Композиты
Композиционный материал - это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, которые отличаются по своей природе или химическому составу, где компоненты объединены в единую монолитную структуру с границей раздела между структурными компонентами, оптимальное сочетание которых позволяет получить комплекс физико- химических и механических свойств, отличающихся от комплекса свойств компонентов

Дисперсноупрочненные КМ, армированные частицами
По геометрическому признаку такие КМ относятся к одному классу, так как армирующий компонент является нуль-мерным компонентом, имеющим все три размера одного и того же порядка. Частицы второго компонента(фазы) беспорядочно распределены в матрице, и в зависимости от их количества могут либо упрочнять матрицу, препятствуя развитию дислокационного скольжения при приложении нагрузки, либо«разгружают» матрицу, воспринимая часть приложенной нагрузки. В первом случае КМ относится к дисперсноупрочненным, во втором – к армированным композитам. В качестве дисперсных фаз используют обычно оксиды, бориды, карбиты, силиниды. Возможно также использование интерметаллидов. Эффективность упрочнения матрицы некогерентными дисперсными частицами фаз зависит от их размера и расстояния между соседними частицами. Роль армирующих частиц сводится не столько к упрочнению матрицы, сколько к перераспределению приложенной нагрузки между матрицей и наполнителем. Причем важное значение матрицы – передача нагрузки армирующим частицам . В качестве армирующих компонентов используют металлы, интерметаллиды , оксиды, нитриды и др. вещества существенно отличающиеся от матрицы по физико-механическим свойствам.
Волокнистые КМ
Это в основном микроструктурированные КМ, характеризующие тем, что в качестве наполнителя используются одномерные армирующие компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других. В волокнистых КМ пластичная матрица армирована высокопрочными волокнами толщиной от нескольких микрометров. В качестве армирующих волокон могут использоваться: металлические проволоки, усы и кристаллы фаз, полученных направленной кристаллизацией; волокна неметаллов, таких как углерод и бор, полученных по специальным технологиям; керамические волокна на основе Al2 O3, SiC и др.; стекловолокно; органические волокна( полиэтилен; полиэфирные; полиамидные и др. Выбор природы волокна определяется назначением композита и материалом матрицы, прежде всего физико-химической природой взаимодействия на границе раздела матрица – волокно. Однако при прочих равных условиях комплекс свойств волокнистого композиционного материала определяется геометрической схемой армирования.

Слоистые КМ
Этот класс композитов характеризуется тем, что фазы или компоненты расположены послойно. Они состоят из компонентов, имеющих два размера, которые значительно превышают третий. В слоистых композитах не имеет смысла делить компоненты на матрицу и арматуру. На субмикроструктурированном уровне слоистые КМ могут быть реализованы при осаждении из паровой фазы, а на микроструктурированном уровне - в слоистых эвтектических структурах, полученных направленной кристаллизацией, на макроскопическом уровне слоистые КМ могут быть реализованы в парах металл-металл, полимер-полимер, металл-полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 1000 мкм с различной природой границы раздела. Однако независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями должна достаточна для исключения необратимого перемещения одного слоя относительно другого при взаимодействии механической нагрузки и температуры. Литература: Новые материалы/ В. Н. Анциферов, Ф.Ф. Бездудный, Л. Н. Белянников и др.; под редакцией Ю.С. Карабасова. - Москва МИСИС, 2002.
КМ с полимерной матрицей (ПКМ)
Полимерные композиционные материалы, образованные различного типа армирующими элементами с полимерной матрицей, широко применяются в различных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили пластики, армированными стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми другими волокнами. В качестве матрицы используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные и другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы. К основным преимуществам композитов с полимерной матрицей относятся высокая удельная прочность и жесткость, стойкость к агрессивным химическим средам, низкая тепло- и электропроводность и т.п. Кроме того, при изготовлении этих материалов относительно легко при умеренных температурах и давлениях удается соединить армирующие элементы с матрицей. В этом случае применяют как традиционные процессы –прессование, контактно-вакуумное и автоклавное формование, так и специальные – намотка, пултрузия и другие процессы, когда материал и изделие создаются одновременно.

Основные виды ПКМ

* Полимеры, содержащие любые твердые частицы или волокна
* Смеси полимеров
* Полимеры, содержащие жидкости в виде включений или пластикаторов
* Полимеры, содержащие газообразные наполнители
Полимеры с волокнистыми наполнителями
Главная цель наполнения полимеров волокнами – получение сверхпрочных и легких материалов. Удельная прочность (отношение разрывной прочности к плотности) и удельный модуль упругости ( отношение модуля и плотности) волокно- наполненных полимеров (волокнитов) превосходит эти показатели для наиболее прочных и жестких материалов.
КМ с керамической матрицей (ККМ)
Керамические композиционные материалы представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей.Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Так, появились керметы. Сегодня керметом считают материал, содержащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы кер-меты на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий—вольфрам—хром и многие другие. Однако керметы обладают существенным недостатком — хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Композиционные материалы с металлическими волокнами
Керамику чаще армируют волокнами вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель введения в керамику металлических волокон заключается в образовании пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Изготавливают такие ККМ в основном методами горячего прессования и шликерного литья, поскольку металлические волокна не взаимодействуют с оксидной керамикой вплоть до температур 2073...2773 К. Удельная вязкость и термостойкость ККМ непрерывно повышаются по мере увеличения содержания армирующих волокон в композите. Однако при содержании волокон более 25 % возрастает пористость материала, что приводит к его разупрочнению. Широкое применение металлических волокон для армирования керамики ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.
Композиционные материалы с углеродными волокнами
Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами и силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому перспективно в качестве матриц высокотемпературных КМ с углеродными волокнами использовать керамику. В тех случаях, когда предполагаемая температура эксплу­атации деталей из ККМ превышает 2273 К, целесообразно применять керамическую матрицу на основе карбидов, выше 1273 К — на основе боридов и нитридов, при более низких температурах — оксидную матрицу.Важным условием для обеспечения прочности углеродистых волокон в ККМ является оптимальное соотношение модулей упругости волокон и матрицы. При объемной доле углеродных волокон 50...60 % их прочность максимально используется при отношении модулей упругости материала и волокна, прибли­жающемся к 0,1, поэтому для армирования керамики следует применять высокомодульные волокна.

Композиционные материалы с волокнами карбида кремния
При практически равной прочности эти ККМ имеют преимущества перед аналогичными материалами с углеродными волокнами, так как имеют повышенную стойкость к окислению при высоких температурах и значительно меньшую анизотропию коэффициента термического расширения.В качестве матричного материала используют порошки боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла или смеси стекол в различных соотношениях. Волокна карбида кремния применяют в виде моноволокна или непрерывной пряжи со средним диаметром отдельных волокон 10...12 мкм. ККМ, армированные моноволокном, получают горячим прессованием слоев из лент волокна и стеклянного порошка в среде аргона. Они удобны с точки зрения изготовления деталей сложных форм из материалов, армированных непрерывной пряжей. По своим свойствам эти материалы даже превосходят ККМ, армированные моноволокном.
Гибридные композиционные материалы (ГКМ)
Гибридными композиционными материалами называют материалы, содержащие в своем составе три или более компонентов, регулирующие свойства композитов. Полиматричными (или гетероматричными) называют материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных один от другого поверхностями раздела, причем армирующие волокна могут сохранять непрерывность на границе раздела матриц. Полиармированные (поливолокнистые) КМ состоят из одной матрицы с распределенными в ней армирующими компонентами различных видов. В соответствии с типом распределения компонентов ГКМ обычно подразделяют следующим образом: однородные, характеризующиеся равномерным распределением каждого армирующего компонента по всему объему материала; материалы с линейной неоднородностью, в которых волокна одного вида (или обоих видов) объединяются в жгуты, равномерно распределенные по объему материала; композиты с плоскостной неоднородностью, когда волокна каждого вида образуют чере­дующиеся слои; макронеоднородные композиты, в которых разнородные волокна образуют зоны, соизмеримые с характерным размером изделия.

Литература: Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов/ И. М. Буланов, В.В. Воробей; издательство МГТУ им. Н.Э. Баумена, 1998.

Предварительное формование армирующих материалов.

Предварительное формование армирующих материалов.

Нарезка и укладывание армирующих материалов, матов и рогожи, является довольно длительным процессом, который к тому же сопровождается большим количеством отходов. Однако, используя так называемые предформовочные методы, можно существенно увеличить производительность.
Сотни тысяч шлемов и осветительных приборов производится, но технологии компрессионного формования с использованием предформоваиного армирующего материала.
Существует ряд способов для производства предформованного армирующего материала.
Предварительное формование матов.

Обычно используется мат, состоящий из длинных волокон, удерживаемых в единой структуре с помощью термопластичного фиксирующего агента. Перед формованием мат нагревается, для размягчения фиксирующего агента. Далее мат прессуется до желаемой формы в матрице. Когда волокна и фиксирующий агент остывают, матрица открывается, и структура из волокон переносится в матриц) такой же формы. Далее она пропитывается жидкой смолой (обычно, полиэфирной) и затем отверждается. Недостатком этого метода является то, что в случае фор¬мования изделий сложной формы процент отходов может быть высок.
Сухое предварительное формование

Другой способ, который также использовался для ранее упомянутых шлемов, - сухое предварительное формование. Здесь волокна равномерно распределяются на сетку или перфорированную матрицу, а затем затягиваются вакуумом с поверхности. Волокна соединяются друг с другом с помощью напыляемого фиксирующего агента. Когда этот фиксирующий агент высыхает, волоконная структура, в виде однородного мата, снимается с матрицы.
Во всех технологиях производства стеклопластика важно эффективно использовать армирующие материалы. Наряду с другими мерами, следует направлять волокона, насколько это возможно, вдоль линии напряжения. Волокнам задают направление либо сразу же после их выхода из чоппера (ножа) или же с помощью перегородок и топографического предформовочного устройства.
Картинка показывает предварительное формование армирующего материала, где волокна направлены в соответствии с методом, указанным на предыдущей картинке. В данном случае, матричный материал - пенополиуретан.
Роботизированная технология сухого предварительного формования, Р4

За последние несколько лет, роботизированная технология сухого предварительного формования продвинулась вперед благодаря применению роботов. Используя данные методы можно производить изделия с предварительно заданной схемой нанесения армирующих волокон (волокна адаптируются к преобладающей линии напряжения в различных частях конечного изделия).


Сырое формование

Рубленные волокна распыляются в воду или пену. Затем смесь, содержащая фиксирующий агент, выливается на матрицу. Волокна собираются на верхней поверхности матрицы, где они создают единую структуру, в то время как излишки воды или пены стекают через сетку.
Затем армирующая структура (преформа) высыхает и те¬перь она готова к дальнейшему использованию. Многочисленные изделия производятся с применением подобного способа, например поддоны для яиц, которые производятся путем распределения бумажных волокон, растворенных в воде, на матрицу. Часто структура матрицы может быть видна на поверхности.
С помощью методов сырого формования можно создавать наиболее сложные схемы армирования. Данный метод также подходит для изделий с термопластичными связующими.
Ручное формование и напыление

Краткое описание:
Данный метод представляет собой укладку армирующего материала напрямую на поверхность матрицы. Обычно, вначале на поверхность матрицы наносится слой цветной смолы. Затем данный поверхностный слой - также называемый гелькоут - отверждается. Далее на него наносится не¬сколько слоев смолы и армирующего материала, такого как маты или рогожа (ткань). Данный метод в основном применяется для одиночных изделий или небольших партий.
Важно, чтобы армирующий материал можно было легко расположить на матрице. Перед началом работ необходимо заранее выкроить заготовки из армирующего материала. Для более крупных партий лучше нарезан, целые комплекты заготовок, использую специальный инструмент.
В некоторых случаях более практично пропитывать заготовки перед их укладкой на матрицу. Если для армирования используются маты, для их переноски можно использовать рогожу, которая предотвратит расползание сырого мата на куски.
С помощью различных валиков можно добиться эффективного смачивания армирующих волоком, одновременно удаляя пузырьки воздуха из сырою лам и па та. Ручное формование может быть более эффективным при авсоматической подаче смолы на валики.
При производстве сложных и ответственных деталей, ручной метод может быть более предпочтителен. В качестве примера можно привести кузов SAAB Sonett, произведенные всего из двух деталей, одной передней и одной задней. Это удалось реализовать, используя матрицу из 4-х частей.
Использование ручных методов формования нельзя полностью отвергать. Например, большая часть работ в текстильной и строительной отраслях, выполняется вручную.
Разделительные агенты

В большинстве случаев, процесс ручного формования начинается с нанесения воска на матрицу. При нанесении воска и полировке можно обрабатывать не более 0,25 м кв. В ином случае, соблюдайте инструкции производителей. Перед использованием новой матрицы ее необходимо обработать воском несколько раз. Затем, после обработки воском, на нее необходимо нанести разделительную пленку водного раствора поливинилового спирта. В случае если разделительный агент плохо пристает к обработанной воском поверхности, слегка промойте матрицу с мылом или добавьте немного мыльного раствора в разделительный агент.

