Метод автоклавного формования. Пути повышения качества деталей из пкм при вакуумном формовании

Технологическая оснастка для изготовления изделий из композитов

Формы для формования деталей

В практике производства изделий из композитов используются два типа форм: негативные и позитивные. Первые обеспечивают получение изделий с гладкой с более точной внешней поверхностью, а позитивные позволяют изготовлять изделия с гладкой и точной внутренней поверх­ностью. В негативных формах изготовляют детали с хорошим внешним видом и аэродинамическими качествами. Зато формы позитивного типа во многих случаях оказываются более удобными для формования.

Оснастка для формования деталей выполняется из стали, сплавов алюминия, дерева, гипса, цемента, стеклопластика или комбинации этих материалов. Формы изготовляют макетным или безмакетным спо­собом. При макетном используется специальная модель, поверхности которой воспроизводятся при изготовлении формы контактным спосо­бом. Формообразование рабочих поверхностей формы при безмакет­ном методе осуществляется либо с помощью специальных шаблонов, либо механической обработкой.

Металлические формы применяют, главным образом, при исполь­зовании высоких давлений формования, например, при автоклавном и пресс-камерном методах формования. Металлические формы дорогие, имеют большой вес и очень трудоемки в изготовлении, поэтому они применяются в исключительных случаях. Следует отметить, что сталь­ные рабочие поверхности имеют лучшие эксплуатационные качества, более износостойки и долговечны, имеют меньшее температурное рас­ширение, чем из легких сплавов алюминия.

На стальных поверхностях легче получить высокую чистоту обра­ботки. Поэтому целесообразно формы изготовлять из гипса или цемен­та, а рабочие поверхности облицовывать листовым металлом. В еди­ничном и опытном производстве формы часто изготовляют из дерева. Несмотря на экономичность такого использования, применение дерева ограничивается зависимостью геометрии и размеров деревянных форм от влажности и температуры атмосферы. Рабочие поверхности деревянной оснастки покрывают нитрошпаклевкой , шлифуют и затем окра­шивают с помощью пульверизатора нитрокраской темного цвета. После сушки в течение 10-12 час. при температуре 18-22 ° С покрашенные по­верхности полируют полировочной пастой. В мелкосерийном и серий­ном производстве для увеличения срока службы деревянных моделей их рабочие поверхности футеруют стеклопластиком. Толщина облицо­вочного стеклопластикового слоя должна быть порядка 5-10 мм. Рас­пространение получили также стеклопластиковые формы, изготовляе­мые по макету (рис. 1).

Рис. 1. Макетный способ изготовления негативной формы:

1 - макет (модель); 2 - стеклопластиковая облицовка; 3 - каркас

Для повышения жесткости стеклопластиковых форм и придания им высоких эксплуатационных качеств применяются металлические карка­сы, сваренные из уголков или труб, пластмассовые каркасы, склеенные из стеклопластиковых труб или швеллеров, и сплошные или полые ос­нования (станины), отливаемые из цемента, смолопесчаной массы и алебастра Особенно широко для изготовления форм применяется гипс, алебастр, например, для производства форм многоразового действия и для изготовления разрушаемых форм одноразового действия. В произ­водстве крупногабаритных деталей сложной геометрии после формова­ ния возникают трудности извлечения или снятия готового изделия с формы. Для того, чтобы сделать возможным демонтаж изделия, форма выполняется разборной или разрушаемой.

Разборные формы являются оснасткой многоразового использова­ния, но технологические возможности ее ограничиваются способностью формования не очень сложных внутренних поверхностей, да и сама разборная оснастка сложна по конструкции, дорога и менее точна.

Для формования сложных замкнутых полостей и внутренних эле­ментов единственно возможными являются разрушаемые формы одно­ разового использования. В практике производства крупногабаритных изделий для этих целей используют гипсовые формы, болванки и оп­равки. В качестве конструкционного материала применяют медицинский гипс.

При сложной конфигурации формующих поверхностей, затрудняю­ щих демонтаж макета без разрушения гипсовой формы, последняя из­готовляется сборной из нескольких простых частей. Для изготовления средних и крупных форм, а также оснований (станин) металлических и стеклопластиковых форм вместо гипса может применяться песчаная формовочная масса. Точность размеров и геометрических форм долж­на быть не ниже точности соответствующих размеров формуемых из­делий.

Цулаги , вакуум-чехлы и дренажи

Чтобы обеспечить высокую точность и качество поверхностей формуемых оболочек, не соприкасающихся с рабочими поверхностями форм, используют легкие оболочки обратного профиля - цулаги . Цулага должна быть жесткой, прочной, не коробиться под действием усилий формования и температурного расширения материала. Вместе с тем, она должна быть легкой и удобной в обращении. Поэтому на практике используются металлические тонкостенные и стеклопластиковые цула­ги . Точность размеров и геометрия рабочей поверхности цулаги опре­деляется точностью соответствующих поверхностей формуемых дета­лей. Толщина стенок металлической оболочки цулаги , изготовленной из алюминиевого сплава, составляет 2,5-5 мм. При очень больших габари­ тах для увеличения жесткости цулага подкрепляется стрингерношпан-гоутным набором. Стеклопластиковые цулаги имеют толщину 2-5 мм и при необходимости усиливаются ребрами жесткости.

Вакуумные чехлы для упругого формования изделий изготовляют из термостойкой резины, а также из прорезиненной баллонной ткани. Лист резины или баллонной ткани раскраивается по форме изделия и склеивается клеем. В полученный таким образом вакуумный чехол мон­ тируется штуцер для подключения к вакуумному насосу. Дренажные слои изготовляют из стеклоткани и полисилоксановой резины. Резину нарезают небольшими кусочками и заливают бензином на 12 часов. Со­ став резиновой смеси: резина - 100, бензин - 400-500 вес.ч . Получен ным раствором пропитывают стеклоткань. После этого прорезиненную дренажную ткань подвергают термообработке при температуре 120- 160 ° С в течение 5-6 час.

Формующий инструмент

Основной инструмент при формовании изделий из композитов - малярные кисти, с помощью которых наносится связующее , катки для уплотнения арматуры и удаления воздуха и избытка связующего(рис. 2) и ножи для раскроя арматуры.

Рис. 2. Катки для уплотнения пропитанного материала

Оправки для намотки

Для получения цилиндрических и конических изделий с открытым торцом 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 и отклонения размеров детали, уменьшаются остаточные напряжения. Оправка должна сохранять достаточную прочность при отверждении связующего при повышенных температурах и легко удаляться после отверждения. Основные принципы конструирования оправок и выбора материалов для них заключаются в учете следующих 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.

2. Низкоплавкие сплавы. Их применение ограничено небольшими сосудами, диаметр и длина которых не превышает 300 мм каждый.

3. Растворимый алебастр. Продолжительное время находится в пластичном состоянии, может стираться по периметру, легко вымыва ется.

4. Хрупкий или ломающийся алебастр. Наиболее пригоден для получения изделий большого диаметра. Требуется внутреннее крепление, разбивание осуществляется с трудом и может повредить изделие.

5. Смесь песка с поливиниловым спиртом. Наиболее пригоден для изделий диаметром до 1500 мм, выпускаемых в небольших количест вах. Он легко растворяется в горячей воде, но требует тщательного контролирования процесса формования.

