CC BY
614
УДК: 620.22
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНО-АРМИРУЮЩИХ ПРЕФОРМ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
П.И. Богомолов1, И.А. Козлов2, М.А. Бируля3
Акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (АО «ЦНИИМ») 191014, Санкт-Петербург, ул. Парадная д. 8
Рассмотрены развивающиеся технологии получения полимерных композиционных материалов на основе объемно-армирующих текстильных преформ, которые позволяет получать практически готовые стабильно-размерные изделия сложной структуры и формы с повышенными физико-механическими свойствами.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, объемно-армированные композиты, технология, ткачество, плетение, вязание, прошивка
A REVIEW OF MODERN TECHNOLOGIES OF MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL PREFORMS FOR ADVANCED COMPOSITE MATERIALS
P. I. Bogomolov, I. A. Kozlov, M. A. Biryulya
Joint-stock company "Central scientific-research Institute of materials " (JSC "CRIM")
191014, St.-Petersburg, str. Paradnaya, 8
Reviewed emerging technologies of polymeric composite materials on the basis of three-dimensional reinforcing textile preforms, which allows you to get almost a hundred ready-billno-dimensional articles of complex structures and shapes with improved physical and mechanical properties.
Keywords: polymer composites, volume-reinforced composites, technology, weaving, braiding, knitting,
stitching
Введение
Развитие современной техники в значительной степени определяется наличием необходимых материалов, а повышение уровня технических требований к этим материалом растет с каждым годом. Как в оборонной, так и в гражданской промышленности создание новых образцов техники уже невозможно представить без композиционных материалов, которые обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, а также способны работать в таких условиях эксплуатации, где традиционные конструкционные материалы неприменимы.
В настоящее время в области создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) все большее распространение получают так называемые объемно-армированные композиты. Получение объемно-армированных композитов с 3-х и п- мерной структурой возможно за счет применения объемных текстильных преформ.
Армирующая преформа - это каркас из множества волокон (жгутов или нитей), кото-
рый формирует сложную объемную структуру и определяет степень и направления армирования композиционного материала. Изготавливается такой каркас различными способами, в том числе освоенными текстильной промышленностью. После формирования каркаса происходит последующая его пропитка связующим и отверждение.
В данной статье будут рассмотрены основные современные методы получения 3-д армирующих преформ, особенность их структуры и область применения ПКМ на их основе.
Актуальность применения объемно-
армирующих преформ
Композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами, в зависимости от количества направлений армирования можно разделить на: однонаправленные, двумерно-армированные и объемно-армированные [1].
1Павел Иванович Богомолов - инженер 1-й категории, тел.: (812)271-49-72, e-mail: [email protected];
2Игорь Анатольевич Козлов - кандидат химических наук, тел.:(812)271-49-72, e-mail: [email protected];
3Максим Анатольевич Бируля - инженер 1 -й категории тел.: (812)271 -49-72.
Наибольшее распространение для композитов с полимерной матрицей получили схемы армирования 1Д, 2Д, 3Д и 2.5Д (рис.1):
- Ш - упрочняющие волокна проходят в одной плоскости и в одном направлении (однонаправленные пластики);
- 2D - армирование осуществляется в одной плоскости, но в разных направлениях (слоистые пластики);
- 3D - упрочняющие волокна располагаются в трехмерном пространстве (объемно-армирующие тканые и нетканые наполнители);
- 2,5 D - частный случай схемы 3D. Волокна проходят в плоскости ХУ, но часть волокон выходит из плоскости ХУ (контурные ткани - ткани, в которых геометрическая форма совпадает с формой армируемых деталей, например, получаемые радиальным плетением).
2,5 I)
Рисунок 1 - Классификация конструкционных армирующих наполнителей
Однако, еще в конце 60-х годов, в ракетостроении широко начали применяться углерод - углеродные композиционные материалы (УУКМ), в которых число направлений армирования могло достигать 5 и более. Чем больше направлений укладки волокон, тем больше структура материала близка к изотропной [2]. Выбор количества направлений армирования и схемы укладки волокон зависит от условий эксплуатации конкретного изделия с учетом распределения нагрузок и других предъявляемых требований. При этом немаловажен экономический фактор, ведь помимо всего прочего, технологический процесс изготовления детали из ПКМ должен быть оптимизирован, поэтому к созданию данного рода материалов необходимо подходить комплексно.
