ОСОБЕННОСТИ ФОРМОВАНИЯ ПКМ С ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ МАТРИЦЕЙ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
При переработке композитов с термореактивной матрицей важным параметром является объемное наполнение армирующими волокнами. Поэтому в процессе формования прямым (компрессионным) прессованием или намоткой необходимо создать условия для удаления избыточного связующего, обычно присутствующего в предматериале. Это осуществляется на ранних стадиях формования выдавливанием избыточного связующего в дренажный слой - рыхлый слой, находящийся на поверхности (обычно из стеклоткани), удаляемый по окончанию процесса формования.
Основной характеристикой переработки реактопластов является степень сшивания, рассчитываемая на основании кинетических уравнений статической теории гелеобразования. Степень сшивания в технологическом процессе определяет время, необходимое для перехода реак-топласта в неплавкое и нерастворимое состояние - время отверждения (выдержки). Время отверждения зависит как от состава и свойств материала, так и от технологических факторов: температуры формы, толщины изделия, предварительного подогрева, подпрессовок и т.д. Таким образом, основными технологическими параметрами процесса формования являются время, температура и давление формования. Время отверждения связующего ориентировочно может быть рассчитано на основании теории нестандартной теплопроводности:
С расчетным временем отверждения связаны скорость подъема температуры, нагрев и охлаждение материала. Для угле- и стеклопластиков оптимальны скорости 12 — 15°С/ч. Охлаждение в печи осуществляется до 40 — 60 °С, а дальнейшее охлаждение происходит при открытых дверцах или на воздухе. Это связано с резким падением скорости охлаждения при уменьшении разницы внешней температуры и температуры охлаждаемого тела.
Время отверждения можно установить по стандартной запрессовке образцов (бруски, диски) с последующим определением их физикомеханических характеристик (например, прочности и жесткости). Образцы изготавливают при различном времени отверждения, испытывают и строят графическую зависимость изменения показателей во времени. Минимальное время отверждения соответствует точке перегиба кривой.
Проверить качество отпрессованных изделий на правильность установленного времени отверждения можно по степени отверждения. Степень отверждения определяют методом экстрагирования растворителями неотвержденной части полимера. Анализ проводят в приборе Сокслета. Считается, что материал отвержден, если содержание растворимой части связующего составляет 5 - 7%.
Наиболее полную технологическую характеристику реактопласта можно получить на приборе Канавца. Этот прибор позволяет определить напряжение сдвига материала в вязкотекучем состоянии, продолжительность нахождения материала в вязкотекучем состояний, время отверждения, а также зависимость этих характеристик от температуры и скорости сдвига.
Приоор Канавца записывает диаграмму в координатах напряжение сдвига (вязкость) — время. На диаграмме можно выделить два участка: участок кривой ОБ, соответствующий текучему состоянию материала, и участок кривой ВС, соответствующий времени, при котором происходят физико-химические процессы отверждения (рис 12.1).
Угол наклона кривой ВС - ср характеризует скорость перехода материала в неплавкое и нерастворимое состояние. Точка С определяет напряжение сдвига0ТВв отвержденном материале. Средние значения0ТВдля фенолопластов - 5,80 МПа, аминопластов - 3,92 МПа, эпоксипластов - 7,10 МПа.
Рис. 12.1. Диаграмма Канавца: а-напряжение сдвига, МПа; т- время, с; г
-время вязкотекучего состояния;.
W- время отверждения; (р - скорость перехода в неплавкое состояние.
С повышением температуры напряжение сдвига в области вязкотекучего состояния уменьшается, процесс отверждения начинается раньше и протекает с более высокой скоростью. Изменяя температуру испытания, можно проследить изменение скорости отверждения и продолжительности вязкотекучего состояния во времени и предсказать поведение материала при прессовании. Кроме того, на пластомере Канавца можно получать данные для расчета реологической кривой течения (угловая скорость матрицы). Таким образом, данный прибор позволяет определить полную технологическую характеристику реактопластов [6, 8].
