Свойства полимерных композиционных материалов, изготовленных на основе плетеных преформ
Все чаще в аэрокосмической и гражданской отраслях промышленности при изготовлении изделий из ПКМ используют армирующие плетеные преформы. Такие материалы характеризуются значительным сопротивлением расслаиванию и удару, высокой устойчивостью к усталостным нагрузкам. Использование таких преформ позволяет обеспечить возможность автоматизации производства, высокую скорость и экономичность процесса изготовления ПКМ. Знание их свойств при проектировании образцов техники позволяет оптимизировать выпуск изделий с необходимыми параметрами.
В настоящее время современная промышленность освоила значительное количество новых методов производства композиционных материалов [1–3]. Среди них – и способ изготовления ПКМ на основе плетеных преформ, который является конкурентоспособной альтернативой такому уже давно используемому технологическому процессу, как намотка. Возможность получения материалов с точным соответствием производимого изделия заданной внешней форме, их устойчивостью к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропностью или наоборот, при необходимости, градиентностью свойств, снижением массы конструкций при сохранении высоких эксплуатационных свойств [4–6], сокращением трудоемкости технологических процессов, их автоматизации и роботизации – все это является серьезными достоинствами этого процесса. Кроме того, характерными особенностями изготовления ПКМ с применением плетеных преформ являются возможность вплетения закладных элементов, возможность оплетки оправок сложной формы, применение при изготовлении изделий современных, экономически эффективных технологий пропитки [7].
Современные технологии плетения позволяют изготовлять преформы как в виде «мягкого рукава», так и ткани или многослойной оплетки оправки, при необходимости и переменного диаметра. Использование в качестве материала для изготовления преформ практически любого волокна, такого как углеродное, стеклянное, базальтовое или волокно природного происхождения (например льняное), позволяет конструкторам проектировать изделия с широким спектром свойств и в широком ценовом диапазоне [8].
Использование стандартных технологий при изготовлении конструкций сложного профиля является непростой задачей по причине сложности раскроя заготовок препрегов (в случае применения препреговой технологии) и необходимости применения ручной выкладки в зонах сложных переходов. Использование же текстильных преформ (в данной статье в первую очередь пойдет речь о преформах, выполненных методом плетения), которые характеризуются высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы (см. рисунок), позволяет решать эту задачу значительно проще, обеспечивая возможность автоматизации процесса [9]. Для изготовления изделий на основе таких преформ чаще всего используются уже ставшие привычными безавтоклавные способы формования, такие как вакуумная инфузия и пропитка под давлением [10, 11].
Несмотря на видимые преимущества отечественные технологии безавтоклавного изготовления ПКМ с применением плетеных преформ в настоящее времени не получили развития. Ряд попыток освоения этой технологии в последние годы привел к изготовлению лишь нескольких опытных образцов, таких как лопатка авиадвигателя, рама иллюминатора и других, но развития технология не получила ввиду отсутствия как своей завершенности, так и современного оборудования для серийного производства изделий [12].
Схемы армирования плетеных преформ
Существуют две основные схемы армирования, применяемые при изготовлении плетеных преформ, – биаксиальная и триаксиальная (см. рисунок). В первом случае используются только две нити, чаще всего переплетаемые под углами от 30 до 60 град. Во втором случае добавляется третья нить, располагающаяся под нулевом углом. Введение этой нити в схему армирования значительно изменяет физико-механические свойства уже готового композиционного материала, что будет показано далее.
Современное оборудование для плетения [13] позволяет производить плетеные преформы (как рукава, так и ткани) самых разных размеров и схем плетения с высокой производительностью – например, на плетельных установках производства фирмы Herzog (Германия) возможно изготовление материалов с различными параметрами (табл. 1).
Таблица 1
Свойства плетеных преформ, производимых на оборудовании фирмы Herzog (Германия)
Вид преформ | Размер | Укладка волокна | Материал |
Однослойная в виде рукава | Длина – любая, диаметр – от 30 до 4000 мм | От ±30 до ±60 град, возможность укладки нити в «нулевом» направлении | Угле-, стекло-, органо- и натуральные волокна |
Однослойная в виде ткани | Длина – любая, ширина – до 1600 мм | ||
Объемная (многослойная) | Длина – любая, диаметр – от 30 до 4000 мм |
В настоящее время за рубежом использование технологии плетения широко освоено компаниями SGL Group (Германия), Eurocarbon (Нидерланды), SILTEX (Германия), A&P Technology (США) и другими – для изготовления преформ, используемых для производства стрингеров, шпангоутов, несущих конструкций самолетов, лопастей винтов, элементов фюзеляжа и шасси, корпусов вентилятора авиадвигателя.