Формирование

Формирование - операция по получению из композиционного ма­териала изделия заданной формы и размеров, состоящая из следую­ щих этапов: распределение на формообразующей поверхности исход­ных компонентов - армирующих материалов и связующего, приложение тепла и давления, сопровождающееся полимеризацией и отверждени­ем материала в готовое изделие.

Реализация операций формирования может осуществляться раз­личными методами: ручной выкладкой, напылением, контактным фор­мированием в прессформах , автоклавным и вакуумным формировани­ем, намоткой, плетением, пултрузией и ролтрузией , комбинированными способами.

Первой стадией при формировании изделия из композиционного материала является нанесение на формообразующую поверхность (матрицу, оправку, пуансон, форму и т.п.) антиадгезионного покрытия, в качестве которого используются: парафин, поливиниловый спирт, сила-ны , силоксаны, антиадгизионные плёнки и т.д. Выбор покрытия зависит от типа формуемой поверхности, связующего, а также от необходимо­сти отделочных операций.

Следующая стадия процесса формования - распределение арми­рующего материала и связующего на обработанную антиадгезивом по­ верхность.

Ручная выкладка

При ручной выкладке армирующий материал - мат, ткань, пряжа, ровинг - разрезают на мерные куски, а при необходимости обрезают по шаблону, пропитывают предварительно подготовленным связующим и укладывают в форму требуемое число слоев для достижения расчётной толщины изделия (рис. 3).

Для уплотнения материала по форме и удаления пузырьков возду­ ха используют прикаточные валики и щетки. Затем форма помещается в тепловой агрегат, где производится процесс отверждения по регла­менту соответствующему используемому связующему. После отвер­ждения изделие извлекают из формы, производят обрезку кромок, зачи­стку и другие финишные операции. Этот метод целесообразно исполь­зовать в мелкосерийном производстве изделий сложной формы, к кото­рым предъявляются невысокие требования по прочности.

Рис. 3. Элементы конструкции формы и изделия

при формовании ручной выкладкой:

1 - форма; 2 - разделительная пленка; 3 - наружный смоляной слой;

4 - стекловолокно; 5 - ручной валик; 6 - смола в смеси с катализатором

Нанесение покрытия напылением

Измельченное волокно и связующее одновременно вводятся в от­крытую форму или на нее. При использовании, например, стекловолок­ на ровинг проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в форму распылительной системой с на­ ружным или внутренним смешением компонентов (рис. 4).

Рис. 4. Безвоздушная система напыления с двумя ёмкостями:

1 - ровинг ; 2 - смола с катализатором; 3 - рубильное устройство;

4 - смола с ускорителем; 5 - уплотненный слой; 6 - валик; 7 – форма

При этом одна распылительная головка впрыскивает смолу, пред­варительно смешанную с катализатором, или только катализатор, в то время как вторая головка впрыскивает заранее полученную смесь смо­лы с ускорителем. Смола и катализатор подаются в смесительную ка­ меру распылителя позади единственной распылительной головки. В обоих случаях полимерная композиция предварительно покрывает стекловолокно, и объединенный поток равномерно распыляется опера­ тором в форме по заданной схеме.

После введения в форму смеси смолы со стекловолокном образо­вавшийся слой прикатывают вручную для удаления воздуха, уплотне­ ния волокон и получения гладкой поверхности. Технология отверждения и обрезки кромок аналогична применяемой при формовании ручной ук­ ладки.

Процессы упругого формования конструкций

К преимуществам упругого формования крупногабаритных изделий относится технологическая простота методов, возможность производст­ва высокопрочных и герметичных изделий при использовании сравни­тельно простой и дешевой технологической оснастки и оборудования. Методы упругого формования позволяют изготовлять конструкции лю­бого профиля и конфигурации.

Равномерное приложение упругого давления перпендикулярно формуемой стенке в процессе производства позволяет обеспечить вы­сокую объемную плотность структуры и монолитность материала, с по­вышением которых возрастают механические свойства готового мате­риала, прочность и надежность изделий.

В настоящее время нашли применение следующие основные ме­тоды упругого формования: вакуумное, автоклавное, пресскамерное , центробежное. Обычно эти методы применяются в качестве оконча­тельных технологических операций, за исключением центробежного формования, которое часто используется как предварительная техно­логическая операция.

При выборе метода упругого формования следует иметь в виду, что физико-механические свойства материала в значительной степени зависят от типа арматуры, полимерного связующего и параметров тех­нологического процесса (контактного давления формования, технологи­ческого натяжения стеклоарматуры и температуры формования.

Экспериментально установлено, что определяющим технологиче­ским параметром упругого формования является контактное давление.

Температура формования должна подбираться таким образом, чтобы была обеспечена оптимальная технологическая вязкость свя­зующего. Однако при повышенной вязкости ухудшается качество про­питки арматуры или наполнителя, в результате чего уменьшается плот­ность и механические свойства готовых стеклопластиков. При вязкости меньше оптимальной происходит отжим связующего из структуры мате­риала при формовании изделий на выступающих поверхностях и реб­рах, что приводит к неоднородности механических характеристик изде­лий и снижению их герметичности. Обычно оптимальная температура формования подбирается опытным путем в зависимости от конструк­тивных особенностей изделия, типа арматуры, связующего, оборудова­ния и т.п. с учетом конкретной производственной обстановки.

Метод вакуумного формования

Вакуумное формование применяется обычно в опытном и мелкосе­рийном производстве и состоит из трех технологических операций: 1) получение заготовки; 2) упругое обжатие этой заготовки с помощью резинового мешка под вакуумом; 3) отверждение.

Давление, создаваемое при вакуумном формовании, составляет 0,5-0,8 кГ /см 2 . Технологически операция вакуумного формования вы­полняется в следующем порядке (рис. 5). На форму позитивного или негативного типа, поверхности которой покрыты разделительным слоем смазки или пленки, наносится декоративный слой полимерного связую­щего. Затем после некоторой выдержки наносится второй слой связую­щего, и поверх него выкладывается в соответствии с заданной схемой армирования арматура.

При изготовлении крупногабаритных изделий для увеличения про­изводительности и снижения трудоемкости формования в качестве ар­матуры применяют ткани, а в качестве наполнителя - маты. Нанесенный слой материала прикатывается формующим роликом для качест­венной пропитки и равномерной плотности структуры по всему сечению стенки готового изделия. Далее многократно повторяется нанесение слоя связующего и арматуры с прикаткой до получения заданной тол­щины стенки формуемого изделия, но не более 8-10 мм. Сверху на от­формованную заготовку накладывается слой целлофана, что придает готовому изделию хороший внешний вид. На этом заканчивается пер­вый технологический переход операции упругого вакуумного формова­ния для предварительного получения заготовки изделия. Первый тех­нологический переход целесообразно выделить как самостоятельную операцию предварительного формования. Это позволит вместо трудо­емкого и вредного ручного контактного формования организовать высо­копроизводительное и автоматизированное производство заготовок ме­тодами предварительного формования: обмоткой, центробежным спо­собом, насасыванием, напылением и т.п.