Нанесение гелькоута

После тщательного высыхания разделительного агента (проверьте внутренний радиус), С помощью кисти, валика или распылительного оборудования можно наносить гелькоут. Подходящая толщина - 0,5 мм. Однако более толстый слой гелькоута предпочтительнее слишком гонкого. Правда и то, что риск растрескивания наиболее вероятен при слишком толстом слое гелькоута, но тонкий слой может привести к следующим дефектам. В худшем случае, последующие армирующие слои могут размягчить гелькоут, который растянется и создаст складки (морщины). Тонкий слой гелькоута, отверждающийся более медленно и эффективно, чем толстый слой, в сочетании с излишками испарения стирола, вызывает подобное. В дополнение, тонкий слой гелькоута - ненадежный защитник поверхности и существует риск плохого качества поверхности с эффектом «пропечатывания» армирующего слоя.

Ламинирование

Ламинирование можно начинать, когда гелькоут отвердится. Поверхность гелькоута смачивается смолой, на который слой за слоем укладывается армирующий материал. Смачивание и удаление воздуха легче выполнять снизу вверх. Для пропитывания смолой и удаления воздуха можно использовать различные валики.
Во время ручного формования необходимо прорабатывать небольшие участки изделия. Эффективное удаление воздуха затруднительно, если за один раз уложено слишком много слоев армирующего материала. Если используется рогожа, ее но рекомендуется укладывать одним единым куском на несколько внутренних радиусов, так как могут возникнуть проблемы, такие как поднятие ламината в одной точке радиуса при прикатке его в другой точке.
При ручном формование необходимо избегать внутренних радиусов менее 12 мм. (Все зависит от эластичности волокон). Это связано с тем, что армирующие материалы не будут повторять контуры поверхности матрицы. Результатом могут стать пузыри, влекущие за собой длительный ремонт.
Соответственно, обратные (внешние) радиусы могут быть чуть меньше; минимум 8 мм. Маленькие радиусы могут вызвать эффекты, изображенные на картинке.
Плоские или слетка выпуклые поверхности ламината с верхним слоем гелькоута показывают тенденцию к изгибанию. В этом случае удобно немного выгибать прототип стеклопластиковой матрицы. Например, придавать ей форму, принимая во внимание изменения, которые обычно возникают из-за усадки гелькоута.
Визуально, выпуклая поверхность более приемлема, чем вогнутая.
Ламинат, произведенный ручным формованием, заканчивается слоем топкоута, то есть неармированным слоем связующего, который обычно содержит воск или парафин.
Иногда подобный слой топкоута может снизить риск искривления ламината.
Если используются глубокие матрицы, лучше всего предварительно смочить армирующий материал вне матрицы. С тех случаях, когда существует риск отслоения армирующих волокон от поверхности матрицы, целесообразно использовать деревянные «подушки», с помощью которых прижимаются участки ламината.
Неважно, использовалось ли ручное формование или напыление, материал можно прижать с помощью обрешетки, как указано ниже.
Композиционные материалы на основе термореактивных смол для ручного формования обычно дают небольшую усадку после снятия с матрицы. Размер усадки зависит от типа связующего, содержания волокон, наполнителя и направления волокон.
Чем больше содержание чистой смолы, тем больше будет усадка. Перед производством изделий с четкими требованиями по точности размеров, рекомендуется проверить усадку при отверждении путем производства тестового образца ламината.
Для полного отверждения полиэфирного ламината, его необходимо дополнительно отвердить при повышенных температурах, например в течение нескольких часов при 80оС.
Напыление

Метод напыления означает, что смола и волокна наносятся с помощью распылительного пистолета, оборудованного чоппером (ножом для резки волокон).
При напылении на поверхность матрицы волокна и смола образуют рыхлую массу. Данная смесь прижимается с помощью валика тем же самым образом, что и в методе ручного формования. Метод напыления позволяет достаточно просто набирать различные толщины и резко увеличить производительность. Данный метод особенно эффективен для крупных изделий, например лодок.
Один недостаток - напыление вдоль краев матрицы может быть чрезмерным. Испарение растворителя (обычно, стирола) может быть достаточно сильными, что требует более тщательного оборудования рабочей зоны. Проблему испарения можно понизить, если использовать сопла, че¬рез которые выходят либо поток, либо крупные капли, а не происходит распыление компаунда. Доступны системы для роботизирования процесса или даже полностью автоматические способы нанесения.
Практически закрытое устройство для производства всех внутренних деталей кабины грузовика показаны ниже.
Предварительным условием для ручного формования и / или напыления является соблюдение требований к окружающей среде. Подходящие решения включают в себя использование быстро отверждающихся смол с низким уровнем эмиссии растворителя.

Фиксация

Для сокращения вероятности искривления матрицы, возможно применение специальных фиксаторов для сохранения окончательной формы во время последнего отверждения при повышенных температурах.
Принудительное отверждение
Время отверждения может быть сокращено, если подвергать ламинат инфракрасному излучению или ультрафиолету. Также возможно сократить время отверждения при температуре окружающей среды, используя специальную систем у отверждения.
Тиксотропия

Если ламинат находится на вертикальной поверхности или «вверх ногами», существует риск того, что ламинат нач¬нет соскальзывать или терять адгезию с матрицей, особен но в случае с тяжелым ламинатом. Этого можно избежать, добавив в солу очень мелкий кварцевый песок (Aerosil). Он используется в качестве загустителя в шпаклевках, тиксо-тропных красках и смолах.

УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ

3.4. УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ
3.4.1. Структурные схемы простран¬ственно армированных композитов. За¬висимость свойств углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), как и других волокнистых композитов, от расположения (ориентации) волок¬нистых армирующих элементов (арма¬туры) делает решение вопроса опти¬мального выбора типа и схемы армиро¬вания одним из основных при разра¬ботке деталей различного назначения.
В связи с этим целесообразно клас¬сифицировать известные и перспек¬тивные типы армирующих элементов в первую очередь по геометрическому принципу. Из возможных схем арми¬рования можно выделить три класса:
с хаотичным расположением волокон (фетры и войлоки) (рис. 3.6, а);
с ориентированными в двух направ¬лениях волокнами и тканями (2Д армирование);
с ориентированными в трех (и более) направлениях волокнами (схемы ар¬мирования ЗД, 4Д и т. д.), т. е. с про¬странственным расположением воло¬кон.
Заготовки (блоки) со схемой арми¬рования 2Д обычно представляют собой пакет из слоев ткани, соединен¬ных между собой полимерным свя-

зующим (рис. 3.6, б). Заготовки 2Д изготавливают также из препрегов геодезической ИЛИ спиральной намот¬кой лент или розеточной укладкой слоев ткани (рис. 3.6, в).
Наиболее перспективным видом ар¬мирования углерод-углеродных ком¬позитов конструкционного назначения является многонаправленное, про¬странственное армирование, когда ар¬мирующие компоненты располагаются в трех, четырех и более направлениях. Такие образования называют простран¬ственными армирующими структурами (ПАС), а составляющие их компонен¬ты — элементами пространственных армирующих структур (ЭПАС).
Основным структурным элементом ПАС из прямолинейных ЭПАС яв¬ляется параллелепипед, у которого три ребра, шесть диагоналей, шесть граней; четыре длинные внутренние диагонали образуют тринадцать на¬правлений. Если параллелепипед яв¬ляется кубом, то, комбинируй на¬правления трех подгрупп, можно об¬разовать уравновешенные (сбаланси¬рованные) системы. Всего существует семь хорошо сбалансированных струк¬тур укладки волокон (схем армирова¬ния), изотропия которых растет с уве¬личением числа направлений: струк¬тура ЗД; 4Д; 6Д; 7Д (4+3); 9Д (6+ 3); 10Д (6+ 4); 13Д(6+ 4+ 3).
Кроме того, имеются еще модифика¬ции: основного ортогонального ЗД-плетения — это структуры 4Д-Л, 5Д-Л и 4Д-плетения — это структура 5Д.
Иногда необходимо иметь высокое объемное содержание арматуры в одном из направлений. Этим усло:йям" удовлетворяют трехнаправленные ШО.

Кафедра МСП 1=
четырехнаправленные (4Д) структуры, а также их модификации (4Д-Л, 5Д-Л, 5Д).
Самая простая ПАС — ортогональ¬ная (рис. 3.6, г), т. е. ориентированная по трем взаимно перпендикулярным направлениям (х> у> г). В случае, когда ЭПАС по всем направлениям одинаковы по качеству и количеству волокон, ЗД структура хорошо урав¬новешена, компактна и проста в из¬готовлении. В сбалансированной ЗД структуре ЭПАС имеют квадратное сечение и расположены по типу ква¬дратной сетки. ЭПАС занимают 8/4 объема.
В ЗД структурах имеются два не¬достатка: пустоты между пересекаю¬щимися пучками волокон изолированы и образуют закрытые поры, что пре¬пятствует уплотнению композиции, прочность сцепления между параллель¬ными слоями двух ЭПАС обеспечивает¬ся только одним ЭПАС в перпендику¬лярном направлении, что не дает не¬обходимого сопротивления расслоению и разрыву.
Эти дефекты устранены в 4Д ПАС (рис. 3.6, д), где каждая плоскость, параллельная двум ЭПАС, пересекает¬ся по крайней мере двумя другими ЭПАС. В сбалансированной 4Д ПАС в вершине правильного тетраэдра схо¬дятся четыре длинные диагонали куба, где каждая из них с тремя другими образует угол 70,5°. ЭПАС располага¬ются в виде треугольной сетки, каж¬дый ЭПАС имеет шестиугольное сече¬ние и занимает 8/16 объема. Значит, четыре ЭПАС занимают те же 8/4 объ¬ема, как и в ЗД структуре, а остав¬шуюся V4 часть объема занимают от¬крытые макропоры. Структура" в этом случае более тонкая, так как поры чаще, чем в структуре ЗД, рассекаются нитями.
В 6Д структуре все ЭПАС располо¬жены в направлении малых диагона¬лей куба.
Для оценки тонкости структуры ино¬гда используют расстояние между цен¬трами ЭПАС. Но этот способ не подхо¬дит для сравнения разных структур. Например, в ЗД структуре из пучков волокон круглого сечения диаметром 1 мм расстояние между центрами пучков равно 2 мм, а в 4Д структуре с пучками волокон того же размера это расстояние составляет 2,31 мм. Кажется, что 4Д структура грубее, но это не так. Более подходящий способ оценки — определение тонко¬сти структуры по числу срезов пучков волокон на единицу площади попереч¬ного сечения структуры. Эта величина называется индексом размера зерен. Для ЗД структуры с пучками волокон диаметром 1 мм индекс колеблется от 25 до 43,3 пучков волокон на 1 см2 в зависимости от направления сече¬ния относительно осей пучков. В 4Д структуре этот индекс изменяется от 35,35 до 50 пучков волокон на 1 см2. Это значит, что 4Д структура тоньше, чем ЗД, на 25%.
Основные характеристики некото¬рых рассмотренных ПАС приведены в табл. 3.19.
Среди модифицированных ПАС сле¬дует обратить внимание на 4Д-Л струк¬туру (рис. 3.6, е), у которых в одной плоскости размещаются три группы волокон, смещенные относительно друг друга под углом 60°, и на 5Д-Л струк¬туру» У которой в одной плоскости в дополнение к волокнам 0—90° ук¬ладываются волокна под 45° (рис. 3.6, ж).
Для такого случая, когда нагрузка действует в одном направлении, но без риска расслоения, разработана 5Д структура, в которой пять направлений в параллелепипеде определяются че¬тырьмя длинными диагоналями и одним из трех ребер. Практически, это основ¬ной пучок волокон, заключенный в 4Д структуру.
У 5Д структуры имеются те же пре¬имущества, что и 4Д; она проста в изготовлении и не дороже сбалан¬сированной 4Д структуры. Как и ЗД структура, она имеет осевую симмет¬рию четвертого порядка относительно основного направления, что упрощает теоретические расчеты механических и теплофизических свойств изделий из таких усиленных в одном направле¬нии 5Д структур (рис. 3.6, в).
Если нагрузка действует в двух направлениях, то используют 6Д структуру, которая отличается от ра¬нее рассмотренной тем, что два^аадоа ных пучка ориентированы по^^гло" I 90° в одной плоскости по ребр

Кафепра МСИ 4

3.19. Характеристики сбалансированных ЗД, 4Д, вД структур из пучков волокон круглого сечения

X аракФерисяи ка ЗД 4Д 6Д
Размещение пучков во¬локон
Угол между пучками стержней, градус Квадратная сетка 90
(в двух на¬правлениях) В шахматном порядке 70,5 (в трех на¬правлениях) В шахматном порядке 90
(в одном направ¬лении) 60
(в трех направле¬ниях) 49,4 Открытая Близкая к совер¬шенству Отличная Невозможно 24,7
Компактность, %
Пористость
Изотропия
Жесткость Расслоение
Минимальная поверхность стержней в срезе плоско¬стью, % 59
Закрытая Слабая
Слабая Легкое 19,7 68
Открытая Хорошая
Хорошая Невозможно 34