Такие параметры, как температура и давление, могут в процессе формования иметь очень широкий диапазон. Например, важнейший из параметров - температура отверждения может составлять от 80 до 350 °С. Это связано с природой реактопласта, наличием добавок (катализатор, ингибитор и т.д.), требуемой теплостойкостью материала, которая обычно зависит от глубины протекающих процессов, временем термообработки и возможностью создания термостойкой надмолекулярной структуры. С некоторым допущением можно сказать, что температуры формования и теплостойкости близки между собой.
Что касается давления, то оно в первую очередь зависит о метода получения формующихся заготовок. Так, например, при контактном формовании и намотке без дополнительной опрессовки оно несущественно. При контактном формовании плотность пакета определяет качество контакта между слоями, обычно улучшаемое в процессе выкладки прикаткой, при намотке - усилием натяжения нити, ленты или другого армирующего наполнителя.
Вакуумное прессование, уплотнение подпрессовкой, викилевка и т.д. обычно ограничивают давление возможностями метода. Так, при вакуумном прессовании можно лишь приблизиться к давлению, равному одной избыточной атмосфере.
При прямом или автоклавном прессовании, когда возможно использование высоких давлений, выбор давления осложняется и требует индивидуального подхода для каждого материала и изделия. В этом случае давление может обеспечивать требуемое наполнение композита, удаляя из формующейся заготовки излишки связующего. Он также способствует более равномерному распределению матричного материала, как по объему КМ, так и внедрению его во внутренние слои армирующего наполнителя в случае армирования комплексными нитям; создает необходимые условия для удаления из массы связующего летучих компонентов, уменьшая пористость материала и тем самым повышая его плотность и прочность; снижает усадочные явления и способствует образованию надмолекулярных структур, улучшая этим физико-механи-ческие и теплофизические свойства КМ. Так, если охлаждение проводить при отсутствии давления, внутренние напряжения не смогут ре-лаксироваться, и изделие «поведет». Особенно это относится к крупногабаритным и тонкостенным изделиям [12].
Из вышесказанного следует и то, что давление для формования по механизму полимеризациии и поликонденсации будет различным. Во втором случае бурно выделяющиеся низкомолекулярные продукты циклического и линейного строения затрудняют проведение процесса и для поликонденсации требуется давление до нескольких десятков МПа. Для полимеризации достаточно давления 0,1 - 0,5 МПа.
Таким образом, каждый из перечисленных процессов связан темпе-ратурно-временной зависимостью, которая реализуется на определенном этапе, и необходимое давление должно соответствовать этому процессу. Так, например, перераспределение и удаление излишков связующего должно проходить в момент наиболее низкой вязкости матричного материала, и давление должно быть достаточным, но не слишком высоким, во избежании обеднения матричной массы, что приведет к ухудшению.
свойств композита. Поэтому режим изменения давления носит ступенчатый характер и обычно возрастает к концу процесса [9-11].
Особую роль играет давление в конце процесса отверждения, когда закончилось формование изделия и требуется его охлаждение, обычно до температуры 40 °С. Дальнейшее охлаждение протекает достаточно медленно и существенного влияния на свойства КМ не оказывает. При охлаждении давление обеспечивает как сохранение геометрии изделия, так и релаксацию внутренних напряжений, что улучшает физико-механику КМ.
На НПО «Композит» разработана серия углепластиков на основе реактопластов с различным набором свойств и функций (табл. 12.1).
