однообшивочной конструкции,
525
изготовленный в негативной форме с применением тканых матов
из стеклоровинга, уложенных в виде пакета. Уникальной осо-
бенностью этой конструкции является включение в систему цельно-
сформованных продольных ребер жесткости — стрингеров, при-
дающих корпусу вид ребристой конструкции. Результаты успеш-
ной эксплуатации таких траулеров нашли свое отражение в су-
щественном увеличении объема их выпуска и переходе к стекло-
пластиковым конструкциям при выпуске еще больших траулеров.
27.6.3. Обтекатели и кожухи
Обтекатели используют в морских судах для «сглаживания»
движения водного потока вокруг выступов или перерывов в ли-
нии обвода судов. Они предназначены для снижения турбулент-
ности потока и придания судну хороших гидродинамических
характеристик судна, подобно тому как «обтекаемость» дополняет
такое явление в аэродинамике. Используются самые разнообраз-
ные обтекатели или кожухи, начиная с кожухов, расположенных
вокруг муфты вала гребного винта, внешних корпусов глубоко
сидящих судов (имеющих навесные забортные плавающие устрой-
ства или контрольное оборудование, которое должно быть поме-
щено в соответствующие кожухи). Армированные пластики все
шире используются для изготовления этих узлов и деталей.
27.6.3.1. Обтекатели подводных лодок
Обтекатели подводных лодок представляют собой свободные
системы, расположенные вокруг элементов корабля, выступающих
из корпуса, и служат для минимизации турбулентности потока.
Эти элементы в основном изготовлялись из металлических мате-
риалов, большей частью из алюминия для снижения массы.
Однако использование алюминиевых обтекателей связано с труд-
ностями вследствие электролитической коррозии и проблем обслу-
живания. Во избежание сложностей управление кораблестроения
и ремонта ВМС США (именуемое теперь командованием корабле-
строения и вооружения ВМС США) в 1952 г. начало сравнитель-
ное изучение эффективности различных конструкций обтекателей
и приступило к созданию стеклопластиковых конструкций, учи-
тывая их прочность, легкость и коррозионную стойкость. Соот-
ветственно такое решение было принято, чтобы (официально)
ввести обтекатели из АП в нормали по конструкциям носа воен-
ных кораблей США (винтовое судно типа SS-352). Конструкция
и история эксплуатации этого судна описана Фридом и Грей-
нером [13].
Основная конструкция из СП была изготовлена методом ва-
куумного формования с эластичной диафрагмой при номинальной
толщине изделия 6,35 мм на основе стеклоткани марки 181 (аппрет
«Волан») и полиэфирной смолы с 10 % полимера, обладающего
повышенной эластичностью, введенного для повышения ударной
526
27.4. Свойства СВКМ в носовых обтекателях
военно-морских судов США
Показатель Условия испытаний Исходные показа- тели • Показатели после 11 лет эксплуата- ции Данные по MIL-P-17549
пане- ли № 1 пане- ли № 2 сред- ние
ая, МПа Сухие 361 358 358 358 345
Мокрые *• 374 320 326 323 310
Ея, ГПа Сухие 17,5 18,1 16,6 17,3 17,2
Мокрые 17,2 16,9 15,7 16,3 15,9
Оож> МПа Сухие —— 277 262 269 227
Мокрые — 247 243 245 193
Твердость по Бар- Сухие 55 53 50 52 —
колу р, кг/м’ > 1680 1690 1660 1680 —
Содержание поли- мера, % (масс) » 47,6 47,4 48,2 47,8 35—43
* Усредненные данные по трем панелям.
** После двухчасового кипячения.
^вязкости. Собранная конструкция описана в нормалях по кон-
струкции носа корабля.
Созданный таким образом обтекатель эксплуатировали в труд-
ных условиях в течение И лет. При этом были выявлены прекрас-
ные эксплуатационные свойства конструкции и необходимость
минимального ухода вплоть до момента замены на систему, более
современную по своему техническому решению. Исследование
свойств основного СП обнаружило их весьма незначительное
изменение за период эксплуатации, и материал все еще соответ-
ствует предъявляемым техническим требованиям (табл. 27.4).
У. Грейнер [18] показал, что стеклопластиковые обтекатели
новой конструкции, установленные более чем на 50 подводных
лодках «Гаппи», обладают хорошими эксплуатационными свой-
ствами.
27.6.3.2. Внешние конструкции корпуса
Внешние стеклопластиковые корпуса использовали для таких
глубоководных систем, как «Алвин» [51 ], исходя из их благо-
приятного соотношения прочности и массы и большой долговеч-
ности в морской среде. Наиболее удачным применением было
использование этих материалов для создания военно-морского
глубоководного спасательного судна. Это судно должно было
иметь малую массу, поэтому важно было создать для него легкий
внешний корпус с необходимыми эксплуатационными характе-
ристиками-. По этой причине в качестве материала для разработки
конструкции был выбран наиболее высококачественный АП.
527
В соответствии с недавно опубликованным описанием техно-
логии получения деталей этого глубоководного спасательного
судна [1, 21 конструкция состояла из семи секций с использова-
нием стеклоткани и предварительно пропитанного эпоксидной
смолой стеклоровинга. Детали получали путем вакуумного формо-
вания с эластичной диафрагмой с отверждением в автоклаве под
давлением 0,7 МПа при 163 °C в течение 10 ч. Особое внимание
было обращено на то, чтобы СП был тщательно сложен и имел
содержание пор менее 1,5 % по объему. Толщина корпуса коле-
балась от 6,7 до 12,7 мм, а общая длина составляла 15 м. Внешний
корпус судна, которое способно к самостоятельному плаванию,
должен работать на глубине 1069 м и иметь период эксплуатации
10—20 лет.
27.6.3.3. Корабельные конструкции
Кроме использования композитов в корпусах кораблей их
применяют в корабельных конструкциях, в основном для сниже-
ния массы или решения проблем коррозии, возникающих при
использовании алюминия или других металлов. Некоторые из
этих областей использования описаны ниже.
27.6.3.4. Мачты и балки
На одном морском судне установлена стеклопластиковая
мачта длиной 27,1 м. Ряд таких конструкций различного типа
был использован на кораблях ВМС США [18]. Мачта была полу-
чена путем намотки стеклоровингом с полиэфирной матрицей,
изготовлена в виде двух половин и смонтирована с помощью длин-
ного шва с использованием других производственных процессов,
в том числе шпиндельных оболочек и намотки волокном. Б. Кобб
[6] сообщил, что стеклопластиковые материалы успешно исполь-
зуются в промышленной практике для изготовления балок, мачт
и мачт для паруса уже несколько лет. Однако использование
стеклопластиков для этих областей не расширяется из-за отсут-
ствия стандартизации разработок и ограничений по жесткости
материала. При соответствующем решении этих проблем есть осно-
вания полагать, что стеклопластики будут наиболее предпочти-
тельным материалом для изготовления мачт и балок (в дополнение
к алюминию и дереву) благодаря их малой массе, большой долго-
вечности и высоким эксплуатационным показателям.
27.6.3.5. Рубки судна
Рубка судна на основе полиэфирных стеклопластиков была
создана для сравнительной оценки ее эффективности по сравне-
нию с алюминиевой. Она была изготовлена полностью из стекло-
пластика, включая внутренние структурные элементы и ребра
жесткости. Рубка судна была запроектирована таким образом,!
чтобы противостоять ударным нагрузкам, и хорошо проявила
528
себя в эксплуатации в сравнениях аналогичными алюминиевыми
конструкциями. Стеклопластиковые надстройки такого и других
типов используют в настоящее время на военно-морских судах,
а также в торговом флоте [52]. Даффин [10], например, описы-
вает стеклопластиковую надстройку, смонтированную на корпусе
минного тральщика, превращенного в яхту высшего класса. Эта
конструкция включала командирский мостик, так же как и радио-
рубку, и даже дымовую трубу.
27.6.3.6. Резервуары
Легкие, коррозионно-стойкие емкости из АП для хранения
как топлива, так и питьевой воды широко используют в корабле-
строении. Эти емкости в основном изготовляются из полиэфирных
стеклопластиков, могут иметь стандартизованные размеры и
форму или изготовляться с особой конфигурацией. Особое вни-
мание в этом случае уделяется исключению пустот и пор для
предотвращения утечки. Резервуары для хранения питьевой воды
должны быть полностью отверждены для обеспечения инертности
и предотвращения привкусов. Стеклопластиковые материалы
в основном более стойки к органическим топливам, чем к воде,
и поэтому гораздо чаще применяются в конструкциях топливных
, баков. Отмечено, однако, что некоторые полиэфирные системы
могут обладать чувствительностью к определенным видам топлив,
особенно при наличии в последних ароматических производных.
Очевидно, что полимерные системы, используемые для конструи-
рования емкостей как для воды, так и для топлива, должны под-
бираться очень тщательно, с учетом рекомендаций поставщиков
полимера.
27.6.3.7. Другие корабельные конструкции. Крышка
гидролокатора
АП также использовали для трубопроводов корабельной вен-
тиляции, в морозильных камерах, крышках люков и стояках
отопительных систем. Более широкое использование, однако, АП
получили при изготовлении крышек гидролокаторов и обтекателей
антенн. Успешное использование этих материалов для конструк-
ций не только обтекателей антенн на кораблях, но и для авиа-
ционных и наземных установок описано в гл. 28. Хотя крышки
гидролокаторов из АП давно используются, исследования и со-
вершенствования продолжаются. Кроме снижения массы кон-
струкций АП дают преимущества получения гладких наружных
поверхностей и монолитных конструкций с использованием мини-
мума промежуточных внутренних упрочняющих элементов.
Крышки гидролокаторов изготовляют из высококачественного СП,
имеющего высокое содержание стекловолокна и малую долю
пустот.
529
27.6.3.8. Поплавки и буйки
Использование стеклопластиков для конструкций поплавков
и буйков, как казалось с первого взгляда, было основано на дол-
говечности и легкости эксплуатации этих конструкций в морской
среде. Однако такие конструкции подвергают сложным условиям
эксплуатации, в которых прочность и жесткость являются важ-
нейшими факторами. В качестве примера можно привести попла-
вок минного тральщика. Поплавок изготовлялся из АП прежде
всего благодаря его немагнитности и для замены аналогичной
конструкции из коррозионно-стойкой стали. Технические тре-
бования на эти изделия включают ограничения по массе и жесткие
требования по ударной прочности, в том числе испытания с па-
дением на носовую часть с высоты 3 м. Стеклопластиковый попла-
вок был первоначально изготовлен из двух половин, соединенных
с помощью клея и механических скоб вдоль продольного шва.
Оболочки были изготовлены из стеклоткани марки 1000 (аппрет
«Волан») и полиэфирной смолы в негативной форме путем вакуум-
ного формования с эластичной диафрагмой. Перед соединением
половины поплавка заполнялись равномерно-ячеистым пено-
пластом низкой плотности, что сделало поплавок практически
непотопляемым даже в случае повреждения.
Стеклопластиковый поплавок был существенно легче тради-
ционного, изготовленного из коррозионно-стойкой стали, • и
успешно выдержал испытания при падении на носовую часть с вы-
соты 3 м, при которых был сильно поврежден поплавок из корро-
зионно-стойкой стали. Поплавки такого типа хорошо выдер-
жали эксплуатационные испытания и в настоящее время исполь-
зуются на флоте.
27.6.3.9. Защитные покрытия
Кроме корпусных и полукорпусных деталей, АП исполь-
зуются также в качестве покрытия для защиты основных мате-
риалов от разрушения в морской среде. Процесс покрытия стекло-
пластиком деревянных корпусов теперь широко используется
даже любителями. В этом процессе [61 сухую подготовленную
поверхность деревянного корпуса рекомендуется покрывать
одним или несколькими слоями стеклопластика. В обычном про-
цессе используют полимерный полиэфирный состав, отверждае-
мый при комнатной температуре, и стеклоткань марки 1000 или
аналогичную ей «лодочную ткань». Стеклопластик часто наносят
на корпуса старых деревянных лодок, но используют также и
в новых конструкциях. СВКМ также используют для покрытия
деревянных палуб, в основном заменяя для этих целей пару-
сину [6). Изменения в процессе проведения таких операций
заключаются в замене марки ткани и полимера. В технологи-
ческом процессе, именуемом «Касковер», например, в качестве
покрытия используют полиамидную ткань, пропитанную резорч
БЗО \
циновой смолой 131. Стеклопластик использовали и для защиты
муфты винта от коррозии. Явление коррозии — серьезная про-
блема в случае океанских судов, особенно там, где стальные
муфты используются в сочетании с гребными винтами, сделан-
ными из цветных металлов, например бронзы. Первоначально
муфты гуммировали, но такое покрытие дорогое и не всегда соот-
ветствует условиям эксплуатации. В свою очередь, покрытие из
стеклопластика, которое было разработано ВМС США, оказалось
более дешевым при нанесении и хорошо проявило себя в эксплуа-
тации. Такие покрытия теперь широко и успешно используются
на торговых судах.
Инструкция по покрытию муфты винта стеклопластиком,
разработанная ВМС США, описывает этот процесс в деталях [161.
По существу, процесс включает подготовку муфты путем очистки
от масла и рыхлой ржавчины и нанесение четырех слоев пропи-
танной смолой стеклянной ленты с тщательной выкладкой каж-
дого слоя, чтобы исключить включение воздуха между слоями и
обеспечить полную пропитку смолой, отверждаемой при комнат-
ной температуре. В большинстве случаев для этих целей исполь-
зуют системы на основе эпоксидных смол, но приемлемы также
и полиэфирные смолы. Эксплуатационные испытания на военно-
морских судах в течение ряда лет показали прекрасные характе-
> ристики и минимум эксплуатационных проблем при условии
правильного нанесения покрытия.
27.7. Современное состояние и перспективы развития
Использование других видов армирующих компонентов (на-
пример, борных, углеродных или армидных волокон) привело
к созданию новой группы АП, характеризуемой как композиты
с улучшенными свойствами (КУС). Благодаря их малой массе
и высоким механическим свойствам КУС открыли новую область
применения, которая первоначально была недоступна для стекло-
пластиков из-за их относительно низкого модуля упругости. Эти
новые материалы уже широко эксплуатируются в самолетострое-
нии, ракетостроении и строительстве космических кораблей,
где масса имеет решающее значение [22]. Однако внедрение этих
материалов для эксплуатации в морских условиях проходит
сравнительно медленно, прежде всего из-за дороговизны мате-
риалов, но также из-за того, что экономия массы в этом случае
не так важна, как в космической технике. И все же ВМС США
исследуют применимость КУС для кораблей с хорошими эксплуа-
тационными характеристиками.
27.7.1. Композиты с улучшенными свойствами
Д. Джевелл [271 описывает много типов военно-морских судов,
таких как корабли на подводных крыльях и на воздушной по-
душке, а также перспективное двухкорпусное судно с низкой
531
,27,5. Физико-мехаяическне свойства волокнистых материалов
Волокно Число марок св, МПа Е, ГПа р, кг/м’ Цена I кг в 1981 г., долл.
Стеклянное 4 3400—4100 69—83 2549 1,5—13,2
Борное 2 2700—3400 379 2549—2715 3,7—5
Арамидное PRD49-1111 з 2700—2900 83—130 1385 45
Углеродное 26 1400—3200 138—517 1496—1967 45—450
27.в. Типичные показатели двухосно-ориеитнрованных композитов
Композит <тЕ, МПа °СЖ’ МПа Е, ГПа р, Кг/м* Цена I кг преп- рега, долл.
S-стекловолокчо 1030 427 38,6 2080 26,4
Арамидное волокно PRD49-111 64,8 152 40,7 1390 165
Борное волокно Углеродные волокна: 779 1280 115,1 2080 627
высокопрочные * 627—910 586—745 66,9—80,7 1500—1580 165—451
высокомодульные ** 427—510 359—462 107,5—117,5 1500—1610 319-451
«Торнел-75» 752 338 154,4 1579 605
GY-70 317 317 147,5 1690 165
* Включая марки «Торнел 300», «Торнел 400», «Куртолдз Hts», «Модмор II».
