Manufacture and processing of advanced composite materials

Abstract

The article is devoted to modern composite materials. The article contains the information about various technologies of the production of mechanical and thermal processing of composite materials.

Full Text

Современные композитные материалы используются для создания многих конструкционных деталей в инженерных работах. Главная причина - это их привлекательные характеристики, такие как: легкий вес, высокая прочность, высокая жесткость, хорошее сопротивление усталости, а также высокая коррозионная стойкость, при этом изготовление деталей со сложной геометрией при использовании меньшего количества компонентов дает возможность производителям снизить стоимость детали по сравнению с другими аналогами создаваемыми из металлов. Прежде чем перейти к главным аспектам изготовления и разных технологиях использующиеся для производства композитов, уместно рассказать о конструкционных композитных изделиях, которые были изготовлены по этим методам. Композитные изделия производятся посредством различных технологий. Наилучший процесс производства для конкретного изделия зависит от выбранного типа волокна и типа матрицы, требований по качеству а также от формы изделия. Все эти факторы должны учитываться в начале процесса разработки деталей или конструкций. Особенностью практически всех производственных процессов является то, что в конечном результате изделие состоит из слоев. Толщина каждого слоя, как правило, колеблется от 0,125 мм (0,005") для препрегов аэрокосмической отрасли до нескольких миллиметров для рулонных тканей (примерно 0,25"). Это значит, что изделия обычно состоят из большого количества слоев, которые направлены по разным углам для получения необходимых свойств конструкции. Рисунок 1. Примеры изделий произведенных из разных композитных материалов В процессе ручной формовки (рисунок 2), волокна укладываются на поверхности оснастки вручную, а затем пропитываются смолой. Ручная формовка широко применяется при создании больших конструкций, таких как корпуса малых судов. Несмотря на относительную дешевизну данного процесса, конечные изделия получаемые данным, способом могут сильно различаться по качеству. Невозможность точного контролирования соотношения количества волокон и смолы, приводит к тому, что детали, полученные из одной и той же оснастки, будут отличаться по механическим свойствам. При вакуумной формовке препрега (рисунок 3) жгуты или ткани пропитаны оптимальным количеством смолы перед укладкой на оснастку. Препреги обычно используются в высококачественных компонентах для аэрокосмической промышленности. Рисунок 2. Процесс ручной формовки: 1 - слой гелькоута; 2 - смола; 3 - валик; 4 - стекломат; 5 - форма Рисунок 3. Вакуумная формовка препрега: 1 - вакуумный штуцер; 2 - вакуумная пленка; 3 - дренаж; 4 - разделительная пленка; 5 - липкая лента; 6 - жертвенная ткань; 7 - препрег; 8 - разделитель; 9 - герметизирующий жгут; 10 - оснастка В результате этого процесса изделия получаются одинаковыми по качеству. Для достижения такого результата используют сложную систему нанесения смолы с последующим запеканием в автоклаве при высокой температуре и давлении. Тем не менее изготовление деталей из препрега является трудоемким процессом и может быть автоматизировано только для небольших простых изделий. Формовка под давлением (рисунок 4) является процессом, при котором предварительно пропитанный набор слоев волокон, штампуется при помощи мощного пресса, тем самым предавая форму детали. Этот метод часто применяется при изготовлении высококачественных изделий, таких как шлемы или велосипедные рамы. За счет точно совпадающих половинок штампа, точность размеров и механические свойства изделия очень высоки. Однако необходимость доработки детали после штамповки означает, что такой метод крайне дорог. Процесс вакуумной инфуции (рисунок 5) или инжекции (ВИ) - это технология изготовления композитного материала, которая использует силу вакуумного давления для ввода смолы в ламинат. Рисунок 4. Формовка под давлением: а - извлечение (загрузка) предзаполнение; б - поднятие до уровня выстрела; в - выстреливание; г - прессование Эта технология используется для изготовления деталей из стеклопластика и углепластика. Размеры детали могут быть от небольших с площадью поверхности менее 1 кв.м. до крупных деталей. Технология рекомендуется к использованию при изготовлении единичных деталей или малых тиражей. Суть метода заключается в следующем: материалы будущего композита выкладываются в сухом виде в оснастку, затем накладывается вакуум до ввода смолы. Как только достигается полный вакуум, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам. В процессе используется набор вспомогательных материалов и инструментов. Метод намотки волокон (рисунок 6) позволяет создавать ориентированную структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей жгутов, лент, нитей обеспечивает максимальную прочность изделий. К тому же такие наполнители наиболее дешевы. Рисунок 5. Вакуумная инфуция: 1 - комплект зажимов; 2 - жесткая рама; 3 - выпускной порт; 4 - дополнительный уплотнитель; 5 - основной уплотнитель; 6 - задняя часть остатки; 7 - армирующий пакет; 8 - подогреваемая часть матрицы Рисунок 6. Метод намотки волокон: 1 - вращающийся сердечник; 2 - ванна со смолой; 3 - натяжные валики; 4 - волокна; 5 - тележка Метод намотки волокном - сравнительно простой процесс, в котором армирующий материал в виде непрерывного ровинга (жгута) 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, включая любые углы спирали в этом интервале. Связующим для армирующего материала служит термореактивная смола. Метод автоматизированной укладки композитных нитей основан на укладке композитных волокон с помощью пятикоординатного станка с ЧПУ. Это позволяет быстро и точно изготавливать сложные поверхности, такие как крупные компоненты фюзеляжа вертолета. Конечно, подобное оборудование стоит очень дорого, примерно один миллион долларов США. Количество способов укладки настолько велико, что с развитием технологий автоматизированных разработок для оптимизации конструкции композитных изделий, увеличатся их полезность в будущем. Технологии вторичной переработки композитных материалов разделяются на механические и термические. К первым относится дробление отходов и смешение их с органической или неорганической матрицей для восстановления. Вторая технология предполагает разделение отходов композитов на органические и неорганические компоненты с помощью термического разложения для их дальнейшего применения. Используется тепло, выделяющееся при сжигании; также используются нефтеподобные продукты термического разложения, которые могут служить топливом; утилизируются и армирующие элементы. Из-за присутствия второго компонента, в частности армирующей фазы, переработка таких материалов, как композиты, сложнее переработки монофазных материалов. Например, неармированные термопласты, как правило, повсеместно и легко подвергаются первичной и вторичной переработкам. Однако утилизация композитов с термопластичной матрицей является намного более сложной задачей, поскольку приходится держать под контролем не только матрицу, но и армирующую среду, и границы раздела между средами. Композиты с термореактивными матрицами часто идут в третичную и четвертичную переработки. Выводы и рекомендации Проанализировав технологии изготовления и переработки композитных материалов можно сделать следующие выводы. Итоговая цена и качество изделий зависят от двух факторов: выбор композитного материала и применяемая технология производства. Не смотря на все технологические достижения в сфере композитных материалов, до сих пор присутствуют некоторые сложности по их переработки Необходимость проведения исследований новых типов композитных материалов и технологий для производства этих материалов, которые позволять снизить стоимость и повысить качество изделий. Необходим поиск новых типов смол в химической промышленности для улучшения процессов переработки композитных материалов.