книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

ленного материала матриц, обеспечивающих пропитку (в ва­ кууме, при обычном и повышенном давлении) предварительно уложенной системы волокон. Образование металлической мат­ рицы методами осаждения состоит в нанесении на волокна различными способами (газофазным, химическим, электроли­ тическим и т.п.) слоя металла и заполнении им межволокон­ ного пространства.

К деформируемым алюминиевым сплавам относятся неупрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг и другие, основными добавками в которых являются магний Мд и марганец Мп. Эти сплавы обладают хорошей пластич­ ностью, коррозионной стойкостью, но сравнительно невысо­ кой прочностью. Большую механическую прочность имеют упрочняемые термической обработкой дуралюмины (Д1, Д6, Д1 и др.) и сплавы групп АВ, АК, В95.

♦Наиболее распространенные литейные сплавы - силуми­ ны, однако они малопластичны, имеют низкую ударную вяз­ кость и жаропрочность. Из А1-матриц наиболее жаропроч­ ным является материал типа САП (спеченный А1 + порошок), представляющий собой алюминий, упрочненный дисперс­ ными частицами оксида А120 3. В соответствии с методом порошковой металлургии его получают брикетированием А1-пудры с 6...22%-ным А120 3 и спеканием. Материал типа САП при температуре Т = 500 °С сохраняет прочность 80...120 МПа.

Для получения металлокомпозитов на основе алюминия наиболее широко применяют методы плазменного напыления матричного материала, с помощью которых существенно из­ меняются его структура и свойства. В этом случае матрица формируется в результате высокоскоростного перемещения расплавленных мелких частиц, соударения их с поверхностью и высокоскоростной кристаллизации. При этом матрица пред­ ставляет собой скопление тонкопластинчатых частиц размера­ ми 2... 10 мкм, на границах которых образуются сплошные или дискретные тончайшие оксидные пленки. Оптимальные пара­

для пленок является соотношение между массой и поверхнос­ тью. Для технических пленок характерно сочетание высокой прочности с гибкостью. Формально к пленкам относятся лис­ товой и рулонный материал толщиной до 0,25 мм и шириной более 100 мм. Узкие пленки называют лентами.

Классифицируют пленки по их химической основе (поли­ этиленовые, полистирольные и т.д.), иногда в соответствии с распространенным фирменным названием (целлофан, саран, лофеон).

В пределах одного вида пленки подразделяют в зависимости от метода получения: отлитые из раствора, экструдированные, каландрированные, ориентированные.

Пленкообразующими свойствами обладают практически все полимеры, способные растворяться или переходить в вяз­ котекучее состояние при нагревании.

Пленки, как правило, получают либо путем испарения рас­ творителя из тонкого слоя раствора, нанесенного на подложку (иногда с разделяющим слоем подложки), либо путем формо­ вания расплава в соответствующем формующем инструменте с последующим охлаждением полученного полотна (или рукава) пленки.

Для получения пленок используют полимеры линейного строения, макромолекулы которых представляют собой сово­ купность одинаковых звеньев мономера, химически связанных в длинные цепи.

Степень полимеризации, т.е. количество однотипных зве­ ньев, входящих в полимерную цепь, определяет молекулярную массу полимера.

Высокоэластическое состояние пленки достигается при не­ котором критическом значении'молекулярной массы, харак­ терном для полимерных пленок, обладающих достаточной ме­ ханической прочностью и гибкостью. Так как молекулярная масса зависит от химического строения полимера, т.е. состава элементарного звена, правильнее оценивать критическую мо­ лекулярную массу степенью полимеризации.

Пленки из раствора полимеров получают поливом из дви­ жущейся фильеры на неподвижный стол или из неподвижной фильеры на непрерывно движущуюся поверхность —бесконеч­ ную ленту или вращающийся барабан. При этом основными

стадиями процесса являются:-приготовление раствора, подго­ товка раствора к формованию (фильтрование); формование пленки, сушка пленки, обрезка кромок и намотка на барабан. Из расплава пленки получают методом экструзии, при этом процесс формования изделия осуществляется непрерывным или периодическим продавливанием материала в пластическом или вязкотекучем состоянии через формующий инструмент - головку. Используют два способа:

плоскощелевой — для нанесения покрытий на рулонные материалы, а также для получения аморфной пленки из крис­ таллических полимеров;

рукавный, при котором трубчатая заготовка выходит из кольцевого отверстия головки и раздувается изнутри сжатым воздухом.

К основным стадиям процесса относятся: получение рас­ плава, формование полотна или трубчатой заготовки с раздувом ее по выходе из головки, охлаждение, отбор и намотка пленки на бобину. При деформационном способе (каландрировании) формообразование листа или пленки осуществляется путем непрерывного продавливания термопластичного материала через зазор между валиками.

Из большого числа полимерных пленок, выпускаемых про­ мышленностью, наибольшего внимания заслуживают полиэтилентерефталатная (ПЭТФ или лавсан), полиимидная и полиарилатная (ПА) пленки, которые относятся к жестким.