Рис. 5. Схема вакуумного формования:

1 - резиновая диафрагма; 2 - изделие; 3 - форма

Вторым технологическим переходом является вакуумная опрессовка изделия. Для этого полученная заготовка покрывается дренажным слоем прорезиненной стеклоткани, а затем резиновым чехлом, который герметизируется по краям и подсоединяется к шлангу вакуум-насоса. Сборка помещается в термокамеру , после чего под чехлом создается вакуум. Величина вакуума определяется типом связующего, термиче­скими режимами отверждения и, главное, конструктивными формами изделия. Чем больше вакуум, тем при прочих равных условиях плотнее получается структура материала, выше его прочность и герметичность. Однако величина вакуума ограничивается возможностями вакуум-установок . С уменьшением используемого вакуума увеличивается срок службы вакуумных насосов. Обычно величина вакуума, создаваемого под чехлом, должна быть не менее 160 мм рт. ст.

Третий технологический переход - отверждение отформованного изделия. Термический режим отверждения под вакуумом зависит от марки используемого связующего и в каждом отдельном случае уста­навливается соответствующим регламентом технологического процесса.

Достоинством вакуумного формования является его технологиче­ская простота, несложность оснастки и оборудования. Однако недоста­точная плотность и сравнительно невысокая механическая прочность пластиков, получаемых при вакуумном формовании, не позволяют ис­пользовать его для изготовления крупногабаритных деталей с толщи­ной стенок более 8-10 мм. Точность геометрических размеров готовых изделий определяется точностью соответствующих размеров техноло­гической оснастки, ее жесткостью и температурными деформациями.

Метод автоклавного упругого формования

Для получения высокоточных и прочных изделий при формовании глубоких профилей и поверхностей сложной конфигурации недостаточ­но контактного давления упругого формования, создаваемого только за счет вакуума под резиновым чехлом. Однако наличие герметичного уп­ ругого чехла на формуемом изделии позволяет создать дополнитель­ное давление за счет увеличения наружного давления на чехол. При этом сборка для вакуумного формования помещается не в термошкаф , а в автоклав, где, помимо заданного температурного режима, создается высокое давление, которое, прижимая чехол к формуемой заготовке, уплотняет ее (рис. 6). В автоклав, подается пар, вода или сжатый воз­дух, с помощью которых давление доводится до заданной технологиче­ским регламентом величины.

Таким образом, при упругом формовании автоклавным методом должны выполняться следующие технологические этапы (переходы): предварительное формование полуфабриката, вакуумирование , авто­клавная опрессовка , отверждение. Последние два этапа технологически совмещены.

Полученная одним из методов предварительного формования за­готовка надевается на жесткую форму, дренажируется слоем прорези­ненной ткани, покрывается резиновым чехлом, герметизируется и по­ступает в автоклав. Вначале создается вакуум для удаления воздуха из-под герметизированного чехла. Кроме того, вакуум повышает качест­ во пропитки с арматуры, улучшая герметичность и механические свой­ства изделия. Через 20-30 мин. в автоклаве медленно поднимается давление до 1 атм , после чего вакуум снимается и давление повышается до расчетного. Величина автоклавного давления зависит от формы изделия, толщины его стенок, используемой арматуры, связующего и принимается в пределах 5-25 кГ /см 2 . Изделия, отформованные авто­ клавным способом, имеют весьма высокие прочностные характеристики.

Рис. 6. Схема автоклавного формования

Метод упругого формования применяется в том случае, когда к из­ делиям предъявляются повышенные требования в отношении герме­тичности и прочности.

Пленочное формование является разновидностью метода упругого формования. Отличается оно тем, что вместо резинового чехла и дре­нажных слоев прорезиненной ткани применяют прозрачную бесшовную пленку из поливинилового спирта, изготовленную из одного листа и скроенную по форме изделия. При этом внешняя поверхность изделия получается гладкой, блестящей, без складок, морщин и пузырей.

Метод пресс-камерного формования

Этот метод основан на использовании жесткой формы негативного типа (пресс-камеры ) и упругого (надувного) пуансона (рис. 7). Внеш­няя поверхность стеклопластикового изделия оформляется поверхно­стью жесткой формы, а внутренняя - упругим резиновым чехлом.

Рис. 7. Схема пресс-камерного формования:

1 - эластичная диафрагма; 2 - крышка формы; 3 - канал для подачи сжатого

газа; 4 - боковое выпускное отверстие; 5 - канал для соединения с атмосферой

или вакуумом; 6 - композиционный материал; 7 – дренаж

Предварительно отформованное изделие помещается в жесткую пресс-камерную форму, стенки которой способны выдержать большие внутренние давления. Внутрь заготовки вводится резиновый чехол, прикрепленный к верхней плите пресс-камеры и герметично заделан­ный. Плита жестко скрепляется с пресс-камерой, после чего в пресс-камеру подается сжатый воздух пар или вода, которые создают рабочее давление упругого формования от 1,5 до 5 кГ /см 2 . Однако воздух, ос­тавшийся между чехлом и формуемой массой полуфабриката изделия, может скапливаться в застойных зонах и при формовании диффунди­ровать в структуру материала. Это не позволяет получить качественной поверхности, плотности, герметичности и отрицательно сказывается на механической прочности. Поэтому для повышения качества пресс-камерного формования рекомендуется применять вакуумный отсос воздуха из-под резинового чехла.

Таким образом, технологическая структура операции пресс-камер­ного формования выглядит так: предварительное формование полу­фабриката, вакуумирование (при необходимости), нагнетание рабочей среды в упругий пуансон пресс-камеры, отверждение. В условиях се­рийного производства данный способ позволяет получать изделия вы­сокой прочности и герметичности.

Методы жесткого формования

Для получения крупногабаритных изделий с высокой точностью размеров, геометрических форм и взаимного расположения поверхно­стей при высоком качестве и чистоте как наружных, так и внутренних поверхностей рекомендуется применять методы жесткого формования.

При жестком формовании в зависимости от конструктивной сложности геометрии изделия плотность и механические свойства готового мате­риала не всегда получаются одинаковыми, но уровень этих показателей достаточно высок, благодаря чему механическая прочность деталей мало уступает прочности изделий, полученных методом упругого фор­мования. Однако при жестком формовании несколько усложняется и удорожается стоимость технологической оснастки. Поэтому этот метод рекомендуется использовать в серийном и крупносерийном производ­стве.

Структурные критерии и механические свойства пластиков при же­стком формовании изделий зависят от типа используемых арматуры и связующего, конфигурации изделия и технологических параметров про­цесса формования и отверждения. В частности, конфигурация изделия оказывает непосредственное влияние на величину контактного давле­ния (рис. 8).

Рис. 8. Технологическая схема жесткого

формования с помощью цулаги

При рабочем движении жесткого формующего элемента, который, в отличие от пуансона матрицы, принято называть цулагой , создается требуемая величина контактного давления N . При этом, если считать, что вертикальная составляющая этого давления q будет величиной по­стоянной в любом горизонтальном сечении, т.е. q = const по высоте из­делия, то контактное давление, перпендикулярное к формуемой стенке, будет зависеть от угла γ, образуемого нормалью к поверхности цулаги и плоскостью горизонтального сечения:

Таким образом, в силу зависимости N от геометрии детали и непо­стоянства его даже в пределах одной и той же поверхности в качестве технологического параметра следует принять контактное давление же­сткого формования q на горизонтальную проекцию поверхности фор­мования S :

где Р - сила, действующая на цулагу .