Такие преформы получили коммерческое распространение и производители приводят информацию по материалам, выполненным на основе этих преформ. Например компания A&P Technology [14], известная своими работами в области изготовления и внедрения плетеных преформ в авиационной и космической промышленности (с ее участием успешно изготовлены и внедрены в производство лопатки авиадвигателя, шпангоуты и многое другое), публикует следующие данные по свойствам материалов (табл. 2).
Таблица 2
Свойства материалов на основе плетеных преформ [14]
Тип образца | Предел прочности при растяжении, МПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа | ||
при направлении выкладки, град | ||||
[0] | [90] | [0] | [90] | |
Плетеная биаксиальная ткань | 365 | 365 | – | – |
Плетеная триаксиальная ткань | 800 | 800 | 47 | 44 |
Видно, что в случае использования триаксиального плетения механическая прочность материала заметно повышается.
В работе той же фирмы на примере углепластика на основе волокна AS4 и эпоксидной смолы EPON9504 (табл. 3) показано, что увеличение угла плетения приводит к снижению прочности и модуля упругости при растяжении углепластика.
Таблица 3
Влияние угла плетения на свойства углепластика AS4/EPON9504
(данные A&P Technology (США))
Угол плетения, град | Предел прочности при растяжении, МПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа |
25 | 660 | 54 |
30 | 442 | 38 |
45 | 178 | 16 |
Исследование влияния различных эпоксидных связующих на механические свойства материала при использовании триаксиальных структур показано в работе [15]. Образцы ПКМ, выполненные методом RTM, на основе углеволокна TORAYCA T700S с углом армирования ±60 град и различных связующих показали следующие механические свойства (табл. 4).
Видно, что выбор связующего оказывает значительное влияние на свойства материала. Отметим также, что авторы [15] при изготовлении образцов плетеных преформ использовали разный номинал углеволокна: в направлении армирования [0°] – волокна 24К, в направлении армирования [±60°] – 12К.
Таблица 4
Влияние связующего на механические свойства ПКМ,
выполненных на основе триаксиальных преформ
Предел прочности при осевом растяжении, МПа | Предел прочности при поперечном растяжении, МПа | ||||
Связующее EPIKOTE Resin 862 | Связующее CYCOM PR 520 | Связующее Hexcel 3502 | Связующее EPIKOTE Resin 862 | Связующее CYCOM PR 520 | Связующее Hexcel 3502 |
810 | 970 | 780 | 460 | 550 | 330 |
В работе [16] представлены механические свойства образцов, изготовленных с использованием преформ на основе углеродного наполнителя Т-700 и эпоксидных связующих 5208 и М36, соответственно – T700/5208 и T700/M36. Видно, что с увеличением угла плетения уменьшаются прочность и модуль упругости при растяжении и сжатии при приложении нагрузки в направлении [0°], в то же время при приложении нагрузки в направлении [90°] наблюдается увеличение прочности и модуля при растяжении и сжатии (табл. 5).
Таблица 5
Влияние угла плетения и марки связующего на свойства углепластика
на основе волокна Т-700 и эпоксидных связующих Hexcel М36 и Cytec 5206
Связующее (угол плетения) | Предел прочности при растяжении, МПа | Модуль упругости при растяжении, ГПа | Предел прочности при сжатии, МПа | Модуль упругости при сжатии, ГПа |
Направление приложения нагрузки [0°] | ||||
М36 (±45 град) | 895 | 68 | 591 | 61 |
М36 (±60 град) | 805 | 47 | 507 | 45 |
5208 (±60 град) | – | – | – | 49 |
Направление приложения нагрузки [90°] | ||||
М36 (±45 град) | 194 | 18 | 265 | 18 |
М36 (±60 град) | 456 | 44 | 422 | 46 |
5208 (±60 град) | – | – | 229 | 41 |
Необходимо отметить также значительную устойчивость к ударным нагрузкам ПКМ на основе плетеных преформ [17]. В табл. 6 представлено влияние метода изготовления преформы на сохранение прочности при сжатии после удара образцов углепластика. Сравнивались образцы, изготовленные из однонаправленной ленты (схема армирования [0°/90°]), ткани саржевого переплетения (схема армирования [0°/90°]), плетеной преформы (угол плетения 45 град). Видно, что образец, изготовленный с применением плетеной преформы, как и ожидалось, имеет максимальное сохранение прочности после удара.
