Методы изготовлений и проектирования деталей из волокнистых полимерных композитов

30.06.2015

При изготовлении деталей из волокнистых полимерных композитов материал и изделие формуются одновременно путем совмещения компонентов, при этом изделию сразу придаются заданные геометрические размеры. Тип армирующего наполнителя, природа полимерного связующего и конструкция детали определяют особенности технологического процесса переработки композита в изделия; при котором должна обеспечиваться необходимая ориентация армирующего наполнителя, совмещение его со связующим, уплотнение материала и отверждение полимера. Схема типового технологического процесса изготовления композитов приведена на рис. 5.7.
Методы изготовлений и проектирования деталей из волокнистых полимерных композитов

Технология изготовления деталей из волокнистых полимерных композитов включает следующие основные операции:
- подготовка армирующего наполнителя;
- приготовление связующего;
- совмещение армирующего наполнителя со связующим;
- сборка и ориентация слоев армирующего наполнителя по форме детали;
- уплотнение, отверждение и термообработка; механическая обработка;
- контроль качества изделий.
Подготовка армирующего наполнителя включает операции, направленные на подготовку поверхности волокон к совмещению и последующему взаимодействию с полимерными связующими. Эти операции в большинстве случаев проводятся на заводах, производящих армирующие волокна и наполнители на их основе. Это могут быть следующие операции.
Расшлихтовка — удаление излишнего количества замасливателя с поверхности армирующих волокон путем прокаливания при температуре 473—723 К или пропускания через растворители. Для интенсификации процесса отмывки от замасливателя применяют ультразвук.
Аппретирование — нанесение из растворов кремний-органических и других соединений на поверхность минеральных и металлических волокон покрытий толщиной в несколько молекулярных слоев, обеспечивающих гидрофобность волокон и химическое взаимодействие с полимерной матрицей. Закрепление аппретов производится нагреванием до 353—473 К.
Вискеризации — выращивание на активных центрах поверхности углеродных, карбидокремниевых волокон -нитевидных кристаллов SiC, AlN и др. путем газофазных реакций осаждения, которое производится при температурах 1553—1673 К.
Активирование поверхности — обработка углеродных волокон в жидко- или газофазных окислителях, приводящая к окислению и стравливанию поверхностного слоя волокна. Травление проводят в азотной кислоте и в ее смеси с серной при температуре 353—393 К или в газовых средах (воздух, озон) при температурах 673—1073 К.
Химическая очистка в растворителях или кислотах применяется для удаления с поверхности борных и других металлических волокон сорбированных органических продуктов.
Для удаления влаги, адсорбированной на поверхности армирующих волокон, производится их сушка, в результате которой облегчается переработка стеклянных, углеродных, асбестовых волокон: предотвращается обрывность, пушение, истирание, повышается прочность жгута, ограничивающая его натяжение при прохождении через нитепроводы различных устройств. При переработке применяют подшлихтовку — нанесение на жгуты, нити, ровинги тонкого слоя полимера. В качестве шлихтующих растворов используют слабоконцентрированные растворы тех же связующих, что и матрица, или других высокомолекулярных соединений, например поливинилового спирта.
Совмещение армирующего наполнителя со связующим производится различными способами: нанесение раствора или расплава связующего на поверхность армирующих волокон при прохождении их через жидкое связующее или с помощью вращающегося ролика, погруженного в связующее; напыление жидкого связующего из -пульверизатора; пропитка под вакуумом или давлением, когда связующее просасывается или продавливается через армирующий наполнитель, предварительно выложенный по конфигурации изделия и заключенный в герметичную полость; напыление на поверхность ленты или ткани из армирующих волокон порошка связующего и последующая пропитка расплавом при прокатке между горячими роликами; дублирование лент и тканей с пленочными связующими и последующая пропитка расплавом при прокатке горячими роликами или непосредственно при формовании.
Для улучшения проникновения связующего в межволоконное пространство применяют принудительную пропитку, например с помощью отжимных роликов или ультразвука.
Если используемые связующие обладают достаточной жизнеспособностью, то после операции совмещения с армирующим наполнителем полученный материал (препрег) подвергают тепловой обработке для удаления растворителей, летучих продуктов и придания препрегу липкости, необходимой для дальнейших технологических операций.