Таблица 12.1. Свойства углепластиков на основе реактопластов
Марка УП
Наполнитель
Матрица
Прочность, ГПа
УП-Л/10-П*
ЛУ-П
ЭДТ-10
cf=0,65 Е = 130
УП-Л/20-П
ЛУ-П
УП-2220
(7=0,67 Е = 149
УП-ЛЭ-0,08/ЭТФМ-П
Элур-0,08
ЭТФМ
а =1,08 Е= 138
УП-Л/ЭТФМ-П
ЛУ-П
ЭТФМ
(7=0,80 Е= 165
УП-ЛЭ-0,08/80-П
Элур-0,08
ТП-80
(7=0,82 Е = 130
УП-Л/80-П
ЛУ-П
ТП-80
УП-ЛЭ/88-П
Элур
ТП-88
(7=0,80 Е= 130
УП-Л/17-П
ЛУ-П
УП-2217
(7=0,64 Е= 165
УП-ЛЭ/17/П
Элур
УП-2217
(7=0,75 Е = 134
УТ-300/ЭТФМ-П
УТ-300
ЭТФМ
(7=0,40 Е = 85
УТ-5Т10/-20-П
ВМН-5.
Т-10-80
УП-2220
(7=0,50 Е = 140
УП-НУМ/ЭТФМ
НУМ
ЭТФМ
сг=0,098Е = 14,5
УП-НУМ/345**
НУМ
УП-345
УП-ЛЭМ/ЭТ ФМ-В А
Элур-М
ЭТФМ
(7=0,91 Е= 136
УП-Л/80-ВА
ЛУ-П
ТП-80
(7=0,77 Е= 160
УП-УКН/10-Н
УКН-П
ЭДТ-10
сг=1,10 Е = 134
УП-Л/17-Н
ЛУ-П
УП-2217
(7=0,84 Е = 148
УП-УКН/17-Н
УКН-П
УП-2217
(7=1,14 Е= 135
УП-УКНВ-400/80-Н
УКНВ-400
ТП-80
сг=1,80 Е = 140
УП-УКНВ-400/ЭТФМ-Н
УКНВ-400
ЭТФМ
(7=2,04 Е = 144
У П-У КН-01 /ЭТ ФМ-Н
УКН/5000-0,1
ЭТФМ
(7=1,70 Е= 142
УП-5/20-Н
ВМН-5
УП-2220
(7=0,65 Е= 155
ВА - вакуумно-автоклавное формование; Н - формование намоткой; *П - выкладка и прямое прессование; ** - контактное и прямое прессование.
На основе углеродных волокон Всесоюзным Институтом авиационных материалов разработан комплекс углепластиков с общим названием КМУ. Проведена работа по совершенствованию технологичности.
углепластиков. Снижена температура и сокращена длительность режимов формования и термообработки (КМУ-5, КМУ-11). Разработаны материалы, обеспечивающие повышение срока годности препрегов до 6 - 12 месяцев (КМУ-4, КМУ-8 и др.) Создана принципиально новая безраствор-ная технология совмещения связующих с углеродными наполнителями пропиткой из расплава (КМУ-9), с дублированием с клеевой пленкой (КМУ-6-36), нанесением порошкообразного связующего в электростатическом поле (КМУ-8). Это позволило повысить уровень свойств, улучшить условия труда и экологические показатели за счет отказа от использования в процессе растворителей. На основе высокомодульной углеродной ленты ЛУ-24П и связующего ВС-2526к разработан высокомодульный, высокопрочный, теплостойкий углепластик КМУ-7л.
Наиболее широкое применение получил композиционный материал на основе эпоксиноволачного связующего ЭНФБ и углеродных лент ЛУ-П-0,1 (КМУ-4л) и Элур-П-0,1 (КМУ-4э) с электрохимической обработкой поверхности, предназначенный для изготовления конструкций,.
работающих при температурах от -130 °С до 160°С длительное время. Свойства углепластиков приведены в табл. 12.2.
Таблица 12.2. Свойства углепластиков КМУ-4л и КМУ-4э
Свойства
Показатели свойств
КМУ-4л
КМУ-4э
Растяжение, МПа
700
900
Сжатие, МПа
800
1000
Сдвиг, МПа
55
80
Модуль упругости, ГПа
125
120
Ударная вязкость, кг см/см
55
80
Материалы использовались в изделиях Миг-29, Миг-29м, Миг-31, Миг-«Х» и др., а также в конструкциях, эксплуатирующихся в космических условиях. Описанные углепластики и в настоящее время используются в авиакосмической отрасли.