и связаны четырьмя более тонкими пучками, размещенными как в 4Д структуре.
Армирующие структуры тел враще¬ния основаны на тех же переменных, что у тканей и блоков с прямолиней¬ными волокнами (размер пучка воло¬кон, число волокон в пучке по каж¬дому направлению), но отличаются ориентацией пучков волокон. Так, в случае применения структур с трех-направленной схемой армирования, по¬лучившей наиболее широкое распро¬странение, вместо трех направлений х—у—г фигурируют направления А— R-—С, т. е. аксиальное, радиальное и окружное направления.
В зависимости от пространственной ориентации ЭПАС существует три прин¬ципиально отличающиеся схемы ар¬мирования на основе ЗД структуры и одна схема на основе 4Д-Л струк¬туры. Согласно первой схеме (рис. 3.6, и) ^волокна (волокна в направлении оси г) ориентированы по радиальному направлению R, я-волокна — по акси¬альному А и ^-волокна — по окруж¬ному С. По второй схеме (рис. 3.6, л) 2-волокна ориентированы по радиаль¬ному R направлению, а х- и ^-волокна располагаются послойно в коаксиаль¬ных слоях по спиральным траекториям. В третьем случае (рис. 3.6, к) г-волокна ориентированы в аксиальном направле¬нии, а х- и ^-волокна расположены по перекрестным траекториям с равными углами наклона относительно радиаль¬ного направления R. В четвертой схеме армирования (рис. 3.6, м) г-волокна ориентированы по радиаль¬ному направлению R, второй пучок волокон — по аксиальному, а третий и четвертый — по спиральным траек¬ториям, причем ЭПАС второго, треть¬его и четвертого направлений распо¬лагаются в коаксиальных слояхч и взаимно переплетены.
Рассмотренные структуры армирую¬щих элементов обладают теми же достоинствами и недостатками, что и прямолинейные ЗД и 4Д-Л структуры. Кроме того, они характеризуются пе¬ременной компактностью, уменьшаю¬щейся в радиальном направлении (от внутренней поверхности к наружной).
3.4.2. Процессы получения армирую* щих структур для УУКМ. Процесгйб- 4 лучения хаотически армиров?

Рис. 3.7. Технологические схемы получения прямолинейных ПАС:
а — ЗД методом плетения; б, в, г — соответственно 4Д (по непрерывному способу), 4Д-Л (на перфорированной плите), 4Д-Л (по непрерывному способу)

структуры (войлока) включает сле¬дующие этапы:
предварительную разрезку волокон на отрезки длиной 40—60 мм;
измельчение волокон в водной среде до получения волокон длиной 10— 0,5 мм и смешение с порошком фенол-формальдегид ной смолы в требуемой пропорции;
заливку полученной суспензии в фор¬му, вакуумирование и сушку изделия (для получения необходимой плотно¬сти и прочности изделие на стадии сушки может подвергаться дополни¬тельной опрессовке и пробивке, т. е. простегиванию);
термообработку при 430—460 К и дополнительную термообработку при 1100—1300 К.
Изготовление армирующих элемен¬тов с 2Д структурой осуществляется в полном соответствии с процессом получения фенольных углепластиков. Перед насыщением углеродом пласт¬массовые заготовки подвергаются до¬полнительной термообработке при 1100—1300 К.
Пространственно армированные структуры получают плетением волок¬нистых жгутов или сборкой из жестких стержней. При изготовлении пр< ственных структур, когда арми

КаФеара МСП
щие элементы располагаются вдоль ребер или диагоналей параллелепи¬педа, жесткие стержни предпочтитель¬нее гибкой пряжи. Стержни получают методом осаждения пироуглерода из газовой фазы ИЛИ пультрузией, ис¬пользуя ориентированные волокна, пропитанные (в случае пультрузии) термореактивными или термопластич¬ными смолами.
Применение стержней снижает раз¬рушение волокон в процессе изготов¬ления полуфабриката, способствует хо¬рошему выравниванию армирующих волокон в нужном направлении, по¬зволяет применять волокна незави¬симо от их способности к текстильной переработке.
Изготовление ПАС в виде блоков осуществляется по нескольким схе¬мам. В одной из них в вертикальном или горизонтальном направлении с за¬данным шагом устанавливаются г-во-локна. Волокна двух других направле¬ний с помощью системы рапир при их возвратно-поступательном перемеще¬нии размещаются послойно между г-волокнами (рис. 3.7, а). Образующиеся при этом петли на выходе из формуе¬мого изделия фиксируются кромочной нитью. После набора пакета заданной высоты осуществляется его отрезка в специальной фиксирующей оснастке и продолжается дальнейшая наработка материала.
Изготовление 4Д структур осуще¬ствляется преимущественно из стерж¬ней. Принцип сборки 4Д структуры показан на рис. 3.7, б. Показанный на рис. 3.7, б процесс обеспечивает возможность производства ПАС 4Д в непрерывном режиме машинным способом.
При изготовлении пространственной структуры 4Д-Л пользуются двумя принципиально отличающимися схе¬мами. При первой схеме (рис. 3.7, в) стержни одной группы устанавливают¬ся в специальную перфорированную плиту в вертикальном направлении и в шахматном порядке. Стержни трех других направлений размещаются между стержнями вертикального на¬правления параллельными слоями При второй схеме (рис. 3.7, г) стержни первой группы размещаются в гори¬зонтальной плоскости, между стерж¬нями этой группы и тоже в горизон¬тальной плоскости размещают стержни второй группы. Стержни двух других групп входят между стержнями пер¬вой и второй группы с двух противо¬положных направлений под углом 60° к горизонтальной плоскости.
К достоинствам первой схемы отно¬сятся возможность сборки структур по форме, близкой к форме изделия, и зависимость плотности упаковки слоев трех групп стержней от фактиче¬ского диаметра стержней, прямо свя¬занного с линейной плотностью при¬меняемого волокна. Ее основной не¬достаток — прерывность процесса.
Основные недостатки второй схемы состоят в том, что сборка каркаса только прямоугольного поперечного сечения с постоянным шагом укладки стержней независимо от возможных колебаний диаметра стержней, обус¬ловленных применением волокон с раз¬личной линейной плотностью.
Достоинство ее — непрерывность процесса.
Для усовершенствования процесса изготовления ПАС пустотелых тел вращения, оптимизации качества были разработаны следующие способы, по¬зволяющие перевести его на промыш¬ленную основу:
намотка нитей в двух направлениях между металлическими стержнями, ко¬торые потом заменяются нитями, т. е. комбинированная намотка;
намотка волокон в двух или трех направлениях на «еж» из армирую¬щих волокон, определяющих третье направление;
прошивка нитью или пробивка стержнями слоев в радиальном на¬правлении.
Для реализации схемы переплетения, приведенной на рис. 3.6, б, металличе¬ские стержни, определяющие продоль¬ное направление заготовки, заправ¬ляют в специально просверленные пла¬стины. Между ними автоматически пропускают (наматывают) в радиаль¬ном и окружном направлениях пучки нитей (рис. 3.8, а). Оборудование процесса позволяет изменить направ¬ление плетения, приближая форму заготовки к заданной. После намокни другая машина автоматически изме¬няет стержни нитями. Эта оперЫ»!

носит название прошивки (шнуровки). Этот способ имеет следующие достоин¬ства:
изменение отдельных частей детали варьированием шага намотки и сече¬нием волокон;
точное выдерживание параметров, что имеет значение для процесса уплотнения (например, натяжение ни¬тей, объемная плотность плетения);
использование сухих нитей, что по¬зволяет получать чистую подложку, готовую к уплотнению;
быстрота и надежность операции, обеспечивающая снижение цены и от¬личную воспроизводимость.
Способ дает 50%-ную экономию ма¬териалов и 15-кратный выигрыш вре¬мени по сравнению с ручным способом. Автоматизация обеспечивает высокое качество структур.
Развитием предыдущего способа можно считать схему переплетения, изображенную на рис. 3.6, к. Особен¬ность изготовления в этом случае заключается в том, что при получении цилиндрической заготовки автомати¬чески обеспечивается переплетение спиральных слоев нитей на внутрен¬ней поверхности контура (рис. 3.8. б\.
Получение полых ПАС со сх укладки ЭПАС, изображенной

Кафедра МСП

рис. 3.6, л, осуществляется на пол¬ностью автоматическом намоточном оборудовании двумя способами. Сущ¬ность первого способа заключается в том, что с помощью специального станка изготавливается ворсовая лен¬та, которая наматывается на оправку. Получается ворсовое покрытие. Оправ¬ка с ворсовым покрытием перемещает¬ся на второй станок для намотки спи¬ральных слоев (рис. 3.8, в).
Сущность второго способа получения такой ПАС заключается в том, что в предварительно изготовленную по форме внутреннего профиля изделия подложку из углерод-углеродного вой¬лочного материала вставляются жест¬кие стержни. Пространство между стержнями заполняют углеродными во¬локнами методом намотки вдоль обра¬зующей и по спиральной траектории до получения необходимых толщин. Удаление подложки осуществляется на промежуточных стадиях получения У У КМ, когда ПАС приобретает до¬статочную жесткость.
Для получения ПАС прошивкой нитью слои углеродной ткани выкла¬дывают на оправку, копирующую вну¬тренний профиль изделия. После на¬бора требуемой толщины производится прошивка пакета слоев углеродной швейной нитью на швейной машине челночного типа или на машине с одно¬сторонней прошивкой с помощью кри¬вой иглы.
3.4.3. Углеродная матрица и спосо¬бы ее получения. Углеродная матри¬ца, подобная по физико-химическим свойствам углеродному волокну, обес¬печивает термостойкость У У КМ и по¬зволяет наиболее полно реализовать в композите уникальные свойства уг¬леродного волокна. Углеродная ма¬трица в композите выполняет следую¬щие функции: передает усилие на волокна; защищает волокна от воздей¬ствия внешней среды; изолирует от¬дельные волокна друг от друга, пре¬пятствует их взаимному сдвигу.
Метод получения углеродной ма¬трицы определяет ее структуру и свой¬ства, а также характеристики УУКМ. Наиболее широкое применение нашли два способа получения углеродной матрицы: карбонизация полимерной матрицы заранее сформованной угле¬пластиковой заготовки путем высоко¬температурной термообработки в не-окисляющей среде; осаждение из га¬зовой фазы пироуглерода, образую¬щегося при термическом разложении углеводородов в порах углеволокни-стой подложки.
Оба эти способа имеют свои достоин¬ства и недостатки. При создании УУКМ их часто комбинируют для придания композиту необходимых свойств.
Процесс карбонизации представляет собой высокотемпературную обработку изделия из углепластика до темпера¬туры 1073 К в неокисляющей среде (инертный газ, угольная засыпка и т. д.). Цель термообработки — пере¬вод связующего в кокс. В процессе карбонизации происходит термоде¬струкция матрицы, сопровождающаяся потерей массы, усадкой, образованием большого числа пор и снижением вследствие этого физико-механических свойств композита.
Карбонизация проводится чаще всего в ретортных печах сопротивления. Реторта, изготовленная из жаропроч¬ного сплава, предохраняет изделие от окисления кислородом воздуха, а нагревательные элементы и изоля¬цию — от попадания на них летучих коррозионно-активных продуктов пи¬ролиза связующего и обеспечивает равномерность обогрева реакционного объема печи.
Механизм и кинетика карбонизации определяются соотношением скоростей диссоциации химических связей и ре¬комбинации образовавшихся радика¬лов. Процесс сопровождается удале¬нием испаряющихся смолистых соеди¬нений и газообразных продуктов и образованием твердого кокса, обога¬щающегося атомами углерода. Поэтому в процессе карбонизации ключевым моментом является выбор температур-но-временного режима, который дол¬жен обеспечивать максимальное об¬разование коксового остатка из свя¬зующего, поскольку механическая прочность карбонизованного компо¬зита зависит, помимо прочего, от ко¬личества образовавшегося кокса.
Наиболее медленный подъем лгею" j_ пературы должен происходить i ^ин¬тервале протекания глубоких i штш
КаФеара МСП *

3.20. Свойства УУКМ ва основе углеродной ткани

* В числителе даны значения при температуре 297 К, в знаменателе — при 756 К.

