книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

управлением, например на лазерных или ультразвуковых уста­ новках раскроя материала.

Препреги с ориентированным расположением волокон из­ готавливают на специальных установках вертикального (шахт­ ного) или горизонтального типа. Последние являются более предпочтительными.

Схема пропиточной установки шахтного типа представлена на рис. 1.18. Поступая со шпулярника на распределительный барабан, нити наполнителя формируются в ленту, которая под­ сушивается нагревателем и далее подается на пропитку в ванну

Рис. 1.18. Схема пропиточной установки для получения препрега:

затвор; 14 —ванна со связующим; 15 - нагреватель; 16- шпулярник с нитяным наполнителем; 77 —распределительный барабан

После этого осуществляют пропитку, отжим, сушку и колибрование препрега. Наиболее важный этап в этой схеме — вакуумирование нитяного наполнителя, образующего препрег, его сушка и пропитка в вакуумной камере. Цель вакуумирова­ ния и сушки заключается в удалении газовых включений и влаги из микротрещин и межволоконного пространства в нитях наполнителя для свободного проникновения в них связующего.

На малогабаритной установке для получения ленточных препрегов (рис. 1.19) непрерывные нити, сматываясь со шпу­ лей, с большой скоростью (около 20 м/мин) протягиваются через ванночку с раствором связующего, где они пропитыва­ ются. Затем нити формируются специальным раскладчиком в ленту и поступают в цилиндрическую камеру сушки на барабан с транспортерами червячного типа, на котором транспортируе­ мая лента частично отверждается. Подсушенная лента сматы­ вается на приемную катушку (кассету), при этом между нама­ тываемые слоями прокладывается разделительная бумажка или полимерная пленка, предохраняющая препрег от склеивания. В зависимости от типа связующего, условий хранения препреги сохраняют свою жизнеспособность от нескольких дней до не­ скольких месяцев. Лучший режим хранения препрегов —режим сухого льда.

7 Схема

перемещения

центы

Рис. 1.19. Малогабаритная установка для получения препрега в виде ленты:

1 —стеклонити с бобин, установленных в шпулярнике; 2 —пропиточная ванна с отжимными валиками; 3 - раскладчик нитей, формирующий из них ленту; 4 - подающий валик; 5 —цилиндрическая камера сушки ленты с барабаном, между двумя боковыми дисками которого расположены шесть транспортеров подачи ленты; 6 —катушка с лентой препрега на намоточном устройстве; 7 - калорифер; 8 —нагнетающий вентилятор; 9 — отсасывающий вентилятор

В последующих главах учебника будут рассмотрены различ­ ные технологические методы формования изделий из ПКМ.

Высокие удельные характеристики прочности и жесткости полимерных композитов позволяют использовать их в аэрокос­ мической технике. Углепластики применяют для изготовления космических антенн различного назначения. Низкие значения температурных коэффициентов линейного расширения, высо­ кая жесткость и хорошая теплопроводнсть позволяют разраба­ тывать конструкции антенн, способные сохранять размеры и форму в условиях неравномерного лучистого нагрева. При этом важно проводить расчеты на жесткость и определять соответ­ ствующие структуры композиционного материала при проек­ тировании. В существующих проектах при создании параболи­ ческих антенн используются углепластики как для изготовле­ ния рефлектора, так и для опорной системы волновода.

Структура материального баланса в самолетных конструк­ циях, из которой следует, что к 2000 г. процентный состав металлических конструкций в самолетах составит 25...30 %, приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структура материального баланса планера самолета

Применение углепластиков в конструкциях самолетов серии МИГ показано в табл. 1.19.

ность и способность поглощать большие количества тепловой энергии при фазовых превращениях и эндотермических реак­ циях, что обеспечивает значительное снижение интенсивности теплового потока, направленного к защищаемому силовому элементу. В результате нагрева армированного пластика, ис­ пользуемого для теплозащиты, происходит разложение связу­ ющего — эпоксидной, фенольной и других смол. При этом образуются газообразные продукты и твердый остаток (кокс), который совместно с армирующими элементами и неразложившейся матрицей составляет пористый слой. В частности, при разложении фенольных смол получают 55 % массы твердого остатка, а при разложении эпоксидных - 20 %.