Способ сборки и ориентации слоев армирующего наполнителя определяется геометрией детали и текстильной формой армирующего наполнителя. При использовании тканей, широких лент или шпона при изготовлении деталей сложной конфигурации применяют ручную выкладку слоев наполнителя, предварительно раскроенных по шаблонам, на нагретую оправку, выполненную по форме будущего изделия.
Для ориентации армирующего наполнителя в плоских деталях или в деталях однозначной кривизны из препрегов в виде лент используют специальные выкладочные машины-автоматы с программным управлением, позволяющие ориентировать монослои материала в заданном направлении.
Для получения требуемой ориентации волокон в деталях, имеющих форму тел вращения или близкую к ней, из композитов на основе лент, ровингов, жгутов и нитей широко применяется метод намотки, который в зависимости от ориентации волокон имеет несколько разновидностей: продольно-поперечная, хордовая, геодезическая и т. д. Намотка осуществляется на многокоординатных намоточных станках с программным управлением.
С целью уплотнения материала при выкладке и намотке на подогретую оснастку осуществляется прикатка подогретым роликом.
Ориентация волокон в профилях различных сечений осуществляется методом протяжки (пултрузии), при котором собранные в жгут волокна с нанесенным связующим протягиваются через клинообразную нагретую фильеру, где происходит уплотнение и отверждение изделия.
Уплотнение материала, обеспечивающее заданное соотношение компонентов, осуществляется прессовым методом при изготовлении листовых материалов между плитами пресса или деталей сложной формы в жестких пресс-формах. Недостатком этого метода является сложность изготовления эквидистантных поверхностей матрицы и пуансона и, как следствие этого, — разброс по толщине изделия и локальные неравномерности содержания компонентов. Кроме того, давление действует по поверхности изделия неравномерно, оно зависит от ориентации участков поверхности относительно плоскости давления.
При изготовлении крупногабаритных деталей сложной формы используют методы формования, при которых обеспечивается равномерность передачи давления по всей поверхности изделия. К этим методам относится вакуумное, автоклавное (гидроклавное) и пресс-камерное формование; при этих способах формования давление воздуха или жидкости на уплотняемый материал передается через эластичный мешок.
Для достижения температуры, необходимой для отверждения связующего, наряду с традиционными методами применяются нагревание токами высокой частоты (для стекловолокнитов), инфракрасный нагрев и нагрев при пропускании электрического тока через армирующий наполнитель (углеродные и борные волокна). Температура и длительность нагревания определяются завершенностью процессов отверждения связующего.
Технология изготовления деталей из волокнистых композитов обычно строится таким образом, чтобы по возможности избежать механической обработки, при которой происходит перерезание армирующих волокон и ослабление деталей.
Хотя волокнистые композиты подвергаются всем видам механической отработки на обычных универсальных металлорежущих станках, следует учитывать их некоторые особенности: анизотропию механических
свойств, низкую сдвиговую и трансверсальную прочность; абразивное действие стеклянных и особенно борных волокон, обладающих высокой твердостью; низкую теплопроводность органоволокнитов, затрудняющую отвод тепла из зоны резания.
Механическая обработка волокнистых композитов производится алмазными кругами и сверлами, а также режущим инструментом с вставками из твердых сплавов при больших скоростях резания (до 60 м/с) и малых подачах 0,1—0,3 мм/об. Для резания и изготовления отверстий в бороволокнитах используется лазерная техника.
Контрольные операции при изготовлении деталей включают технологический контроль за соблюдением правильности выполнения операций и режимов технологического процесса, а также входной контролю компонентов материала на соответствие техническим условиям: контроль образцов-свидетелей, вырезанных из припуска на изделие, предусматривающий определение состава композита, его физико-механических свойств; контроль готовых деталей неразрушающими методами, позволяющими обнаружить такие дефекты, как искривления, разориентация и повреждение волокон, посторонние включения (рентгеновским методом), расслоение, непроклей, раковины (импедансным, ультразвуковым методами), трещины (люминесцентным методом).
Поскольку процессы получения полимерных волокнистых композитов и изделий из них совмещены, стабильность упруго-прочностных характеристик композитов зависит не только от стабильности свойств исходных компонентов, но и от технологии их производства, которая определяет стабильность состава и структуры получаемых материалов.