генетических изменений связующего, содействующих образованию кокса, а затем скорость нагрева может быть значительно увеличена. Скорость на¬грева (и охлаждения) определяет также распространение температуры в изде¬лии. Разница температур в объеме изделия вызывает неравномерность протекания пирогенных процессов и объемных изменений, создает опасные внутренние напряжения, приводящие к деформации и растрескиванию из¬делия. Поэтому, чем больше габариты изделия, тем продолжительнее должен быть процесс карбонизации. Скорость подъема температуры при карбони¬зации — от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в час, продолжительность процесса карбони¬зации 300 ч и более. Карбонизация заканчивается обычно в интервале температур 1073—1773 К, но при не¬обходимости УУКМ могут нагреваться до более высоких температур, соответ¬ствующих температурному интервалу перехода углерода в графит.
Свойства УУКМ в значительной мере зависят от вида исходного свя¬зующего, в качестве которого приме¬няются синтетические органические смолы, дающие высокий коксовый остаток (табл. 3.20). Чаще всего для этой цели применяют фенолформаль-дегидные смолы вследствие их тех-
Рис. 3.9. Изменение межслоевого расстоя¬ния rf0o* (л) и плотности р (о") в процессе термообработки фенольной смолы (кри¬вые /, 3) и пека (кривые 2, 4)
нологичности, доступности НИЗКОЙ стоимости, образовавшийся в этом процессе кокс обладает высокой проч¬ностью.
Фенолформальдегидным смолам свой¬ственны определенные недостатки. Вследствие поликонденсационного ха¬рактера их отверждения и выделения при этом летучих соединений трудно получить однородную плотную струк¬туру. Они дают кокс стеклоуглерод-ного типа, плохо поддающийся графи-тации, степень которой характеризует параметр межслоевого расстояния лЬщ/р в кристаллической структуре (рис. 3>9, а). Это снижает плотность р (рис. 3. жрл

КаФеара МСП 1

углеродной матрицы УУКМ. Плотность кокса для фенолформальдегидных смол не превышает 1650 кг/м3, для фурано-вых смол — 1850 кг/м3 и для пеков — 2100 кг/м8.
Величина усадки при карбонизации фенолформальдегидных связующих больше, чем для других типов связую¬щих, применяемых при производстве УУКМ, что приводит к возникновению внутренних напряжений в карбони-зованном композите и снижению его физико-механических свойств.
Более плотный кокс дают фурановые .связующие. Усадка их при карбони¬зации меньше, а прочность кокса вы¬ше, чем у фенолформальдегидных смол. Поэтому, несмотря на более сложный цикл отверждения, связующие на ос¬нове фурфурола, фурфурилиденацето-нов, фурилового спирта также приме¬няются при производстве УУКМ.
Высокое коксовое число имеют крем-нийорганические связующие. Однако высокое содержание окиси кремния в коксе отрицательно сказывается на некоторых свойствах УУКМ на их основе. Поэтому применение этого класса связующих для получения УУКМ весьма ограничено.
Кроме рассмотренных типов синте¬тических смол имеются и другие по¬лимеры с высоким коксовым остатком, пригодные для получения УУКМ на их основе. К ним относятся, например, полиимиды, полифенилены и полибен-зимидазол.
Весьма перспективны для получения углеродной матрицы каменноугольные и нефтяные пеки вследствие большого содержания углерода (до 92—95%) и высокого коксового числа. Преиму¬ществами пеков перед другими свя¬зующими являются доступность и низ¬кая стоимость, исключение раствори¬теля из технологического процесса, хорошая графитируемость кокса и его высокая плотность. Однако вследствие неоднородности состава пеков, пред¬ставляющих смесь индивидуальных ор¬ганических соединений, при карбони¬зации пеков происходит дистилляция низкомолекулярных компонентов и об¬разование значительной пористости. К недостаткам пеков можно отнести также термопластичность, приводящую к миграции связующего при термооб¬работке и деформации изделия, нали¬чие в их составе канцерогенных соеди¬нений, что требует дополнительных мер безопасности.
Вследствие выделения летучих со¬единений при термодеструкции смолы в карбонизованном пластике возникает значительная пористость, снижающая физико-механические свойства УУКМ. Поэтому стадией карбонизации угле¬пластика завершается процесс полу¬чения лишь пористых материалов, для которых не требуется высокая проч¬ность, например, низкоплотных УУКМ теплоизоляционного назначения. Обыч¬но для устранения пористости и повы¬шения плотности карбонизованный ма¬териал вновь пропитывается связую¬щим и карбонизуется (этот цикл может повторяться неоднократно). Повтор¬ная пропитка производится в автокла¬вах в режиме «вакуум—давление», т. е. сначала заготовка нагревается в ва¬кууме, после чего подается связующее и создается избыточное давление до 0,6—1,0 МПа. При пропитке исполь¬зуются растворы и расплавы связую¬щих, причем пористость композита с каждым циклом уменьшается, по¬этому необходимо использовать свя¬зующие с пониженной вязкостью. Сте¬пень уплотнения при повторной про¬питке зависит от типа связующего, коксового числа, пористости изделия и степени заполнения пор. С ростом плотности при повторной пропитке повышается и прочность материала/ Этим методом можно получать УУКМ с плотностью до 1800 кг/м8 и выше. Метод карбонизации углепластика сравнительно прост, он не требует сложной аппаратуры, обеспечивает хо¬рошую воспроизводимость свойств ма¬териала получаемых изделий. Однако необходимость многократного проведе¬ния операций уплотнения значительно удлиняет и удорожает процесс полу¬чения изделий из УУКМ, что является серьезным недостатком указанного ме¬тода.
При получении УУКМ по способу осаждения пироуглерода из газовой фазы газообразный углеводород (метан, бензол, ацетилен и т. д.) или смесь углеводорода и разбавляющего хаап ■ (инертный газ или водород) дифф рует через углеволокнистый nopi
каркас, где под действием высокой тем¬пературы происходит разложение угле¬водорода на нагретой поверхности волокна. Осаждающийся пироуглерод постепенно создает соединительные мо¬стики между волокнами. Кинетика осаждения и структура получаемого пироуглерода зависят от многих фак¬торов: температуры, скорости потока газа, давления, реакционного объема и др. Свойства получаемых композитов определяются также типом и содержа¬нием волокна, схемой армирования.
Процесс осаждения проводится в вакууме или под давлением в индук¬ционных печах, а также в печах со¬противления.
Разработано несколько технологиче¬ских методов получения пироуглерод-ной матрицы.
При изотермическом методе заго¬товка находится в равномерно обо¬греваемой камере. Равномерность обо¬грева в индукционной печи обеспечи¬вается с помощью тепловыделяющего элемента — сусцептора, изготавливае¬мого из графита. Углеводородный газ подается через днище печи и диффун¬дирует через реакционный объем и заготовку; газообразные продукты ре¬акции удаляются через выходное от¬верстие в крышке печи.
Процесс производится обычно при температуре 1173—1423 К и давлении 130—2000 кПа. Уменьшение темпе¬ратуры приводит к снижению скорости осаждения и чрезмерному удлинению продолжительности процесса. Увели¬чение температуры ускоряет осажде¬ние пироуглерода, но при этом газ не успевает диффундировать в объем заготовки и происходит поверхностное наслоение пироуглерода. Продолжи¬тельность процесса достигает сотен часов.
Изотермический метод обычно при¬меняется для изготовления, тонкостен¬ных деталей, поскольку в этом случае заполняются преимущественно поры, находящиеся у поверхности изделия.
Для объемного насыщения пор и получения толстостенных изделий при¬меняется неизотермический метод, за¬ключающийся в создании в заготовке температурного градиента путем по¬мещения ее на обогреваемую оправку или сердечник или прямым разогревом ее током. Углеводородный газ подается со стороны, имеющей более низкую температуру. Давление в печи обычно равно атмосферному. В результате осаждение пироуглерода происходит в наиболее горячей зоне. Охлаждающее действие газа, протекающего над по¬верхностью с высокой скоростью, яв¬ляется основным способом достижения температурного градиента.
Повышение плотности и теплопровод¬ности композита приводит к перемеще¬нию температурного фронта осажде¬ния, что обеспечивает в конечном итоге объемное уплотнение материала и полу¬чение изделий с высокой плотностью (1700—1800 кг/м8).
Для изотермического метода полу¬чения УУКМ с пироуглеродной матри¬цей характерны следующие достоин¬ства: хорошая воспроизводимость свойств; простота технического оформ¬ления; высокая плотность и хорошая графитируемость матрицы; возмож¬ность обработки одновременно не¬скольких изделий.
К недостаткам относятся: малая скорость осаждения; поверхностное осаждение пироуглерода; плохое за¬полнение крупных пор.
Неизотермический метод имеет такие достоинства: большую скорость осаж¬дения; возможность заполнения круп¬ных пор; объемное уплотнение изде¬лия.
Его недостатки заключаются в сле¬дующем: сложное аппаратурное оформ¬ление; обрабатывается лишь одно изделие; недостаточная плотность и графитируемость матрицы; образование микротрещин.
Разработаны различные технологи¬ческие варианты этих методов осажде¬ния. Так, при осаждении пироуглерода по методу перепада давления газ через заготовку (каркас) пропускается при¬нудительно под давлением. Возника¬ющий по толщине градиент давления зависит от проницаемости каркаса. По мере осаждения пироуглерода про¬ницаемость снижается, что приво¬дит к замедлению инфильтрации газа. Этим методом лучше уплотняются из¬делия с низкой проницаемостью. Ме¬тод технически весьма сложен/™» получаемые результаты плохо производимы, поэтому метод не н широкого применения в промышлен¬ности.
Модификацией процесса изотерми¬ческого осаждения является метод импульсного осаждения в режиме давление — вакуум. В этом процессе реакционный объем попеременно за¬полняется углеводородным газом на несколько секунд и вакуумируется, в то время как температура заготовки с помощью индукционного нагрева поднимается от 1088 до 1283 К. Этот метод наиболее выгоден для объемного уплотнения изделии пироуглеродом. Хотя процесс затрудняется поверх¬ностным осаждением пироуглерода, однако путем оптимального выбора температуры и времени осаждения удается достичь глубинного уплотне¬ния углеродного изделия и снизить его газопроницаемость по гелию до Ю-10 см2/с.
3.4.4, Высокотемпературная термо¬обработка (графитация) УУКМ. Струк¬тура карбонизованных пластиков и композитов с пироуглеродной матри¬цей после уплотнения из газовой фазы несовершенна. Межслоевое расстоя¬ние d002» характеризующее степень упорядоченности углеродной матри¬цы, относительно велико — свыше 3,44-104 мкм, а размеры кристаллов сравнительно малы — обычно не более 5-10"3 мкм, что характерно для двух¬мерного упорядочения базисных слоев углерода. Кроме того, в ходе процесса получения в них могут возникать внутренние напряжения, способные привести к деформациям и искажениям структуры изделия при эксплуатации этих материалов при температуре выше температуры карбонизации или осаж¬дения пироуглерода. Поэтому при необходимости получения более термо¬стабильного материала проводят его высокотемпературную обработку. Ко¬нечная температура термообработки определяется условиями эксплуатации, но лимитируется сублимацией мате¬риала, которая интенсивно протекает при температуре свыше 3273 К. Термо¬обработка проводится в индукционных печах или печах сопротивления в не-окисляющей среде (графитовая за¬сыпка, вакуум, инертный газ).
Изменение свойств углерод-угле¬родных материалов в процессе высоко¬температурной термообработки опре¬деляется многими факторами: типом наполнителя и матрицы, конечной температурой и продолжительностью термообработки, видом среды и ее давлением и еще другими факторами. При высоких температурах преодоле¬ваются энергетические барьеры в уг¬леродном материале, препятствующие перемещению многоядерных соедине¬ний, их присоединению и взаимной переориентации с большей степенью уплотнения.
Длительность этих процессов неве¬лика и степень превращения опреде¬ляется в основном температурой. Поэ¬тому длительность процессов высоко¬температурной термообработки значи¬тельно меньше, чем в случае карбони¬зации или осаждения пироуглерода, и составляет обычно несколько часов. При высокотемпературной термообра¬ботке карбонизованных пластиков происходят необратимые деформации изделия, постепенное «залечивание» де¬фектов структуры и удаление гетеро-атомов. Для хорошо графитируемых материалов на основе пеков при тем¬пературах свыше 2473 К наблюдается интенсивный рост трехмерноупорядо-ченных углеродных кристаллитов вплоть до перехода к графитовой струк¬туре. В то же время в карбонизован¬ных пластиках на основе плохо гра-фитирующихся полимерных связую¬щих дефекты структуры сохраняются до 3273 К и материал остается в негра-фитированной турбостратной структур¬ной форме.
С ростом температуры термообработ¬ки прочность графитирующихся ма¬териалов снижается, в то время как у многих неграфитирующихся компо¬зитов механическая прочность повы¬шается (табл. 3.21).
3.4.5. Термобарический процесс из¬готовления высокоплотных УУКМ. С развитием высокотемпературной тех¬ники возрастает потребность в высо¬коплотных УУКМ с плотностью, близ¬кой к теоретической плотности графита.
Традиционные методы получения УУКМ не позволяют получать полу¬фабрикаты деталей значительной тол¬щины со столь высокой плотное JAW. Одним из наиболее перспективный методов решения этой задачи являШш

Примечание. В числителе приведены температуры низкотемператур¬ного режима ТО и соответствующие им характеристики УУКМ, а в знаменателе— то же, для высокотемпературного режима.