С увеличением температуры формования t улучшается формуемость , уменьшается величина усилий Р и контактного давления формо­вания в плане q , поскольку с увеличением температуры уменьшается технологическая вязкость и когезия связующего, но повышается качест­во пропитки и его аутогезия . Однако при повышенных температурах формования вследствие низкой вязкости возможен отжим связующего из структуры материала и уменьшение его процентного содержания в пластике. По этой же причине возможно передавливание арматуры, не­одинаковая плотность и большая неоднородность механических свойств в готовом изделии. Поэтому величина температуры должна быть строго регламентирована в зависимости от типа связующего, ар­матуры, давления формования и геометрии изделия. Большое влияние на плотность и прочность изделий оказывает величина контактного давления жесткого формования.

Компрессионное формование с помощью жесткой цулаги

При компрессионном формовании крупногабаритных изделий ис­пользуются жесткие формы негативного и позитивного типа. Рабочие поверхности формы покрываются слоем антиадгезионной разделитель­ной смазки или пленки. Затем подготовленная таким образом поверх­ность формы покрывается ровным слоем связующего . В связующее при этом могут быть добавлены пигменты, поскольку данный слой является декоративным. Это позволит получить хорошие глянцевые поверхности желаемого цвета. Спустя несколько минут наносят слой связующего, на который выкладывают слой арматуры или наполнителя. Далее контакт­ным или другим методом получают предварительно отформованную заготовку и монтируют ее в форме.

На открытую поверхность массы укладывается целлофановая пленка, а на нее - дренажные разделительные слои в виде прорези­ненной ткани или специально изготовленного чехла. Затем устанавли­вается жесткая металлическая цулага , рабочая поверхность которой повторяет профиль и размеры соответствующих поверхностей готового изделия с учетом температурных деформаций формы, изделия и уса­дочных явлений и т.п. Для окончательного формования изделия извест­ны методы нагружения с помощью вакуумного чехла или автоклавный способ. В обоих случаях поверх цулаги надевается и герметизируется резиновый чехол, изготовленный по внешнему контуру цулаги . В таком виде сборка подается в автоклав, и тогда давление жесткого формова­ния будет равно давлению рабочей среды в автоклаве, т.е. q =q n .

Однако для повышения качества формования, плотности и герме­тичности структуры, улучшения чистоты внешних поверхностей изделия и увеличения его механической прочности целесообразно наряду с ав­токлавным давлением применять вакуумирование объема формы.

Предварительное формование полуфабриката;

Окончательное компрессионное формование изделия;

Отверждение.

При компрессионном формовании вакуумным способом под герме­тизирующим чехлом создается разрежение 400-500 мм.р т.ст . Это по­зволяет изготовлять качественные, прочные и точные изделия только с малой толщиной стенок, ибо благодаря этому удается обеспечить дос­таточно высокую плотность структуры. Такие изделия после компресси­онного вакуумирования и отверждения имеют высокие точность разме­ров и чистоту поверхности.

Для повышения точности изделий, формуемых компрессионным методом, необходимо строго регламентировать критерии предвари­тельного формования (размеры, плотность и т.п.) и технологические параметры окончательного формования, а также применять высокие Давления компрессии, регламентировать рабочее перемещение цулаги при формовании.

Метод жесткого формования в замкнутых формах

Когда к изделиям предъявляются повышенные требования по точ­ности размеров и геометрических форм, рекомендуется применять ме­тод формования сухого полуфабриката в жесткой разъемной форме с последующей пропиткой материала путем нагнетания или инжекции связующего в замкнутую форму. Технологически это выполняется сле­дующим образом. Изготовляется полуфабрикат из арматуры (или на­полнителя), имеющий форму изделия. Для сохранения формы, приданной полуфабрикату, в структуру добавляют несколько процентов связующего для скрепления волокон арматуры. Просушенный полуфабрикат монти­руется в форме, рабочие поверхности которой предварительно покрыты антиадгезионным составом. После замыкания формы волокнистый по­луфабрикат оказывается заключенным в жестком объеме, имеющем размеры и геометрию высокой точности. Далее из формы удаляют воз­дух и пространство между ее поверхностями и волокнами полуфабри­ката заполняют полимерным связующим (методом нагнетания или вса­сывания).

По схеме пропитки всасыванием с помощью вакуума, требуется соответствующая герметизация формы. Под дей­ствием вакуума из формы сначала удаляется основная масса воздуха. Затем происходит всасывание жидкого связующего до тех пор, пока оно не пропитает всю массу полуфабриката и не начнет перетекать через штуцер слива. Штуцер, к которому подключается вакуум-насос, распо­лагается в самой верхней точке формы, связующее подводится по тру­бопроводу от специальных емкостей к самым нижним ее точкам. После пропитки сборка поступает на термическое отверждение.

На рис. 9 показана схема пропитки полуфабриката методом на­гнетания связующего, которая может применяться для связующих горя­ чего и холодного отверждения.

Рис. 9. Формование в замкнутых жестких

формах методом компрессии

В этом случае под действием сжатого воздуха или другим способом смола с инициатором нагнетается в замкнутую полость формы в самой нижней ее точке. Пропитав волокнистую массу полуфабриката, поли­мерная смола с воздушными включениями (пузырями) перекачивается через сливной штуцер, установленный в самой верхней точке формы, до полного удаления пузырьков воздуха.

После этого в форму подают смесь с ускорителем и инициатором. Связующее вытесняет предыдущую порцию смолы и обеспечивает ка­чественную пропитку материала.

Таким образом, технологическая структура формования в жесткой замкнутой форме крупногабаритных деталей с инжекционной пропиткой связующим может быть представлена следующим образом: предвари­тельное формование полуфабриката; инжекционный метод пропитки полуфабриката связующим в замкнутой форме; отверждение.

Данный метод позволяет изготовлять изделия с высокой точностью размеров и геометрических форм и высокой чистотой поверхности. Од­ нако отформованные этим способом изделия будут иметь неоднород­ные плотность структуры и механические свойства. Прочность таких изделий уступает аналогичным деталям, изготовленным методами ком­ прессионного жесткого или упругого автоклавного и пресс-камерного формования.

Недостатком этого метода является сложность и высокая стои­ мость применяемой технологической оснастки.

Намотка волокном

Намотка волокном - сравнительно простой процесс, в котором ар­мирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгут) или нити (пряжи) наматывается на вращающуюся оправку. Специальные меха­низмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение арми­рующего материала. Его можно обертывать 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. При «мокрой» намотке связующее наносится в процессе самой намотки. «Сухая» намотка основана на использова­нии ровинга , предварительно пропитанного смолой - препрега . Обычно отверждение идет при повышенной температуре без избыточного дав­ления, и завершающей стадией процесса является снятие изделия с оправки.

Основной процесс имеет множество вариантов, различающихся в широких пределах характером намотки, особенностями конструкции, комбинацией материалов и типом оборудования. Конструкции 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 получены в виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. Намоткой можно формовать также изделия сферической, кони­ческой и геодезической формы. Для получения сосудов высокого дав­ления и резервуаров в намотку вводят торцовые заглушки.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирую­щий материал, а основными материалами для матрицы служат эпок­сидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для намотки применяются машины различных типов: от разновидностей токарных станков и машин с цепным приводом до более сложных ком­пьютеризованных агрегатов с тремя или четырьмя осями движения.