Чувствительность механических свойств композитов к отклонениям от оптимального соотношения компонентов, являющегося функцией степени уплотнения (давления формования), требует тщательного контроля за показателями температуры и давления при формовании, поэтому для изготовления крупногабаритных деталей сложной конфигурации используется метод автоклавного формования, при котором наиболее просто обеспечивается равномерность распределения давления, а следовательно, и уплотнения композита.
Оптимальное содержание связующего в композиционном материале достигается при различных степенях уплотнения наполнителя. В расчетах необходимо принимать во внимание и вариацию плотности волокон, в частности углеродных, которая может меняться в пределах 1600—1900 кг/м3, что также сказывается на содержании компонентов в готовом материале.
Высокая чувствительность высокомодульных композитов к искривлениям и разориентации волокон должна учитываться при разработке технологии их изготовления и контроле качества. Для ортогонально-армированного бороволокнита, в котором слои уложены под углом 8—15° к оси нагружения, отклонение укладки волокон на ±5° от заданного направления может привести к изменению модуля упругости при растяжении в 1,5 раза. В случае укладки под углом 30—40° при той же погрешности армирования аналогичное изменение может произойти и у модуля сдвига в плоскости армирования. Поэтому при изготовлении изделий из карбо-и бороволокнитов широко применяются операции намотки и выкладки на автоматических станках с программным управлением, обеспечивающих высокую точность выкладки и воспроизводимость ее от детали к детали.
Натяжение жгута или ленты из углеродных волокон способствует их выпрямлению и уплотнению материала.
Высокая хрупкость и значительный диаметр борных волокон ограничивают радиус их изгиба в деталях. При огибании стержня диаметром 5—7 мм борные волокна разрушаются под действием напряжений, пропорциональных кривизне детали:
Методы изготовлений и проектирования деталей из волокнистых полимерных композитов

Поэтому диаметр наматываемого изделия должен быть не менее 100 мм; в этом случае напряжения в борном волокне не превышают 200—300 МПа; при таких напряжениях армирующие волокна не разрушаются в условиях эксплуатации более 2000 ч.
Особенность волокнистых композитов заключается в том, что из них могут быть созданы элементы изделий с заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы деталей и конструкций. Используя разные матрицы, изменяя в них содержание армирующих волокон, их ориентацию в слоях материала, сочетая в одной матрице волокна с различными упруго-прочностными свойствами, можно создавать материалы с заданным комплексом свойств.
Процесс проектирования деталей из анизотропных волокнистых композитов существенно отличается от процесса проектирования с использованием традиционных изотропных материалов. Как видно из рис. 5.8, метод проектирования деталей из металлических сплавов предполагает на основе заданных технических требований и заданной геометрии конструкции определение требуемых характеристик материала, выбор по справочнику материала с хорошо известными свойствами и расчет сечения элементов конструкции по максимальным напряжениям. После этого производится выбор по каталогам полуфабрикатов: листов, профилей и т.п., уточнение геометрических размеров конструкции детали, проведение поверочного расчета конструкции и выбор технологического метода ее изготовления. При этом следует учесть, что если прочность металлов "может быть несколько изменена в результате термической обработки, то их упругие характеристики остаются неизменными, и необходимая жесткость конструкции достигается только за счет изменения ее геометрических размеров.
Методы изготовлений и проектирования деталей из волокнистых полимерных композитов

При проектировании композита учитывается конструкционная анизотропия, при которой обеспечивается совмещение поля сопротивления материала с полем нагружения за счет ориентации волокон в слоях композита в направлениях нагружения в количестве, пропорциональном действующим в этих направлениях напряжениям. На рис. 5.9 приведена схема, показывающая основные этапы проектирования композита в конструкции.
Методы изготовлений и проектирования деталей из волокнистых полимерных композитов

На Первом этапе проектирования задаются геометрия конструкции и технические требования к материалу: величина, направление и характер действующих нагрузок, температура и ресурс эксплуатации, календарный ресурс и т. п. Исходя, из этих данных выбирают тип композита (карбоволокнит, стеклотекстолит, гетероволокнит и т. п.), метод изготовления из него конструкции заданной геометрии (формование, прессование, намотка и т. п.) и технологические требования к материалу. Выбор типа композита позволяет в первом приближении определить по справочнику физико-механические характеристики однонаправленного слоя композита (плотность, модуль упругости, прочность, теплофизические свойства и т. д.). Затем с учетом свойств выбранного материала, величины и направления действия на материал нагрузок предварительно определяют суммарную толщину слоев и направление ориентации в них волокон.