** Включая марки «Торнел 50», «Куртолдз Hms», «Модмор I».
ватерлинией, которое разрабатывается для ВМС США. Конструк-
ции всех этих судов имеют обычное ограничение по массе. Фирма
«Грумман аэроспэйс», например, при исследовании возможностей
судов на подводных крыльях водоизмещением 88 ... 2205 т делает
вывод, что снижение массы благодаря использованию КУС может
дать значительное увеличение полезной нагрузки (по топливу и
вооружению). Несмотря на то, что первоначальная стоимость
судна возрастает, это компенсируется низкими расходами на
эксплуатацию или ростом полезной нагрузки. КУС могут быть
охарактеризованы как СП, армированные волокнами с более
высоким модулем упругости, чем у стекловолокна; эти волокна
могут быть использованы в отдельности или в смеси со стекло-
волокном (для снижения стоимости), а также в другой комбина-
ции для повышения прочностных показателей.
В табл. 27.5 приведены граничные величины показателей
таких волокнистых материалов. Как можно видеть, большое
число различных углеволокон обладают широким интервалом знат
чений модуля упругости. Арамид, известный также под торговой
532 \
Рис. 27.2. Детали катера иа подводных
крыльях:
1 — подводное крыло со стойкой; 3 — стойка; 3 —
панели; 4 — балка
маркой «Кевлар 49», пред-
ставляет собой полиамид-
ное волокно фирмы «Дю-
пон». Его используют в
настоящее время в про-
мышленных масштабах
для конструирования ма-
лых судов. Борное во-
локно нашло применение
в большом числе аэроко-
смических конструкций
[22]. Приведенные цены
на эти материалы можно
полагать более приемле-
мыми, чем действующие,
так как на них сущест-
венно сказываются коли-
чественные показатели и
доступность материалов.
Предполагается, что цена
на углеродное волокно будет в дальнейшем существенно сни-
жена путем улучшения технологии его получения и увеличе-
ния объемов его производства. В табл. 27.6 приведены некоторые
типичные свойства двухосно-ориентированных СП. Их получали
большей частью на основе эпоксидных препрегов либо методом
вакуумного формования с эластичной диафрагмой, либо под да-
влением в автоклаве. Следовательно, материал получают с ши-
роким интервалом значений прочности, жесткости и плотности.
Л. Грезчук [20—23] изучал применение КУС, особенно для
строительства патрульных судов на подводных крыльях длиной
30,5 м модели РСН-1. Автор сделал вывод, что применение таких
материалов для корпусов и палуб кораблей на подводных крыльях
снижает массу на 16 ... 51 %, в то время как применение компо-
зитов для изготовления стоек и подводных крыльев (рис. 27.2)
дает потенциальную экономию в массе ~60 % в сравнении с ана-
логичными стальными деталями.
На основе проведенного исследования ВМС США приняли ре-
шение продолжить разработку этих конструкций на базе угле-
волокнистых композитов. Фирма «Макдоннел Дуглас астроно-
тикс» изготовила балку из композита для испытаний в Центре
исследований и развития военно-морских судов Дейвида Тэйлора.
Такие балки представляют собой типичный конструкционный
элемент подводного крыла. Они будут испытаны в качестве кон-
сольных балок в контакте с морской водой в условиях цикли-
ческого нагружения, подобных тем, которые существуют при
эксплуатации.' Результаты будут сравнены с результатами ана-
логичных испытаний для балок, изготовленных из высокопроч-
ной стали и титана.
533
Фирма «Боинг» также разрабатывает небольшой контрольный
клапан из углеродного волокна, который, как ожидают, будет
испытан в условиях эксплуатации на описанном выше судне.
Разработана программа Центра исследований и развития совместно
с исследовательской лабораторией ВМС США, имеющая своей
целью определение характера поведения различных углепласти-
ковых композитов в жестких условиях эксплуатации, возникаю-
щих при использовании в военно-морском флоте, таких как дли-
тельная выдержка в морской воде, долговременные статические,
циклические усталостные и ударные нагрузки, а также локальное
нарушение условий эксплуатации, воздействие огня.
По последним данным [56], углепластики, по-видимому,
превосходят стеклопластики по стойкости к циклическим нагруз-
кам. Стойкость к ударным нагрузкам [241 требует внимательного
рассмотрения. Необходимо еще изучить способы смягчения их
кратковременного воздействия на структуру углепластиков.
Влияние крупномасштабных судовых пожаров на сохранение
структурной целостности алюминиевых конструкций уже при-
влекло пристальное внимание, которое следует перенести на при-
менение новых конструкционных материалов. Нет необходимости
говорить о том, что результаты исследований поведения этих
материалов в ближайшие годы определят будущее использова-
ния таких материалов в строительстве военно-морских судов.
27.8. Выводы
В этой главе сделана попытка очень кратко описать основные
материалы, процессы получения и характеристики композицион-
ных СП, обычно используемых в судостроении, а также влияние
на них соответствующих условий окружающей среды. В силу
того, что каждый из компонентов этой системы представляет,
в свою очередь, достаточно широкую и сложную структуру, было
бы невозможно описать каждую из них достаточно детально.
Приведено значительное число источников, из которых можно
извлечь более детальную информацию, касающуюся специфи-
ческих областей применения композитов. Существует ряд обычных
областей, в которых необходимость в дальнейших технологи-
ческих усовершенствованиях может в дальнейшем послужить
причиной создания новых композиционных материалов. Приме-
рами в этой области являются огнестойкие смолы, обладающие
улучшенной прочностью на сдвиг, высокотермостойкие смолы,
которые должны быть простыми в обращении и легко отвер-
ждаться, а также простые в обращении клеевые системы, удобные
для использования в судостроении. Для автоматизации процес-
сов изготовления крупных судовых корпусов и других изделий
из АП необходимо тщательное рассмотрение процессов их формо-
вания и существенное их улучшение, что должно, в свою очередь,]
привести к созданию более дешевых высококачественных koh-i
534
струкций, обладающих повышенной надежностью. Исходя из
этого необходимы улучшения как в контроле качества, так и в тех-
нике контроля. Необходимо также совершенствование процессов
ремонта в подводных условиях, чтобы обеспечить ремонт повре-
ждений в больших корабельных корпусах, которые не могут быть
быстро доставлены в сухой док. Кроме того, нанесение практи-
чески по всей поверхности длительно защищающих от обрастания
покрытий существенно уменьшит эксплуатационные затраты.
Основанное на более глубоком уровне знаний лучшее понимание
механизма упрочнения и разрушения композитов приведет к зна-
чительному улучшению процессов эксплуатации СП.
В то время как возрастало использование стеклопластиковых
композитов при создании морских судов за последние годы, рас-
ширение областей применения СП проходило относительно мед-
ленно. Это происходило частично из-за недостатка знаний или
недостаточно хорошей осведомленности конструкторов морских
судов о свойствах и критериях использования композиционных
материалов. Кроме того, существует понятное сопротивление
части конструкторов и судостроителей этим новшествам из-за
существенных различий переработочных характеристик этих ма-
териалов по сравнению с традиционным металлом, а именно:
они непластичные (нековкие), не могут быть сварены и конструи-
рование на их основе требует рассмотрения как основного мате-
риала, так и процессов его переработки, долговременной эксплуа-
тации в условиях определенной окружающей среды и т. д. Однако
приобретенный опыт показал, что при правильном использовании
композиционных материалов возникают новые существенные воз-
можности по уменьшению стоимости и массы, улучшению внеш-
него вида, увеличению долговечности, снижению эксплуатацион-
ных затрат и увеличению срока службы судов. Все это сегодня
должно стать значительной частью той информации и практи-
ческого опыта, которую мог бы получить конструктор морских
судов. Тем более, что с развитием КМ появляются новые мате-
риалы, которые при сопоставлении по прочности и жесткости
приближаются к любым металлам, существующим сейчас или
могущим появиться в ближайшем будущем. Ближайшие 20—
30 лет могут привести человечество в эру композиционных мате-
риалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Aerospace Technology 21 : 39, November 6, 1967.
2. Breidenbach L., «Advances in Structural Composites», Science of Advanced
Materials and Process Engineering Series 12, SAMPE Section DS-2, 1967.
3. Brit. Plastics 38: 55, April 1965.
4. Brit. Plastics 40: 50, August 1967.
5. ChanceC. et al., 27thSPIConference, Section I6-B, 1972.
6. Cobb B., Jr., Fiberglass Boats — Construction and Maintenance, 2nd Edi-
tion, Yachting Publishing Corp., New York, 1967.
535
7. DellaRocca, R. and Scott R., 6th SAMPE Technical Conference, October
8—10, 1974.
8. Delia Rocca R. and Scott R., Engineering Applications of Composites 3, Aca-
demic Press, New York, London, 1974.
9. Dixon R. H. et al., Proceedings of Symposium on GRP Ship Construction;
RINA, London, October 1972.
10. Duffin D. J,, Laminated Plastics, 2nd Edition Reinhold Book Corp., New
York, 1966.
11. Dyckman E. J. et al., Naval Engineers Journal, April 1974.
12. Fried N., International Conference on the Mechanics of Composite Materials,
Office of Naval Research and Missiles and Space Division, General Electric,
May 1967.
13. Fried N. and Graner W. R., Marine Technology 3: 321, 1966.
14. Fried N. and Winans R. R., «Symposium on Standards for Filament Wound
Reinforced Plastics», Special Technical Publication Number 27, ASTM 83, 1963.
15. Gibbs and Cox, Marine Design Manual for Fiberglass Reinforced Plastics,
McGraw-Hill, New York, 1960.
16. Goldfarb P. M. and Fried N., «Instruction Manual — Glass Reinforced Plastic
Coatings for Propeller Shafting», Navships 250-634-4, Departament of the
Navy, January 1964.
17. Graner W. R. and DeilaRocca R. J., «Evaluation of U. S. Navy GRP Boats
for Material Durability», 26th SPI Conference, Section 7-F, 1971.
18. Graner W. R., Ocean Engineering 1: 353—372, Pergammon Press, New York,
1969.
i9. Graner W. R. and Stander M., U. S. Patent 3, 154, 460.
20. Greszczuk L. B. and Hawley A. V., «Application of Advanced Composites to
Patrol Craft Hydrofoils», Final Report, U. S. Naval Ship System Command,
Contract N00024-78-C-5536, April 1973.
21. Greszczuk L. B. and Hawiey A. V., «Application of Advanced Composites to
Hydrofoil Strut», Final Report, U. S. Naval Ship System Command, Contract
N00024-78-C-5536, December 1973.
22. Greszczuk L. B. et. al., MDAC Paper WD 2295, AIAA/NAME Advanced Marine
Vehicle Conference, San Diego, California, February 25—27, 1974.
23. Greszczuk L. B. et. a]., Journal of Hydronautics 9, No. 3, July 1975.
24. Greszczuk L. B. and Chao H., MDAC Paper WD 2645, ASTM 4th Conference on
Composite Materials: Testing and Design, May 1976.
25. Grumman Aerospace Corp., «Investigation of Composite Material for Use in
Lightweight Hydrofoil Structures», U. S. Naval Ship System Command, Cont-
ract N00024-74-C-5048, September 30, 1974.
26. Henton D., Marine Systems (London) 2: 52, May—June 1967.
27. Jewell D. A., Naval Research Reviews XXIX, No. 10, October 1976.
28. Lankford B. W. and Angerer J. F., Naval Engineerings Journal, 83, No. 5,
October 1971.
29. M1L-HDBK-17, «Plastics for Flight Vehicles, Part I — Reinforced Plastics»,
November 5, 1959.
30. Montemarano J. A. et al., «Anti-Fouling Glass Reinforced Composite Mate-
rials», Report MAT-75-33, David W. Taylor Naval Ship Research and Develop-
ment Center, January 1976.
31. Parducci M., Materie Plastiche ed Elastomeri 32: 372, April 1966.
32. Perry H. A., Adhesive Bonding of Reinforced Plastics, McGraw-Hill, New
York 1959.
33. Plastics World 24: 30, March 1966.
34. Plastverarbeiter 17: 319, May 1966.
35. Pohier et. al., Naval Engineering Journal 87, No. 2, April 1975.
36. Rawe A. W., Journal of the Plastics Institute (London) Trans. J. 30 : 27, 1962.
37. Reinforced Plastics (London) 4: 12, September—October 1965.
38. Reinforced Plastics (London) 10: 280, May—June 1966.
39. Reitman H. E., Modern Plastics 44: 141, December 1966.
40. Rufoio A., «Design Manual for Joining Glass Reinforced Structural Plastics»,
Navships 250-634-1, 1961.
536
41. Rugger G. R. and Titus J. B., «Weathering of Glass Reinforced Plastics»,
Plastec Report 24, Plastics Technical Evaluation Center, Picatinny Arsenal,
Dover, New Jersey, January 1966.
42. Scott R. J., Fiberglass Boat Design and Construction, John De Graff, 1973.
43. Smith C. S., «Applications of Fiber Reinforced Composites in Marine Techno-
logy», Conference Proceedings, Composites — Standards Testing and Design,
IPC Science and Technology Press, England, April 8—9, 1974.
44. Spauiding К- B., Jr., Naval Engineers Journal 78: 333, April 1966.
45. Spauiding К- B., Jr., and DeiiaRocca R. J. Transactions SNAME 73: 415,
1965.
46. Spauiding К. B-, Jr., and Silvia P. A., 22nd SPI Conference, Section 11-A,
1967.
47. Spaulding К- B., Jr. and Silvia P. A., Materials Design Engineering 65: 22,
March 1967.
48. Specification MIL-C-19663, «Cloth, Glass, Woven Roving, for Plastic Lami-
nates».
49. Specification MIL-P-17549, «Plastic Laminates Fibrous Glass Reinforced,
Marine Structural».
50. Specification MIL-R-21607, «Resins, Polyester, Low Pressure Laminating,
Fire Resistant».
51. Tangerman E. J., Product Engineering 37: 84, March 14, 1966.
52. Technical and Research Bulletin Number 2-12, Society of Naval Architects and
Marine Engineers, «Guide for the Selection of Fiberglass Reinforced Plastics
for Marine Structures», March 1965.
53. Winans R. R., Fried N. and Hand W., Electrical Manufacturing 56: 106,
July 1955.
54. Winer A. and Butier F., Naval Engineers Journal, December 1975.
55. Wood and Wood Products 72: 38, March 1967.
56. Hofer К- E., Jr., Stander M. and Bennett L. C., «Degradation and Enhancement
of the Fatigue Behaviour of Glass/Graphite/Epoxy Hybrid Composites after
Accelerated Aging», 32nd SPI Conference, Section 11-F, 1977.
28. АЭРОКОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
КОМПОЗИТОВ
Дж. Любин, С. Дастин
28.1. Введение
Несмотря на то, что использование композитов в аэрокосми-
ческой технике занимает в настоящее время относительно малую
долю от их общего объема потребления, композиционные мате-
риалы находят наиболее специфическое и эффектное применение
именно в этой области. Сейчас можно сказать, что композиты
стали реальностью в промышленности в качестве заменителей
металлов лишь за последние 10 лет, а новые авиационные кон-
струкции будут в обозримом будущем состоять минимум на 40 %
из композитов.
В большинстве современных областей применения композитов
сейчас и в будущем материалы с высокими эксплуатационными
характеристиками, в том числе композиты с улучшенными свой-
ствами (КУС), обеспечивают наиболее впечатляющие области
применения, но стекловолокна, в том числе в системах с гибрид-
ным наполнением, все еще составляют большую часть объема
применения.
В аэрокосмической технике требования обычно выше, чем
в других областях применения, это относится к таким важным
характеристикам, как малая масса, высокие прочность и же-
сткость и хорошая стойкость к усталостным напряжениям. Ком-
позиты, особенно с высокими эксплуатационными характеристи-
ками, являются единственными существующими в настоящее время
материалами, отвечающими данным требованиям. Удельная проч-
ность при растяжении для углепластиков составляет около 9,2 X
X 105 м по сравнению с 2. 105 м у алюминия. Удельный модуль
упругости составляет 8,4-107 м. Предел выносливости углеродных
волокон составляет 80 % от статической прочности по сравнению
с 35 % для алюминия.