Начиная с середины 50-х годов, как в военной, так и в гражданских отраслях про-
мышленности широкое применение нашли слоистые ПКМ (двумерно-армированные), изготавливаемые различными методами (ручная выкладка, прессование, намотка, автоклавное формование и др.). Технологии получения таких материалов отработаны в течение многих лет. Данные материалы способны эффективно работать под нагрузкой в плоскости армирования, но в силу отсутствия в таких ПКМ волокон в 2-направлении их применение в некоторых конструкциях может быть ограничено или невозможно. Композиционные материалы, в которых отсутствуют волокна в поперечном направлении, больше подвержены расслаиванию, имеют низкое сопротивление сдвиговым деформациям и ударным нагрузкам.
У традиционных слоистых пластиков прочность в 2-направлении обеспечивается за счет когезионной прочности матрицы и ее адгезией к волокнистому армирующему наполнителю, что составляет порядка 3-4% от прочности композита в главной плоскости армирования. Наглядно характерная для двумерно-армированных ПКМ низкая сопротивляемость межслойному сдвигу и поперечному отрыву иллюстрируется на рис.2, на котором приведены данные по предельному растягивающему напряжению образцов с различным волокнистым наполнителем [3].
направле 41 нии
Рисунок 2 - Предел прочности на растяжение слоистых ПКМ (с эпоксидной матрицей)
Для устранения данной особенности применяются методы введения третьего направления армирования. Увеличение числа направлений армирования способствует повышению ударной вязкости ПКМ, уменьшает вероятность расслаивания, создает возможности проектирования ПКМ с заданной пространственной анизотропией физико-механических свойств или наоборот, приближение его структуры к изотропной.
Решению этой проблемы способствуют активно развивающиеся современные тек-
стильные технологии, а именно технологии получения объемно-армирующих преформ. Методы получения объемно-армирующих пре-форм можно классифицировать следующим образом (рис.3).
Рисунок 3 - Классификация методов изготовления армирующих преформ
Наибольшее распространение на данный момент в промышленности распространены такие методы получения объемно-армирующих преформ как ткачество, плетение и вязание. Исторически, применение таких технологий было впервые апробировано в компаниях, которые занимались авиа- и ракетостроением (детали шпангоутов, обтекатели, лонжероны сопла ракетных двигателей).
Ткачество
Без технологии ткачества композиционные материалы представить уже невозможно, поскольку ткани различных переплетений (например, полотняное, саржевое или сатиновое) используются для армирования подавляющего большинства пластиков. Сам процесс ткачества, в классическом виде, представляет собой переплетение 2-х наборов нитей - основы и утка (рис.4).
Нити основы
Зев Готовая ткань
Катушка с нитями основы
Галево
Бердо
Полотно
Саржа
ппппгл
■: / . , 1 •
:
1 м-
М Ц-г--
Челнок с уточными нитями Рисунок 4 - Процесс ткачества и типовые модели 2-Д ткани
Две системы нитей расположены относительно друг друга в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях. В процессе ткачества нити основы сматываются с катушки и проходят сквозь глазки галев, с помощью которых нити перемещаются вверх или вниз, между «зубьями» берда. Перемещаясь в верхнее и нижнее положение нити основы образуют про-
странство, называемое зевом, в которое челноком вводится уточная нить [4]
Главное отличие 3-Д ткачества от обычного - наличие нескольких слоев нитей основы, которые подаются параллельно, а зев образуется при помощи специального «жаккардового» устройства, которое позволяет управлять каждой нитью в отдельности (рис. 5).
Уток
£
Рисунок 5 - Схема получения 3-Д тканной преформы и ее возможная структура [5]
Также существует круглое ткачество, в процессе которого уток при изготовлении пре-формы образует концентричные кольцевые витки, за счет того, что уточная нить прокладывается в круговой волновой зев. В итоге получается 3-х мерная структура, армированная в направлении образующей, а также в радиальном и кольцевом направлении.
