Существует широкий выбор сырья для композитов, включая смолы, волокна и материалы сердцевины. Каждый материал обладает уникальными свойствами прочности, жёсткости, ударной вязкости и термостойкости, различаясь при этом по стоимости и производительности. Однако конечные характеристики композитного материала в целом зависят не только от смоляной матрицы и волокон (а также материала сердцевины в сэндвич-структуре), но и тесно связаны с методом проектирования и технологическим процессом производства материалов, составляющих конструкцию. В данной статье мы рассмотрим наиболее распространённые методы производства композитов, основные факторы, влияющие на каждый метод, а также выбор сырья для различных процессов.
Формование распылением
1. Описание метода: армирующий материал из короткого волокна и смоляная система одновременно распыляются в форме, а затем отверждаются под атмосферным давлением в термореактивные композитные изделия процесса формования.
2. Выбор материала:
Смола: в основном полиэфирная
Волокно: грубая стекловолоконная пряжа
Основной материал: отсутствует, необходимо комбинировать только с фанерой
3. Основные преимущества:
1) Долгая история мастерства
2) Низкая стоимость, быстрая укладка волокна и смолы
3) Низкая стоимость пресс-формы
4, основные недостатки:
1) Фанера легко формуется, богата смолой, имеет высокий вес
2) Можно использовать только короткорезанные волокна, что серьезно ограничивает механические свойства фанеры.
3) Для облегчения распыления вязкость смолы должна быть достаточно низкой, чтобы не терять механические и термические свойства композитного материала.
4) Высокое содержание стирола в распыляемой смоле означает, что она представляет высокую потенциальную опасность для оператора, а низкая вязкость означает, что смола может легко проникнуть через рабочую одежду работника и вступить в прямой контакт с кожей.
5) Концентрация летучего стирола в воздухе трудно поддается соблюдению установленных законом норм.
5. Типичные области применения:
Простые ограждения, несущие низкую нагрузку структурные панели, такие как кузова легковых автомобилей с откидным верхом, обтекатели грузовиков, ванны и небольшие лодки.
Формование вручную
1. Описание метода: вручную пропитать волокна смолой. Волокна могут быть ткаными, оплетёнными, сшитыми, склеенными и другими способами армирования. Формование вручную обычно выполняется валиками или кистями, после чего смола продавливается клеевым валиком для её проникновения в волокна. Фанера отверждается под обычным давлением.
2. Выбор материала:
Смола: не требуется, доступны эпоксидные, полиэфирные, эфирные на основе полиэтилена, фенольные смолы.
Волокно: требований нет, но базовый вес более крупного арамидного волокна трудно пропитывается вручную уложенным
Основной материал: нет требований
3. Основные преимущества:
1) Долгая история технологий
2) Легко выучить
3) низкая стоимость пресс-формы при использовании смолы, отверждающейся при комнатной температуре
4) Широкий выбор материалов и поставщиков
5) Высокое содержание волокон, используются более длинные волокна, чем при распылении
4. Основные недостатки:
1) Смешивание смолы, содержание смолы в ламинате и качество тесно связаны с квалификацией оператора, трудно получить низкое содержание смолы и низкую пористость ламината.
2) Опасность смол для здоровья и безопасности: чем ниже молекулярная масса смолы для ручного нанесения, тем выше потенциальная угроза для здоровья; чем ниже вязкость, тем выше вероятность проникновения смолы через рабочую одежду сотрудников и, таким образом, ее непосредственного контакта с кожей.
3) Если не установлена хорошая вентиляция, концентрация стирола, испаряющегося из сложных эфиров на основе полиэстера и полиэтилена в воздух, трудно соответствует требованиям законодательства.
4) Вязкость смолы для ручной пасты должна быть очень низкой, поэтому содержание стирола или других растворителей должно быть высоким, что приведет к потере механических/термических свойств композитного материала.
5) Типичные области применения: стандартные лопасти ветряных турбин, серийно выпускаемые суда, архитектурные модели.
Процесс вакуумной упаковки
1. Описание метода: Процесс вакуумной упаковки является расширением описанного выше процесса ручной выкладки, т.е. герметизация слоя пластиковой пленки на форме будет представлять собой вакуумную выкладку фанеры вручную, прикладывая атмосферное давление к фанере для достижения эффекта вытяжки и уплотнения, с целью улучшения качества композитного материала.
2. выбор материала:
Смола: в основном эпоксидные и фенольные смолы, полиэфирные и полиэтиленовые сложные эфиры не применяются, так как содержат стирол, улетучивающийся в вакуумный насос.
Волокно: не требуется, даже если основная масса более крупных волокон может быть пропитана под давлением.
Основной материал: нет требований
3. Основные преимущества:
1) Можно достичь более высокого содержания волокон, чем при стандартном ручном методе выкладки
2) Коэффициент пустотности ниже, чем при стандартном процессе ручной выкладки.
3) Под отрицательным давлением смола течет достаточно, чтобы улучшить степень инфильтрации волокон, конечно, часть смолы будет поглощена расходными материалами вакуума.
4) Здоровье и безопасность: процесс вакуумной упаковки может уменьшить выделение летучих веществ в процессе отверждения.
4. Основные недостатки:
1) Дополнительный процесс увеличивает стоимость рабочей силы и материала одноразовых вакуумных мешков.
2) Более высокие требования к квалификации операторов
3) Смешивание смолы и контроль ее содержания во многом зависят от квалификации оператора.
4) Хотя вакуумные пакеты уменьшают выделение летучих веществ, риск для здоровья оператора все равно выше, чем при процессе инфузии или препрега.