термобарический процесс, при кото¬ром термообработка исходной угле-пластиковой заготовки проводится с одновременным приложением давле¬ния. Этот метод является модифика¬цией описанного выше метода получе¬ния УУКМ карбонизацией углепласти¬ков. Давление газовой среды на стадии карбонизации значительно улучшает процесс образования кокса из органи¬ческого связующего, причем приме¬нение давления при карбонизации наиболее эффективно в области тем¬ператур глубоких пирогенетических изменений связующего (773—923 К). В соответствии с принципом Ле-Ша-телье давление смещает равновесие химических реакций в сторону образо¬вания твердого' кокса и уменьшения выхода летучих соединений.
Наиболее перспективными связую¬щими для получения высокоплотных УУКМ являются хорошо графитизи-рующиеся пеки с содержанием угле¬рода до 92—95%. Так, при повышении давления (от 0,1 до 10 МПа) в процес¬се карбонизации низкотемпературного каменноугольного пека из пека осаж¬дается до 90% кокса, т. е. коксообра-зование приближается к теоретически возможному уровню. Приложение дав¬ления позволяет ускорить процесс карбонизации и сдвигает его в область наиболее низких температур. В ре¬зультате продолжительность карбони¬зации изделия может быть уменьшена до нескольких часов без ухудшения свойств карбонизованного материала. Карбонизация под давлением про¬водится в специальных установках для горячего изостатического прессо¬вания (типа газостатов), где давление создается инертной газовой средой, или в обогреваемых пресс-формах.
Влияние давления положительно не только на стадии карбонизации, но и при более высоких температурах. Благодаря появлению пластичности углеродного материала при темпера¬турах свыше 1673—1873 К облегчается его уплотнение и графита ция. В ре¬зультате удается получить хорошо графитированный материал с плот¬ностью до 2000 кг/м8. При этом про¬должительность процесса составляет всего 7—14 ч. В этом и Заключается преимущество данного метода, поз¬воляющего в принципе изготавли¬вать деталь за один цикл.
3.4.в. Процессы получения УУКМ с комбинированными матрицами. Од¬ним из преимуществ УУКМ является возможность целенаправленного из¬менения их свойств путем варьирова¬ния условий получения. Поскольку углеродные матрицы, получаемые раз¬личными способами, описанными ва¬ше, различаются по структуре и термо¬механическим свойствам, то для стижения необходимых свойств У эти способы часто комбинируютс
Помимо материалов с однокомпо-нентными углеродными матрицами, со¬стоящими из пироуглерода или кокса, осажденного из связующего, разра¬ботаны и материалы с комбинирован¬ными матрицами, полученные насы¬щением пироуглеродом в изотермиче¬ских условиях карбонивованного угле¬пластика. Цель введения пироугле¬рода в коксовую матрицу — оптимиза¬ция уплотнения карбонизованных из¬делий. Кроме того, осаждение пиро¬углерода, термомеханические свой¬ства которого существенно отличаются от свойств кокса органических свя¬зующих, позволяет расширить диапа¬зон термомеханических и других характеристик УУКМ.
Уплотнение пироуглеродом карбо¬нивованного пластика приводит к сни¬жению кажущейся плотности, что обус¬ловлено образованием системы замкну¬тых пор и уменьшением открытой пористости при поверхностном наслое¬ния- пироуглерода. Однако прочност¬ные характеристики композита при этом значительно возрастают.
В разработке изделий из УУКМ находят применение и другие варианты комбинированных матриц. В част¬ности, для придания жесткости угле¬родной волокнистой заготовке и предот¬вращения ее деформации и нарушений структуры армирования при последу¬ющем уплотнении жидким связующим она предварительно насыщается пиро¬углеродом из газовой фазы. Этот метод рекомендуется, например, при изготовлении УУКМ с плотностью 1500—1600 кг/м8. Осаждение пиро¬углерода на углеродное волокно перед пропиткой органическими связующими обеспечивает более прочную связь между армирующими волокнами и карбонизованной матрицей, что при¬водит к повышению прочности УУКМ.
Способ изготовления УУКМ с ком¬бинированной матрицей, существенно повышающей механическую проч¬ность композита, включает следующие технологические операции:
нанесение пироуглерода на угле¬родный волокнистый наполнитель;
пропитка наполнителя органиче¬ским связующим;
формообразование углепластиковой заготовки;
карбонизация ее до 1273 К;
уплотнение карбонизованной за¬готовки пироуглеродом;
графитация до 2273К (при необхо¬димости).
Предполагается, что пироуглерод-ное покрытие на углеродном волокне уменьшает адгезию между волокном и полимерным связующим и, следо¬вательно, вероятность возникновения внутренних напряжений и дефектов в композите в процессе усадки связу¬ющего при карбонизации. Оптималь¬ная толщина пироуглеродного покры¬тия на моноволокне 0,001—0,1 нм. Между соседними моноволокнами не должна образовываться сплошная матрица, которая могла бы препят¬ствовать их подвижности при формо¬образовании углепластика. Осаждение пироуглерода из метана предлагается проводить в изотермическом режиме при 1323 К остаточном давлении 1,5 кПа в течение 3 ч. Дополнительное уплотнение пироуглеродом карбони-зованного пластика с целью заполне¬ния открытой пористости позво¬ляет еще более улучшить механи¬ческие свойства УУКМ.
3.4.7. Свойства УУКМ. Измеренные при комнатной температуре физиче¬ские, тепловые и механические свой¬ства некоторых зарубежных материа¬лов приведены в табл. 3.22. Однако эти свойства дают только первое пред¬ставление о возможностях УУКМ и не позволяют сделать точную количест¬венную оценку влияния схем укладки и вида матрицы, так как каждый раз¬работчик использовал для изготов¬ления материалов различные по свой¬ствам волокна и различную технологию получения. Поэтому все дальнейшие сведения будут отражать качественную картину поведения УУКМ.
О влиянии схемы армирования на прочность можно судить по данным табл. 3.23.
яе -ма-
"ВЦ
КаФеара МСП 4
Схема армирования (структура) су¬щественно влияет на поведение ма¬териала при его разрушении (рис. 3.10). УУКМ 1Д структуры имеют хрупкий характер разрушения, 2Д струк¬туры — частично хрупкий. Объемно-армированные УУКМ при разрушере^—^ ведут себя как псевдопластичньп териалы. Причем разрушение их

ступает при нагрузке в 2 раза боль¬шей, чем для высоко плотного графита. Причиной нехрупкого поведения объ¬емно-армированных УУКМ является наличие системы внутренних трещин на границе волокно — матрица. Ис¬чезновение системы внутренних трещин (при высоких температурах из-за терми¬ческого расширения УУКМ число тре¬щин резко снижается) ведет к тому, что объемно-армированный УУКМ имеет хрупкий характер разрушения. При высоких температурах кривая напря¬жение— деформация УУКМ ЗД структуры аналогична кривой для ани¬зотропных материалов. УУКМ на ос¬нове ориентированных волокнистых наполнителей характеризуются ярко выраженной анизотропией свойств.
Учитывая основное применение УУКМ в качестве теплозащитных по¬крытий, большой интерес представля¬ют свойства УУКМ как термостой¬ких материалов. Эти материалы сохра¬няют высокие значения механических характеристик при повышенных тем¬пературах. Прочности при растяжении и сжатии обнаруживают тенденцию, к увеличению до 2500 К, а модуль упругости при температурах шш

/ - 1Д; 2 - 2Д; 3 - ЗД; 4 - ЗД (при 3300 К)

1643 К начинает снижаться (рис. 3.11). Теплопроводность УУКМ снижается с ростом температуры до 1300 К, а в интервале 1300—3300 К теплопровод¬ность падает еще на 30—40% в срав¬нении с ее величиной при 1300 К. С ростом температуры термообработки теплопроводность возрастает, что объясняется повышением степени гра¬фита ции матрицы. Удельная теп¬лоемкость УУКМ при подъеме тем¬пературы от 500 до 2300 К возрастает с 0,8 до 2,2 кДж/(кг-К), а при после¬дующем увеличении температуры до 3300 К она остается постоянной.
Если в неокисляющей среде меха¬нические характеристики УУКМ со¬храняются вплоть до 2000 К, то на воздухе они выдерживают лишь крат¬ковременный высокотемпературный нагрев, при длительном же воздейст¬вии вследствие окисления углерода характеристики УУКМ резко сни¬жаются. При выяснении механизма окисления с целью повышения окис¬лительной стойкости УУКМ установ¬лено, что суммарная скорость гете¬рогенных реакций углерода с газами в отсутствие катализирующих приме¬сей определяется соотношением ско¬/ — AVCO/ЗД; 2 — ATJ-S вдоль зерен; 3 — ATJ-S поперек зерен

ростей следующих стадий процесса:
диффузией реагирующего газа и продуктов реакции из газового объема к поверхности углерода;
диффузией реагирующего газа от наружной поверхности к активным участкам внутри образца и переносом продуктов реакции в обратном на¬правлении;
хемосорбцией молекул реагирующе¬го газа на поверхности и десорбцией продуктов.
Окисление углерода начинается в первую очередь на активных центрах, какими могут являться кромки базис¬ных углеродных слоев, дефекты ре¬шетки или дислокации. На процесс окисления большое влияние могут оказать примеси, например следы^де» реходных металлов или их оке Элементы, входящие в состав щ
Кафедра МСП

сей, могут оказывать как ускоряющее действие на окисление углерода (на¬пример, Fe, Са, К), так и замедлять процесс (например, Si или А1).
Пористость УУКМ и характер рас¬пределения пор также влияют на скорость окисления. Если лимитирую¬щей стадией окисления является диф¬фузия в порах, то с уменьшением со¬отношения радиуса пор и их длины энергия активации процесса снижа¬ется. Высокая пористость способст¬вует ускоренному окислению компо¬зита.
Таким образом, повышению окисли¬тельной стойкости УУКМ способст¬вуют применение хорошо графитирую-щейся матрицы, повышение плотно¬сти, конечной температуры обработки, снижение содержания катализирую¬щих окислов примесей. Поскольку окисление углерода начинается уже при 630—720 К, то для увеличения предельной температуры эксплуатации УУКМ в окислительных газовых сре¬дах необходимо использовать различ¬ные способы защиты композита от окисления. Например, известно, что фосфаты и бораты замедляют процесс окисления искусственных углеродов. Особенно эффективна пропитка фос¬фатом цинка, который снижает ско¬рость окисления в 20 раз. Антиокисли-тильное действие фосфатов и боратов связано, возможно, с блокированием ими активных центров на поверхности углерода.
С целью защиты УУКМ от окисле¬ния возможно нанесение барьерных защитных покрытий, таких, как кар¬биды, силициды, а также пироуглерод.
Защитное действие покрытий, на¬пример карбида кремния, эффективно лишь на начальной стадии окисления. Если вначале скорость окисления УУКМ с покрытием очень мала по сравнению с немодифицированным УУКМ, то с течением времени она вновь возрастает до значения, харак¬терного для исходного УУКМ. Это свя¬зано с возникновением температурных напряжений в слое карбида кремния при нагреве, приводящих к разрыву покрытия и быстрому окислению УУКМ.
Для эффективной защиты УУКМ от окисления покрытия должны удов¬летворять следующим требованиям: иметь высокую температуру плав¬ления и разложения; низкое давление паров;
быть по возможности'плотными, бес¬пористыми;
при окислении образовывать тонкую оксидную пленку, препятствующую дальнейшему проникновению окисля¬ющего газа внутрь изделия;
не вступать в реакции с углеродом;
значения температурных коэффи¬циентов линейного расширения за¬щитного слоя и УУКМ не должны силь¬но отличаться, чтобы не произошло разрыва или смещения покрытия;
иметь хорошую адгезию к углерод¬ному материалу.
Различия в абляционной стойкости равно плотных УУКМ пытаются объ¬яснить различием микроструктуры матриц. Методом дифракции электро¬нов установлено, что структура тон¬ких пироуглеродных покрытий опре¬деляется природой волокон. На вис¬козных волокнах почти во всех слу¬чаях, включая предварительно термо-обработанные углеродные волокна, покрытие получается изотропным. Если покрытые пироуглеродом волок¬на нагреть до 3100 К, то структура покрытия не меняется при условии, что сами волокна не были термообра-ботаны до этой температуры. Если же перед осаждением пироуглерода волокна термообработать при 3100 К, затем покрыть пироуглеродом, а по¬том опять провести термообработку, то структура становится ориентирован¬ной. На предварительно термообра-ботанных волокнах из полиакрил-нитрила пироуглеродное покрытие имеет анизотропную структуру. По¬крытие имеет такую же структуру, когда волокна с изотропным покры¬тием подвергаются термообработке при 3100 К. На волокнах из пека покрытия при всех условиях имеют ярко выраженную анизотропную стру¬ктуру, кроме тех случаев, когда осаж¬дение пироуглерода осуществляется на пековые волокна, имеющие на поверхг ности кокс эпоксидной смолы (при осаждении пироуглерода на стержни из углеродных волокон, связашшн эпоксидной смолой). В данном сл всегда образуется покрытие с
КаФеара МСП

Список литературы

81



тропной структурой. В образцах ком¬позиций, армированных углеродным волокном, с матрицей из каменно¬угольного или нефтяного пеков после пропитки и пиролиза, проведенных при относительно низких давлениях (меньше 7 МГда), между филаментами пучка волокон образовывалась струк¬тура матрицы с графитовыми плоско¬стями, выровненными вдоль поверх¬ностей волокон. Эта высокоориентиро¬ванная структура базисных плоскостей при давлениях ниже 7 МПа формиру¬ется независимо от типа волокна, предыстории сырья и наличия или отсутствия пироуглеродного покры¬тия. По мере удаления от поверхности волокна структура матрицы стано¬вится менее ориентированной, наличие пироуглерода на элементарных волок¬нах усугубляет эту разориентацию.
Предпочтительная ориентация мат¬рицы влияет на механические свойства композиций. В лучшем случае при полной ориентации матрицы вдоль поверхности волокна модуль упруго¬сти матрицы может быть одного по¬рядка с модулем упругости волокна.

