Технология изготовления слоистых композиционных материалов

Слоистые материалы в виде листов, труб, прутков, лент, заготовок изготавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьём, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, пайкой и склеиванием из исходных компонентов. Соединение компонентов по большой площади контакта требует при жидкофазном методе смачиваемости компонентов, при твердофазном - определённого давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определённого времени выдержки.

Выбор компонентов слоистых КМ осуществляют, исходя из их совместимости (механической и химической) в условиях изготовления и эксплуатации.

Для соединения компонентов необходимо очистить поверхности от загрязнений, оксидов, масел. Процессу соединения в твёрдой фазе сопутствует пластическая деформация, которая для большинства сплавов ведётся в нагретом состоянии. Соединение компонентов при диффузионной сварке, основанное на процессе диффузии, осуществляется в вакууме.

Сварка взрывом слоистых КМ позволяет соединить любые материалы с высокой прочностью, в том числе без нагрева, без вакуума за счёт высоких удельных давлений в условиях косого соударения свариваемых материалов и эффекта самоочистки свариваемых поверхностей.

Методы получения композиционных материалов

На полимерной основе (ПКМ)

Особенность изготовления деталей из ПКМ состоит в том, что материал и изделие в большинстве случаев создаются одновременно. Изделию сразу придаются заданные размеры и форма, что позволяет снизить его стоимость.

Технология изготовления деталей из КПМ включает следующие основные операции: 1 - подготовка армирующего наполнителя и приготовление связующего; 2 - совмещение арматуры и матрицы; 3 - формообразование детали; 4 - отверждение связующего в КМ; 5 - механическая обработка детали; 6 - контроль качества детали.

Подготовка исходных компонентов заключается в проверке их свойств на соответствие техническим условиям, а также в обработке поверхности волокон для улучшения смачиваемости и увеличения прочности сцепления между наполнителем и матрицей в готовом ПКМ (удаление замасливателя, аппретирование, активирование поверхности, химическая очистка поверхности, удаление влаги и т.п.).

Совмещение армирующих волокон и связующего может осуществляться прямыми или непрямыми способами.

К прямым способам относятся такие, при которых изделие формуется непосредственно из исходных компонентов КМ, минуя операцию изготовления из них полуфабрикатов.

Непрямыми способами изготовления называются такие, в которых элементы конструкции образуются из полуфабрикатов. В этом случае пропитка армирующих волокон связующим представляет самостоятельную операцию, в результате которой получают предварительно пропитанные материалы (препреги) - нити, жгуты, ленты и ткани, которые затем подсушиваются и частично отверждаются.

Препреги приготовляют в специальных установках вертикального или горизонтального типа.

Формообразование деталей из ПКМ осуществляется многими технологическими методами, из которых наиболее широкое применение находят методы намотки, прессования, вакуумное и пневматическое формование, пултрузия.

Метод намотки. Намоткой называют процесс формообразования конструкций из КМ, при котором заготовки получают автоматизированной укладкой по заданным траекториям армирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся конструктивные формы или технологические оправки. Материал при намотке укладывается с некоторым натяжением, которое способствует увеличению давления формования и получению монолитной структуры КМ.

Оправки или формы имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Формование детали намоткой завершается отверждением намотанной заготовки. Оправка после этого обычно удаляется, хотя в отдельных случаях она может оставаться и выполнять функции конструктивного элемента.

Наиболее широко метод намотки применяется для изготовления конструкций, имеющих форму тел вращения или близкую к ней. Намоткой изготавливаются трубы, баки, ёмкости давления различной формы, конические оболочки, стержни, короба, элементы конструкций самолётов и ракет, химических аппаратов.

Достоинствами метода являются: возможность механизации и автоматизации процесса (особенно при производстве труб); возможность получения изделий с заранее заданными прочностными и другими свойствами, что достигается созданием определённой структуры, выбором типа наполнителя, схемы его укладки на форму, изменением натяжения нити в процессе намотки, изменением соотношения в количестве наполнителя, укладываемого на оправку в различных направлениях, изменением в соотношении между наполнителем и связующим и изменением других технологических параметров процесса.

Существуют два способа организации технологического процесса намотки изделий: «мокрый» и «сухой» способы.