5. Типичные области применения: крупногабаритные яхты ограниченного выпуска, детали гоночных автомобилей, процесс склеивания основного материала в судостроении.
Формование намотки
1. Описание метода: Процесс намотки в основном используется для изготовления полых, круглых или овальных конструкционных деталей, таких как трубы и желоба. Жгуты волокон пропитываются смолой и затем наматываются на оправку в различных направлениях. Процесс контролируется намоточным станком и скоростью вращения оправки.
2. Выбор материала:
Смола: не требуется, например, эпоксидная, полиэфирная, полиэтиленовая эфирная и фенольная смола и т. д.
Волокно: не требуется, прямое использование пучков волокон катушечного каркаса, не требуется ткать или сшивать вплетенные в ткань волокна
Материал сердечника: требований нет, но обшивка обычно представляет собой однослойный композитный материал.
3. основные преимущества:
(1) высокая скорость производства, это экономичный и разумный способ укладки
(2) Содержание смолы можно контролировать путем измерения количества смолы, переносимой пучками волокон, проходящими через смоляную канавку.
(3) Минимальная стоимость волокна, отсутствие промежуточного процесса ткачества
(4) отличные структурные характеристики, поскольку линейные пучки волокон могут быть уложены вдоль различных направлений несущей нагрузки
4. Основные недостатки:
(1) Процесс ограничен круглыми полыми структурами.
(2) Волокна нелегко и неточно располагаются вдоль осевого направления компонента.
(3) Более высокая стоимость литья под давлением с использованием оправки для крупных структурных деталей
(4) Внешняя поверхность конструкции не является поверхностью формы, поэтому эстетика хуже.
(5) При использовании смолы с низкой вязкостью необходимо обращать внимание на механические свойства, а также на показатели безопасности и охраны труда.
Типичные области применения: резервуары и трубы для хранения химикатов, баллоны, дыхательные аппараты пожарных.
Формование пултрузией
1. Описание метода: из держателя бобины вытягивается пропитанный клеем жгут волокон через нагревательную пластину. На нагревательной пластине завершается инфильтрация волокон смолой и контролируется содержание смолы, после чего материал отверждается в требуемой форме. Этот фиксированный отвержденный продукт механически разрезается на отрезки различной длины. Волокна также могут поступать на нагревательную пластину под углом, отличным от 0 градусов. Экструзия и формование с вытяжкой представляют собой непрерывный производственный процесс, и поперечное сечение изделия обычно имеет фиксированную форму, допускающую небольшие отклонения. Предварительно смоченный материал проходит через нагревательную пластину, фиксируется и распределяется по форме, немедленно отверждаясь. Хотя такой процесс менее непрерывен, но позволяет добиться изменения формы поперечного сечения.
2. Выбор материала:
Смола: обычно эпоксидная, полиэфирная, сложноэфирная и фенольная смола на основе полиэтилена и т. д.
Волокно: нет требований
Основной материал: обычно не используется
3. Основные преимущества:
(1) высокая скорость производства, экономичный и разумный способ предварительного смачивания и отверждения материалов
(2) точный контроль содержания смолы
(3) минимизация стоимости волокна, отсутствие промежуточного процесса ткачества
(4) отличные структурные свойства, поскольку пучки волокон расположены в прямых линиях, объемная доля волокон высокая
(5) область инфильтрации волокон может быть полностью герметизирована, чтобы уменьшить выделение летучих веществ
4. основные недостатки:
(1) процесс ограничивает форму поперечного сечения
(2) Более высокая стоимость нагревательной пластины
5. Типичные области применения: балки и фермы жилищных конструкций, мосты, лестницы и ограждения.
Процесс трансферного формования смол (RTM)
1. Описание метода: Сухие волокна укладываются в нижнюю форму, которая может быть предварительно сжата для максимального соответствия форме формы и обеспечения адгезионного соединения. Затем верхняя форма фиксируется на нижней форме, образуя полость, в которую затем впрыскивается смола. Обычно используется вакуумная инжекция смолы и инфильтрация волокон, известная как вакуумная инжекция смолы (VARI). После завершения инфильтрации волокон клапан подачи смолы закрывается, и композит отверждается. Инжекция смолы и отверждение могут осуществляться как при комнатной температуре, так и при нагревании.
2. Выбор материала:
Смола: обычно эпоксидная, полиэфирная, поливинилэфирная и фенольная смола, бисмалеимидная смола может использоваться при высоких температурах.
Волокно: не требуется. Сшитое волокно лучше подходит для этого процесса, поскольку зазор между пучками волокон способствует переносу смолы; специально разработанные волокна могут способствовать её течению.
Материал наполнителя: ячеистая пена не подходит, так как ячейки сот будут заполнены смолой, а давление также приведет к разрушению пены.
3. основные преимущества:
(1) Более высокая объемная доля волокон, низкая пористость
(2) Охрана труда и техника безопасности, чистота и порядок на рабочем месте, поскольку смола полностью герметична.
(3) Сократить использование рабочей силы
(4) Верхняя и нижняя стороны конструктивных деталей представляют собой формованные поверхности, что облегчает последующую поверхностную обработку.
4. Основные недостатки:
(1) Формы, используемые совместно, дороги, тяжелы и относительно громоздки, чтобы выдерживать большее давление.
(2) ограничено изготовлением мелких деталей
(3) Могут легко возникнуть несмоченные участки, что приводит к большому количеству отходов.
5. Типичные области применения: небольшие и сложные детали космических кораблей и автомобилей, сиденья поездов.
Время публикации: 08 августа 2024 г.