18 Формование с эластичной диафрагмой

При формовании с эластичной диафрагмой (мембраной) получают изделия, наружная и внутренняя поверхности которых повторяют морфологию поверхностей формующих элементов (самой формы и диафрагмы).

К методам этой группы относятся: вакуумное формование, формование под давлением и автоклавное формование. Диафрагмы, представляющие собой тонкие эластичные мембраны (мешки) из силоксанового каучука, отделяют формуемую композицию от находящихся под давлением газов в процессе отверждения материала. Из герметичной полости, образующейся между формуемой композицией и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образующемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происходит прижим полимерного композиционного материала к жесткой форме соответствующей конфигурации, что обеспечивает конструктивное оформление детали. Кроме того, в процессе прижима формуемая композиция уплотняется в результате устранения пустот и удаления избытка смолы. Отверждение композиции осуществляется в прижатом к форме состоянии при комнатной температуре либо при нагревании воздушными сушилками и другими устройствами.

Описываемые процессы сходны с технологией контактного формования благодаря послойной укладке листовых армирующих элементов. Их основное отличие связано с использованием приемов для удаления избытка связующего и закладки пакета под эластичную диафрагму. Удаление избытка связующего проводят прикатыванием смолы валиком через толстую пленку, помещенную сверху на пакет. Иногда при этом прикладывается такое большое усилие, что разрушаются волокна и нарушается их ориентация. В этих случаях приходится выбирать меньший из недостатков — либо допускать увеличенное содержание смолы, либо большее количество пор в композите. Таким образом, с технологической точки зрения весьма важным является вопрос подготовки исходных материалов к формованию.

Производство изделий термоформованием

Основная особсшкк'ть этого способа переработки полимерных материалов в от¬личие от предыдущих заключается и том, что формопаш не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до паз-иягченного состояния. Известно несколько разновидностей термоформования: паку-таформовка. пневмоформовка. иневмовакуум-формование. вытяжка свободная кс пуансоном, штамповка и пр. Псе :>тн разновидности объединяются принципиаль¬ной общностью технологий, суть которых в следующем: полимерная заготовка нагре¬вается до размяпенин. приложенным усилием оформляется в изделие и затем охлаж¬дается при сохраняющемся усилии формования.
Термоформованнем перерабатываются большинство термопластов. Лучшие резуль¬таты получают на аморфных полимерах ПВХ, ПС, ПММ, ПК, перерабатывают этим методом н Кристаллизующиеся полимеры ПЭВП, ПЭНП, ПП. Практически не терм о-формуютсл такие кристаллические термопластики, как ПА и ПФЛ.
Ассортимент изделий, получаемых термоформованием, необычайно широк: от гарных емкостей объемом в доли кубических сантиметров до корпусных детален, площади которых исчисляются квадратными метрами,
Разновидностью термоформоваиия является метод получения бутылок раздувом нагретых заготовок, называемых нреформамн, в свою очередь получаемых литьем пол давлением.
К бесспорным достоинствам метода термоформоваиия относятся: простота тех¬нологии и машинного оформления, низкая энергоемкость, невысокая стоимость ис¬пользуемой оснастки, ВОЗМОЖНОСТЬ полной автоматизации процесса, универсаль¬ность но виду перерабатываемых пластмасс, с упрощенным переходом от одного полимерного материала к другому.

НЭак. M4J

14.1. Теория метода
Формирование изделий из листовых, пленочных нлн иных заготовок производит¬ся в условиях нагрева полимера выше температуры размягчения 7",,. В этом случае модуль упругости термопластов понижается рис. 14.1, а приблизительно на два десятич¬ных порядку, что резко уменьшает значение усилия, необходимого для осуществления процесса формовки. Температура (|юрмования изделия 7* существенно ниже темпе¬ратуры плавления полимера. Обе эти особенности и определяют главные техни¬ко-экономические достоинства метода.
Выбор значения Г* зависит от свойств перерабатываемого материала и наиболее наглядно иллюстрируется с помощью термомеханнчеекпх кривых (рис. 14.1. б). Из¬вестно, что аморфные полимеры при нагревании выше Тр размягчаются и переходят в высокоэластическое состояние, начинающееся с Т11У При дальнейшем нагревании до температуры начала плавления Г|Ш физическое состояние аморфного термоплас¬та остается неизменным, что выражается в виде так называемого «плато* на ТМК (рис. 14.1, б, кривая /). Следовательно, в интервале температур Ч~Ю-ТШ1 полимер при¬обретает качества, позволяющие легко его деформировать, придавая листовой, пле¬ночной или иной заготовке форму изделия.
Рис, 14.1. Влияние температуры на изменение свойств и состояние термопластов: и — модуль упругости Е\б — термомехапнческис кривые кристаллизующегося —2 н аморфно¬го — /термопластов;вит— условно-схематическое молскулярво-коиформацион-
нос состояние термопластов при температуре формовании Гф: а - неиагруженное; г — нагруженное усилием Р*
Физико-химическая особенность высокоэластичсского деформирования состоит втом. что оно происходит за счег вытягивания макромолекул, концы которых сохраняют неизменное положение. Весьма упрощенно это можно проиллюстрировать с помощью рисунка 14.1, в и г. В положении «в» полимер не нагружен и макромолекула занимает форму квазиклубка, как термодинамически наиболее выгодную. После приложения усилия формования Рф полимерный образец удлиняется па Д/ за счет вытягивания сегментов макромолекул в направлении вектора При этом положение концов мак¬ромолекул остается неизменным. Понятно, что чем плотнее и организованнее уклад¬ка макроцепей в исходной полимерной заготовке, тем сложнее осуществлять кон-форм а и по иные перестроения макромолекул и. соответственно, ее деформирование в размягченном состоянии. Поэтому температурный диапазон термоформования кристаллизующихся полимеров, во-первых, уже, чем у аморфных, и, во-вторых, сдвинут ближе к температуре плавления (рис. 14.1,6, кривая 2).
Новая надмолекулярная структура полимеров, подвергнутых термоформованию, является неравновесной. Это вызывает структурно-релаксационные процессы, темп которых зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем быстрее «отдеформпрованпый из заготовки образец» будет стремиться вернуться к своей ис¬ходной геометрической форме.
Таким образом, изделия, полученные методом термодеформирования, могут экс¬плуатироваться лишь при температурах, категорически не превышающих 7'|Г

Методы производства изделий* из армированных полимерных материалов

Технологическое и аппаратурное оформление изготовления деталей из АМП о пре¬дел яечч'я особенностями используемых материалов,формой, размерами н назначением изделии.
УСЛОВНО все используемые методы могут быть разделены на две группы — откры¬тые и закрытые. Открытыми методами получают изделия, одна из поверхностей кото¬рых (и)юрмлястся жесткой поверхностью формы, вторая — может оставаться либо со¬вершенно свободной, либо формуется при весьма небольших давлениях (в пределах 0,l-0,G МПа). Из открытых методов наиболее распространены намотка, контактное формование (укладка), центробежное формование, формование с помощью эластич¬ной диафрагмы И ряд других.
Закрытые методы предполагают формование, при котором все поверхности изде¬лия контактируют с жесткими или эластичными поверхностями формы. Катим мето¬дам принадлежат нултрузия погонажных изделий, прессование штучных изделии, в том числе эластичным пуансоном, пропитка иод давлением и др.
Изделия, полученные открытым методом, имеют гладкую поверхность, соответст¬вующую поверхности формы, только с одной стороны, то есть со стороны матрицы, ппрлвкп п пр. При использовании закрытого метода поверхность изделий обычно не требует механической обработки пли операций тина шпаклевки, выравнивании, шли¬фования И т. п.
• Описание методов ппонзаодгтна шимми м t АПМ приводится но данным нсточ пикон, уилшни* ■ конце главы. - П{/ич.ред.
Изделия обеих групп получают по мокрой и сухой технологиям. В первом слу¬чае наполнитель пропитывается связующим непосредственно перед нанесением на поверхность формы, во втором — наполнитель пропитывается раствором связую¬щего и сушится, превращаясь в полуфабрикат, называемый пренрегом.
Мокрый метод позволяет получать изделия более монолитные и высокопрочные, однако для пего характерны: невозможность применения растворителей и, следовате¬льно, технолог^еские сложности реализации требуемой вязкости связующего; необ¬ходимость длительной жизнеспособности вязкотекучего связующего (но крайней мере, в течение цикла формования); большие потери связующею вследствие его от¬жима при контакте с элементами намоточного узла, а также при ракельном выравни¬вании формуемого изделия.
Сухой метод позволяет разделить производство на две стадии: первая — приготовле¬ние полуфабриката (препрега), вторая — производство изделия. Использование прспрс-га (заготовки), который может храниться длительное время, иногда исчисляемое ме¬сяцами, позволяет более точно дозировать содержание связующего на наполнителе, упрощает как переход с ОДНОГО армирующего наполнителя на другой, так и, соответст¬венно, производство гибридных изделий типа угле-, стеклопластик, улучшает санитар¬ные условия операции формования, позволяет существенно повысить производитель¬ность груда. Недостатки сухого метода состоят в следующем: наличие остаточного рас¬творителя в связующем снижает свойства получаемого АПМ, формование происходит при температуре формы (оправки), которая выше температуры плавления связующего, то есть, как правило, более 100 'С; в получаемом материале возможно наличие пор и де¬фектов, вызванных неполной пропиткой наполнителя связующим (особенно тканей из волокон с развитой свободной поверхностью в условиях ИХ низкой смачиваемости).
Выбор метода производства изделий из АПМ является многофазным действием. В первом приближении можно использовать данные табл. 15.3.
При их применении необходимо дополнительно учитывать показатель, характе¬ризующий сложность конфигурации изделия, его габаритные размеры. По атому до¬полнительному показателю вне конкуренции метод контактного формования, Не¬смотря на самую низкую производительность, в настоящее время он является одним из основных. Важным фактором, влияющим на выбор метода формования, является также серийность производства. Чем она выше, тем более роботизированным должен быть технологический процесс получения изделий. С позиций прочности предпочти¬тельнее метод намотки.

Сварка

Из разнообразных определений что такое сварка пластмасс, на наш взгляд наибо¬лее понятным и соответствующим технологии процесса является следующее. Свар¬ка — способ монолитного скрепления деталей посредством соединения их расплав¬ленных участков. При сварке происходит взаимодиффузия молекулярных цепей или их участков в поверхностные слои оплавленных деталей. Таким образом, процесс сварки состоит из двух основных операций: энергетического воздействия на соеди¬няемые изделия в целях резкого повышения подвижности молекулярных цепей и последующего сдавливания соединяемых деталей для формирования монолитною сварного шва.
Энергетическое воздействие может быть тепловым, ультразвуковым, высокочас¬тотным и электромагнитным. Силовое давление или так называемое давление свар¬ки определяется реологическими особенностями соединяемых полимеров, то есть прежде всего вязкостью расплавов, и не должно приводить к выдавливанию распла¬вов из зоны сварного шва. Оно колеблется в сравнительно узких пределах и состав¬ляет 0.05-0,1 МПа.
Из определения следует, что сваркой получают изделия в основном из термопла¬стов. В зоне сварки термопласт находится преимущественно в состоянии расплава.
Поэтому технологические особенности сварки существенно зависят от термоста-бнлыюсти полимеров. Чем меньше термостабнлыюсть, тем сложнее процесс свар¬ки. Лучше всего свариваются ПЭНД, ПЭВП, ПП, СЭВА. ПС, УПС, АБС-пластик,
труднее — ПВХ. ПА. ПК. ПЭТФ. Весьма непросты процессы сварки термостойких пластиков ПСФ.ПИ.ПИА.
В настоящее время наибольшее распространение получила сварка с использова¬нием тепловой анергии и давления. При прямом нагреве соединенные детали непо¬средственно контактируют со сьемным нагревателем. Разновидности сварки прямым нагревом приведены на рис. 17.1. Отметим, что в связи со значительным расширени¬ем производства и применения труб из полимерных материалов стал весьма шн|юко применяться и метод, показанный на рис. 17.1. б. Его недостатки: образование грата внутри трубы, что ухудшает условия транспортировки рабочею тела, деструкнион-вые процессы в полимере на границе с нагревателем; СЛОЖНОСТЬ точною контроля температуры и давления i парки (давления осадки). Перечисленные изъяны могут привести к снижению прочности стыкового шва по сравнению с основным материа¬лом, Ориентировочные значения режимов стыковой сварки пластмассовых труб при¬ведены в табл. 17.1 и 17.2.
Недостатки сварки с односто¬ронним или двухсторонним нагре¬вом состоят в том, что зона сварно¬го шва отделена от на1ревателя са¬мой пленкой, и вследствие низкой теплопроводности полимера тем¬пература в ней ниже, чем па рабо¬чей поверхности контакта С нагре¬вателем. Для устранен!от зтого недо¬статка применяют сварку с термокли¬ном (рис. 17.3). Свариваемые пленки укладываются внахлест и между ними piicполагается неподвижный нагретый наконечник клина, кон¬тактирующий со свариваемыми по¬верхностями. Сварной шов образу¬ется за счет прижатия роликов, пере¬мещающих пленку. 11ри толщине ме¬нее 150 мкм пленки прогреваются по всей толщине и не прилипают к поверхности
прижимных РОЛИКОВ.
Сварка горячим газом используется для соединения толстостепных изделий:. Сва¬рочный пластмассовый пруток нагревается горячим воздухом, подаваемым из сва¬рочной горелки, до оплавления поверхности полимера. Обычно пруток выбирают из того же материала, что и спариваемые изделия. Часто используют прутки с добавками пластификатора, Для сварки горячим газом выпускают прутки диаметром 2-6 мм, а также спаренные прутки в виде ленты сечением 2-3 мм.
Сварочная горелка (рис. 17.4)со-стоит из корпуса /. трубки подачи газа 2, нагревателя 3 и наконечни¬ка 4. Температура исходящего газа на 50-100 градусов превышает темпе¬ратуру плавления термопласта. Дав¬ление газа-теплоносителя устанав¬ливается в диапазоне 0,03-0,1 МПа, При сварке прутком диамет¬ром 3 мм давление и температура газа (давление на пруток — ЗМПа: расстояние от горелки до сварного шва — 6 мм) составляет:
При сиаркс положение сва¬рочного прутка и наконечника нагревателя по отношению к поверхности шва значительно
влияет па качество соедине¬ния. Лучшие показатели полу¬чают при угле наклона а - 90°. Увеличение или уменьшение угла наклона изменяет баланс
сил. действующих на пруток, и температуру его разогрева по отношению к нагреванию сое¬диненных изделий. Под пря¬мым углом располагают пруток
при сварке винипласта, ИМ МЛ и ПЭНП (рис. 17.5,«). При свар¬ке ПЭНП, пдастифинированно-ГО11 ИХ и 11о.тии;и)бугнленаугол а = 45°. Несложное приспособ¬ление, показанное на рис. 17.5.6", позволяет не только точно со¬блюдать значение угла наклона прутка, но и прикатывать обра¬зовавшийся шов, способствуя его упрочнению.
Экстру'.тонная сварка за¬ключается в непрерывном за¬полнении нагретой разделки расплавом полимера (рис. 17.6). а также для соединения пле¬вок и листов малой (до 3 мм) толщины (рис. 17.7).
Основными технологически¬ми параметрами экструзион-
НОЙ сварки являются: темпе¬ратура присадочного расплава, скорость формирования свар¬ного шва и давление на рас¬плав. Оптимальная скорость составляет 0,1-0,5 м/мнн; дав¬ление на расплав 0.05-0,6 МПа. Чем выше температура приса¬дочного расплава, тем меньше его вязкекть и, соответственно, меньше давление па расплав