Таблица 6
Сопоставление прочности при сжатии после удара образцов ПКМ,
изготовленных разными способами
Тип образца | Сила удара, Дж | Сохранение прочности, % |
Углепластик на основе однонаправленной ленты (12К, 800 текс, 100 г/м2) при схеме армирования [0°/90°] | 25 | 65 |
Углепластик на основе ткани саржевого переплетения (3К, 200 текс, 200 г/м2) при схеме армирования [0°/90°] | 25 | 71 |
Углепластик на основе полотна биаксиального плетения (12К, 800 текс, угол плетения 45 град) | 25 | 80 |
Угол армирования плетеной преформы напрямую влияет на будущие свойства ПКМ, изготовленного на основе этого материала. Варьируя его, можно получать те или иные свойства, которые необходимы в конкретной конструкции, в зависимости от вида нагрузки – кручение, сдвиг, сжатие или сложные комбинации этих нагрузок. С увеличением угла плетения уменьшаются прочность и модуль упругости при растяжении и сжатии приприложении нагрузки в направлении [0°], в то же время при приложении нагрузки в направлении [90°] наблюдается увеличение прочности и модуля упругости при растяжении и сжатии. Это позволяет изготовлять преформу, схема армирования которой оптимально адаптирована к виду нагрузки будущей конструкции. При этом необходимо подчеркнуть и то, что образец, изготовленный с применением плетеной преформы, имеет максимальное сохранение прочности после удара в отличие от материалов, изготовленных по традиционным технологиям.
Таким образом, представляется несомненно важным знание закономерностей процесса изготовления ПКМ на основе армирующих плетеных преформ с целью получения материала именно с теми свойствами, которые от него ожидаются. Реализация всех достоинств этого метода также напрямую связана с пониманием особенностей как самого изготовления преформы, выбором конкретного связующего, так и способом формования самого изделия для его практического использования.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
- Roberts G.D., Pereira J.M., Revilock D.M., Binienda W.K., Xie Ming, Braley M. Ballis-tic Impact of Braided Composites With a Soft Projectile //J. Aerospace Eng. 2005. V. 18. №1. Р. 3–7.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Деев И.С., Никишин Е.Ф. Свойства полимерных композиционных материалов после воздействия открытого космоса на околоземных орбитах [Properties of polymeric composite materials after exposure to open space in earth orbit] //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №10. С. 2–3.
- Донецкий К.И., Хрульков А.В., Коган Д.И., Белинис П.Г., Лукьяненко Ю.В. Применение объемно-армирующих преформ при изготовлении изделий из ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 35–39.
- McClain М., Goering J. Overview of Recent Developments in 3D Structures //ICCM 17, 3D Textiles & Composites. Edinburgh. 2009.
- Geoff Wood. Quasi-isotropic braid reduces cost in large composite tooling //JEC composites magazine. 2009. V. 53. №11–12. P. 46–47.
- Донецкий К.И., Коган Д.И., Хрульков А.В. Использование технологий плетения при производстве элементов конструкций из ПКМ //Труды ВИАМ. 2013. №10. Ст. 04 (viam-works.ru).
- Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р., Чурсова Л.В. Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением [Features manufacture of RMB by pressure impregnation] //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. C. 18–26.
- Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
- Композитная лопатка вентилятора с многослойным армирующим материалом: пат. 2384749 Рос. Федерация. опубл. 20.03.2010. Бюл. №8.
- Лаврис Е.В. Совершенствование плетельного оборудования для производства текстильных деталей сложных форм //Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2011. №70.
- Интернет ресурс www.braider.com.
- Kohlman L.W., Bail J.L., Roberts G.D., Salem J.A., Martin R.E., Binienda W.K. A notched coupon approach for tensile testing of braided composites /In: NASA Publica-tions. 2012. №65. Р. 1–9.
- Robert G.D., Goldberg R.K., Binienda W.K., Arnol W.A., Littell J.D., Kohlman L.W. 65-th Annual Forum and Technology Display sponsored by the American Helicopter Society. Grapevine. 2009. Р. 1–41.
- Erber А., Birkefeld K., Drechsler K. The influence of braiding configuration on damage tolerance of drive shafts /In: SAMPE EUROPE 30-th international Jubilee Confer-ence and Forum Paris 2010. P. 364–371.