ПКМ на основе объемно-армирующих преформ, полученные ткачеством, широко применяются в изделиях аэрокосмического назначения, а именно:
- в газотурбинных двигателях (роторы, лопасти несущего винта, изоляция);
- Т-секции элементов фюзеляжа летательных аппаратов;
- ребра жесткости;
- ведущие края и разъемы для крыльев самолетов;
- балки различного профиля; крышки люков.
Движущаяся оправка
Плетение
Другим основным способом получения текстильных преформ является метод плетения. Существует 2 вида плетельных преформ - плетеные в цилиндрической системе координат (радиальное плетение) и в декартовой. Главным отличием плетения от ткачества является то, что в процессе плетения все носители волокна движутся одновременно и непрерывно, т.е. нет четкого разделения на нити основы и нити утка. Но в сложных машинах используется иногда и несколько групп нитей.
Процесс радиального плетения известен давно, с его помощью получают разного рода оплетки, шнуры, канаты. В основном плетеные преформы для ПКМ изготавливают в виде подвижного рукава или многослойной оплетки оправки как цилиндрической, так и сложной формы (2-Д и 2,5-Д структуры). Принцип изготовления преформы на машине радиального плетения показан на рис. 6.
нообразной конфигурации, в том числе и больших габаритов (рис.7).
Другой способ получения 3-Д армирующих преформ методом плетения - плетение в декартовой системе координат. В таких машинах все веретена расположены рядом в одной плоскости и каждое из них может поворачиваться независимо друг от друга по запрограммированной траектории (рис. 8).
^ /-^Веретено
3
сю
Рисунок 6 - Процесс радиального плетения
В такой плетельной машине имеется две группы носителей волокнистого наполнителя (веретен). Движение веретен происходит по круговой волнообразной траектории, причем одна группа движется по часовой стрелке, а другая - против. Осуществляется это движение за счет зубчатых передач. Также, в модернизированных оплеточных машинах возможно применение третьей неподвижной группы нитей, проходящей в осевом направлении.
Современное оборудование для получения объемно-армирующих преформ плетением является довольно сложным. Например, в плетельной машине компании Herzog (Германия) применяются роботизированные многоосевые манипуляторы, которые перемещают оправку по запрограммированному алгоритму. В результате можно получить преформу самой раз-
Биаксиальное переплетение
Триаксиальное переплетение
Рисунок 7 - Радиально-плетельная машина Herzog
1ш
I
Vи 1
(1И
Рисунок 8 - 3-Д плетельная машина и производимые на ней структуры
Примеры изделий, полученных на основе плетеных текстильных преформ:
- лонжероны и шпангоуты летательных аппаратов,
- фюзеляж ракет;
- валы гребных винтов;
- С-, Т- и J- панели;
- конуса обтекателей ракет и сопла двигателей;
- балки и фермы;
- лопасти винта;
- арочные элементы;
- рамы велосипедов;
- медико-биологическое оборудование.
Вязание
На первый взгляд, вязание тяжело ассоциировать с производством композитов, но некоторые свойства вязаного трикотажа делают его идеально подходящим в качестве армирующего наполнителя. Традиционно вязание делится на уточное и основное. Формирование трикотажного полотна происходит при помощи ряда близко расположенных спиц (игл), которые тянут петли из исходного волокнистого материала, а затем соединяют их друг с другом (рис. 9).
а) б) в)
Рисунок 9 - Вязание: а) - Процесс вязания; б) -уточное вязание; в) - основное вязание
При вязании уточного трикотажа, одна нить проходит через все иглы в ряду, в основном же через каждую иглу проходит своя нить (пряжа), по аналогии с ткацким производством. Трикотаж, связанный таким образом считается, по сути, двумерной тканью, но если в вязальной машинке разместить несколько рядов спиц, то можно получить многослойную структуру, причем все слои будут связаны между собой.
Конечно, большой минус такого способа получения преформы для ПКМ это сильное искривление волокон в процессе вязания, это негативно сказывается на прочностных характеристиках изделия, а также ограничивает спектр применимых волокнистых материалов. Например, в стандартной вязальной машинке затруднительно будет связать изделие из высокомодульных углеродных волокон, потому что они будут ломаться в процессе зацепления их спицами. Но несмотря на данный факт, вязанные наполнители прекрасно драпируются и подходят для изготовления деталей сложной формы.