Мокрый способ заключается в непрерывной намотке на оправку наполнителя, пропитываемого связующим в ванне (рис. 1). Ориентация наполнителя определяется соотношением скоростей вращения оправки и перемещения раскладчика.

В отличие от мокрого при сухом способе на оправку наматывается предварительно пропитанный наполнитель. При этом способе намотки в качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы.

Прессование. Прессование является одним из наиболее распространённых методов формообразования деталей из КПМ. Прессование деталей осуществляется с помощью пресс-формы, в которой создаются необходимые давление и температура для формования заготовки и отверждения полимерного связующего (рис.2). Пресс-форма нагревается с помощью электронагревателей, размещённых в плитах матрицы и пуансона или другими способами.

Давление формования создаётся с помощью гидравлического пресса, на столе которого укрепляется матрица, а на подвижной плите - пуансон пресс-формы.

Под действием давления и тепла материал переходит в вязкотекучее состояние и заполняет формообразующую полость пресс-формы. Выдержанный при температуре отверждения отформованный материал переводится в твёрдое неплавкое состояние, после чего пресс-форма раскрывается и деталь 2 извлекается из неё с помощью выталкивателя 4.

Прессованием изготавливают детали из материалов с хаотическим и ориентированным расположением волокон. Исходными материалами при прессовании в этом случае могут быть короткие волокна, обрезки лент, гранулы из пучков волокон, предварительно пропитанные связующим и соединенные в результате его частичного отверждения в таблетки.

При изготовлении деталей, в которых композит должен иметь слоистую структуру с определённой ориентацией волокон, используют заготовки из препрегов (лент или тканей). В этом случае предварительно раскроенные заготовки укладываются в определённом порядке в пакет и слегка спрессовываются.

Таблетированная или собранная слоистая заготовка помещается в нагретую пресс-форму, после этого пресс-форма смыкается и материал выдерживается заданное время при температуре отверждения связующего, а затем готовое изделие удаляется с помощью имеющихся в пресс-форме выталкивателей.

Вакуумное и пневматическое формование. Процесс вакуумного и пневматического формования заключается в выкладке заготовок на плоскую или криволинейную форму и последующем формообразовании детали давлением сжатых газов (пневматический метод) или атмосферным давлением, действующим на замкнутый объём, в котором создаётся разрежение (вакуумный метод).

В зависимости от того, как отформовывается изделие - в матрице или на пуансоне, различают негативное (рис. 3) и позитивное (рис. 4) формование.

При негативном методе формования изделие снимается с формы легче, чем при позитивном, поэтому минимальные углы наклона стенок составляют для негативных форм 1…2°, для позитивных 3…5°.

 

 

Методы предназначены для получения конструкций сложной формы из предварительно пропитанных термореактивными связующими тканых армирующих материалов путём послойной укладки заготовок из них на технологической оправке и последующего отверждения при одновременном воздействии давления формования, которое прикладывается через эластичную диафрагму, изготовленную из плёнки или резины.

К недостаткам изложенных методов следует отнести большое количество отходов, разнотолщинность получаемых изделий и невысокую производительность.

Пултрузия. В последние годы широкое применение находят профили, прутки, трубы и другие конструктивные элементы, изготовляемые из волокнистых композитов на полимерной матрице путём непрерывного протягивания армирующего материала, пропитанного связующим и отверждаемого в профилирующей форме специальной установки. Такой процесс называют пултрузией (по аналогии с экструзией, при которой материал выходит через фильеру под действием давления). При пултрузии он протягивается под действием внешнего усилия. Схема установки для получения конструктивных элементов пултрузией показана на рис. 5.

Армирующий материал (жгуты, холсты или тканые ленты) последовательно проходит через ванну с жидким связующим 2, пропитывается, сжимается и идёт далее в матрицу предварительного формования 4, а затем в обогреваемую пресс-форму 5, где фиксируется требуемая конфигурация и отверждается полимерное связующее. В матрице предварительного формования плоская по форме лента пропитанного материала постепенно преобразуется по сечению к форме получаемого конструктивного элемента. Окончательно сечение формируется в профилирующей матрице 5, где в результате нагрева происходит частичное отверждение. Для завершения отверждения элемент после формирования дополнительно термообрабатывают в печи 6. Полученный профиль, труба или пруток разрезается на части определённой длины и далее может использоваться при сборке конструкций.