Использование композитов в авиационной технике быстро
расширяется, особенно в области военной авиационной техники,
где отдача от затрат наибольшая. Потенциальные возможности
применения композитов ограничены из-за существующего в на-
стоящее время некоторого спада в развитии военной авиационной
техники. В самолетостроении для гражданской авиации композиты
в качестве основных конструкционных элементов прививалисй
значительно медленнее, но в настоящее время развитие областей
538
их применения существенно ускорилось. В аэрокосмической
технике, где масса имеет наибольшее значение, композиты ис-
пользуют в качестве основных материалов.
На сегодня пока отсутствует достаточно большой опыт при-
менения композитов в аэрокосмической технике. Кроме того,
действуют температурные ограничения для углепластиков. В на-
стоящее время имеются наибольшие достижения в области арми-
рования волокнами, в то время как регулирование свойств ма-
трицы все еще не дошло до стадии, при которой могли бы быть
использованы все потенциальные возможности материала.
28.2. История развития
С самого начала летательный аппарат потребовал использова-
ния пластиков для своего создания. Крылья наиболее раннего
летательного аппарата были обтянуты тканью, пропитанной ни-
троцеллюлозой, а фанеру, проклеенную фенольными смолами,
использовали для конструкционных деталей. Творение братьев
Райт, поднятое в воздух в 1903 году, представляло собой набор
фанеры, проволоки и ткани. Мы рассматриваем этот факт сегодня
как шедевр аэронавтики и большой шаг в развитии авиационных
материалов. Сегодня конструкция братьев Райт считается при-
митивной. Масса конструкции этого пионера самолетостроения
составляла приблизительно 200 кг. Для сравнения, построенный
в 1968 г. фирмой «Локхид» самый большой в мире самолет «Га-
лакси С-5А» имеет массу 144 т. Фанера и ткань оставались основ-
ными строительными элементами летательных средств примерно
в течение 20 лет после первого полета братьев Райт. И хотя пре-
имущества в технологии использования этих материалов были
минимальные, казалось, что разработчики летательных аппара-
тов сопротивлялись использованию новых материалов.
Самолет «Вега» фирмы «Локхид», разработанный в 1923 г.,
был, по-видимому, первым удачным отходом от летательных
средств, покрытых тканью. Его конструкция была создана цели-
ком из фанеры с использованием процесса формования под давле-
нием для изготовления поперечно согнутых покрывающих пане-
лей. Отличительным преимуществом этого знаменитого моно-
плана было отсутствие необходимости нового тканевого покрытия
после двух или трех лет использования.
В начале 20-х годов фирма «Юнкере» разработала цельноалю-
миниевый аэроплан. Понадобилось еще 15 лет, прежде чем цель-
нометаллические авиационные конструкции стали общеприня-
тыми. Прослеживая путь развития технического прогресса,
видим, что противодействие цельнометаллическим конструкциям
было отмечено возвращением к фанере и ткани уже во время
второй мировой войны, начиная с создания английского бомбар-
дировщика «Москитоу» и разработки гигантской летающей лодки
фирмы «Хьюз». Фанера была основным материалом при разра-
539
28.1. Анализ конструкционных данных по первому
летательному аппарату ВТ-15, изготовленному с использованием АП *
Конструкция Масса, кг Соотношение испытательной нагрузки и предельно до- пустимой, % Эффективное отиошеиие прочности к массе, %
Алюминиевая 32 108 100
Деревянная 39 ПО 82
Слоистая на основе стеклоткани, 35 180 150
полиэфирной смолы и бальсового заполнителя Сотовая из АП 34 180 155
* Задняя часть фюзеляжа типа «Моиокок» имела многослойную стекло-
пластиковую конструкцию. Самолет был впервые испытан 24 марта 1944 г.
ботке многих летательных аппаратов. Одновременно стали все
шире использоваться авиаконструкции на основе стали и алю-
миния. Применение металлов в конструкциях летательных аппара-
тов потребовало новых подходов и новой «философии» разработок.
Тот же самый психологический барьер существовал при ис-
пользовании относительно новых и экзотических конструкционных
пластиков. По мере' того как разработчики оценивали возможно-
сти металлов, они осознавали, что их новые представления могут
быть реализованы при использовании высокопрочных материалов,
имеющих меньшую массу, что может привести к более компакт-
ным конструкциям. Многослойные конструкции из армированных
пластиков (АП) хвостовой части монококового фюзеляжа были
изготовлены еще в 1944 г. (табл. 28.1), что явилось веским дово-
дом в пользу целесообразности применения АП (несмотря на то,
что сравнение по стоимости было принципиально неблагоприятно
для их развития). Вехами в применении такого рода материалов
могут служить также этапы применения акриловых производных
для глазирования; полиэтилена — для изоляции кабелей рада-
ров; армированных стекловолокном слоистых пластиков (СП)
на основе полиэфиров — для обтекателей; конструкций, соеди-
ненных с помощью адгезивов (клееных) и специальных эласто-
меров, — для шин.
Примером современного 'применения композитов может слу-
жить эффективное использование в некоторых областях компози-
ций на основе смесей фторполимера с сополимерами этилена и
пропилена с полиамидом (найлоном) для изоляции проводов
взамен системы поливинилхлорид—полиамид. Такая замена обе-
спечивает снижение массы на 10 %, снижение объема на одну
треть и появление возможности непрерывной эксплуатации изде-
лий при температуре 120 °C.
540
28.3. Использование АП в летательных аппаратах
на раннем этапе развития авиации
Летательные аппараты военного назначения были, по-види-
мому, первыми, в которых стекловолокнистые композиты (СВКМ)
были использованы в значительных количествах. Впервые в 1940 г.
СВКМ были применены для изготовления обтекателей, затем во
вторичных конструкциях и далее во внутренних деталях. Фюзе-
ляж с использованием СВКМ был сконструирован и испытан
в аэродинамической трубе на базе ВВС США в Райте в
1944 г.
Крылья из СВКМ 'были испытаны в аэродинамической трубе
типа АТ-6 в 1953 г. С этого времени СВКМ стали широко исполь-
зоваться для изготовления защитных куполов радиолокационных
антенн, рулей, закрылков и обтекателей [11. Однако проблемы
надежности и контроля качества, а также низкая жесткость и
прочность при сжатии этих материалов в основном ограничивали
их использование в летательных аппаратах военного назначения,
хотя они были успешно использованы при изготовлении двух
легких гражданских летательных аппаратов «Пилер Кэб» и
«Игл I» (рис. 28.1) исследовательской фирмы «Винде-
кер» [2].
Оказалось, что избранные высокоскоростные процессы произ-
водства могут снизить первоначально высокую стоимость методов
ручного формования. Авиационные конструкции на основе СВКМ
позволяют получать целый ряд преимуществ по сравнению с
обычно используемыми металлическими, включая благоприятное
отношение прочности к массе, стойкость к усталостным воздей-
ствиям, прекрасную поверхностную отделку, свободу аэродина-
мических решений и профилирования, необычную стабильность
размеров, однородность материала, упрощенную инженерную
разработку и простоту изготовления. Кроме того, предполагается
наличие высокой стойкости к износу, образованию зазубрин,
дождевой эрозии и коррозии.
Рис. 28.1. Цельиостеклопластиковый самолет «Игл I» фирмы «Виндекер:
541
Быстрое внедрение СВКМ в авиационную технику с 1940-х
годов породило новую технологию — технологию композитных
материалов. Необходимые для конструирования летательных аппа-
ратов возможности использования и эксплуатационные характе-
ристики таких композитов были тогда в основном несколько
ниже, так как модуль упругости этих материалов был ниже
по сравнению с металлами, и в силу этого они оказались непри-
годны для использования в высоконагруженных конструкциях.
В 1966 г. с внедрением борных волокон резко возрос интерес
к композитным конструкциям и, с учетом запаса времени, не-
\ обходимого для проведения глубоких исследований, были полу-
чены новые данные и разработана новая техника конструирова-
ния, сделавшая КУС материалами, пригодными для практиче-;
ского применения при конструировании летательных аппаратов.
Эти новые научные достижения распространились и на стекло-
пластики, существенно оптимизировав их разработку. Если ранее
стеклопластиковые компоненты разрабатывались в основном с 4—
5-кратным запасом прочности, то теперь с использованием новой
компьютерной технологии запас прочности был существенно
снижен до практически реальных величин, приводящих к опти-
мальной экономии массы и снижению стоимости.
До недавнего времени композитами только заменяли другие
материалы в деталях, первоначально разработанных на основе
изотропных материалов. Полностью возможности анизотропных
продуктов могли быть использованы только в тех случаях, когда
их применение осуществлялось уже на начальном этапе разра-
ботки.
В силу того, что масса летательного аппарата оказывает пря-
мое влияние на. его эксплуатационные показатели (дальность
полета, полезную нагрузку, расход топлива и множество других
взаимосвязанных факторов, зависящих от массы), эту величину
следует учитывать при любой экономии массы. Ограничивающей
величиной в этом случае является скорость или та максимальная
денежная сумма, которую потребитель готов потратить на один
килограмм сэкономленной массы. Она определяется на очень
ранней стадии разработки конструкции летательного аппарата.
Такой подход используют по отношению как к гражданским, так
и к военным летательным аппаратам, хотя база для расчета раз-
лична в каждом из рассматриваемых случаев.
Для обычных малых гражданских самолетов, которые в основ-
ном редко летают с полной нагрузкой или на предельные расстоя-
ния, эта величина, отнесенная к единице массы, едва превышает
55 долл, на 1 кг массы. Однако этот показатель может быть уве-
личен в 10 раз и даже более для существенно более сложных ле-
тательных аппаратов, таких как сверхзвуковой транспортный
самолет или самолет вертикального взлета и посадки, в котором
отношение полезного груза к массе летательного аппарата яв-
ляется определяющим. Это видно из отношения такого сущест-
542
венно меняющегося параметра,
как окупаемость, к стоимости
используемых новых материа-
лов. Полученный результат сле-
дует рассматривать как характе-
ристику экономичности приме-
нения.
На рис. 28.2 показана эко-
номия массы, определенная для
ряда летательных воздушных
и космических аппаратов [3,
4, 5]. Эти показатели явля-
ются весьма приблизительными
и могут существенно изме-
няться в зависимости от на-
значения или стадии разра-
ботки. Для каждого нового
летательного воздушного или
космического аппарата обычно
имеется очень точное соотноше-
ние масса/эксплуатационные
показатели, определяющее воз-
можности использования мате-
риала при разработке. На этом
этапе цена за единицу сниже-
ния массы может изменяться
весьма существенно, что дает
возможность разработчику обе-
спечить соответствие выдвига-
емых требований к материалам
целевому назначению проекти-
руемого аппарата. Для лета-
Рис. 28.2. Экономия массы А' для раз-
личных летательных аппаратов (ЛА):
А — малые гражданские самолеты; Б —
вертолеты; В — транспортные самолеты;
Г — гражданские коммерческие самолеты;
Д — двигатели ЛА; Е — самолет «Бо-
инг 747»; Ж — самолет-истребитель;
3 — самолет вертикального или короткого
взлета и посадки; И — сверхзвуковой
транспортный самолет; К — спутник с
околоземной орбитой; Л — синхронный
спутник (со «стационарной» орбитой); .М —
космический корабль «Шаттл»
тельных аппаратов военного
назначения цена на этой стадии
может составлять 440 долл, за
1 кг. После окончания разработки стоимость такого изде-
лия может быть снижена до 100 долл, за 1 кг. В тот момент, когда
летательный аппарат находится на стадии производства, любое
дополнительное снижение массы может рассматриваться с по-
зиции преимуществ, характерных для общего срока службы са-
молетов: увеличения полезной нагрузки или снижения расхода
топлива.
В результате этого указанная величина может сни-
зиться до 55 ... 11 долл, за 1 кг.
В случае применения в космической технике, где стоимость
на единицу массы чрезвычайно высока из-за большого количе-
ства топлива, требующегося для подъема ракеты на космическую
орбиту, уменьшение стоимости, обусловленное использованием
композитов, представляется очень привлекательным.
543
28.4. Характеристики композитов, учитываемые
при разработке летательных аппаратов
В книге имеется ряд таблиц, содержащих различные показа-
тели композитов. Данные по механическим свойствам приведены
в табл. 28.2 для большинства материалов, обычно используемых
в авиации. Список специально предназначенных для авиации
видов материалов приведен в табл. 28.3. В тех случаях, когда
масса имеет первостепенное значение, следует отметить, что
стекловолокниты обладают удельной прочностью, в 5—6 раз
превышающей удельную прочность алюминия — основного мате-
риала, с которым обычно ведется сравнение. В тех случаях,
когда требуется жесткость, принимают во внимание тот факт, что
эпоксидные композиты с использованием углеродного и борного
волокон обладают в 5 раз большей удельной жесткостью, чем
алюминий. Композиты на основе арамидного волокна исполь-
зуются самостоятельно или в виде гибридного материала в сочета-
нии с углеродным или стекловолокном, что дает наибольшую
экономию масс в сочетании с промежуточной величиной жест-
кости.
28.2. Механические свойства некоторых конструкционных материалов
Материал Е, ГПа ав, МПа р, т/м’ £/р, 107 м ав/Р, . 10’ м
Стекловолокно: Е * 72,3 3170 2,55 2,8 1,24
S * 82,7 4130 2,50 3,3 1,65
Е ** 51,7 1380 1,94 2,8 0,71
S ** 51,7 2070 1,94 2,8 1,07
Арамидное волокно * 137,8 3445 1,69 81 2,04
Арамидное волокно ** 827 1930 1,40 3,6 1,38
Углеродное волокно: высокомодульное * 379 2070 1,90 19,8 1,09
высокопрочное * 241 2410 1,77 14,2 1,36
высокомодульное ** 207 930 1,61 13,2 0,58
высокопрочное ** 152 1410 1,50 10,4 0,94
Волокно: AS или Т-300 * 207 2760 1,85 И,2 1,49
AS или Т-300 ** 117 1580 1,55 10,0 1,01
Борное волокно * 143 2760 2,63 16,0 1,05
Борное волокно ** 214 1420 2,08 10,4 0,73
Мартен ситно-стареющая 193 2070 8,00 2,5 0,26
сталь Алюминий 7075 68,9 565 2,77 2,5 0,20
Титановый сплав T1-6A1-4V 103 1070 4,29 0,97 1,0
Бериллий 241 620 1,83 13,5 0,34
* Испытывали только волокна без матрицы.
** Испытывали волокно в эпоксидной матрице.
Примечание. Волокна и композиты — одноиаправлены, металлы —-
изотропны.
544
28.3. Композиты перспективного аэрокосмического применения
Материал
Рубленое сгекловолокио/по-
лиэфир
Рубленое Е-стекловолок-
но/эпохсиды
Е-стеклоткань/эпоксидная
смола
Е-стеклоткань/полиимид
Пропитанная эпоксидной
смолой однонаправленная
лента из стекловолокна:
Е
S
Намотка S- и Е-стеклово-
локном с матрицей:
эпоксидной
полиимидной
Эпоксиуглепластик (ЭУП)
Эпоксиборопластик (ЭБП)
Полиимидоуглепласти к
Эпоксиар амидопластик (с
использованием волокна
«Кевлар»)
Гибридные материалы иа
эпоксидной основе с исполь-
зованием стекло-, углерод-
ного, арамидного и борного
волокон
Область применения
Ненесущие детали взамен металлических отли-
вок, кожухи электрических устройств и др.