Прошивка
Еще одним методом введения волокон в 2-направлении - метод прошивного армирования. Суть данного метода заключается в прошивке двумерно - армированной структуры, например, нескольких слоев ткани, при помощи специальной швейной машины (рис.10).
Преимуществами данного метода является возможность локально армировать готовую структуру, в местах концентраций напряжений, например, вблизи отверстий или по краям фланцев, также можно уменьшить количество крепежных элементов (болтов, винтов или клепок). За счет введения волокон таким образом повышается прочность композита при меж-слойном сдвиге и повышается ударная вязкость. Но при этом необходимо понимать, что в процессе усиления композита в 2-направлении происходит повреждение волокон в плоскости
XY.
Заключение
Развивающиеся технологии получения полимерных композиционных материалов на основе объемно-армирующих текстильных
преформ, позволяет получать практически готовые стабильно-размерные изделия сложной
структуры и формы с повышенными физико-механическими свойствами.
Поддерживающее основание
Рисунок 10 - Технология прошивного армирования
Пленка
Прижимная лапка
Прошивающая игла
Изделия на основе объемно-армирующих преформ имеют:
S повышенные физико-механические характеристики: увеличенная прочность при поперечном отрыве; повышенное сопротивление сдвиговым деформациям; высокое сопротивление ударным нагрузкам; значительное сопротивление усталостному разрушению.
- уникальные теплофизические характеристики (как для теплозащитных, так и для теплоизолирующих изделий).
- целостность структуры материала (отсутствие стыков, швов и т.д.).
- стабильность свойств, размеров и формы изделий.
Преимуществами рассмотренных методов получения объемно-армирующих преформ являются:
- Возможность формирования 3-х и n-направлений армирования, в зависимости от требуемой анизотропии свойств изделия;
- Возможность варьировать направлением и углами армирования (в т.ч. и в процессе изготовления преформы)
- Возможность получения изделий сложной геометрической формы, различной толщины, длины и переменного сечения;
- Существенное сокращение времени производства и отходов;
- Применения средств автоматизированного проектирования и изготовления изделий.
Для получения конечного изделия из объемно-армирующей преформы необходимо произвести пропитку каркаса связующим с последующим отверждением. Для этого применяются такие безавтоклавные методы формования, как пропитка под давлением RTM (Resin Transfer Molding), вакуумно-инфузионный VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) и пропитка с использованием пленочного связующего RFI (Resin Film Infusion).
Преимуществами данных методов является отсутствии необходимости использования дорогостоящего оборудования, хорошие условиях труда (исключение непосредственного контакта человека со связующим), относительно невысокая стоимость процесса
Областью применения полимерных композиционных материалов на основе объемно-армирующих плетеных преформ являются такие отрасли как:
- Авиация и ракетостроение (роторы, лопатки турбин, лопасти вентиляторов, корпуса двигателей, лонжероны, конусы, различные элементы корпусов летательных аппаратов)
- Машиностроение (балки, валы, рамы, каркасы, трубы, ребра жесткости)
- Строительство (арочные элементы, ограждения, арматура, канаты, трубы, профили различной формы)
- Медицинское оборудование
- Спортивный инвентарь.
Литература
1. Шевченко А.А. Физикохимия и механика композиционных материалов: Учебное пособие для вузов. - СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. 224 с.
2. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990, 512 с.
3. L.Tong. 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. / L.Tong, A.P.Mouritz, M.K.Bannister. // Oxford: Elsevier Science Ltd, 2002. - 241 с.
4. А.М. Шагеев, Н.С. Микрюкова, Е.В. Лапин. Цельнотканые каркасы-оболочки -- наполнители перспективных композиционных материалов, ж. Вестник ПНИПУ, Аэрокосмическая техника, 2015 №42.
5. F.Stig. 3D-woven Reinforcement in Composites. / Fredrik Stig // Doctoral Thesis. Stockholm, Sweden, 2012.