13. Намотка

Метод намотки является одним из наиболее распространенных и получении изде¬лий из армированных материалов. Намоткой производят оболочки различного типа и назначения. Это прежде всего цилиндрические тонко- и толстостенные трубы, за¬крытые профили прямоугольного, треугольного, эллиптическою сечения, кониче¬ские оболочки. Намоткой получают изделии в пиле замкнутых емкостей (баллонов) дли хранения газообразных и жидких нещести под повышенным давлением объемом от 1-2 л до сотен кубометров. Производимые по этой технологии изделия диаметром до 20 м. длиной до 35 м и. соответственно, объемом в тысячи кубометров применяют¬ся в нефтегазовом комплексе, а также в судостроении и строите.тьегне.
Сущность метола намотки состоит в том. что непрерывный волокнистый полуфаб¬рикат наматывается па вращающуюся оправку (дорн). образуя слон и формируя таким образом требуемую толщину и структуру стенки. Конфигурация оправки (круг, треу¬гольник, прямоу|«1Льп нк. эллипс и т. д.) определяет форму изделия. Это могут-быть не ТОЛЬКО традиционные трубы, но и лопасти вертолетов, ветряных и водяных лопаст¬ных движителей, сложнопрофнльные фрагменты корпусных детален и пр.
Мокрый способ намотки совмещает в одном технологическом процессе пропитку наполнителя и формирование изделия. Поэтому способу (рис. 15.1) ровинг сматыва¬ется с бобин нлн катушек, собирается в жгут, который пропитывается, проходя через ванну с жидким связующим. Избыток последнего возвращается отжимными валика¬ми, Манна и бобины с волокном размещены на каретке, которая лишается возврат¬но-поступательно со скоростью V вдоль вращающейся с угловой скоростью w оправ¬ки. Соотношение значений V и oi определяет шаг намотки и ориентацию волокна на оправке. Усилие на прижимных тиках регулирует количестве» связующего, остающе¬гося на жгуте после пропитки, то есть соотношение «наполнитель полимер» в изде¬лии. Регулированием натяжения жгута создают требуемую нлегпнхть намотки. Необ¬ходимо учесть, что по мере возрастания толщины получаемого изделии должно кор¬ректироваться соотношение V: ео.
Перечисленное сниден'льпнуето многофакторшхти процесса намотки, в связи с чем
современные намоточные
; машины комплектуются IK1-

изделия «мок|хш» на-моткоя: ' - ровинг; 'J ванна со связую¬щим; 3 — отжимные валит: 4 - оправка: Л — изделие: 6 — на-нравля1ощая

Сухой способсостоит в намотке на оправку (дорн) волокнистого препрега. И прин¬ципе, от описанного выше мокрого способа намотки он отличается отсутствием опе¬рации и улла пропитки тем, что вместо роиинга используются бобины с препрегом, н наличием нагревательных устройств, расплавляющих связующее, нанесенное на волокнистый наполнитель перед его намоткой на оправку. Кроме того, нрн сухой на¬мотке требуется создание повышенных контактных давленnii формования.
11 ри мокром способе намотки используют низковяэкие связующие — ненасыщен¬ные полиэфиры (II11-1, ПП-2 и др.). нпзкомолекулярпые эпоксидные смолы (ЭЛ-22. ЭД-20. ЭД - разбавители), связующие на основе сложных виниловых эфиров.
При сухом способе благодаря использован ню растворителей номенклатура связу¬ющих существен но расширяется п включаетфенолоформальдегндные.эпоксидпофс-нольные, эпоксидные, полиамидные и другие полимерные вещества.
Метод раздельного формования представляет собой как бы технологически обрат¬ный процесс, при котором сначала формируется неплотная заготовка из волокнисто¬го материала, а уже затем она пропитывается связующим, поступающим в форму под давлением и движущимся от наружных слоев к внутренним, в золе которых создается разряжение (рис. 15.2). Использование замкнутой формы позволяет существенно улучшить условия труда, а также повысить качество наружной поверхности сфериче¬ских изделий.
Ио типу укладки армирующего волокнистого Материала на оправке различают не¬сколько видов намотки: прямую, спиральную, спирально-перекрестную, продоль¬но-кольцевую, спирально-кольцевую, продольно-петлевую и др. (рис. 15.3).
При н/«мюм намотке угол между осью вращения оправки (дорна, оболочки) и осью наполнителя (волокна, пучка, ленты и пр.) близок к 90'. Собственно, его отклонение от этой величины зависит только От ширины ленты (пучка) и шага намотки. Это наи¬более простой метод формования цилиндрических оболочек. При прямой намотке используют, как правило, иреирегп тканей или лент. Если необходимо получение из¬делий, длина которых существенно превышает ширину полотна (лепты), используют несколько одновременно работающих узлов раскладки.

Спираль»о-$интовая намотка состоит в том, что пучок или лепту волокнистого ма¬териала, пропитанного связующим, наматывают на поверхность оправки по винтовой линии (рис. 15.3, а). Возможны дна варианта укладки слоев наполнителя: первый -ОДНОСЛОЙНЫЙ, когда толщина формуемого слоя равна толщине одной ленты (пучка), подаваемой на оправку, причем пропитанный материал укладывается строго вплот¬ную один к другому. В этом случае шаг намотки S = fl/sinq>. где И — ширина ленты (пучка); ф — угол намотки.
Второй вариант — многослойный, когда за один проход раскладывающего устрой¬ства формируется многослойная структура наматываемой оболочки. Такой вариант возможен только с лентой, которая при намотке может укладываться внахлест, один виток на другой. Если нахлест характеризуется параметром Л*, то шаг намотки - 5 -= B/(J&inq>).
Спирально-винтовая намотка применяется для получения цилиндрических изде¬лий, в частности для упрочнения труб и цилиндрических участков сосудов и емко¬стей. Есть мнение, что этим методом можно упрочнять стволы стрелкового оружия, артиллерийские стволы и др.
При продольно-поперечной намотке ленточный наполнитель послойно выклады¬вается вдоль оси оправки и наматывается в перпендикулярном направлении. Углы намотки составляют соответственно 0-5 и 90-85 град. Выкладывание происходит ПО всей длине изделия. Этот метод применяют при намотке «сухим» способом, он мо¬жет использоваться как для цилиндрических, так и для конических оправок.
Спиралыю-перекрсстшш намотка (рис. 15.3. в) характеризуется тем, что ее шаг превышает, и иногда многократно, ширину ленты (пучка). При обратном ходе каретки образуется перекрестная намотка. При каждом прямом ходе каретка смешается на ширину ленты (пучка), что в конечном счете образует плотную намотку.
Этот метод считается наиболее универсальным, он используется для производст¬ва оболочек сложной формы с продольной образующей — цилиндров, конусов, сфер, балЛОНОВ с эллиптическими и сферическими днищами. Угол намотки может изменять¬ся и широком диапазоне (10-80 град), оптимальным считается значение q>- ± 5Л°ЛЛ'.
Иногда этот вид намотки называют геодезическим.
Спирально-винтовая намотка обеспечивает высокую прочность оболочек при внут¬реннем давлении.
Плоскостная (орбитальная, полюсная) намотка выполняется укладкой лент «пло¬скими» непрерывными витками, вытянутыми но всей длине изделия. При каждом продольном движении укладки на одну длину изделия оправка поворачивается на я Rad. Недостатки метода: ограниченность размеров получаемого изделия и слож¬ность контроля за натяжением армирующей ленты (пучка).
Совмещенная спирально-кольцевая намотка (рис. 15.3, д) заключается в однона¬правленной намотке спиральных и кольцевых слоев наполнителя, выполняемых с двух самостоятельных раскладывающих устройств. Благодари такой конструкции намотки можно варьировать соотношение натяжении, соотношение спиральных и кольцевых слоев, получать изделия с повышенной прочностью в продольном п по¬перечном направлениях. Метод позволяет полностью автоматизировать процесс на¬мотки оболочек и, следовательно, улучшить качество изделии и увеличить произво¬дительность.
Косослойная продольно-поперечная намотка позволяет увеличить сдвиговую проч¬ность оболочек в продольном направлении, по одновременно увеличивает и осевую дс-формативность и, как следствие, снижает значение модуля упругости. Метод использу¬ется для непрерывного производства напорных труб диаметром до 400 ММ с толщиной стенки до 10 мм.
Продольно-петлевой совмещенный с радиальным метод намотки также используется для производства труб по непрерывной технологии (рис. \5Л). Суть метода СОСТОИТ в следующем. На неподвижную оправку 1 попеременно-послойно с катушек.? и бЧкла-дывастся волокнистый наполнитель, пропитанный связующим. Катушка 3 устанавли¬вается в коромысле 2, вращающемся относительно геометрической оси оправки. Во¬локно 4, поступающее с этой катушки, наматывается радиальио. Катушка петлевой намотки 8 имеет три степени свободы. Во-первых, она вращается относительно пол-луна 9, ВО-ВТОрЫХ, вместе с ползуном перемещается возвратно-поступательно со ско¬ростью V„ вдоль оправки, и. в-третьих, поворачивается вместе с коромыслом 7 во¬круг оправки. Ход ползуна равен длине нетель, укладываемых вдоль поверхности оправки. Количество и соотношение слоев с радиальной и продольно-Петлевой укладкой определяет толщину стенки изделия 5, которое, пройдя камеру отвержде¬ния, непрерывно отводится от оправки со скоростью V,,,,,. Частота вращения коро¬мысла радиальной намотки 2 согласуется со значением Vllf0. Рассмотренный метод пригоден для «мокрого» способа намотки труб диаметром до 400 мм и толщиной стенки от 1 мм до 10 мм.
Планегпарио-ашратшя намотка используется для непрерывного производства труб гибридной конструкции из пропитанной ленты и по сухой технологии (рис. 15.5).
Катушки 5,6с нреирегом стекло- и углеленты вращаются вокруг неподвижной оправ¬ки /. Осевое перемещение формуемой трубы со скоростью Vm без нарушения ее структуры на стадии формования и отверждения осуществляется благодаря исполь¬зованию продолынэгх лент из стеклоткани 2. поступающих на оправку через направ¬ляющие 3. С планшайбой 4. вращающейся с угловой скоростью <оп> производится спиральна» намоткаетекловолокн истой ленты 5. составляющей основные слои трубы. Значении Уоп и со,, согласованы. Особенностьк) этой установки является 1кпользова-вис токов высокой частоты (ТВЧ) лля отверждения связующего. Производителынкль установки — до 3 м/мин. Установки в зависимости от назначения и лиамет|>а труб вы¬пускаются стационарными и передвижными, смонтированными па тележках.
Технологический цикл формования изделий намоткой по периодическому способу включает нижеследующие операции:
а) подготовка оправки (нанесение па ее поверхность антиадгезнонных составов
или пленочных покрытий);
б) приготовление связующего (при мокрой намотке);
в) намотка и получение заготовок изделия;
г) термообработка изделий на оправке (отверждение);
д) охлаждение изделия на оправке по заданному режиму;
с) съем изделия с оправки.
При непрерывной намотке все перечисленные операции выполняются одновре¬менно, но на разных участках одной операционной линии.
При сухой технологии из этого перечня исключается пункт «6». Операция рас¬плавлении связующего перед намоткой выполняется совместное пунктом «в».