Процесс намотки. Методы и схемы намотки

Наибольшее распространение получили два основных вида намот­ки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою характерную схему расположения волокна. При полюсной (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 вперед на расстояние, соответствующее одной ширине полосы волокон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой (рис. 10). Полосы волокна укладываются впритык одна за другой, го­товый слой состоит из двух сложений, направленных в противополож­ные стороны относительно угла намотки.

Рис. 10. Однослойная полюсная намотка

При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то вре­мя как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно поступа­тельно. Скорость перемещения каретки и частота вращения оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося рисунка требуется несколько витков. Такая схема намотки показана на рисунке 11.

Находят применение и другие методы намотки.

Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают под углом, близким к 90 ° , причем за один оборот подающее устройство про­двигается на ширину полосы. Считается, что слой состоит из одного сложения. Окруженные 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 минимальный угол опреде­ляется величиной полюсных отверстий с обоих концов.

Рис. 11. Схема спирально винтовой намотки:

1 - оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - катушка с лентой

Для производства из препрегов многослойных изделий используется технология автоклавного формования. Название метод получил, благодаря использованию автоклава, который позволяет обрабатывать внешнюю часть детали при высоком давлении. Изначально технология находила применение для фиксации деталей при производстве изделий для самолетов. В форму укладывают препрег или пакет, состоящий из нескольких слоев. Вместе с формой препрег помещается в вакуумный мешок, где происходит постепенное снижение давления. Формование с помощью вакуумного мешка представляет собой метод, который предполагает отверждение изделия путем создания градиента давления по отношению к обычному атмосферному давлению.

Этапы автоклавного формования:

• Заданное количество слоев препрега укладывается на форму.
• Отверждение осуществляется в автоклаве под высоким давлением и при высокой температуре.
• Отвержденные изделия подвергаются обработке: зачистке, отделке.

Вакуумный мешок зачастую применяется для отверждения в автоклаве. Основные свойства изделия определяются типом мешка, методом выкладки препрега.

Специфика технологии автоклавного формования

Применение вакуумного мешка дает возможность получить изделия из стеклопластика высокого качества с низким показателем пористости. Поверхность изделий отличается высоким качеством. С помощью технологии можно формовать крупногабаритные изделия. Особенностью метода является возможность получать детали равномерной толщины.

Технология имеет свои недочеты: стоимость метода высока, производство трудоемко, не подходит для массового изготовления деталей. Но эффективность технологии неоспорима при выпуске деталей из легких стеклопластиков.

Снизить стоимость процесса производства и изготавливаемых методом деталей можно путем автоматизации отдельных операций, механизации процесса. Для вакуумных мешков стоит подобрать иные материалы, что также повлияет на стоимость изделий. Неоднократно можно применять мешки из силиконового каучука. В процессе производства важно точно подобрать температурные показатели и уровень давления, так как данные параметры влияют на свойства детали.

Стоит помнить, что применение вакуумных мешков связано с пожароопасностью. Несоблюдение требований безопасности может стать причиной взрывов и возгорания в процессе автоклавного формования. Для обеспечения безопасности можно использовать инертную газовую среду с содержанием азота.

Путем различных комбинаций связующих и наполнителей получают ПКМ с необходимыми физико-механическими и физическими характеристи­ками для эксплуатации в различных условиях. Процессы производстваПКМ и изделий из них часто совмещены. Это позволяет существенно сни­зить общую стоимость изделий и, несмотря на сравнительно большую тру­доемкость, сделать их экономически конкурентоспособными с обычными промышленными товарами.

Намотка. На стальную оправку (дорн), повторяющую форму изделия и являю­щуюся основной рабочей частью намоточного агрегата, наматывается с натяжением армирующий волокнистый наполнитель (волокно, нити, жгуты, ровницы, ленты, ткани) мокрым (наполнитель пропитывается в процессе намотки) или сухим (используются препреги) способом. Наматывается также непрочитанный наполнитель, после чего заготовку пропитывают связующим в замкнутой форме под давлением. По кинематическому при­знаку различают токарную, шлифовальную и обмоточную схемы намотки, по типу укладки армировки в намотанном изделии - окружную, спиральную, поперечную, продольную, планарную и различные их сочетания. Намотанная заготовка формуется с помощью компрессионного прессования, вакуумного пресс-камерного или вакуумно-автоклавного метода.

Параметры процесса (натяжение, шаг намотки, угол намотки, скорость намотки) определяются типом ПКМ, конфигурацией и габаритными размерами изделия.

Оборудование: специальные намоточные агрегаты на основе модерни­зированных токарных и шлифовальных станков.

Применяется для изготовления изделий, имеющих форму тел враще­ния: цилиндров, конусов, сфер, труб, оболочек различных форм.

Прессование заключается в пластической деформации материала при одновременном воздействии на него тепла и давления и в последующей фиксации формы изделия. Проводится, как правило, в прессформах.Прессформы устанавливаются на прессах, назначение которых - создание не­обходимого давления прессования. Помещенный в пресс-форму холодный или предварительно подогретый материал разогревается до температуры прессования и, подвергаясь под давлением прессования деформации од­номерного течения, заполняет полость пресс-формы и одновременно уп­лотняется. Фиксация формы изделия происходит в результате отверждения реактопластов или охлаждения термопластов, либо охлаждения под дав­лением до температуры ниже температуры стеклования полимера (для тер­мопластов).

Параметры процесса: начальная температура ПКМ и пресс-формы, удельное давление и скорость его приложения, время выдержки в пресс-форме, температура извлечения изделия из пресс-формы, давление прессо­вания 0,01-250 МПа. При переработке реактопластов решающее влияние на режим оказывает скорость отверждения, а при прессовании термоплас­тов - скорость охлаждения сформованного изделия.

Оборудование: прессы.

Применяется для получения изделий сложной формы, разнообразных размеров и толщин из ПКМ с порошкообразными, волокнистыми, листовыми волокнистыми наполнителями на основе термопластичных и реактивных связующих.

Метод прессования имеет разновидности: прямое прессование (горячее

или компрессионное), литьевое прессование (трансферное), профиль, прессование (штранг-прессование).

Прямое прессование. Пресс-материал в виде порошка, таблеток лиь^ заготовок из листовых или волокнистых полуфабрикатов загружают в открытую полость пресс-формы или между обогреваемыми плитами пресса и подвергают воздействию тепла и давления.

Параметры процесса определяются типом ПКМ, конфигурацией и га­баритными размерами изделия.

Оборудование: прессы.

Применяется для переработки термореактивных и термопластичных ПКМ, изготовления толстых листов, блоков, толстостенных изделий сложной формы и переменного сечения; заготовок простой формы, под­вергающихся дальнейшей механической обработке; изделий из ПКМ, со­держащих большое количество абразивных частиц.

Литьевое прессование. Предварительно размягченный (пластицирован-ный) материал впрыскивается перемещающимся в осевом направлении поршнем из загрузочной камеры через литниковые каналы в предварительно замкнутую пресс-форму.