Одним из примеров армированной волокном конструкции является стартовая защитная оболочка корабля “Аполлон”, предназначенная для защиты терморегулирующих поверхнос­ тей от аэродинамического нагрева при старте и представляю­ щая собой готовую конструкцию из стеклопластика с феноль­ ным связующим. В качестве материала для элементов внутрен­ ней теплоизоляции был применен стеклопластик из ткани, пропитанной фенольной смолой. Стеклопластики можно ис­ пользовать и в других деталях, таких как аэродинамический обтекатель и теплозащитная облицовка. Для защиты оборудо­ вания и несущих конструкций ракеты-носителя “Сатурн 5-И" от выхлопа из сопел использовались термоэкраны из армиро­ ванного пластика и многослойная тепловая защита.

Внедрение боропластиков эффективно в элементах кон­ струкций, определяющим критерием работоспособности кото­ рых являются высокие удельные значения жесткости и проч­ ности при действии сжимающих нагрузок. В настоящее время боропластики в основном применяют в изделиях авиационной и ракетно-космической техники в связи с большой стоимостью исходного сырья (борных волокон).

Высокая прочность и жесткость боропластиков при сжатии позволяет использовать их при конструировании балок, пане­ лей, стрингеров несущих частей ЛА. Например, если металли­ ческая двутавровая балка работает на изгиб, то ту ее полку, на которую действуют сжимающие напряжения, упрочняют плас­ тинами из боропластика, а другую полку, работающую на рас­ тяжение, - углепластиком. Масса такой балки на 20...30 %

ниже, чем масса балки из алюминиевых сплавов при одинако­ вой несущей способности.

Впоследнее время исследуется применение боропластиков

встойках шасси, отсеках фюзеляжа, обшивке крыльев самоле­ тов, в дисках компрессоров газотурбинных двигателей. В пер­ спективе использование боропластиков в корпусных деталях, работающих при всестороннем или одноосном сжатии, в тру­ бах, сосудах внутреннего давления. Замена металлических из­ делий боропластиковыми позволяет снизить их массу, повы­ сить удельную жесткость, статическую прочность и вибропроч­ ность.

Экономия массы, получаемая при использовании материа­ лов. на основе борных волокон и полимерной матрицы, стиму­ лировала разработку разнообразных конструкций и технологи­ ческих процессов.

Авиация и космос, судостроение, автомобильный и желез­ нодорожный транспорт, строительство, нефтехимическая и горнодобывающая отрасли, спортивная индустрия, медици­ на —далеко не полный перечень областей применения ПКМ.

1.5. Металлические композиционные материалы

Металлические композиционные материалы представляют собой такие материалы, в которых в качестве матрицы высту­ пают металлы и их сплавы, а в качестве арматуры — металли­ ческие и неметаллические волокна. Применение высокопроч­ ных и высокомодульных волокон значительно повышает фи­ зико-механические характеристики МКМ, а использование ме­ таллической матрицы увеличивает прочность материала в на­ правлении, перпендикулярном волокнам (трансверсальную), и прочность при сдвиге до значений, сопоставимых с аналогич­ ными значениями металлов, так как прочность при сдвиге КМ определяется свойствами матрицы.

Для металлической матрицы требуется использовать значи­ тельно более интенсивные в температурном и силовом отно­ шении технологические методы и, кроме того, производство элементов конструкций из МКМ неразрывно связано с техно­ логией их получения. В настоящее время на базе металлурги­

ческих производств организован выпуск полуфабрикатов из МКМ в виде листов, труб и профилей.

Технологическую схему производства полуфабрикатов и де­ талей из МКМ можно представить следующим образом: очист­ ка поверхности волокон и матрицы - мойка, чистка, сушка; объединение волокон с матрицей —сборка чередующихся слоев матричных элементов и волокон либо приготовление волокон в литейной форме под заливку матричным металлом; получение компактных МКМ в соответствии с методами пластической деформации, порошковой металлургии или литья либо с ис­ пользованием комбинации этих методов.

Важнейшим в технологии МКМ является этап совмещения армированных волокон с матричным материалом. Способы совмещения можно подразделить на твердофазные процессы, жидкофазные и процессы осаждения — напыления.

Для твердофазных методов характерно использование мат­ рицы в твердом состоянии преимущественно в виде порошка, фольги или тонкого листа. Процесс создания МКМ заключа­ ется в сборке пакета заготовок, состоящего из чередующихся слоев матричного материала и упрочняющих волокон и после­ дующего соединения компонентов между собой различными методами —диффузионной сваркой, сваркой взрывом,пласти­ ческим деформированием, спеканием и т.д.

Жидкофазные методы заключаются в получении МКМ путем совмещения армирующих волокон с расплавленной мат­ рицей. К ним относятся различные методы пропитки волокон жидкими матричными материалами.