Второй этап проектирования процесса предусматривает: выбор компонентов монослоя материала, определение физико-механических и технологических характеристик монослоя композита; уточнение метода изготовления заданной конструкции и определение режимов формования. На этим этапе производится уточнение требований к материалу монослоя композита, исходя из технических требований, предъявляемых к материалу конструкции, и выбранной схемы армирования. При этом учитывается изменение свойств монослоя за время, равное ресурсу эксплуатации, под влиянием таких факторов, как температура, климатические воздействия, радиация и т. п. С учетом характера нагружения и вида напряженного состояния монослоя в конструкции, используя уравнения микромеханики композитов, задают такие параметры, как степень армирования, пористость, прочность сцепления волокна со смолой, упруго-прочностные характеристики волокон и матрицы.
По получении требуемых параметров приступают к выбору компонентов монослоя. Определяют вид армирующих волокон, их текстильную форму, вид поверхностной обработки и характеристики поверхности. При этом устанавливают некоторые параметры технологического процесса формования, такие, как шаг и натяжение при намотке и выкладке, допуск на разориентацию и т. п. Выбор полимерного связующего и определение его технологических характеристик (вязкость, текучесть, скорость отверждения, жизнеспособность) позволяют уточнить метод изготовления детали и назначить технологические режимы формования: давление, температуру, время термообработки, обеспечивающие получение материала с необходимым соотношением компонентов и термостабильностью. На этом же этапе определяют упруго-прочностные характеристики монослоя в композите путем расчета или испытания однонаправленного материала. Для получений более достоверных данных о характеристиках монослоя, определяемых расчетными методами, следует учитывать такие факторы, как величина эффективной длины волокна в композите, искривления, крутка и разориентация волокон, дисперсия значений их прочности, модули упругости и удлинения.
Третий этап проектирования предусматривает уточнение схемы армирования с учетом реальной толщины монослоя: ориентации и количества монослоев, их расположения по толщине материала. Учитывается требование симметричной ориентации слоев относительно средней плоскости во избежание коробления вследствие термических напряжений, а также максимального удаления от средней плоскости разориентированных слоев для придания конструкции большей жесткости на кручение. После уточнения схемы армирования и геометрических размеров сечения производится расчет напряжений, действующих в материале конструкции и монослоях, с учетом начальных напряжений, вызванных усадкой при отверждении и разностью коэффициентов термического расширения компонентов и слоев композита. При этом определяются для монослоя действующие напряжения сдвига (межслойного и в плоскости армирования), растяжения, сжатия в осевом и трансверсальном направлениях и коэффициенты запаса прочности.
Если коэффициенты запаса прочности по некоторым свойствам, избыточны (недостаточны) или ставится задача снизить массу конструкции и изменить частотные характеристики, прибегают к оптимизации схемы армирования, при которой либо изменяют количество монослоев или их взаимную ориентацию, либо заменяют материал отдельных монослоев композита на другой, с более подходящими характеристиками. В последнем случае осуществляется переход к гетероволокнистому композиту. Так, в целях повышения ударной вязкости материала часть углеродных и борных волокон можно заменить на органические и стеклянные; для повышения модуля упругости и предела выносливости материала, наоборот, часть органических или стеклянных волокон заменяют высокомодульными волокнами; так же поступают при необходимости повысить жесткость конструкции на кручение (заменяют волокна в перекрестно-армированных слоях на более высокомодульные). После оптимизации схемы армирования повторно проводят расчет напряжений, действующих в материале конструкции и в монослое, после чего, как и в предыдущем случае, определяют коэффициенты запаса прочности и жесткости в материалах монослоев.
Третий этап проектирования требует трудоемких расчетов, особенно на стадии оптимизации схемы армирования, поэтому для этих целей целесообразно использовать ЭВМ. Поэтапное рассмотрение процесса проектирования композита показывает, что материал и конструкция создаются одновременно, поэтому для успешного проектирования необходимо на всех этапах содружество расчетчиков-прочнистов, конструкторов, технологов и материаловедов.