Сложные электротехнические детали, передние
и задние кромки, высоконагруженные детали
сложного профиля
Несущие и ненесущие конструкции сверхзвуко-
вых самолетов, трубопроводы, корпуса, шпан-
гоуты, лопасти винтов вертолетов, обтекатели
(наиболее универсальный материал)
Высокотермостойкое применение, обтекатели
антенн радиолокаторов и двигателей
Наиболее целесообразное применение: лопасти
роторов, детали крыльев малых летательных
аппаратов
Жестче и прочнее, чем с Е-стекловолокном, по-
этому рекомендуется для наиболее ответственного
использования
Обтекатели, емкости высокого давления
Та же область применения, но для условий более
высоких температур
Конструкционное применение для систем высо-
кой жесткости и повышенного предела выносли-
вости. Приемлем для использования в большин-
стве сильно нагруженных конструкционных де-
талей
То же, что и в предыдущем случае, ио для дета-
лей простой формы и малой кривизны
Используется для высокоскоростных самолетов
в случае необходимости высокой термостойкости
Высокоэффективные обтекатели с высокой удар-
ной прочностью и малой массой
Прекрасно используются для вертолетов и само-
летов типа ITL. Использование многих комби-
наций волокон дает возможность получать де-
тали лучшего качества, чем при одном виде во-
локна
Дополнительные данные, необходимые для детальной разра-
ботки, можно найти в соответствующей главе. Качество выпол-
няемых конструкторских разработок находит свое отражение
в результатах испытаний в условиях статического и усталост-
ного нагружения. Большинство разработок деталей летательных
аппаратов характеризуется высокими эксплуатационными свой-
ствами. Предполагаете^, что разрушение деталей в среднем про-
исходит при величинах, составляющих 125 % от максимальной
545
величины, заложенной при разработке деталей. Разрушению
обычно подвергают 10 % деталей от числа изготовленных. В случае
правильно изготовленных деталей стойкость к усталостным на-
грузкам составляет от одного до четырех закладываемых при
разработке уровней работоспособности. Эти требования удовлетво-
ряются даже при необходимости высокого сопротивления уста-
лости для летательных аппаратов гражданской авиации.
28.5. Первоначальное применение КУС
для изготовления летательных аппаратов
Некоторые из первых КУС конструкций включали конец
крыла самолета С-141 (фирмы «Локхид»), Эпоксидно-бороволок-
нистая концевая часть крыла стала первой деталью с использо-
ванием борного волокна, зарегистрированной в федеральном
управлении гражданской авиации. Гребень консоли крыла само-
лета марки Аб-А, изготовленный фирмой «Грумман», представлял
собой одну из первых деталей на основе эпоксидно-бороволокни-
стого материала, изготовленную на достаточно широкой основе.
Испытание поверхности после 200 ч полета показало необходи-
мость использования защитного покрытия для этих материалов.
Фирмой «Макдоннел» была изготовлена серия рулей поворота
из эпоксидно-бороволокнистого материала для самолета А-4,
установленных затем на большом числе летательных аппаратов,
находящихся на вооружении США. Это было первое широкое
использование КУС и оно дало большое количество данных по
эксплуатационным свойствам этих новых конструкционных ма-
териалов. Были решены некоторые проблемы, связанные с пове-
дением деталей в полете, но большинство из них оказались не
связанными с характеристикой материалов. Напротив, эти проб-
лемы явились результатом незнакомства с требованиями по
Рис. 28.3. Горизонтальный стабилизатор самолета Г-14А
546
толщийе материала и крите-
риями, связанным^ с иХ прЬ-
изводством.
Первой ' изготовленной де-
талью, разработанной специ-
ально из композита, был гори-
зонтальный стабилизатор для
самолета F-J4A [7]. Деталь
имела размер 2,5X 2,5 м, тра-
пециевидную форму (рис. 28.3)
и состояла из сотового запол-
нителя и обшивок из эпо-
ксидно-бороволокнистого пла-
стика. Толщина обшивки ме-
Рис. 28.4. Конструкция предкрылка из
боропластика самолета С-5А
нялась от семи слоев на краю
детали до 56 слоев у основания.
При этом благодаря использова-
нию борного волокна было сэко-
номлено 83 кг массы. Такие стабилизаторы использовались в са-
молетах вплоть до 1970 г. и никаких серьезных проблем в их
обслуживании не было обнаружено. Была отмечена интересная
особенность увеличения производства этих материалов: кривая
освоения производства этих конструкций была круче, чем кривые
освоения производства для металлических конструкций, что
привело к существенному снижению стоимости деталей из ком-
позитов.
Наиболее обширная, поддержанная правительством США про-
грамма транспорта включала разработку предкрылка для само-
лета С-5А (см. рис. 28.4). В данном случае отказались от исполь-
зования существующей конструкции из алюминия и разработали
конструкцию этой детали целиком из эпоксидно-бороволокнистого
пластика. Предложенная конструкция обеспечила 22 %-ное
снижение массы. Пока новая конструкция состоит только из
79 деталей по сравнению с 800 деталями при использовании алю-
миниевых панелей, не считая ребер жесткости.
При эксплуатации композитов в авиации были выявлены пре-
красные характеристики изделий из них, причем никакой раз-
ницы в ресурсе самолета в случае использования композиционных
материалов не обнаружено. Неудачное исполнение некоторых
деталей привело к необходимости возврата их на ремонт, свиде-
тельствуя косвенным образом о некоторых преимуществах, за-
ключающихся в возможности ремонта деталей.
Обычное снижение массы при производстве современных воен-
ных летательных аппаратов составляет 20 %, для перспективных
летательных аппаратов гражданской авиации — около 25%,
для перспективных ц^енных летательных аппаратов — до 30—
35 % и для конструкций космических летательных аппаратов —
до 40 %. В табл. 28.4 приведен перечень используемых компози-
547
28.4. Примеры разработок деталей самолетов из композитов
Деталь или уаел самолета Материал Сниже- ние массы самолета, % Фирма-заказчик
Руль поворота, . F-4 Эпоксиборопластик 35 «Макдоннел Эйркрафт* Стабилизатор, F-15 * 22 Та же Стабилизатор, F-111 » 25 ДжДКЭ Створка ниши шас- * 29 «Нортроп* си, F-5 Стабилизатор, F-14 * 20 «Грумман» Закрылки, Л-4 » 32 «Дуглас» Закрылки, 4-4 Эпоксиуглепластик 47 » Стабилизатор, 4-4 » 32 » Стойка элерона, VC-10 » 43 РАЕ Предкрылок, С-5А Эпоксиборопластик 15 «Локхид* Кессон крыла, Т-39 А » 37 НАР Конструкция крыла из » 20 «Груммаи» кус Секция передней кром- Эпоксиуглепластик 21 «Нортроп» ки крыла, F-5 Фюзеляж, Е-111 Эпоксиборопластик, 18 ДжДКЭ эпокси углепластик, бороволокно—алюми- ний Трубчатые стойки Эпоксиборопластик 30 НАР Сокращения: ДжДКЭ — фирма «Дженерал дайнемикс коивэр эаро- спейс»; НАР — отделение аэрокосмической техники фирмы «Норт Америкэн Рокуэлл»; РАЕ — «Роял эаркрафт»
ционных материалов с данными по снижению массы по сравнению
с их металлическими аналогами. Разработка новых материалов
и технологии их применения привела к снижению первоначально
высокой стоимости компонентов из композитов для летательных
аппаратов и космических аппаратов, которая теперь равна стои-
мости их металлических аналогов или ниже ее. Производство де-
талей из композитов для летательных аппаратов гражданской
авиации продолжает вырастать и ожидается, что они будут иметь
цену на 10 ... 15 % меньше, чем у аналогичных металлических
деталей. Первоначально автоматизация процессов их получения
и низкая стоимость композитов привела к их использованию
для ненесущих конструкционных элементов и должна привести к их
использованию в основных (несущих) элементах.
28.6. Современное использование КУС
в летательных аппаратах
Успехи, достигнутые при использовании КУС в улучшенных
конструкциях летательных аппаратов, вызвали ускоренное их изу-
чение, развитие производства, разработку новых методов испытав
548
28.5. Примеры разработок деталей вертолетов из композитов
Деталь ила узел вертолета Эпокси- графито- пластик Эпокси- стекло- пластик Эпокснорга- нопластик (на основе «Кевлара>)
Обтекатель передачи, «Белл ИН-ПУ» +
Лопасти несущего винта, «Белл ИН-ПУ» •— + +
Лопасти несущего винта, «Боинг СН-47С» — + —
Лопасти хвостового винта, «Хьюз ОН-6А» — +
Ступица винта, «Сикорски СН-54В» — 4- —-
Лопасти несущего и хвостового винтов, хво- ' —— —— +
стовое оперение, «Сикорски S-76»
ния композитов, имеющих низкую стоимость. Среди армирующих
волокон, получивших развитие в период с конца 60-х и в начале
70-х годов, были обладающие высокой жесткостью углеродные
волокна и различные арамидные волокна (типа «Кевлар»). Такое
широкое распространение материалов на основе КУС дало раз-
работчикам летательных аппаратов свободу в балансировании
между оптимизацией конструкции и приемлемой ценой. В по-
стоянно используемых конструкциях крыльев летательных аппа-
ратов применяют углеродные волокна и гибридную смесь угле-
родных и борных волокон, в то время как в конструкциях вертоле-
тов в первую очередь используют арамидные волокна и гибридные
смеси арамидных и стекловолокон, как показано в табл. 28.5.
За последние годы существенно расширились потребности воен-
ной авиации в новых конструкционных материалах. Исторически
сложившаяся тенденция изменения цен на военные летательные
аппараты США с начала их производства приведена на рис. 28.5
[3, 8].
Стоимость большинства современных летательных аппаратов
возрастает более чем вдвое через каждые 3—4 года. Быстрый рост
использования композитов представляет собой попытку снизить
быстро возрастающую стоимость производства. Как упоминалось
ранее, наибольшее снижение цен происходит при использовании
композитов в новых конструкционных решениях. Замена ранее
использовавшихся или существующих металлических деталей
дает очень ограниченный результат.
Композиты могут быть также эффективны при улучшении
эксплуатационных свойств летательных аппаратов за счет сни-
жения массы или обеспечения более высокой теплостойкости,
большей жесткости । и уникальной стойкости к усталостным
напряжениям. \\
С применением армирующих волокон типа AS или Т-300 и
высокотермостойких многофункциональных эпоксидных полимер-
ных матриц были созданы и «облетаны» некоторые композитные
структуры с использованием углеродных волокон. Типичными
549
С, долл.
ю7
FO-IU/
F-m о >
о о Л
о / F-15
10е
10s
F-105 F-98/
° * п~*
p-jn; 1104 S Л-7
'"Ь °> о/-/л
F-tOZ аАЛЛ, f-gt;
FJ-AO °. ° о f-j
F-100O.' °F-10C
Лв о FAVS
Kl /'p-'tlF’fBF-Z
Р-51
L ’ I I _ l_ -L—J_|_I__L
10 4
то 1930 1990 1950 1960 1910 1980г
Рис. 28.5. Историческая тенденция формирования цен С на военные летательные
аппараты в США
первоначально использовавшимися конструкциями такого типа
являются передняя кромка крыла (предкрылок) у самолета
«Нортроп Л-5», панели фюзеляжа самолета Л-111, створки
ниши шассы для некоторых боевых самолетов и ряд ненесущих.
конструкций (закрылки, спойлеры и др.) для самолетов граждан-
ской авиации, таких как В-131, DC-\Q> и Л-1011.
Еще в 1971 г. первым промышленным использованием кон-
струкций на основе эпоксиуглеволоконного пластика был под-
крыльный обтекатель самолета Л-111. В настоящее время в ка-
честве промышленного применения можно назвать тормозной
щиток самолета Л-15, обшивку вертикального стабилизатора для
28.6. Детали п узлы из композитов для военной авиации
Деталь или узел самолета Эпокси- боро- пластик Эпокси- угле- пластик Год первого летиого испытания
Горизонтальный стабилизатор, Г-14 + — 1970
Двойной кессон крыла, Л-111 + —ч 1971
Подкрыльевой обтекатель, Л-111 + 1971
Горизонтальные и вертикальные стабилиза- торы, Л-15 + 1971
Двойной лонжерон, В-1 + ——1 . 1974
Аэродинамические тормозные щитки, Л-15 —— 1975
Обшивка вертикального стабилизатора, Л-16 * " + 1976
Горизонтальный стабилизатор, Л-16 + 1976
550
бе, МПа
o,gvJ
F-Я F-15a)
F-16
F-18 gj AV-Bt ~
ATF g) VISTOL
1390 -
1035 -
090 -
Рис. 28.6. Тенденция роста массовой доли композитов в авиационных кон-
струкциях:
а — производящихся самолетов; б — опытных образцов самолетов; в — на этапе разра-
ботки перспективного тактического истребителя типа ATF и самолета вертикального
валета и посадки или с коротким разбегом и выбегом типа VISTOL
Рис. 28.7. Предел прочности при растяжении ав и плотность р материалов,
используемых в авиации:
А — алюмициевый сплав, р= 2770 кг/м*; Б—титановый сплав, р » 4440 кг/м*; В —
сталь, р = 7760 кг/м’; Г — эпоксиуглепластик, р = 1660 кг/м»; Д — эпоксиборопла-
стик, р = 1940 кг/м’
самолета Г-16 и горизонтальный стабилизатор для этого же са-
молета. Эти детали и узлы, перечисленные в табл. 28.6, обнару-
живают конструктивное единство, улучшенные эксплуатационные
показатели и долговечность за время испытаний в течение послед-
них десяти лет.
Массовая доля КУС в конструкционных деталях, как пока-
зано на рис. 28.6, продолжает возрастать, и летательный аппарат
будущего будет, по-видимому, наполовину состоять из компози-
тов. Фирма «Грумман» показала, что организация по разработке
улучшенных летательных аппаратов на основе композитов (ADCA)
может осуществить специальную разработку летательного аппа-
рата существенно меньшего и более легкого, чем это было бы
возможно при использовании металла, и при этом можно будет
обеспечить уменьшение не только массы, но и стоимости [1 ].
Относительные типичные показатели прочности и плотности для
КУС и металлов приведены на рис. 28.7. Как можно заметить,
композиты дают значительное уменьшение массы, а по прочности
и жесткости сравнимы с используемыми в настоящее время ме-
таллами. Типичные цены сырьевых материалов и отношение ко-
личества приобретенного материала к количеству используемого
Материала (масса закупленного материала к полетной массе
деталей из него) показаны на рис. 28.8. Хотя композиты в настоя-
щее время еще дороже алюминия, их цены сравнимы с ценами
на титан. Современная тенденция снижения стоимости композитов
по мере увеличения объема иХ выпуска сопровождается ростом цен
на металл, что обусловлено инфляционными процессами. Кроме
того, как явствует из приведенных данных, соотношение массы
закупленного материала и полетной массы деталей более пред-
почтительно для композитов. Поэтому, учитывая тот фактор, что
551
Рис. 28.8. Изменение стоимости С мате-
риалов по сравнению с 1977 г. и отношение
массы закупленного сырья к полетной
массе:
А — зпоксиборопластик; Б — зпоксиуглепла-
стик; В — композит иа основе арамида (во-
локна «Кевлар») и эпоксидной смолы; Г— ти-
тан; Д — алюминий
композиты примерно на
25 % легче аналогичных из-
делий из металла, разница
в стоимости материала ока-
зывается не столь значи-
тельной.
Одна из наиболее впе-
чатляющих программ по
использованию композитов
была создана по совместной
инициативе ВВС США и
фирмы «Грумман» в июле
1973 г. Целью этой про-
граммы было изготовление
и испытание горизонталь-
ного стабилизатора из ком-
позита для самолета В-1.
Результат разработки этой
конструкции показан на рис.
28.9. Этот стабилизатор име-
ет площадь 22,3 м2, корневую
хорду 5,2 ми длину 9,1 м, с толщиной у основания примерно
360 мм. Кессонный горизонтальный стабилизатор из композита раз-
рабатывали таким образом, чтобы уменьшить число деталей при
сборке и тем самым снизить его стоимость. Клеенные сотовую
конструкцию и конструкцию из металлических пластин отвергли,
Рис. 28.9. Изготовленный из композита горизонтальный стабилизатор:
/ — узел крепления подъемника (в трех точках) из алюминиевого сплава; 2 — нёсущая
опора; 3 — швеллерные лонжероны; 4 — синусоидальные лонжероны с нервюрами;
5 — нижняя панель обшивки; 6 — зпоксиборопластик; 7 — углепластик типа А/S', 8 —
титан
552
поскольку они приводили
к повышению стоимости. Ста-
билизатор собирали путем
сверления отверстий в де-
талях из композита и свя-
зывания их с помощью бол-
тов из коррозионно-стойкой
стали и титановых крепеж-
ных изделий типа «.Hi-Lok'n.