Параметры процесса: удельное давление впрыска 150-200 МПа, дав­ление в пресс-форме 50-65 МПа.

Оборудование: специальные трансферные гидравлические прессы с двумя (верхним и нижним) рабочими плунжерами или универсальные прессы с одним верхним плунжером.

Применяется главным образом для переработки ПКМ на основе быстроотверждающихся реактопластов и высоковязких термопластов.

Профильное прессование. Пресс-материал продавливается через про­фильную фильеру с открытыми входными и выходными отверстиями или специальную головку. В процессе продавливания происходит формование и получение данного профиля, а в случае термореактивных материалов - их отверждение. Процесс с периодически повторяющимся циклом, обеспе­чивающий непрерывное производство профилей благодаря тому, что за один цикл выдавливается не вся порция ПКМ и оставшийся подогретый ПКМ сваривается с вновь поступившей порцией. Метод занимает проме­жуточное положение между прессованием и экструзией.

Параметры процесса: давление прессования 250-400 МПа для ре­актопластов и 40-50 МПа для термопластов.

Оборудование: специальные горизонтальные прессы, поршень которых медленно совершает рабочий ход и быстро возвращается в исходное по­ложение, пресс-форма со сменной матрицей.

Применяется (наряду с экструзией) для получения труб, стержней и других профильных изделий большой длины.

Автоклавный метод. Заготовка ПКМ, герметично упакованная в ре­зиновый чехол, помещается в автоклав. Давление прессования создается паром, горячей водой, глицерином или сжатым воздухом, нагнетаемым в автоклав. Обогрев осуществляется паром, горячей водой, жидкостью или обогревателями, расположенными в форме.

Параметры процесса: давление формования 0,5-7 МПа; температур­ный режим определяется типом ПКМ. Заготовка формуется при всесторон­нем равномерном давлении. Оборудование: автоклав.

Применяется для изготовления больших серий крупных и сложных, изделий с высокими физико-механическими показателями

Пневматическое формование.Этот метод имеет две разновидности: негативное формование, когда сжатый воздух выполняет роль пуансона, и позитивное формование, когда сжатый воздух выполняет роль матрицы. В предварительно нагретую форму быстро переносится разогретая заготовка, которая герметично за­жимается по периметру формы. Затем производится формование под действием сжатого воздуха, нагнетаемого в пневмокамеру, после чего изделие охлаждается и извлекается из формы.

Параметры: давление сжатого воздуха до 2,0 МПа, температура зави­сит от свойств формуемого материала.

Оборудование: гидропресс, матрица (или пуансон), системы обогрева и подачи сжатого воздуха.

Применяется для изготовления пустотелых изделий, используемых в приборостроении, химической, станкостроительной и других отраслях промышленности

Контактное формованиеСлои препрега или волокнистого наполнителя послойно выкладывают­ся (наматываются) на форму с одновременной пропиткой его связующим (чаще всего холодного отверждения) и уплотнением прикаточным роли­ком или кистью, которой наносится связующее. Затем они отверждаются без давления или опрессовываются контрматрицей под давлением 0,01- 0,2 МПа. Снятые с формы изделия подвергаются механической обработке. Метод обеспечивает чистоту и точные размеры изделия, которое непосред­ственно контактирует с формой в процессе прессования.

Параметры процесса (температура, давление, их изменение во времени, продолжительность формования и выдержки) зависят от свойств свя­зующего и наполнителя, конфигурации и размеров формуемого изделия.

Оборудование: метод прост, не требует специального оборудования - используется одна (негативная или позитивная) форма.

Применяется для изготовления крупногабаритных изделий при мел­косерийном производстве: корпусов лодок, небольших катеров, кузовов автобусов, фургонов и др.

Автоклавное формование. Препрег или многослойный пакет из пре-прега на основе углеродных волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием. Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.

Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов: 1) на форму накладывают необходимое число слоев препрега; 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение; 3) осуществляют отделку (зачистку) от-вержденных изделий. Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является

периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д.

Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования: 1) возможность получения изделий равномерной толщины; 2) возможность формования крупногабаритных изделий; 3) высокое качество поверхности изделий; 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.

Недостаток метода автоклавного формования заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. Тем не менее он весьма эффективен для изготовления изделий из таких высококачественных и легких материалов, как углепластики. Перспектива снижения стоимости процесса (соответственно и изделий) связана с механизацией и автоматизацией ряда операций, сокращением благодаря этому трудовых затрат и подбором лучших материалов для вакуумных мешков. Исследуется возможность применения для этого метода термостойких и долговечных мешков из силиконового каучука, которые можно использовать многократно. В частности, важно выбирать температуру и давление с учетом характеристик процесса отверждения, так как эти параметры оказывают значительное влияние на свойства формуемого изделия.

Надо отметить пожароопасность использования вакуумных мешков в методе автоклавного формования. Некоторые примеры возгорания и взрывов при использовании этого метода приведены в работе. Поэтому необходимо применять инертную газовую среду (например, азот) и принимать другие меры безопасности при автоклавном формовании.

Отверждение заготовок происходит в печи или непосредствен­но в автоклаве. Температура и продолжительность процесса отверждеиия определяются типом связующего и геометрией детали.

Охлаждение детали происходит под давлением совместно со всей оснасткой. После охлаждения деталь извлекается из формы и при необходимости проходит дальнейшую обработку.

Пултрузия. В последние годы широкое применение находят профили, прутки, трубы и другие конструктивные элементы, изго­товляемые из волокнистых композитов на полимерной матрице путем непрерывного протягивания армирующего материала, про­питанного связующим отверждаемого в профилирующей форме специальной установки. Такои процесс называют пул трузией (по аналогии с зкструзией, при которой материал выходит через фильеру под действием давления). При пултрузин он протягива­ется под действием внешнего усилия. Схема установки для полу­чения конструктивных элементов пултрузией показана на рис1.13.

Рис. 1.13. Схема упаковки для изготовлении элементов пултрузией:

а - схема процеса пултрузии. б - вид продукции(сечение профилей).

1 - армирующий материал. 2 - ванночка со связующим. 3 - напровляюшие роли­ки. 4 - матрица. 5 - обогреваемоя пресс форма. 6 - печь для термообработки. 7 - тянущее устройство. 8 - устройство для резки профиля. 9 - накопитель для заготовок.

Армирующий материал (жгуты, холсты или тканые ленты) по­следовательно проходит через ванну с жидким связующим 2, про­питывается, сжимается и идет 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 формования дополнительно гермообрабатывают в печи 6.

Материал протягивается по всему тракту формообразования с помощью какого-либо тянущего устройства, например фрикцион­ной роликовой передачи, гусеничного механизма и т. п. Получен­ный профиль, труба или пруток разрезается на части определен­ной длины к далее может использоваться при сборке конструкций.