12. Пултрузия

Этт- метод также известен под названием «протяжка». Суть cm состоит в следую¬щем. Пропитанный полимерным связующим наполнитель (жгут, холст, тканая лента) последовательно протягивается через продольное отжимающее избыток связующего устройство* поступает в машину предварительного формования, а затем в горячую профилирующую матрицу, где происходит отверждение связующего и фиксируется требуемая конфигурация изделия. Таким образом, конструкция матриц определяет сечение изделий, которые могут иметь различную форму, что является основным до¬стоинством метода.
Пултрузия позволяет использовать и «мокрую», и «сухую» технологии.
Особенность нултрузпонной переработки СОСТОИТ в том. что в полученных изде¬лиях весь наполнитель ориентирован только в одном направлении, совпадающем с пек тором нрогяжки. Следовательно, иосвойс i вам такие изделия СИЛЬНОанизотроп* ны. Их прочность В продольном направлении существенно выше, чем в поперечном. В то же нремя деформатнвность изделий в поперечном, но отношению к их геометри¬ческой ОСИ, направлении существенно выше, чем и продольном, Это качество может Ныть использовано как в технологических, так и в эксплуатационных целях. Примене¬ние волокнистых наполнителей (стекловолокна, углеполокна, органоволокна) в од¬ном технологическом процессе позволяет получать изделия с уникальными свойства-ИИ, согласованными С особенностями энергетического нагруження изделия в услови¬ях его практического использования.
Схема, представленная на рис. 15.6. иллюстрирует метод пултрузни. Со шпулир-иика 1 волокно (в том числе разного состава) поступает в пропиточную ванну 2 и за¬тем в формующую матрицу, где отжимается от избытка связующего, сжимается

Риг. /5.5. Иултру.нюнный агрегат — д. сечения гиле.шй — б (пояснении н тексте)
н поперечном направлении н приобретает конфигурацию изделия. В камере термооб¬работки 4 ПРОИСХОДИТ окончательное отнерждение полимерно!) матрицы, Изделие остывает по заданному режиму и камере охлаждения 5 и затем поступает на резатель¬ное устройство 7. Движение изделия происходит с помощью тянущего (транспорти¬рующего) блока 6'.
В методе пултрузнн большой интерес нрелстанляет устройство мат|>ицы (рис. 15.7).
Она состоит из рас п редел 1ггсл ьнент плиты /. н расположенные по кон¬туру изделия фильеры которой по¬ступают пропитанные подокна 2. Здесь происходит предваритель¬ный отжим связующего. Далее во¬локна через губку охлаждаемой пли¬ты 3 попадают н горячую зону мат¬рицы 5. требуемая температура ы которой создастся внешними на-1-реватслями 8 и контролируется термопарой 6. Стальные колонны 9
обеспечивают жесткость конструк¬ции формующей матрицы, а тепло¬изоляционный слой 7 разделяет холодную и горячую зоны. В пред-
, ложен ной конструкции матрицы
Рис. 1>.7. Формч-ювин матрица ие.ттруанонного аг- , J ■ _ 1
рогата (пояснения н тексте) ИМ№ТСЯ "Р" * °6РВвШМЙ ,lOTOK0M
ориентированных пропитанных подокон на холодном участке тракта формообра¬зования.
Многое н свойствах изделия зависит от прав] гльности выбора матричной конструк¬ции и согласования се свойств со свойствами армирующего волокна. В оптимальном варианте по свойствам пултрузиоиные изделия превосходят детали, произведенные контактным формованием, они более монолитные, более кислого- и щелочестойкне. Строгий контроль натяжения волокна позволяет увеличить прочность даже при наибо¬лее опасном для ггултруэионноЙ технологии межслонпом сдвиге. Она на 30-35 % пре¬вышает аналогичный показатель материалов с войлочной структурой наполнителя, по¬лученных вакуумным формованием.
Рассмотренным методом получают многослойные трубы, оболочки диаметром до 2 Mi детали подвижного железнодорожного и автомобильного транспорта.
Пултрузия допускает полную автоматизацию процесса и обеспечивает его высо¬кую производительность.

10. Контактное формование

Наиболее простым по аппарату рно-технол отческому оформлению способом по¬лучения полимерных композиционных материалов продолжает оставаться контакт¬ное формование, которое применяется дня изготовления крупногабаритных малона-гружениых деталей сложной конфигурации: коробчатых кожухов механизмов, баков, корпусов и других элементов лодок, катеров н пр. Контактное формование изделий в открытых формах осуществляют в основном двумя методами — ручной укладкой и напылением. Технология ручной укладки включает следующие основные операции:
— нанесение разделительных покрытий на формы;
— раскрой тканых или нетканых армирующих материалов;
— приготовление связующего;
— укладка армирующего материала на форму;
— нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры;
— отверждение связующего при комнатной температуре или при нагревании ДО 70-95 "С;
— извлечение изделия из формы и его механическая обработка согласно требова¬ниям чертежа;
— контроль качества изделия.
Метод (формования напылением отличается от описанного тем, что волокнистая арматура (стекловолокно, базальтовое волокно, углеволокно) в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки — штаиельки — н доставляется в (форму одно¬временно со смесью соответствующей смолы и катализатора. Варьирование соотно¬шения смолы и наполнителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы и ее наполнителей позволяет в широких пределах изменять свойства по¬лучаемых композиционных пластиков, поскольку структура и свойства композита, да и само изделие формообразуется в процессе его получения.
При конструировании деталей необходимо располагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет определить необходимые прочностные характеристики применяемого материала.
Технологические особенности полимерных КОМПОЗИТОВ учитывают при конст¬руировании. Реальная минимальная толщина изделии: при формовании ручной укладкой слоен — 0,8 мм, при напылении — 1,5 мм. При наличии прямых внутрен¬них углом армирующий компонент стскловолокнистого композиционного материа¬ла (СВКМ) не будет прилегать к поверхности формы, прямые наружные углы арма¬тура не сможет охватить плотно (рис. 15.8). Минимальный радиус закругления внутренних углов 4.8-6,4 мм. При изменении толщины изделия следует прибавить вал убавить число споен материала. В целях ликвидации высоко напряженных зон необхо¬димо н:(бегать резких переходов толщины, изменять ее постепенно, укладывая стон ступенчато пли подобно кровельной черепице. Реальная максимальная толщина, в принципе, не ограничивается, но с учетом отверждения — б мм. В качестве основных элементов технологической оснастки при контактном формовании используют формы, модели и вставки (стержни). Их назначение аналогично традиционной оснастке, испо¬льзуемой в литейном производстве, но имеет ряд особенностей, зависящих от применя¬емых материалов. Модели и вставки изготавливают из дерева, гипса, комбинаций гипса С металлами И другими материалами. Для получения срорм часто используют стеклона-ПОЛпенные пластики. Рекомендуется следуюпдая последовательность операций:
— по указанным на чертеже размерам изготавливают модель из дерева, гипса, фа¬неры или другого материала; шероховатость ее поверхности должна быть такой же, как и ГОТОВОГО изделия:
— но модели методом выкладки или полива получают оболочку - форму, поверх¬ность которой в точности воспроизводит поверхность модели: сформированная по¬сле отверждения форма ил стскловолокнистого композита может быт ь упрочнена же¬стким материалом (металлом или деревом), чтобы не повредить ее при эксплуатации:
— форму отделяют от модели (при этом модель часто разрушают), осматривают ее поверхность и полируют для улучшения внешнего вида и облегчения извлечения формуемых изделий;
— па отполированную форму наносят несколько слоен пастоентразиого парафина (три нлн четыре). Каждый слой должен быть хорошо отполирован чистой салфеткой. После нанесения каждого слоя форма выдерживается до затвердевания парафина. Па стадии обкатки формы для облегчения съема готовых изделий периодически (после формования 1-4 деталей) на ее поверхность дополнительно напыляют поливинило¬вый спирт.




СВКМ


Рис. 15.8. Конструктивное оформление изделий из композиционных пластиков: а, 6- внут-
ри ie и наружные углы; в - изменение тол шины
Непосредственно перед формованием изделии на поверхность формы кистью либо распылением наносят наружный смоляной слой (гелысоат). Для ЭТОГО использу¬ют полиэфирную смолу, содержащую наполнители и пигменты, но без армирующих добавок. Эта композиция в процессе срормования переходит на формуемое изделие, образуя наружный слой. Обычно цвет гслькоата отличен от цвета композита, что обеспечивает визуадьнуюоценку полноты п равномерности нанесения покрытия.Та¬ким образом, «окрашивание» детали производится раньше, чем она будет изготовле¬на. Декоративная глянцевая поверхность практически не требует последующей от¬делки.
Следующей операцией является подготовка материала. Все типы армирующих Материалов — маты из рубленой стеклопряжн, ткани н тканый ровинг — поступают Б виде больших рулонов различной ширины. Лист нужной длины вырубается из ру¬лона и обрезается но шаблону. Затем тщательно смешивают заранее отмеренные ко¬личества смолы и отвердителя. Композицию можно наносить на подокно как вне фор¬мы, так и внутри нее. Возможно использование распылителя, который автоматически дозирует и смешивает компоненты. Для уплотнения материала и удаления пузырь¬ков воздуха применяют щетки, резиновые И зубчатые валики. Необходимое число слоев мага и (или) тканого ровинга набирается до достижения расчетной суммарной толщины. Слои мата и тканого ронинга следует чередовать для обеспечения хорошей иежслойной прочности сцепления, предотвращения появления воздушных включе¬ний. При использовании только матов содержание волокна должно быть 25-35 %. В стеклопластиках, полученных с применением матов и тканого ровинга, содержание стекловолокна находится в пределах 35-45 %, а при использовании только ткани — около 50%. Продолжительность отверждения смол и композитов зависит от темпера¬туры; при комнатной температуре — от 10-20 мни до 14 суток, при 65 "С — 5-30 мни. при 82 "С - 1,5-5 Мин.
При контактной формовке напылением измельченное волокно и смола одновремен¬но ВВОДЯТСЯ в Открытую форму. Ровинг волокна проходит через рубильное устройство и вдувается в поток смолы, который направляется в (|юрму распылительной системой.

Обычно размер пгтанелек. на которые рубится ровинг, составляет 12-50 мм. Возможная схема напыления приведена на рис. 15.10. Одна распыл ютльная головка впрыскивает СМОЛу. ii|KMnapiiTf лыю смешанную с «твердигелем, или только отвсрдитсль. в то время как вторая головка полает сметь смолы с ускорителем отверждения. После введении в форму смолы с волокнистой армату ]юп обращавшийся слон прикатывают вручную ДЛЯ удаления воздуха,уплотнения н получения гладкой поверхности. Технология отвер¬ждения аналогична применяемся! при формовании ручной укладкой.
Пример современного оформления оборудования для напыления представлен на рис. 15.11.





При массовом производстве методами формования ручной укладкой и напылени¬ем таких изделии, кик корпуса лодок и катеров, раковины, ванны и пр., применяют |ю-боты (рис. 15.12). Преимущество автоматизированного устройства заключается ц возможности строгого выполнения технологических требовании и сведении функ¬ций оператора только к контролю за процессом, замене форм и обеспечению сырьем.
После отверждении композита производят обрезку и зачистку кромок. При пра¬вильном подборе отнердителя в конце стадии отверждения присутствует короткий отрезок времени, когда СЛОИСТЫЙ пластик становится твердым, нелнпким. кожепо¬добным. Именно в этот временной интервал можно ножевым устройством обрезать кромки по шаблону.
Преимуществами способов формования полимерных композиционных материа¬лов ручной укладкой п напылением являются: универсальность, возможность полу¬чения изделии сложной формы и большого размера, низкая стоимость оснастки, воз¬можность создавать слоистые конструкции, в том числе с закладными деталями, пригодность для опытного производства. Вместе с тем для них характерны большие затраты ручного труда, низкая производительность, зависимость качества изделий от квалификации формовщика, трудность обеспечения однородности материала н ста¬бильности его физико-Механических свойств. Контактной формовкой производят широкую номенклатуру изделий: кузова, крылья- крыши автомобилей, прицепы: кан¬ны, желоба, моЙКИ, бочки, цистерны, баки, бункеры, элементы ненесущих строитель¬ных конструкций в виде стеновых панелей, дверей, оконных блоков и многое Другое.