Основную обшивку из-
готовили из 106 слоев эпо-
ксиуглапластика. Ленты из
эпоксиборопластика были
введены в наружный слой
в промежуточных точках для
придания конструкции не-
обходимой жесткости по дли-
не деталей. Полосы эпокси-f
боропластика в прикорневой
части поверхности крыла
рядом с шарнирным соеди-
нением служат для передачи
нагрузки от поверхности к
Рис. 28.10. Сравнение стоимости произ-
водства горизонтального стабилизатора
из металла (а) и композита (б) для самоле-
та В-1 (D — доля стоимости, %, от стои-
мости исходной металлической детали):
А — основные детали (12 шт.); Б — сборка
(26 790 крепежных деталей); В — силовой на-
бор (270 деталей); Г — соотношение расходов
на оплату труда и материалов; Д — панели об-
шивки (4 слоя); Е — сборка (14 300 крепеж-
ных деталей); X — силовой набор (108 дета-
лей)
несущим деталям.
Силовой набор стабилизатора состоит из эпоксиуглепласти-
ковых синусоидальных промежуточных лонжеронов и нервюр,
а также переднего и заднего швеллерных лонжеронов. Синусои-
дальные лонжероны имеют стенки, состоящие только из шести
слоев толщиной 0,8 мм, формуемые в одну операцию в разъемных
металлических штампах.
Для защиты конструкции от грозовых разрядов напыляли
слой алюминия на 50 % площади наружной обшивки.
Детали, подвергнутые статическим испытаниям, разрушалась
при нагрузке, составляющей 132 % от предела прочности при
сжатии. Аналогичные детали, подвергнутые усталостному нагру-
жению, разрушались при удвоенной усталостной долговечности.
Реальная масса испытуемого стабилизатора из композита
была на 227 кг ниже, чем у аналогичной металлической кон-
струкции. Это обеспечило суммарное снижение массы на 15 %.
Из рис. 28.10 следует, что рост стоимости панелей обшивки из
композита значительно перекрывается упрощением силового на-
бора конструкции и уменьшейцСм расходов на сборку благодаря
меньшему числу деталей. В результате суммарное снижение стои-
мости стабилизатора из КМ составляет 17,5 % по сравнению
с расходами на металлический стабилизатор.
За последние несколько лет промышленность композитов
в США концентрировала свои усилия на преодоление таких пре-
пятствий к полномасштабному внедрению, как стоимость, доверие
18 П/р Дж. Любнна 553
и долговечность. Фактор стоимости всегда находится в поле зре-
ния и производителей, и потребителей КМ, но дальнейшее раз-
витие производства композитов тем не менее имеет место. Про-
гнозы перспективного использования больших объемов компо-
зитов уже вызвали рост их производства, и дальнейшие наметки
оказались весьма перспективными для разработки высокотехно-
логичных компонентов для изготовления композитов. Были сде-
ланы и продолжают делаться соответствующие попытки по созда-
нию дешевой оснастки для производства композитов с органиче-
ской матрицей. При автоматизации разрабатываемых процессов
стоимость конструкций из композитов может быть ниже, чем для
аналогичных металлических конструкций. Фирма «Грумман» раз-
работала и предложила потребителю комплексную установку по
переработке слоистых пластиков, которая позволяет снижать на
одну четверть затраты труда в случае изготовления из композита
горизонтального стабилизатора самолета F-14А.
Результаты возросшего доверия к этим материалам, хотя
и медленно, но все же давали о себе знать. Главным шагом было
одобрение производства целиком из композитных материалов
горизонтального стабилизатора для бомбардировщика В-1, уже
обсуждавшееся ранее. После пятилетних работ по программе
созданная крупногабаритная конструкция из композита удовле-
творила всем требованиям, предъявляемым к летательным аппа-
ратам, и ее допустили к производству. Увеличение доверия к КМ
выразилось также в изготовлении обшивки крыльев из компози-
тов для самолета Г-18, разрабатываемого для ВМС США. В усо-
вершенствованном самолете «Харриер АУ-8В» максимально реали-
зованы преимущества композитов, массовая доля которых со-
ставляет около 15 % в конструкции этого самолета.
Долговечность КУС изучали в течение нескольких лет, при-
давая особое значение исследованию проблемы стойкости во влаж-
ных средах.
Широкие исследования с глубоким анализом резуль-
татов показали, что СП на основе эпоксиуглепластика могут по-
глощать до 15 % влаги. В условиях влагопоглощения СП стаби-
лен и разрушается только в том случае, когда температура экс-
плуатации превышает 127 °C. Современные технические условия
на материал включают механические испытания влагонасыщенных
СП для обеспечения гарантии долговечности. Была проведена
оценка данных по эксплуатации для горизонтальных стабилиза-
торов самолета Г-14А. Они находились в эксплуатации с 1970 г.
на более чем 300 летательных аппаратах, налетавших более
150 000 ч. Таким образом, эти материалы подтвердили свое соот-
ветствие требованиям по долговечности. Более того, стабилизаторы
почти не требовали технического обслуживания, поэтому аморти-
зационная стоимость была сравнительно низкой. Аналогичные
данные были получены и при использовании композита для
хвостового оперения самолета Г-15.
554
Фирма «Грумман» создала лабораторную установку для оценки
долговечности материалов и конструкций. Эта установка одно-
временно моделирует нагружение, влажность, термические пики,
а также температуру в ускоренных и псевдореальных режимах.
В настоящее время проводится оценка композитов на стойкость
к повреждениям при ударных воздействиях.
28.7. Композиты для гражданской авиации
Конструкции на основе КУС для гражданской авиации США
исследовались Национальным управлением США по аэронавтике
и исследованию космического пространства (НАСА) в течение
нескольких последних лет. Первоначальные исследования про-
водили лишь на ненесущих конструкциях, таких как зализ стыка
крыла с фюзеляжем, рулевые поверхности, а также для повыше-
ния устойчивости металлических деталей к усталостным воздей-
ствиям. Длительные испытания по определению срока службы
показали, что детали и узлы, не имеющие сотовых заполнителей,
эффективны по своему конструктивному решению, долговечны,
хорошо обслуживаются и ремонтопригодны. Коррозия, проник-
новение влаги и нарушение адгезивной связи (расклеивание)
между деталями являлись основными ограничениями для санд-
вичевых конструкций с алюминиевым сотовым заполнителем.
Эти первоначальные исследования во всех случаях показали, что
использование композитов дает существенные преимущества. На
основе этих данных в настоящее время композиты используются
в несущих конструкциях. Результаты типичного исследования
взаимосвязи процентной доли использования композита и массы
стоимости, прибыли на капиталовложения и полезной нагрузки
показаны на рис. 28.11 [61.
Рис. 28.11. Влияние использования композитов на экономические параметры
большого транспортного самолета:
С — прямые операционные расходы (в центах на оджи пассажиро-километр); R — при-
быль на вложенный капиталл; W — масса; Wa — полная взлетная масса; Wa 0 —
масса пустого самолета; ДНТ — доля композитов в массе самолета
18* 555
Управление НАСА финансировало фирмы «Боинг», «Мак-
доннел» и «Локхид» при разработке, испытаниях и создании кон-
струкции хвостового оперения гражданских летательных аппара-
тов. Основной движущей силой для разработки таких программ
послужили экономия энергии и снижение массы благодаря ис-
пользованию композитов.
Были сделаны значительные шаги в этом направлении. Со-
ответствующие исследования по обеспечению создания удачных
конструкций на основе композитов для крыльев и фюзеляжа уже
проводятся и, возможно, гражданский летательный аппарат
2000-х годов будет построен в основном из композитов. Следу-
ющие конструкции из композитов были успешно испытаны в по-
лете фирмами:
«Боинг» — интерцептор (спойлер) самолета В-737;
«Макдонелл — Дуглас» — верхний руль направления и об-
шивка заднего пилона самолета £>С-10;
«Локхид» — зализы стыка крыла с фюзеляжем и обтекатель
центрального двигателя самолета В-1011.
Выпускаемые новые серии B-TS1 и В-1Ы самолетов фирмы
«Боинг» имеют эпоксиуглепластиковые композиты для рулей
направления, высоты, элеронов и воздушных щитков. Кроме
того, для задних кромок и обтекателей успешно использован
эпоксиарамидный гибридный углепластик. Для формования та-
ких деталей применен процесс формования без выдавливания
излишка смолы, что позволило сократить процесс выкладки слоев
И снизить стоимость материалов.
Другими деталями, Для которых оценивалась возможность
использования композитов, были балки крепления пола, пол,
гондолы и детали двигателя. На основе принятой недавно про-
граммы разработки бесшумного двигателя была выявлена важ-
ность использования деталей из КМ. Можно сказать с достаточной
степенью уверенности, что в двигателях будущего, особенно для
неподвижных деталей, будут широко использоваться композиты.
В качестве уже разработанных и испытанных деталей двигателя
можно назвать лопатки компрессоров и турбин, раздели-
тельные перегородки и перфорированные оболочки воздухо-
водов .
В настоящее время изучаются возможности создания из ком-
позитов элементов каркаса, воздуховодов форсажной камеры и
Створок сопла. Предыдущие исследования композитов с целью их
использования для изготовления лопаток двигателя показали
ограниченность таких возможностей из-за повреждаемости по-
сторонними телами. В промышленности все же продолжается
развитие производства композитов для такого рода применения
с использованием гибридного наполнения, в частности для обеспе-
чения сопротивления ударам, возникающим при засасывании птиц
в двигатель. Фирмой «Мартин-Мариетта» успешно разработан и
испытан реверсор тяги со струеотражательными заслонками на
556
основе гибридной композиции из углеволокна, «Кевлара» и стекло-
волокна. Для его изготовления использована сложная много-
слойная конструкция.
28.8. Использование композитов
в космических аппаратах
Композиты для использования в космосе и космических аппа-
ратах разрабатывались как НАСА, так и министерством обороны
США. Последним примером такой разработки могут служить
дверцы приборного отсека орбитальной ступени космического
корабля «Шаттл». Эти детали представляют собой наибольшие
сборные конструкции из композита шириной 3,7 м и длиной
18,3 м. Снижение массы конструкций является важнейшей зада-
чей при применении КМ в космической технике, чем и объясняется
быстрое увеличение объемов использования композитов в этой
области. Другими особыми свойствами композитов для космиче-
ских аппаратов являются регулируемый термический коэффи-
циент линейного расширения, низкотемпературная стабильность,
возможность расчета нагрузок и высокая удельная жесткость.
В случае применения в космической технике КУС желательно
использовать в виде сверхтонких слоев толщиной 0,025 мм и
обеспечить создание таким образом оптимальных структур для
солнечных батарей большой площади. Несомненно, что это станет
реальностью в ближайшем будущем.
Композитные трубчатые структуры с почти нулевым термиче-
ским коэффициентом линейного расширения были изготовлены
фирмой «Грумман» для большого космического телескопа. Компо-
зиты были успешно использованы также для прецизионных креп-
лений, оптических скамей и электромагнитных антенн. Кон-
струкции для будущих космических применений будут, очевидно,
изготовляться на основе КУС.
Вследствие высокой стоимости спускаемого аппарата кон-
струкции из композитов, обеспечивающие снижение массы, тре-
буют наибольших вложений и ранее испытывались при больших
скоростях, чем в случае обычных летательных аппаратов. Косми-
ческие капсулы и ракеты начального периода имели носовые обте-
катели, кожухи и теплозащитные экраны, изготовленные из абля-
ционных материалов,, 'стойких к воздействию высокой темпера-
туры. Для многих ракетных сопл также используют абляционные
конструкции. В оригинальной разработке командного модуля
ракеты «Аполлон» и прибора для контроля космической среды
многие виды композитов были использованы внутри и вне кабины.
После трагического пожара на корабле «Аполлон» использование
композитов внутри кабины резко сократилось и были приняты
меры по замене их на негорючие материалы. Для долговремен-
ной эксплуатации в космическом пространстве оказались необхо-
димыми также стойкость к Дегазации и влиянию сильного
557
28.7. Композиты, соответствующие требованиям по вакуумной
стабильности полимерных материалов, принятых в космическом центре
им. Джоисоиа
Материал Общая потеря массы» % Содержа- ние лету- чих конден- сируемых компонен- тов, % Период предва- ритель- ной вы- держки» ч Темпера- тура предвари- тельной выдерж- ки, °C
Термореактивные смолы
Эпокси стеклопласта ки:
«Hexcel F-161» 0,30 0,02 2,76 163
GE -101 0,48 0,05 — —
«Feiro 2209» 0,53 0,00 В со-
GIO 0,10 0,01 стоянии
G-ll 0,61 0,03 поставки
E-720 0,54 0,04 —.
Полиимид — стекловолокно 0,40 0,00 — —
«Hexcel F-174»
Эпокси углепластик HY-E-1334 0,97 0,91 , 1 177
Эпоксиоргаиопластик (с волокном 0,00 0,00 3 177
«Кевлар 49») марки F-164
Эпокси углепластик 0,62 0,000 — —-
«Thornel 300/934»
Фенольная смола — стекловолокно 0,64 0,000 —
Эпоксистеклопластик (из S-стекла) 0,58 0,01 0,5 140
1 «Scotchply ХР-2515»
Полиимид—кевлар «Skybond 703» 0,85 0,00
Кремиийорганический полимер — 0,21 0,03 16 204
кварцевые волокна
Термопластичные смолы
Фторированный этилеипропиле- 0,06 0,06 — —
новый сополимер
Политетр афторэтилеи 0,10 0,03 — —.
СтеклонаполнеиныЙ полиамид 66 0,81 0,04
(30 % стекловолокна)
' Полиацеталь «Дельрин» 0,48 0,07 —
Материал KEL-F 0,03 0,01 —— —
СВКМ на основе поликарбоната и 0,10 0,01 —— ——
стекловолокна
Акриловые смолы 0,57 0,01 — 1 1
Полипропилен — стекловолокно 0,13 0,04 —— —
Полипропиленоксид 0,04 0,03 ——
Полистирол 0,26 0,01 ——
Полисульфои 0,33 0,00 —
Полисульфои — стекловолокно 0,24 0,01 опт •HIM
(30 %)
558
УФ-излучения. В табл. 28.7 приведена характеристика компози-
тов, удовлетворяющих строгим требованиям НАСА к космиче-
ским материалам 111]. В основном, как было обнаружено, не-
стабильными оказались сложные полиэфиры, в то время как
эпоксиды и некоторые виды полиимидов удовлетворяли строгим
требованиям эксплуатации в космосе. Один состав на основе
фенольных смол также оказался приемлемым. Большинство термо-
пластов (как со стекловолокном, так и без него) по результатам
испытаний также удовлетворяли этим требованиям.
Эпоксиборопластик был использован фирмой «Грумман» для
изготовления космических каркасных конструкций для НАСА.
Система трубопроводов из боропластиков была изготовлена с по-
мощью полиамидной эластичной мембраны, помещенной внутри
металлической трубчатой негативной формы. Получена конструк-
ция без складок, позволяющая реализовать свойства плоского
материала в круглой детали. Для создания концевых соединяющих
элементов конструкций были использованы металлические фи-
тинги, приклеенные к трубчатой конструкции после ее отверж-
дения. Прочность и жесткость эпоксиборопластика обеспечила
существенное снижение массы по сравнению с первоначальной
металлической конструкцией.