Описывается способ отверждения композиционных материалов, осуществляемый путем ступенчатого нагревания и выдержки до получения отвержденного композиционного материала. Нагревание осуществляют от комнатной температуры до 128 - 132 o C со скоростью 0,8 - 1,2 o C/мин, выдерживают при этой температуре 28 - 32 мин, после чего нагревают до (175 1) o C со скоростью 1,8 - 2,2 o C/мин, причем в ходе нагревания и выдержки на температурах изотерм проводят постоянное измерение величин электропроводности и тангенса угла диэлектрических потерь, а процесс отверждения завершают при достижении постоянных во времени значений указанных величин. Технический результат - упрощение процесса, повышение качества материала за счет достижения беспористости матрицы - связующего ЭНФБ и проведения режима отверждения композитов по режиму получения беспористой матрицы. При этом полимерные материалы визуально однородны по объему, имеют стабильную (99%) степень отверждения. 4 табл.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе эпоксифенольного связующего марки ЭНФБ, которые могут найти применение при получении препрегов. Связующее ЭНФБ состоит из смеси следующих компонентов: эпоксинаволачной смолы ЭН-6, анилинофенолформальдегидной смолы СФ-341 А, фурфурилглицидилового эфира ЭФУ, катализатора УП-605/3 и спирто-ацетоновой смеси (Технологическая инструкция ТИ 59-1004-82. Приготовление, контроль качества и хранение связующих 5-211Б, ЭНФБ. Копия выписки прилагается). Известен режим автоклавного формования углепластика КМУ-4 на связующем ЭНФБ /Технологическая инструкция ТИ 59-1004-82. Режим автоклавного формования углепластика КМУ-4 на связующем ЭНФБ п/я А-3396), который является наиболее близким по технической сущности способом отверждения композиционного материала на основе эпоксифенольного связующего ЭНФБ путем ступенчатого нагревания и выдержки до получения отвержденного композиционного материала. Согласно известному способу проводят нагрев до (801) o C за 20-30 мин при создании вакуума 0,08-0,09 МПа (0,8-0,9 кгс/см 2) с последующим выключением вакуумного насоса и соединением вакуумной системы с атмосферой, дальнейшим подъемом температуры до второй температурной точки (1107 o C) в течение 10-15 мин при достижении давления к этому времени 0,6 МПа (6 кгс/см 2), подъемом температуры до третьей температурной точки, изменяющейся в зависимости от типа наполнителя (1655 o C) для КМУ-4 или (1755 o C) для КМУ-43 с выдержкой на данной точке в течение 6 ч. То есть, нагрев в среднем осуществляют со скоростью 2-3 o C/мин с выключением вакуума в интервале 80-175 o C с общим циклом термообработки порядка 7 ч. Охлаждение проводят со скоростью 0,5-1,0 o C/мин до 40-50 o C под давлением не менее 0,25 МПа (2,5 кгс/см 2). Недостатком данного способа является длительный цикл отверждения (порядка 7 ч) и возможность получения некачественного материала из-за его прогрева на высокой технологической скорости на участке гелеобразования в температурном интервале 80-175 o C с выключением вакуума при нарастающем давлении, что может привести к запиранию летучих, образующихся в процессе реакции отверждения (поликонденсации) внутри материала, и их последующему взрывному выходу, вызывающему коробление получаемого ПКМ. Кроме того, для разных типов наполнителей используется различная температура максимального отверждения, что делает режим неприемлемым для других видов наполнителей, причем длительное время термообработки при температуре максимального отверждения может вызвать дополнительную порчу материала вследствие термодеструкции. Предлагаемым изобретением решаются следующие задачи: упрощается технология получения композиционных материалов на основе связующего ЭНФБ за счет возможности проведения режима отверждения с использованием одной и той же температуры отверждения для различных видов наполнителей, сокращения в два раза режима отверждения по сравнению с прототипом. При этом материалы получаются гарантированно без пор и воздушных включений со стабильной степенью отверждения 99%. Снижаются трудоэнергозатраты. Для достижения этого технического результата в способе отверждения композиционных материалов на основе эпоксифенольного связующего ЭНФБ, осуществляемого путем ступенчатого нагревания и выдержки до получения отвержденного композиционного материала, осуществляют нагревание от комнатной температуры до 128-132 o C со скоростью 0,8-1,2 o C/мин, выдерживают при этой температуре материал в течение 28-32 мин, затем нагревают до (175 2) o C со скоростью 1,8-2,2 o C/мин, выдерживают при этой температуре до получения отвержденного материала, причем в ходе нагрева и выдержки материала при данных температурах проводят постоянное измерение величин электропроводимости и тангенса угла диэлектрических потерь, а процесс отверждения завершают при достижении постоянных во времени значений указанных величин. Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. В печь со смотровым окном, нагреваемую по заданному режиму, помещают бюкс с 1 мл связующего ЭНФБ и электрофизическую ячейку в виде высокой стеклянной пробирки с вставленными в нее двумя медными электродами (диаметр рабочего электрода - 1 см), расстояние между электродами - 1 см), куда заливают связующее ЭНФБ в количестве 30 мл. Смотровое окно печи позволяет визуально наблюдать картину отверждения материала. Тонкий слой связующего в бюксе с открытой поверхностью позволяет имитировать слой связующего на стеклоткани, вид продукта между электродами электрофизической ячейки - толстый слой связующего в многослойных композитах или монолитных толстостенных изделиях. Бюкс и ячейку с образцом связующего ЭНФБ нагревают по режиму: со скоростью 1,0 o C/мин до 130 o C с выдержкой на этой температуре в течение 30 мин, со скоростью 2,0 o C/мин до температуры максимального отверждения 175 o C с выдержкой на этой температуре до достижения постоянных значений электропроводимости G, контролируя конец отверждения по достижении постоянных значений тангенса угла диэлектрических потерь (tg ). Продукт отверждения визуально однороден, монолитен, без воздушных включений и пор. Данные электрофизического анализа отверждения связующего ЭНФБ по данному режиму представлены в таблице 1. Как видно из данных таблицы, значения G и tg стабилизируются через 192 мин нагрева. Дальнейшее нагревание в течение 60 мин не изменило показаний электрофизических параметров, что говорит о полном протекании отверждения при 192 мин нагрева. Изменение электропроводимости от ее максимального значения 3,300 S (65 o C) в конце отверждения произошло на 3 порядка: 0,0036 S (175 o C), что говорит о глубоком отверждении материала и его высоких диэлектрических свойствах. Условия отверждения связующего ЭНФБ по этому режиму приведены в таблице 2, опыт 5. Аналогично этому примеру проведения оптимального режима отверждения связующего ЭНФБ проведена серия экспериментов проведения режима отверждения связующего ЭНФБ для обработки условий, не вызывающих визуальной порчи материала при наименьшем времени термообработки, т.