Изготовление МКМ методом осаждения —напыления со­ стоит в нанесении на волокна различными способами (газо­ фазным, химическим, электролитическим, плазменным и т.п.) матричного материала и заполнение им межволоконного про­ странства.

Комбинированные методы основаны на последовательном или параллельном применении первых трех методов (например, плазменное напыление и горячее прессование, горячее прес­ сование и последующая прокатка и т.д.)

Выбор метода получения МКМ определяется природой мат­ рицы и волокна, возможностью совмещения компонентов с обеспечением необходимой между ними связи на границе раз­

дела, особенностью процесса, позволяющего одновременно по­ лучить материал и деталь, экономичностью, наличием обору­ дования и т.д.

Несмотря на то, что в настоящее время лишь небольшое число МКМ находится в стадии внедрения, а возможности их применения ограничиваются авиационной, ракетно-космичес­ кой и атомной техникой, несомненно, что в дальнейшем МКМ найдут самое широкое применение и будут способствовать технологическому усовершенствованию свойств обычных ма­ териалов.

Рассмотрим основные методы получения МКМ, применяе­ мые на практике.

Метод твердофазного совмещения матрицы и волокон

Обработка давлением является одним из наиболее часто применяемых методов изготовления МКМ, состоящих из де­ формируемых матричных металлов и сплавов.

Если в качестве арматуры выбраны волокна со значитель­ ным запасом пластичности, то уплотнять МКМ можно про­ каткой, импульсным прессованием с помощью взрыва или ударной нагрузки, гидроэкструзией и т.п. В случае армирования металлов хрупкими или малопластичными волокнами чаще всего применяют процессы, при которых степень пластической деформации невысока, например диффузионную сварку или прокатку с малыми обжатиями.

В зависимости от формы полуфабриката используют раз­ личные способы сборки заготовок, подвергаемых пластической деформации.

Листовые заготовки собирают способом монослоев или спо­ собом “сэндвич” Заготовки типа “сэндвич” —укладкой в пакет слоев волокон (сеток, матов, тканей) и матричных слоев фоль­ ги, соблюдая последовательность укладки слоев, требуемую схему армирования и степень армирования. Нужную степень армирования в заготовке обычно обеспечивают за счет приме­ нения матричной фольги различной толщины, укладки различ­ ного числа слоев арматуры или использования волокон разного диаметра. Способом “сэндвич” получают заготовки только с продольно-поперечным расположением волокон.

клеем в местах, по которым в дальнейшем фольга разрезается. Снятые с барабана монослои

укладывают в нужном порядке в стопку и уплотняют прессо­ ванием.

Трубчатые и прутковые заготовки получают прокаткой, экс­ трузией и волочением (рис. 1.22).

Армированный монослой (рис. 1.22,а), состоящий из мат­ ричной рифленой фольги и матричной полосы (рис. 1.22,6), между которыми расположены волокна, сворачивают в плот­ ный рулон (рис. 1.22,в), подлежащий последующему уплотне­ нию.

Другим методом получения прутковых заготовок, в которых арматура ориентирована вдоль оси прутка (рис. 1.22,г), можно назвать укладку в трубу волокон с нанесенным на них матрич­ ным покрытием (биметаллическое волокно). Если укладку би­ металлических волокон провести между внутренней и наруж­ ной трубами (рис. 1.22,6), то можно получить трубчатую заго­ товку МКМ. Уплотняют такие заготовки гидроэкструзией или волочением. Трубчатые заготовки можно также получить со­ вместной намоткой армирующего и матричного волокон.

Рис. 1.22. Схема получения армированных рулонных прутковых заготовок (а - в) и трубчатых заготовок из биметаллической проволоки (г, д):

а — армированный монослой; б — полоса с армирующими и матричными волокнами; в - сворачивание армированной полосы в рулон; 1 — матричная рифленая фольга; 2 —матричная полоса; 3 —армирующее волокно; 4 —волокно из металла матрицы; 5 - биметаллическое волокно; 6 - трубчатая оправка

Наиболее производительный способ производства армиро­ ванных лент и листов — прокатка. Согласно этой технологии между валками прокатного стана уплотняют либо матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон (сеток, листов), либо ленты с расположенными между ними дискретными эле­ ментами (рис. 1.23). Прокаткой можно получить и армирован­ ные профили. Для этого исполь­ зуют сортовые прокатные станы, в калибры которых подают мат­ ричные ленты вместе с волокна-

признаком этого процесса явля­