Некоторое количество емкостей, полученных намоткой во-
локна, было изготовлено для хранения сжатых газов и успешно
использовалось во всех лунных экспедициях. Для применения
в будущем НАСА рекомендует использовать для изготовления
конструкций намоткой арамидные нити («Кевлар 49»). Эти во-
локна — самые легкие из неметаллических волокон и обеспечи-
вают наиболее высокую удельную прочность на растяжение. По-
скольку эти волокна не самоистирающиеся, они также обеспечи-
вают сохранение прочности до переработки и после технологиче-
ского процесса получения изделий. Они также обладают более
однородными свойствами по сравнению с характеристиками угле-
родных и стеклянных волокон.
Один из планов будущих космических экспедиций включает
изготовление фирмой «Макдоннел Дуглас астронотикс» из компо-
зита конструкции оболочки для космического транспортного
корабля [12]. Гофрированная цилиндрическая конструкция из
эпоксиуглепластика диаметром и длиной по 3 м была изготовлена
и испытана, чтобы убедился в правильности предложенной идеи.
Конечное изделие представляло собой открытую оболочку с на-
ружными кольцевыми ребрами жесткости («шляпными секциями»).
Оболочка была спроектирована таким образом, чтобы она могла
выдерживать чисто изгибающие нагрузки, которые создают ма-
ксимальную интенсивность нагружения в стенке оболочки (до
154 кН/м). Максимальное усилие сжатия, которое смогла выдер-
жать эта оболочка, равно 170 кН/м. Для снижения стоимости
изделия его изготовляли из трех сегментов, которые формовали
плоскими, а затем собирали в цилиндрическую обечайку. Гофриро-
559
Рис. 28.12. Облегчен-
ная конструкция обо-
лочки
ванная конструкция оболочки делает ее
значительно более эластичной при изгибе
после отверждения. Для окончательной сбор-
ки были использованы механически связан-
ные ребра жесткости.
Конструкция оболочки другого типа для
использования в таких космических аппа-
ратах, как «Спейс лаб» и «Спейс тьюб»,
предлагаемых в качестве несущих элементов
для системы «Спейс Шаттл», представляла
собой сетчатую панель из эпоксиуглепла-
стика, разработанную фирмой «Мартин-
Мар иетта» [13].
Основная идея конструкции панели из
композита с сетчатой системой придания
жесткости заключается в использовании
относительно тонкой оболочки, армиро-
ванной сеткой из ребер жесткости таким
образом, что панель изготовляется целиком, без нарушения
конструкционной стабильности (устойчивости) или возникно-
вения перегрузки. Целесообразность использования эпоксиугле-
пластика при разработке таких панелей заключается в том,
что СП-оболочка может иметь преимущественные направления по
жесткости и твердости, а ребра жесткости могут быть сконструи-
рованы таким образом, чтобы оказаться конструктивно весьма
эффективными благодаря использованию высокой доли одноосно-
ориентированных волокон.
Описанные выше специфические панели из эпоксиуглепластика
с сеткой представляют собой часть относительно большой кон-
струкции оболочки из эпоксиуглепластика, входящей в кон-
струкцию космического корабля. Конструкция такой оболочки
(рис. 28.12) имеет высоту около 4 м и диаметр 3,7 м и была раз-
работана с таким расчетом, чтобы выдерживать нагрузки, соот-
ветствующие ожидаемым для орбитальной ступени космического
корабля «Шаттл». Детальная разработка сетчатой структуры ее
описана Лагером [13]. Основной чертой такой разработки яв-
ляется возможность изготовления конструктивных панелей низ-
кой стоимости, дающих преимущество на стадии производства,
при которой первоначальная стоимость оснастки может быть
распределена в виде амортизационных отчислений на большое
количество панелей. Наиболее новой частью этой системы яв-
ляется метод изготовления тканевых сетчатых заготовок для ребер
жесткости на основе стекловолокна, пенопластов и их проклейки.
Производство таких деталей в виде больших форм — заго-
товок приводит к сокращению времени изготовления каждой
детали.
СП-оболочка состоит из четырех слоев эпоксиуглепластиковой
ленты Т-300/934, ориентированной под углами +45°, —45° и
560
+45°, с наружными кромками, усиленными тремя слоями тонкой
межслойной прокладки из стеклоткани.
Кромки ребер жесткости сетчатых панелей вырезали из СП,
состоящего из восьми слоев неориентированного эпоксиуглепла-
стика и трех слоев стеклоткани типа 112. Подверженное сдвиго-
вым усилиям, связывающее тканевое соединение кромки ребер
жесткости с поверхностью панелей состоит из легкой полиуре-
тановой пены с СП на основе стеклоткани. После изготовления
образцы панелей помещают в соответствующую раму для создания
сдвигового усилия и нагружают вплоть до разрушения. Усилие
разрушения соответствует сдвигу плоской кромки при 960 Н/см,
что существенно выше уровня реальной нагрузки для конструк-
ции.
28.9. Композиты для спускаемых аппаратов
Использование теплозащитных экранов и вкладышей сопл,
изготовленных из композитов, для космических аппаратов яв-
ляется одним из наиболее обычных их применений. Во многих
случаях используют углерод-углеродные композиты, но из-за
ограничений, наложенных на распространение информации по
углерод-углеродным композитам, они не будут обсуждаться в дан-
ной книге.
Фенольные ленточные конструкции используют в настоящее
время для невоенных применений, но их используют с момента
начала создания космических кораблей. Обычно экраны и сопла
получают намоткой ленты на оправку с последующим отвержде-
нием и обработкой до требуемых размеров. Ленты обычно уклады-
вают на те углы, на которых кромки СП подвержены абляцион-
ному воздействию, и служат для снижения возможности отслаи-
вания и улучшения обтекания, если композит расположен плашмя.
Тепловые панели и сопла для лунной экспедиционной кабины
«Лем» и космического корабля «Аполлон» были изготовлены именно
таким образом.
Новым шагом при изготовлении тепловых панелей спускае-
мого аппарата было использование оплетенной драночной кон-
струкции, разработанной фирмой «Макдоннел Дуглас» [14].
Во время экспериментальных и полетных испытаний выясни-
лось, что нахлесточное соединение, осуществленное на обычных
тепловых панелях, приводит к небольшим несовпадающим с осью
потока выщербленностям материала в ходе абляционного воздей-
ствия на тепловую панель. Эти выщербленности образуются при
абляционном воздействии на зону нахлестки, так как поверхность
тепловых панелей физически изнашивается, действует как ориен-
тированный источник остаточной деформации и вносит свой
вклад в несимметричную динамику корабля и создание вращаю-
щего момента.
561
Тепловые панели, созданные фирмой «Макдоннел», скомпо-
нованы без нахлесточных соединений, имитируя конструкцию
деталей, полученных из ленты. Полосы ткани из углеродного
волокна наматываются непосредственно на оправку тепловых
панелей с ориентацией под углом 20° и с использованием смещен-
ной структуры для верхнего и нижнего слоев намотки. Оплета-
ющий материал представляет собой узкий жгут углеродного
волокна. Обычно производится тщательная плотная намотка со-
прикасающихся прядей, в результате чего имеет место высоко-
качественная упаковка волокна на поверхности, подверженной
абляции, с образованием в отвержденном композите минималь-
ного количества пустот и карманов, обогащенных полимером.
Техника введения фенольной полимерной матрицы в состав
оплетающего армирующего компонента включает в себя влажную
пропитку предварительно сформованного изделия после оплетки
и оплетку препрегом на стадии Б.
28.10. Композиты на основе термопластов
для конструкций космической техники
По программе развития производства композиционных мате-
риалов и процессов их получения фирмами «Грумман», «Аэро-
спейс» [15, 16], «Гексель», ЗМ и «Файберайт» разработан ряд
углеродно-термопластичных систем для применения в области
космической техники. В качестве полимерных матричных систем,
подвергшихся испытаниям, использовали акриловые смолы, по-
ликарбонат, фенольные смолы, сложные полиэфиры и полиэфир-
сульфоны.
Оценка перечисленных материалов по возможности их при-
менения в процессах изготовления космической техники, темпе-
ратур формования изделий и конструкционной прочности пока-
зала, что акриловые производные с армированием ткаными гра-
фитопластами являются наилучшими. В табл. 28.8 приведены
параметры получения СП и результаты испытаний деталей кон-
струкционного назначения для оцениваемых полимеров. Предел
прочности при растяжении и модуль упругости у избранной угле-
пластиковой композиции составили соответственно 417 МПа
и 51,8 ГПа.
Наиболее ярко выраженными преимуществами такой системы
по сравнению с другими испытанными композициями были сле-
дующие:
наличие препрега, не содержащего растворитель;
использование при комнатной температуре жидких полимер-
ных систем, обеспечивающих качественную пропитку волокна и
получение СП, свободных от пустот;
низкая температура формования СП (177 °C), снижающая
затраты энергии на формование брусьев в космосе;
562
28.8. Показатели прочности материала и параметры процесса получения СП из термопластов
зад XXX XX <»ЖоО1ЛЖ Ф — СО СО —
со Ф Ь.1О 00 Ф^О
кь«*сч счсчсо со о со СО СЧ*СЧ*— 00 сч «О Ю 1О 1О -Ф
о ср -ф СЧ О СО сч — со <о сч со Ф со со 470 400 411 445 428
ООО оо ооооо
со со СО со со со со СО со со
XX XX Ж SS XX |=( X
р О о
-*ж00 оь °* о о* ю о ъГо г- СЧ 00
1О со со — я в*
о. сх
а а
р О
со ю сч СЧ о
со оо 1О оо СО ю <£>
сч сч СЧ я ’’f сч
сх о.
R я
оо о сч сч о
СО — XX со со
S> О о о <В СОСО о
ООО О О ООООО QO XX ф —* о*
ООО ь- ь* оююоо О> о tfrf о
ООО СО со ’Г ZjiZj
СЧ 04 СЯ — — — — — —« — —Ч — ЖЖ —
СОСО -Ф *=** СО СОСО СО
G4 СЧ СЧ СЧ сЧ сч сч сч
ф -ф Ф Ф ф -ф Ф Ф
СЧ СЧ СЧ СЧ СЧ сч сч сч
НН НН н НН н
и*а ^а
хГ -ф О
оо о
сч сч сч
<<
* СП из двух слоев, кроме оговоренных случаев.
* * СП из четырех слоев.
Сокращения: АС — акриловая смола; ГСХ — грубый стеклохолст; НД — нет данных; ПК — поликарбонат; ПС
лнэфнрсульфон; СП — сложный полиэфир; УТ — углеродная ткань; ФС — фенокснсмола
563
28.9. Прочность на продольный изгиб при комнатной температуре
материала на основе акриловой смолы, армированной тканью 2423
из углеродного волокна
Фирма-изготовитель ап. пр- МПа *и. пр’ ГПв Толщина, мм
«Гексель» 494 70,7 0,84
«Гексель» 306 51,8 0,91 *
«Грумман» 779 698 0,89
* СП из двух слоев.
28.10. Сравнительные данные по свойствам алюминиевой
и круглой углепластнковой балок
Показатель Алюминий 2024-ТЗ Термопластичный композит
Углеродное волок- ио/акрило- вая смол а Углеродное волок- ио/поли- эфирсуль- фоя
Толщина, мм 0,4 0,76 0,76
Площадь поперечного сечения, см? 0,65 1,16 1,16
Масса 1 м, кг Испытуемая длина, м 0,18 0,18 0,18
1,50 1,50 1,22
Предельная масса детали, кг 10,7 — —-
Разрушающая масса груза, кг 229 420 465
Остаточная нагрузка после разруше- ния, кг: — 272 363
®в. пр» МПа 324 445 360
^пр» ГПа 72,3 58,0 48,2
^и. пр» МПа — 778 1055
£и. пр» ГПа —— 69,6 68,2
^и. поп» МПа —— 30 512
^и. поп» ГПа — 26,9 22,7
как мономер, так и полимер имеют низкую цену и поставляются
в достаточном количестве;
достаточно высокие прочность и жесткость (см. табл. 28.8).
Смесь акриловых мономеров и полимеров имела следующий
состав по массе: 77,5 % мономера метилметакрилата; 22,0 %
акрилового полимера и 0,5 % перекиси бензоила.
В качестве плетеной углеродной ткани, выбранной для испы-
таний по формованию бруса, было использовано полотно типа
564
24x23 марки 8HSW на основе ткани Т-300 фирмы «Юнион кар-
байд» с эпоксидным связующим марки f/C-309. Толщина исход-
ного жгута для такой композиции составляла 0,76 мм, для того
чтобы волокно заполняло 65 % объема.
В табл. 28.9 приведены изгибные свойства материала кон-
струкции, полученные из трех различных источников. В табл. 28.10
[16] приведено сравнение прочности базового алюминиевого бруса
и двух составов композитов на основе термопластов. В таблицу
включены типичные показатели материалов.
28.11. Выводы
Конструкции и технология получения материалов были и
остаются областью наибольшего интереса, направленного на со-
вершенствование техники. С 1966 г. был достигнут существенный
прогресс в использовании КУС. Этот прогресс будет продолжаться,
и к 1990 г. промышленность производства КУС прочно утвер-
дится в своих правах. Первоначальной отдачи от практического
применения КМ следует ожидать от авиации, а затем от дости-
жений в области аэрокосмической техники. Композиты совершат,
по-видимому, значительное вторжение в область создания буду-
щих источников энергии (солнечная энергия и энергия ядерного
синтеза), подобно тому как они обеспечивают конструкционными
материалами рост выпуска новых видов вертолетов.
Современная промышленность, выпускающая композиты с боль-
шими затратами ручного труда, имеет тенденцию к автоматизации
при крупносерийном и массовом производстве изделий. Однако
при разработке новых изделий, опытных образцов, а также в мел-
косерийном производстве все еще будут применяться ручные и
полуавтоматические методы. Композиты на основе органических
матриц по-прежнему остаются основными материалами, а ком-
позиты на основе металлических матриц обнаруживают признаки
роста производства на ближайшие 8—10 лет. Основными высоко-
модульными волокнами останутся углеродные и арамидные («Кев-
лар») одновременно с борными и волокнами карбида кремния,
имеющими специальное применение. Перспективы для расшире-
ния промышленности производства композитов благоприятные,
так как конструктивная эффективность снижения массы становится
определяющей в экойомии энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hadcock R. N., «The Application of Advanced Composites to Military Aircraft»,
10th ICAS Congress, Ottawa, Canada, October 3, 1978.
2. Lubin G., Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites, Van
Nostrand Reinhold, New York, 1969.
3. Composite Materials 1972—1982, 1, Center for Technological and Interdiscipli-
nary Forecasting at Tel-Aviv University, Israel.
4. Lovelace A. M. and Tsai S. W., «Composites Enter the Mainstream of Aerospace
Vehicle Design», Astronautics and Aeronautics, pp. 56—61, July 1970.
565
5. Fechek J. F., «Advanced Composite Efforts—a Status Report of Air Force
Programs with Graphite Reinforced Composites», ASME Paper 71-DE-13, 1971.
6. Lassiter L. W., «Applications and Concepts for the Incorporation of Composites
in Large Military Transport Aircraft», RPG Conference—Reinforced Plastics
in Aerospace Applications, Royal Aeronautical Society, April 5—6, 1973.
7. Lubin G. and Dastin S., «First Boron Composite Structural Production Part»,
SPI Reinforced Plastics/Composites Institute, 26th Annual Conference, 1971.
8. Graham W. B., «RMV's in Aerial Warfare», Astronautics and Aeronautics,
May 1972.
9. Ludwig W., Erbacher H., and Lubin G., «Composite Horizontal Stabilizer
for the В-l», SPI Reinforced Plastics/Composites Institute, 32nd Annual Con-
ference, 1977.
10. Hedrick I. G. and Whiteside J. B., «Effects of Environment on Advanced Compo-
site Structures», AIAA Paper No. 77-463, March 1977.
11. L. B. Johnson Space Center Report JSCO7572 Rev. D, 1976.
12. Penton A. P., Johnson R., Jr. and Freeman V. L., «Fabrication of Composite
Shell Structure for Advanced Space Transportation», 23rd National SAMPE
Symposium, 1978.
13. Lager J. R., «Graphite/Ероху Orthogrid Panel Fabrication», 10th National
SAMPE Technical Conference, 1978; and Van Hammersveld J., «Extensive
Cost Reduction Studies — Composite Empennage Component L-1011 Commer-
cial Airliner», 23rd National SAMPE Symposium, 1978.