е. оптимальная скорость V 1 подъема температуры до температуры изотермической ступеньки Т 1 , температура изотермы Т 1 , o C, время выдержки на ней 1 , скорость нагрева V 2 до температуры максимального отверждения температуры изотермы Т 2 . Из таблицы 2 видно, что однородный материал получается при минимальных граничных условиях термообработки (опыт 4): скорости V 1 = 0,8 o C/мин, Т 1 = 128 o C, 1 = 38 мин, V 2 = 1,8 o C/мин и при максимальных граничных условиях термообработки (табл. 2, опыт 6): скорости V 1 =1,2 o C/мин, T 1 =132 o C, 1 = 32 мин, V 2 = 2,2 o C/мин. Как видно из данных таблицы 2 (опыты 2, 3, 7-10), изменение V 1 на 0,05 o C/мин; температуры первой изотермы Т 1 на 3 o C; V 2 на 3 o C/мин и времени изотермы 1 на 3 мин вызывает образование воздушных включений и пор в связующем ЭНФБ. Нагрев со скоростью 0,5 o C/мин до Т 1 с выдержкой на ней в течение 30 минут и дальнейший подъем температуры со скоростью 2,0 o C/мин до температуры максимального отверждения дает однородный материал, но время отверждения затягивается. На основании вышеизложенного установлены следующие границы предельных значений условий отверждения: V 1 = 0,8-1,2 o C/мин, 1 = 28-32 мин, V 2 =1,8-2,2 o C/мин, Т 1 = 128-132 o C. Для удобства отсчета при дальнейшем проведении эксперимента были выбраны оптимальные параметры (табл. 2, опыт 5): V 1 = 1,0 o C/мин, Т 1 =130 o C, 1 = 30 мин, V 2 = 2,0 o C/мин. Пример 2. На основе связующего ЭНФБ (ТИ 59 1004-82) и углеродной ленты ЛУП-02 (ТУ 6-06-31-218-78) готовят заготовку препрега. Из углеленты вырезают полоску длиной 50 см и шириной 4 см. Полоску пропускают через пропиточную ванну со связующим ЭНФБ, соединяют с фторопластовой лентой такого же размера и пропускают через регулирующий отжимной валик (натяжение ленты 19 нм), после чего со скоростью 2,0 м/мин заготовка протягивалась через три зоны подсушки по лентотракту термостатируемой печи, температура которых составила 60-75-50 o C. Углелента, пропитанная связующим ЭНФБ плотностью 1,03 г/см 3 , исходной концентрации 55% и подсушенная в трехзонной печи, анализировалась на содержание связующего: содержание летучих в растворимой части, которые составляли, соответственно, мас.%: 36; 2,0; 95, затем тройным слоем наматывались на стеклянный стержень. На нее накладывался медный электрод, заложенный между двумя слоями стеклоткани Т-10-80 (ГОСТ 19170-73), пропитанной также ЭНФБ и подсушенной по тем же зонам 60-75-50 o C трехзонной печи. Затем, снова три слоя препрега на основе углеленты ЛУП-02 тройным слоем наматывались поверх медного электрода и стеклоткани Т-10-80. От медного электрода и от самого препрега на основе ЛУП-02 и ЭНФБ, составляющего собой электроизмерительную ячейку, протягивались провода в экранированной и фторопластовой оболочке для их подключения к измерителю типа Е-7-8. Стеклоткань Т-10-80 служила изолятором медного электрода от наполнителя-углеленты ЛУП-02, которая сама обладает высокой электропроводностью, что может исказить измерения электрофизических параметров при отверждении связующего или сделает их невозможными, если ее не изолировать. Обеспечить надежную изоляцию можно лишь с использованием не менее 2-х слоев стеклоткани Т-10-80. При более тонкой изоляции возможно замыкание между металлическим электродом и углелентой. Изготовленную ячейку помещают в середину печи, задают нагрев от комнатной температуры со скоростью 1,0 o C/мин до 130 o C, выдерживают на 130 o C в течение 30 мин, далее нагревают со скоростью 2,0 o C/мин до 175 o C и выдерживают на этой температуре до достижения сначала постоянных значений электропроводимости, а затем и тангенса угла диэлектрических потерь. Данные электрофизических измерений представлены в таблице 3. Как видно из данных таблицы 3, препрег на основе ЛУП-02 и ЭНФБ также отверждается на три порядка ниже по значениям электропроводимости от ее максимума, т.е. так же, как и само связующее: углепластик обладает высокими диэлектрическими свойствами. Однако, влияние наполнителя оказывается на времени отверждения, которое составляет 210 мин, т.е. на 18 мин больше времени отверждения чистого связующего ЭНФБ. Таким образом, введение неразрушающего электрофизического контроля позволяет точно определить время отверждения и выдержку его на температуре отверждения, не позволяя ни передерживать, ни недодерживать материал на температуре максимального отверждения, а следовательно, и получать изделия высокого качества. Образцы пластика исследовались на глубину отверждения методом экстракции в спирто-ацетоновой смеси (1: 2). Данные из трех параллелей показали устойчивую степень отверждения по массе препрега, которая составила 99%. Пластик после отверждения - монолитен, без расслоений. Пример 3. Для оценки режима отверждения композиционного материала на связующем ЭНФБ с другим наполнителем - стеклотканью Т-10-80, т.е. приемлемости режима в случае разных наполнителей, готовится образец препрега на основе Т-10-80 и ЭНФБ. Стеклоткань Т-10-80 в течение 1 ч прогревают в термопечи при 100 o C для удаления следов влаги. Затем стеклоткань пропитывают 10 мин в том же связующем ЭНФБ, подсушивают на воздухе в течение 10 мин, нарезают слоями 10х10 мм каждый, берут по 4 слоя для 3-х образцов. Один помещают между электродами прижимной ячейки с диаметром рабочего электрода 4 мм, два других подвешивают в свободном состоянии рядом с ячейкой в середине печи. Провода от ячейки подсоединяют к измерителю типа Е-7-8 и под контролем электрофизического метода проводят нагрев образцов по заданному режиму: от комнатной температуры со скоростью 1,0 o C/мин до 130 o C с выдержкой на 130 o C в течение 30 мин и далее, нагревая образцы со скоростью 2,0 o C/мин до 175 o C с выдержкой на этой температуре до достижения сначала постоянных значений электропроводимости, а затем тангенса угла диэлектрических потерь. Данные измерений электрофизических параметров представлены в таблице 4. Как видно из данных таблицы 4, полное отверждение пластика на основе Т-10-80 и ЭНФБ наступает через 196 мин прогрева по заданному режиму. Образец также проходит отверждение на три порядка ниже от максимального значения электропроводимости. Степень отверждения, измеряемая методом экстракции в спирто-ацетоне в аппарате Сокслета трех образцов, отвержденных по данному режиму, как и в опыте на примере 3, показала устойчивое значение 99%. Стеклопластик после отверждения также монолитен, без расслоений. Таким образом, способ получения отвержденного композиционного материала по изобретению, включающий двухступенчатый режим отверждения, позволяет независимо от условий загрузки, вида наполнителя, получать визуально однородные по объему полимерные материалы: стекло- или углепластики со стабильной степенью отверждения порядка 99%, а также сократить почти в два раза длительность отверждения при получении композиционного материала, что в свою очередь существенно сократит трудо-энергозатраты. При этом упрощается и технология получения КМ на основе ЭНФБ.

Формула изобретения

Способ отверждения композиционного материала на основе эпоксифенольного связующего марки ЭНФБ, включающий ступенчатое нагревание компонентов материала от комнатной температуры до максимальной температуры отверждения и выдержкой на ней до получения отвержденного материала, отличающийся тем, что вначале компоненты нагревают до Т 1 = 128 - 132 o C с скоростью V 1 = 0,8 - 1,2 o C/мин, выдерживают при Т 1 в течение 1 = 28 - 32 мин, после чего нагревают до максимальной температуры отверждения (175 1) o C со скоростью V 2 = 1,8 - 2,2 o C/мин, причем в ходе нагревания проводят постоянное измерение величин электропроводимости и тангенса угла диэлектрических потерь, а процесс отверждения завершают при достижении постоянных во времени значений указанных величин.