ПЭТФ-пленки получают исключительно из расплава с пос­ ледующей вытяжкой и термообработкой. Механические харак­ теристики ПЭТФ-пленки представлены в табл. 1.16. Техничес­ кие свойства пленок не изменяются в пределах от 20 °С до 80 °С, хрупкость не обнаруживается даже при температуре -50 °С. ПЭТФ-пленки можно длительно применять при тем­ пературе до 170 °С. Они обладают малым коэффициентом теплопроводности, температура их плавления 250 °С, морозо­ стойкость достигает температуры —155 °С. Линейная усадка этих пленок при температуре 150 °С равна 5 %.

Полиимидные пленки получают методом полива из распла­ ва. По всем технически важным параметрам ПИ-пленки, осо­ бенно при низких и высоких температурах, не имеют себе равных (см. табл. 1.16). Некоторые ПИ-пленки сохраняют гиб-

ются в значительной мере после длительной (до 500 ч) выдерж­ ки при температуре 180...200 °С. ПА-пленки отличаются высо­ кой химической стойкостью к воздействию концентрирован­ ной азотной, соляной, уксусной и муравьиной кислот, разбав­ ленных щелочей, масел.

Жесткие полимерные пленки перспективны для широкого применения в качестве силовых и герметизирующих оболочек сосудов давления, баков, трубопроводов, работающих в широ­ ком диапазоне температур, а также для использования в изде­ лиях массового производства — огнетушителях, аквалангах, автомобильных баллонах и т.п.

1.4. Полимерные композиционные материалы

Как уже отмечалось, природа матрицы определяет в ос­ новном технологические параметры процесса изготовления композитного элемента, при котором образуется и сам ма­ териал. ПКМ, образованные различного типа армирующими элементами с полимерной матрицей, широко применяют в различных отраслях промышленности в качестве конструк­ ционных и теплозащитных материалов. Наибольшее распро­ странение получили пластики, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и некоторыми дру­ гими видами волокон. В качестве матрицы используют от­ вержденные эпоксидные, полиэфирные и другие термореак­ тивные смолы, а также полимерные термопластичные мате­ риалы. К основным преимуществам композитов с полимер­ ной матрицей относятся высокая удельная прочность и жест­ кость, стойкость к химическим агрессивным средам, низкая тепло- и электропроводность и т.п. Кроме того, при изго­ товлении этих материалов относительно легко при умерен­ ных температурах и давлениях удается соединить армирую­ щие элементы с матрицей. В этом случае применяют как традиционные процессы - прессование, контактно-вакуум­ ное и автоклавное формование, так и специальные — намот­ ка, пултрузия и другие процессы, когда материал и изделие создаются одновременно.

Физико-механические характеристики однонаправленных пластиков на основе эпоксидных связующих в сравнении с традиционными металлическими материалами приведены в табл. 1.17.

Совмещение армирующих материалов со связующим для получения ПКМ можно осуществлять прямыми или непрямы­ ми способами.

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

Непрямыми называют способы, при которых изделие изго­ тавливается из полуфабрикатов, т.е. из ПКМ, представляющих собой предварительно пропитанные материалы - препреги с ориентированным или неориентированным расположением во­ локон. К первым относятся однонаправленные ленты, ткани, монолисты, а ко вторым — премиксы, пресс-волокниты и т.п.

Элементарный вид ПКМ - микропластик, т.е. нить, про­ питанная связующим. Показатели механических характеристик микропластика используют для оценки коэффициента реали­ зации прочности армирующих волокон в материале изделия (в процентах)

'I мат 100,

'1 МП

где сг|мат — предел прочности материала; а |мп - предел проч­

ности микропластика.

На рис. 1.17 показано изменение коэффициента реализации прочности органических волокон от микропластика до нату­ ральных изделий. Из рисунка ясно, что этот показатель умень­ шается по мере усложнения технологии изготовления изделий. Поэтому основной задачей технолога является разработка спо­ собов (приемов), повышающих коэффициент реализации проч­ ности в реальных технологических процессах производства из­ делий.

Современное производство элементов конструкций из полимерных композитов в значительной мере ориентируется на препреговую технологию изготовления изделий. Суть этой технологии состоит в использовании промежуточного полуфаб­ риката препрега с большой жизнеспособностью, т.е. сроком существования активных радикалов в связующем, обеспечива­ ющих отверждение матрицы. При нормальной температуре (20... 10 °С) этот срок составляет примерно три месяца, при

пониженной - до года. Препрег, полученный на специальных пропиточных установках, обладает наивысшим качеством про­ питки наполнителя связующим, минимальными механически­ ми повреждениями наполнителя, равномерным “наносом” свя­ зующего в наполнитель при оптимальном процентном содер­ жании связующего.

Рис. 1.17. Влияние вида армирующего наполнителя на коэффициент реализации прочности волокон СВМ в различных образцах

Готовый препрег обычно представляет собой рулоны или пакеты ленточного колиброванного материала с разделитель­ ной пленкой между слоями. Отсутствие сколько-нибудь замет­ ной липкости при нормальной температуре (20 °С ± 10 °С) позволяет автоматизировать процесс нанесения препрега мето­ дами намотки, выкладки, делать технологически “чистыми” процессы ручной выкладки сложных изделий, проводить авто­ матизированный раскрой препрега на станках с программным