14. Seibold R. W. and Disser E. F., «High Speed Braiding—An Apporoach for
Fabrication of Reentry Vehicle Heatshields with Seamless, Shingled Construc-
tion», 10th National SAMPE Technical Conference, 1978.
15. Lubin G., Poveromo L. M. and Marx W., «Reinforced Thermoplastic Composites
for Space Beam Fabrication», SPI Reinforced Plastics/Composites Institute,
34th Annual Conference, 1978.
16. Poveromo L. M., Muench W. K-, Marx W., and Lubin G., «Composite Beam
Builder» SAMPE Journal, 17, 1. Jan/Feb. 1981,
к
s
*
о
ч
.к
«- ® 3«*£а25 * ® ° о с о § * £ к g xSsSj^a о
Намотка С ЭПОКСИД- НОГО свя- зующего
6 с
А я
О «
о q “•
3 л-Э
у I л
ь « s
ихч
со
S
X
ш
к
о
С?
X
Си
с
2§§l I
567
Продолжение прнл. А.1
Свойства Нетканая эпоксидная выкладка Стекло- ткань/по- лннмндное связующее Стекло- ткань/фе- нольное связующее Стекло* ткань/снлн- коновое связующее Кварцевая ткань/эпок- сндное связующее S-стекло (однона- правлен- ное)/эпо- ксндное связующее
Физические
Плотность, г/см3 HRM Твердость по Барколу Влагопоглощение за 24 ч, % 1,9—2,1 110—120 60 0,3—0,5 2,05 110—120 75 1,73 100 60—74 0,5 1,7—1,9 100 60—70 0,08—0,12 1,7—1,8 70 1,9
Механические свойства плоских образцов при комнатной температуре
ов, МПа Е, ГПа 521 345—565 345—413 207—276 545 1480
24 20—29 17—24 19 19—22 49
ои, МПа 834 517—695 413—382 227 680 1520
tfcmi МПа тсд (межслоевой; метод короткой балки), МПа 521 475—550 276—310 200 455 660
29,9 26,4 17,2 5,5 63—76
Ударная вязкость по Изоду, Дж/см — 4,3—8,0
Коэффициент Пуассона v — — — — — —
Термические
Теплопроводность X, Вт/(м-К) 0,33 0,17 0,13—0,17
а, 10~6 К"1 Температура потерн устойчивости прн 10,8 — 7,2—10,8 4,7 4,1—6,3
—— 260—288 288
1,8 МПа, °C
Т °C J экс. max* 149 288—371 149—204 288—371 204 177
Удельная теплоемкость, Дж/(г-К) 1,00 — 1,20 1,00 1,00 1,00
Излучательность — — 0,82 0,83
ов (при температуре, °C), МПа 276 (149) — 337 (288) 277 (260) 207 (260) 451 (177)
ои (при температуре, °C), МПа 172(149) — 200 (316) 276 (260) 124 (260) 372 (177)
Свойства высокопрочных армированных композитов
Приложение А.2
Свойства Однона- правлен- ные бор- эпоксидные Углеволок- ннстые эпоксидные среднемо- дульные У глево- локнистые эпоксидные высокомо- дульные Углеволок- нистые полннмнд- ные средне- модульные Углево- локннстые эпоксидные (тканый матер нал) Арамид- эпоксидные (нетканый материал) Арамнд- эпоксид- ные (тек- столит)
Физические
Плотность, г/см3 2,01 1,60 1,56 1,60 1,59 1,35 1,35
Механические при комнатной температуре, вдоль основы в плоскости слоя
ав, МПа 1380 1520—1720 783—1435 1100—1380 586—620 1260 517
Е, ГПа 207 138—207 207—324 117 70,3 70—82 31
аи, МПа 1790 1650—1860 620—1600 1520—1580 141—1034 625 345
^сж, МПа 2430 1470—1580 620—703 — 690 235—270 83
тСд (межслоевой сдвиг, метод корот- кой балки), МПа 90 55—110 24—55 110 55—62 28—49 55
Прочность при смятии, МПа Ударная вязкость по Изоду, Дж/см — —— —• — 689—988 — —
— 15 — — — 26 —
Коэффициент Пуассона v 0,21 0,045 0,119 — 0,077 0,31 —
Механические свойства при повышенной температуре
ов (прн температуре, °C), МПа 1170 (191) 1380 (191) 793 (177) 1630 (177) 593 (177) — —
аи (при температуре, °C), МПа 1520 (191) 1310 (191) — 1240 (177) 566 (177) 382 (177) —
Е (при температуре, °C), ГПа 179 (191) ПО (191) 207 (177) 131 (177) 7,0 (177) — —
Термические
Теплопроводность Л, Вт/(м-К) 0,02—0,03 0,86—1,44 4,03—5,04 — — 0,46 0,21
а, 10~в К-1 4,14 —— — — —- 0,36—0,5 0
Удельная теплоемкость, Дж/(г-К) — 0,68 — — — — —
Си 'г or* о J экс. тах> V» 177 177 177 371 177 177 177
со
СИ —
Приложение Б.1
Типичные свойства композитов, армированных углеволокннстымн тканями различного переплетения
Свойства «Ториел» VCC-2P, 5-сатии «Ториел» •1 VCB-45, 8-сатии «Ториел» VCB-20, 8-сатии «Ториел» *х VCC-45, 5-сатии «Геркулес» ** А-193-Р полотно «Геркулес» •* А370-5Н, 8-сатии «Геркулес» •• А-3705Н, 5-сатии «Целиои» *• Ху-1133, 8-сатии «Файберайт» •• HMF-341/34, 8-сатии «Файберайт» *® HMF-341/34. 8-сатин «Гексил» ♦* F3T-272, 4-сатии «Гексил» ♦* F3T-282, полотно
Плотность, г/см3: 1,61 1,68 1,60 1,70 1,80 1,80 1,80 — 1,68 1,54 1,54 1,53
ов, МПа 345 300 270 330 590 620 690 620 590 620 535 590
Е, ГПа 39 88 39 96 69 69 72 72 72 67 69 69
ои, МПа 390 370 370 370 380 — 896 1034 760 880 — —
ои, ГПа 38 84 38 90 — 65 69 76 78 65 — —
аСж> МПа 345 207 330 207 655 690 690 — — — 550 586
тсд (метод короткой балкн), МПа 32 23 30 22 65 62 63 69 67 — 59 64
Толщина слоя в отвержденном компози- те, мм 0,27 0,43 0,47 0,25 0,18 0,34 0,34 0,30 0,33 0,13 0,18 0,18
а, 10-» К"1 5 5 5 5 __
•1—*4 данные фирм соответственно «Юнион карбайд», «Геркулес», «Файберайтс», «Гексцел».
Приложение Б.2
Типичные свойства тканей различного переплетения на основе углеродных волокон
Свойства «Ториел» VCC-20, 5-сатии «Ториел» VCB-45 8-сатии «Ториел» VCB-20 8-сатии «Ториел» VCC-45, 5-сатии «Геркулес» ** А-193-Р, полотио «Геркулес» •* А-370-8Н, 8-сатии «Геркулес» А-370-5Н, 5-сатии «Файберайт» *’ W-133, 8-сатии «Файберайт» *’ W-133, полотно «Гексил» •* F3T-272, 4-сатии «Гексил» •*, F3T-282, полотно
Плотность переплетения (число нитей на 5 см) ' ^3X41 40X37 40X37 43X41 22^ X 221 ЧХИ5 211X211 47X45 47X47 231 X 231 24х24
Плотность тканн, г/м? 280 510 510 280 193 370 370 356 128 186 194
Плотность волокна, г/см3 1,91 2,07 1,88 2,07 1,80 1,80 1,80 1,59 1,59 — —
Толщина тканн, мм Разрывная нагрузка, Н/см: 0,38 0,66 0,70 0,38 0,27 0,53 0,53 0,43 0,18 0,25 0,25
по основе 116 338 272 220 — — — — — — —
по утку 108 180 236 124 — — — — — — —
Число элементарных нитей 1000 2000 2000 1000 3000 3000 6000 3000 1000 3000 3000
в пряже
»1—»4 Данные фирм соответственно «Юннон карбайд», «Геркулес», «Файберайтс», «Гексцел».
«я
ел Приложение В
145 Типичные свойства стеклопластиков иа основе термопластов по результатам испытаний методами ASTM
Материал \р е4' S ю р, т/м3 Я С S и е> в, % Е, ГПа аи, МПа Еи, ГПа Я С g ь* Температура устой- чивости при на- грузке 1,8 МПа, °C 7 7 о 8 Ударная вяз- кость по Изоду, Дж/м и к я е СП Влагопоглощеиие за 24 ч, % р, Ом«см Электрическая плотность, кВ/мм Усадка расплава, см/см Цена 1 см3, цент
о 00 со CD о Сб ю
Сб «0 D790 о О CD CD ю сч Сб CD ю СО О) Сб
а а а а а а а а а а а а а
АБС (акрнлони- 10 1,10 59 3,0 46 102 45 83 98 65 4,1 77 0,3 ю16 35,4 0,003 1,68
тр илбутадиен стн - 20 1,22 76 2,0 51 107 49 96 99 59 3,8 82 0,3 101в 36,3 0,002 1,93
рольный сополн- 30 1,28 90 1,4 63 112 64 103 100 54 3,1 82 0,2 1014 37,5 0,002 2,10
мер) Ацеталь 10 1,54 72 2,4 66 107 61 69 124 54 5,2 ПО 0,22 Ю14 39,8 0,006 3,39
30 1,68 83 2,0 77 114 72 81 163 43 4,3 127 0,2 Ю14 37,5 0,005 3,08
Найлон 15 1,25 103 4,0 59 158 54 96 192 81 3,1 93 1,8 ю13 32,8 0,007 3,35
30 1,37 165 3,0 72 200 69 165 204 119 2,7 ПО 1,3 1013 32,0 0,004 3,40
Найлон 6,6 13 1,23 96 4,0 62 172 45 93 246 54 2,7 107 1,0 ю14 41,4 0,007 3,30
30 1,37 172 3,0 90 234 90 186 252 108 2,3 127 0,9 ю14 39,0 0,004 3,40
Найлон 6, 12 30 1,30 135 4,0 83 193 76 138 199 119 4,0 ПО 0,2 ю13 39,0 0,004 5,73
Поликарбонат 10 1,26 83 9,0 52 ПО 41 96 138 108 3,2 127 0,14 ю13 34,3 0,005 3,94
30 1,43 121 2,0 86 141 69 117 143 130 2,3 132 0,12 ю13 37,5 0,003 4,75
Полиэфир (термо- 30 1,52 131 4,0 83 193 79 124 213 97 2,5 121 0,06 ю16 46,8 0,003 3,24
пластичный) 10 1,04 36 4,0 25 45 25 34 ПО 76 5,4 82 0,06 ю14 53,1 0,005 1,23
30 1,18 59 3,0 50 89 49 41 124 92 3,8 93 0,06 ю14 47,7 0,003 1,33
Полифенилен- окенд (моднфици- 20 1,21 100 5,0 64 127 52 121 143 97 3,6 116 0,06 ю13 32,8 0,003 2,98
рованный) Полифеннлен- сульфнд 40 1,64 152 3,0 141 255 131 145 266 81 2,0 232 — —. — —
Продолжение прил. В
Материал я А р, т/м’ ав, МПа в, % Е, ГПа ®nw ,ИС Ея, ГПа 43 Е 8 1 Температура устой- чивости при на- грузке 1,8 МПа, °C 7 & 7 о 8 Ударная вяз- кость по Изоду, Дж/м Т °C 1 экс. max» Влагопоглощеиие за 24 ч, % Я о Я О Электрическая плотность, кВ/мм Усадка расплава, см/см Цена 1 см’, цент
— D792 D638 D638 D638 D790 D790 D695 D648 D256 D696 и- D570 D257 еяа D965 —
Полипропилен 10 0,98 43 4,0 24 54 24 41 — — — — 0,01 1014 39,8 0,002 8,84
20 1,04 45 3,0 37 57 36 45 127 43 4,7 82 0,05 1014 34,3 0,007 1,24
30 1,12 47 2,0 44 63 43 47 132 59 4,3 88 0,05 1014 34,3 0,006 1,35
Полипропилен 10 0,98 50—59 4,0 37 72—94 35 42—44 138 70 3,8 99 0,04 1014 32,8 0,006 1,48
(химически сши- 20 1,04 56—67 3,0 39 81—106 37 44—47 138 70 4,5 93 0,05 Ю14 33,5 0,006 1,35
тый) 30 1,12 67—83 2,0 46 90—131 45 45—48 144 76 4,1 110 0,04 1014 33,2 0,006 1,49
Полистирол 20 1,20 76 1,5 76 107 68 103 147 81 3,6 121 0,04 1014 33,2 0,006 1,65
30 1,29 93 1,2 30 121 85 124 99 54 4,1 77 0,1 1014 32,0 0.002 1,45
Высокотемпера- турный сополи- 20 1,22 90 1,2 83 131 79 ПО 100 54 3,2 82 0,1 Ю14 32,4 0,001 1,70
мер полистирола Высокотемпера- 30 1,35 83 1,8 65 123 57 76 116 59 4,0 106 0,28 1014 31,2 0,003 1,85
турный терполи-
мер полистирола Полисульфон 20 1,38 96 2,5 60 138 59 124 149 81 3,6 116 0,10 1014 31,2 0,002 3,30
40 1,55 124 1,5 116 172 107 138 180 65 2,7 163 0,2 1014 39,0 0,004 7,20
Полиуретан 10 1,22 33 48,0 6,5 43 6,2 34 185 81 2,3 171 — — —— —- ——
ПВХ (поливинил- 20 1,58 96 3,0 7,6 145 69 83 54 760 6,1 43 0,4 ю14 32,8 0,007 6,10
хлорид) САН (стирол а к- 20 1,22 100 1,8 86 131 76 121 102 65 3,8’ 82 0,24 ю14 38,3 0,002 1,74
рилонитрильный 35 1,35 ПО 1,4 НО 155 93 145 106 54 2,9 88 0,21 ю14 39,0 0,001 2,05
ел сополимер)
со-----------
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автомат для напыления 75
Автоматизация формования 72—75
Агенты армирующие 512
Адгезивы:
— акриловые 402
— виниловые 402
— натуральные 402
— неорганические 402
— полиимидные 402
— промышленные 402
— резиноподобные 402
— силиконовые 402
— сульфоновые 402
— термореактивные 403
— фенольные 402
— целлюлозные 402
— эпоксидные 402, 405
Анализ:
— искривлений пластин 323
— материалов структурный 368
— Сандвичевой балки 374
--- колонны 375
— соединений 387
— устойчивости панелей 323
Антиадгезивы 422
— внешние 425
— внутренние 428
— промышленные 424
Бак:
— высокого давления 24
— для катализатора 60
— для растворителя 60
Брак—Причины и устранение 47, 51
Буй из АП 530
Ванна для пропитки волокна 223
Веретено 215
Вещество:
— антиадгезионное 146
—, увеличивающее ударную проч-
ность 150
574
Влагопоглощение массовое 287
Влияние старения на свойства
образцов 298—300
Воздействие:
— атмосферное 293
— биологическое 519
— влаги 286
— озона 291
— статического электричества 291
— температуры 292
— ядерного излучения 290
Волокно:
— высокомодульное 200
— Для намотки 200
Воспламеняемость материала 122
Вставка 41
Вырубка:
— слоистых пластиков 414
— с помощью ножевого штампа 411
Вязкость связующего 443
Гелькоат 18, 46
Геометрия соединений 392
Горючесть 283
Давление формования 127
Дегазация 465
Детали из композитов:
— вертолетов 549
— для военной авиации 550
— для гражданской авиации 556
— катера 533
— самолетов 548
Диагностика ультразвуковая 469
Диафрагма 95
Добавка для снижения усадки 149, 156
Документация по методам испытаний
армированных пластиков 433—438
Доля композитов:
— в авиационных конструкциях 551
— в легковом автомобиле 492
Дугостойкость КМ 119
Желатинизация 106
Загуститель 148, 156
Заклепка 274, 390
— обжимающая 274
— с вытяжным стержнем 574
Заполнитель 335
— сотовый 271
— — алюминиевый 355
---бумажный 355
--- из арамидной бумаги 356
---стеклопластиковый 356
Зачистка:
— высокомодульных КМ 419
— изделий 66
Извлечение изделий из формы 178
Изготовление:
— многослойных конструкций 255
— сотового заполнителя 339
Изделия:
— из АВП 506
— из СВКМ 19
— сложной формы — Особенности
конструирования 30
Ингибитор 147
Инертность КМ 281
Испытания:
— армированных пластиков 430, 434
— исходных компонентов КМ 443
— литьевых композитов 457
— слоистых пластиков 460
Катализатор 443
Клей 271
Компаундирование 160
Композиты:
— для гражданской авиации 555
— для космической техники 562
— для спускаемых аппаратов) 561
— однонаправленные 200 х I
— перспективного аэрокосмического
применения 545 4
— с металлической матрицей 438
— с полимерной матрицей 257
— стекловрлокнистые (СВКМ) 541
— с улучшенными свойствами (КУС)
538, 546
Композиция:
— армированная формовочная 113,
114, 129
— для прессования стеклонаполнен-
иая 113, 115
— с диагональным переплетением
волокон 113
— смол 99, 101
Конструирование из композитов:
— больших военно-морских судов 523
— изделий 30—38
— панелей 327
— сандвичевых структур 363
— соединений 381
— сотовых структур 363
Конструкции:
— из армированных композиций 182
— из композиционных материалов 304
— корабельные 528, 529
— корпусов кораблей 527
— на основе КУС для гражданской
авиации 555
— предкрылка из боропластика 547
— сандвичевые 331
— соединений 392
---для композиционных материалов
388
— сотовые 331
— форм 192
Контроль:
— визуальный 468
— звуковой 473
— липкости смол 104
— неразрушающий 468
---Инфракрасные методы 480
---на основе электрических свойств
478
---СВЧ-методы 479
--- ультразвуковой 469
— содержания летучих компонентов
104
— состава композиций 103
— текучести смолы 105
Конфигурация ячеек состовых запол-
нителей 342
Корабль с большой несущей поверх-
ностью из КМ 525
Коробление поверхности 321
Коррозия:
— химическая 280
— электрохимическая 281
Коэффициент:
— жесткости 313
— упругости 311, 312
Краситель для КМ 146
Ламинат 310
Литье:
— под давлением 20, 195
— центробежное 78
Маслопоглощение 146
— наполнителей 151
Мат:
— из рубленой стеклопряжи 18
575
— из ткани 18
— из тканого ровинга 18
Материалы:
— адгезионные 357—363
— армирующие 142, 153, 196, 449
— быстровспенивающиеся 338
— для внешних слоев 90
— для заполнителей 335
— для матриц 83
— для несущих пластин 333
— для оправок 216
— для оснастки 85
— для перегородок 260
— для форм 175
— композиционные 488
------ в аэрокосмической технике 538—•
565
---в наземных транспортных сред-
ствах 485—510
---в судостроении 511—535
---улучшенные 251
— ленты 266
— листовые формовочные 113, 117, 121
— на эпоксидной основе гибридные
545
— нитевидные 201
— пенообразующие 337
— Требования 141
Машина:
— для намотки сфер 215
— для получения ЛФМ 162
-------непрерывных труб 248
-------ХИС 164
— для пропитки волокна 223
— для пултрузии 240, 243
— лентоукладочная 264
— рубильная 61
— с непрерывной подачей волокна 187
— с приточной камерой 186, 187
Методы:
— акустической эмиссии 475
— испытаний армированных пласти-
ков 434
— контроля препрегов 453
---расплавных материалов 453
Модель 41
Модификатор композипии смолы 101
Накопление статического электриче-
ства КМ 291
Намотка волокном 198, 212, 255, 267
— геодезическая 219
— комбинированная 214
— Методы и схемы 212
— однослойная 213
— окружная 214
— плоскостная 214, 219
— полюсная 213, 214
— продольная 214
576
— спиральная 213, 214
Наполнитель 26, 27, 143, 152, 337
Напряжения:
— в композитах 382
— в соединениях 394
Напыление покрытий 57
Нарезание резьбы в термопластах 417
Насос для напыления 59
Нитеводитель ровинга 221
Нитепроводник 221
Обертка слоевая 268
Оборудование:
— для внесения пены 338
— для напыления 58—64
Обработка:
— высокомодульных КМ механиче-
ская 418
— композитов механическая 276—278,
380, 418
— реактопластов механическая 412
— слоистых пластиков токарная 414
— термопластов механическая 416
--- токарная 417
Образцы для испытаний — Отбор 442
Обрастание корпуса корабля 518
Обрезка кромок 65
Обтекатель 526, 549
Огнестойкость 185
— полиэфирных смол 122
— слоистых стеклопластиков 26, 28
Оплетка 255
Оправка:
— для намотки 216
— , надутая воздухом 217
Ориентация волокна 227
Оснастка:
— для производства труб 242
• — технологическая 39—44
Отвердитель 147, 153, 443
—• для эпоксидной смолы 206
Отверждение под высоким давлением
254
Отделка формы 175
Отслоение сердцевины 321
Пакет листов 266
Паковка 241
Панели гофрированные — Стандарты
на испытания 438
Пена 336
Пенопласт 336
— поливинилхлоридный 338
— полистирольный 338
Перспективы развития АП 531
Пигмент 153
Пластики:
— армированные (АП) 540
• —, полученные намоткой 436
— слоистые 21
---, армированные стекловолокном
513
Пленка сетчатая 363
Плотность связующего 445
Подготовка:
— изделия к отверждению 259
— препрега для загрузки в форму 254
Покрытие:
— антиадгезионное 46
— влагозащитное 289
— защитное 530
— оболочек 20
Ползучесть 396
Полиимиды для связующих 361
Полирование КМ 415
Полиуретаны для адгезивов 361
Поплавки, изготовляемые из АП 530
Поставщики материалов и оборудова-
ния 70—72
Потеря устойчивости:
— ламината 321
— слоев 320
— слоистых композитов 319
Потребление стеклопластиков в на-
земных транспортных средствах 509
Премикс 113
Препрег:
— из нетканого материала ПО
— из одиночной нити 101
• — из тканых полотен 109
— промышленный 102—106
— термопластичный 84, 107
Пресс 193
— литьевой — Выбор 179
Прессование:
— прямое 167
— стеклонаполненной композиции 20
— холодное 194
Прибор для ультразвукового контроля
473
Приготовление композиций 156
Применение: \\
— армированных пластиков в1 лета-
тельных аппраратах 541
------ формовочных композиций 135—
141
— композитов в аэрокосмической тех-
нике 538—565
------ в наземных транспортных сред-
ствах 485—510
---в судостроении 511—535
--- практическое 485—565
---с улучшенными свойствами в ле-
тательных аппаратах 546, 548—555
Пробивка отверстий в КМ 414
Прогиб облицовочных пластин 322
Программа ВМС по внедрению КМ
в судостроение 523, 524
Проектирование:
— композитов 501
— корабельных конструкций из ком-
позитов 519
— сандвичевых конструкций 372
Производство сандвичевых структур
Пропитка:
— лент мокрая 257
— ровинга 222
— стренг 223
Процесс получения пастообразной
смеси:
— непрерывный 161
— периодический 160
— периодическо-непрерывный 161
Прочность:
— композитов ударная 284
--- удельная 492
— слоистых пластиков 316, 317
Пултрузия 20, 239, 256, 289
Радиография 475
Развес ровинга 203
Разрушение:
— сандвичевых конструкций 370
— сердцевины композита 321, 322
Раскрой препрегов 410
Распиливание:
— стеклопластиков 415
— термопластов 416
Распылитель 62
— с внутренним смешением 63. 64
— с наружным смешением 62
Расчеты:
— балок 371
— конструкций упрощенные 34—39
— напряжений продольного изгиба
324
Редуктор 61
Резервуары из АП 529
Резка:
— заполнителя 378
— композитов 419, 420
--- высокомодульных 419
— лазерная 411
— пластиков струей воды 279, 410, 420
— слоистых пластиков 414
Ремонт изделий, изготовленных из
композитов 67—69
Робог 75
Ровинг 202
— жгутовый 203
Рынок армированных пластиков 486
Самолет стеклопластиковый цельно-
формованный 541
577
Сборка ламинатов 258
Сверление:
— слоистых пластиков 412, 419
— термопластов 417
— углепластиков 418
— ультразвуковое 419
Свойства:
— антиадгезивов 423
— армированных пластиков 432
-------механические 432
------- оптические 432
-------термические 432
-------физические 432
-------химические 432
------- электрические 432
---формовочных композиций тех-
нологические 136
----------физико-механические 129—
134
— волокнистых материалов физико-
механические 502, 532
— высокопрочных композитов 569
— двухосио-ориентироваииых компо-
зитов 532
— композитов, армированных кварце-
выми волокнами 567
------- стекловолокном 567
-------углеволокнистыми тканями 570
--- статические 515
— конструкционных материалов 544
— материалов механические 489
---несущих пластин 334
---пожароопасные 464
— однонаправленных композитов 315
— отливок из иеиаполнениых формо-
вочных композиций 142
— пенообразующих материалов 337
— СВКМ, применяемых в военно-мор-
ских судах 514
---физико-механические 514
— связующих 449
— СКП и ЛФМ 118
— слоистых композитов 309
---пластиков механические 513
-------физические 21, 35, 136
— соединений слоистых эпоксистекло-
пластиков 406
— сотовых структур 343—354
— стеклопластиков на основе термо-
пластов 263, 572
— тканей на основе углеродных во-
локон 571
— усталостные 389
Связующее 443
— Выбор 25, 83
— для заготовок 189
— Нанесение 358
— фенольное 360
Сетка для заготовок 188
Системы полимерные 511
578
Сканирование при ультразвуковой диа-
гностике 469
Склеивание композитов 274
Скорость отверждения 124
Смазка 422
— антиадгезиоииая 88, 146
---- внутренняя 153
Смеситель 157, 196
Смешение компонентов 158
----непрерывное 159
Смола 152, 204
—, применяемая при ручной укладке
53
— термопластичная 558
— термореактивная 558
— эпоксидная 204, 207, 360
Снижение массы изделия 305
Содержание:
— летучих в исходном материале 454
— связующего в исходном материале
454
Соединения композитов: 380
----адгезионные 391
---- болтовые 385
----клеевые 270
----механические 270, 274, 380
----нахлесточные 395
----резьбовые 389
---- Типы 388
— облицовок сотовой конструкции 368
— сотовых заполнителей 366
— тавровые 397
— угловые 397
Созревание композиции 165
Состав:
— композиции 99—ЮЗ
---- типичный 154
— связующего химический 447
Составление рецептуры композиции
150—156
Сосуд высокого давления 268
— Намотка 198, 233
Спецификации военные 450—453
Способность композитов экранирую-
щая 282
Стабильность размеров 123, 465
Стандарты:
— военные 450—453
— иа армирующие материалы 449
— на испытания армированных термо-
пластов 437
-------гофрированных панелей 438
-------изделий, полученных намот-
кой 436
------- композитов 433—438, 440
----------с металлической матрицей
438
-------труб, изготовленных из арми-
рованных пластиков 437
— на применение акустической эмис-
сии 475
— иа радиографический контроль 476
— на содержание летучих 454
-------связующего 455—457
— иа стекловолокно 450
— на ультразвуковой контроль 472
Станок для намотки волокна 214
Стойкость композитов коррозионная
55, 123, 280
Стренга 203
Строительство малых судов 521
Структура:
— пенонаполнеиная 338
— с оптимальными характеристиками
302
— сотовая 339, 342
---бумажная 355
— — гексагональная 344
---из алюминиевого сплава 344, 346
---из крафт-бумаги 343
— — из стеклопластика 348—353, 356
— — на основе арамидной бумаги
353, 356
---с полиамидным связующим 350
— — с полиимидным связующим 351
— — с полиэфирным связующим 352
— — с фенольным связующим 350,
353
Схема намотки сбалансированная 269
Твердость связующего 446
Текучесть композиции 151
Теплоперенос 175
Термопласт 361
Тиксотропия 146
Требования:
— к конструированию 376
— к материалам соединений 386
— к условиям испытаний образцов 439
Укладка: \
— автоматическая 263, 265А
— машинная 263 '
— полуавтоматическая 262
— послойная листов 262
--- препрегов 106—112
Уплотнение:
— диафрагмы 112
— формы 175
Усадка композиции 124—126
Усилие размыкания формы 180
Усталость композиционного мате-
риала 282
Установка:
— для намотки волокна 75
— для получения заготовок о непо-
средственной подачей волокна 188
— для слоевой обертки 269
Устройство распылительное 62
Форма 86
— Антиадгезиоииая обработка 45
— временная 42
— из металлизированной пластмассы
178
— из цветных металлов 177
— Конструкции 42, 174, 176
— Конструкционные параметры 43
— негативная 18
— одноразового использования 40
— открытая 72
— Подготовка 45, 85
— полупоршневая 176
— поршневая 176
— постоянная 42
— разъемная 42
— с отжимным рантом 176
---Элементы конструкции 50
Формирование ленты из ровинга 225
Формование 18, 166
— автоклавное 81, 83, 253
— армированных материалов — Труд-
ности 169—174
— без приспособлений для удаления
избытка смолы 267
— вакуумное 79, 81, 252
— впрыскиванием смолы 20
— в открытых формах 18, 44
— «вспененной емкостью» 196
— жестких термопластов 76—78
— заготовок 183, 190, 254
— контактное 18
— матов 183, 190
— — Методы 44
— «мокрое» 84
— на матрице 254
— намоткой волокном 20, 74
— напылением 19, 20, 44
— непрерывное протяжкой 20
— под давлением 79
— под действием теплового расшире-
ния 255
— препрегов 254
— реактопластов на матрице ИЗ
— ребер жесткости 194, 525
— ручной укладкой 18, 44, 49, 75
- СВКМ 19, 21
— с эластичной диафрагмой 20, 79,
89, 91— 4, 252
• — топливного бака 269
— утолщений 194
— центробежное 20
Формоустойчивость 465
Фрезерование:
— высокомодульных композитов 420
— слоистых пластиков 413
— термопластов 417
579
Характеристика композита электро-
изоляционная 185
Чувствительность композита:
— к морской воде 515
— к погодным условиям 518
Шланги для напыления 61
Шлифование:
— высокомодульиых композитов 421
— слоистых пластиков 414
— термопластов 417
Штамповка листовых формовочных ма-
териалов 20
Штапелька 20
Экономия:
— массы летательных аппаратов 543
— энергии 487
Эксплуатация изделий из композитов
519
Экструзия 159
Эпокснарамндопластик 545
Эпоксиборопластик 545, 548
Эпоксиграфитопластнк 549
Эпоксиоргаиопластик 549
Эпоксистеклопластик 549
Эпоксиуглепластик 545, 548
Эпюра напряжений в соединении пане-
лей из композита 393
Эрозия композиционных материалов
дождевая 293
Эффективность соедииеиия компози-
ционных материалов 386
Эффект электромагнитный 281
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
СПРАВОЧНИК ПО КОМПОЗИЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ
Кинга 2
Редактор Д. П. Бут
Художественный редактор С. Я. Голубев
Переплет художника Ю. И. Смурыгина
Технический редактор Л. А.'Макарова
Корректоры А. П. Сизова, Л. А. Ягупьева
ИБ № 5446
Сдано в набор 13.05.88. Подписано в печать 24.08.88.
Формат бОхЭО1/^. Бумага офсетная № 1. Гарнитура литературная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 36,5. Усл. кр.-отт. 36,5. Уч.-изд. л. 42,12.
Тираж 25000 экз. Заказ 474. Цена 3 р. 20 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»,
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Краснбго Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполнграфпрома при Г осударственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.