Пропитка пленочным связующим (RFI) как перспективная безавтоклавная технология получения изделий из ПКМ

Введение

Объемы применения композиционных материалов в авиации, аэрокосмической технике и в других различных отраслях промышленности растут с каждым годом. Это объясняется широчайшим спектром характеристик, которые можно реализовать в изделиях при использовании композитов [1]. Разумеется, все это было бы невозможно без внедрения новых материалов и технологий их производства.

Одной из самых распространенных технологий получения изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) является метод автоклавного формования. Заготовка будущего изделия помещается в автоклав (рис. 1), где из вакуумного мешка, в который помещена заготовка, удаляется воздух (создается вакуум), снаружи подается избыточное давление в ~6–8 ат и заготовка выдерживается в таких условиях до полного отверждения [2]. Изделия из ПКМ, полученные таким способом, обладают очень высокими свойствами благодаря высокой однородности и уплотненности материала и низким значениям пористости. Обычно такие материалы применяются в высоконагруженных деталях авиационной техники.

Рис. 1. Современный автоклав фирмы Magnabosco (Италия)

Однако этот метод имеет и свои недостатки: высокая стоимость оборудования, большое потребление энергии, высокая стоимость оснастки, ограничения по размеру формуемых деталей.

При этом далеко не во всех случаях востребованы такие высокие показатели свойств получаемого материала. К примеру, для средне- и слабонагруженных деталей авиационной техники, в автомобильной промышленности, строительстве и многих других отраслях применение автоклавного метода зачастую невозможно или экономически нецелесообразно. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется развитию так называемых безавтоклавных методов получения изделий из ПКМ. Одним из таких методов является метод пропитки пленочным связующим (RFI – resin film infusion), позволяющий получить ПКМ с высоким уровнем физико-механических свойств. Помимо прочего RFI-метод формования достаточно экономически эффективная технология, позволяющая значительно снизить трудоемкость изготовления деталей из ПКМ по сравнению с традиционным препрегово-автоклавным методом [3].

При получении изделий по этому методу требуется лишь вакуумная печь и оснастка с размещенным на ней предварительно собранным пакетом для формования. Избыточного давления для получения детали по такому методу не требуется. В отличие от автоклавного метода формования, где для сборки пакета требуется препрег – заранее пропитанный связующим армирующий наполнитель, здесь препрег не обязателен – можно использовать непропитанный заранее собранный тканый армирующий наполнитель (преформа), на который просто выложен слой пленки связующего (рис. 2). Это также удешевляет процесс производства, позволяя экономить на исходных материалах [4].

Рис. 2. Технологический пакет для RFI технологии

Необходимо отметить, что для получения изделий методом пропитки пленочным связующим используют связующие с особой реологией – вязкость их должна быть существенно (в 2–3 раза) ниже, чем у тех, что применяются в автоклавном формовании. Продолжительность гелеобразования таких связующих также должна обеспечивать при формовании полную пропитку армирующего наполнителя в пакете [3].

Материалы и методы

Для получения заготовок преформ использовали углеродный тканый наполнитель арт. 3101 на основе жгутов Tenax HTA 5131 3k производства ООО «Порше современные материалы», которое в 2012 году открыло ткацкое производство в Калужской области, и эпоксидные связующие ВСЭ-19 и ВСЭ-20, разработанные в ВИАМ, с уровнем рабочих температур 170 и 120°С соответственно [5].

Переработку связующего в пленки производили на установке Coateama LS-11 (рис. 3), позволяющей получать пленки с поверхностной плотностью от 200 до 800 г/м².

 Рис. 3. Получение пленки связующего на установке Coateama LS-11

Формование образцов ПКМ проводили в термошкафу, что позволило уйти от дорогостоящего и трудоемкого автоклавного метода формования и таким образом снизить трудоемкость изготовления деталей на 20% [6].

Результаты

В ВИАМ активно проводят разработку материалов и технологий переработки по методу пропитки пленочным связующим. В рамках этих работ разработаны два вида полимерного связующего для RFI-технологии: ВСЭ-19 и ВСЭ-20 (см. таблицу) [7].

Связующее ВСЭ-19 обеспечивает рабочую температуру изделий до 170°С и реализует показатели физико-механических свойств, достаточных для применения в средне- и слабонагруженных крупногабаритных изделиях авиационной техники и в других различных отраслях промышленности.

Связующее ВСЭ-20 обеспечивает рабочую температуру изделий до 120°С и реализует более высокие относительно связующего ВСЭ-19 показатели прочности при межслойном сдвиге и сжатии после удара.

Углепластики ВКУ-40 и ВКУ-41 прошли полный цикл испытаний в соответствии с программой паспортизации авиационных материалов, в ходе которых определены основные упруго-прочностные характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, специальных жидкостей, масел и топлив, стойкость к долговременному воздействию природных климатических условий в различных климатических зонах, проведены испытания на термовлажностное старение и долговременную тепловую прочность [8]. В результате проведенных испытаний установлено, что разработанные углепластики имеют высокий процент сохранения упруго-прочностных и физико-химических свойств (˃70%) после воздействия различных факторов, что подтверждает возможность их применения в деталях авиационной техники во всеклиматических условиях [9–11].

Свойства углепластиков на основе связующих ВСЭ-19 и ВСЭ-20

и углеродной ткани фирмы Porcherарт. 3101

Можно с уверенностью говорить о том, что у метода пропитки пленочным связующим (RFI) – хорошие перспективы для развития и широкие возможности внедрения в различные отрасли современной промышленности.

Обсуждение и заключения

В работе проводились исследования по возможности пропитки преформ на основе углеродного тканого наполнителя методом RFI. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогичными методами формования ПКМ, главными из которых являются уменьшение трудоемкости и достаточно низкая стоимость процесса. Установлено, что для изготовления толстостенных изделий (толщиной ˃5 мм) по методу пропитки пленочным связующим целесообразно использовать послойную выкладку, так как это позволит реализовать хорошее качество пропитки, низкую пористость и высокие показатели физико-механических свойств в изделии [12].

При изготовлении ПКМ методом RFI пленка связующего формируется заранее, что позволяет изготавливать пластики с определенным предварительно рассчитанным объемным содержанием наполнителя [13]. При формовании ПКМ связующее пропитывает преформу в поперечном направлении, что обеспечивает более качественную пропитку и, как результат, получение ПКМ с низким процентом содержания пор (V_пор<3% объемн.) [14].

При исследовании и разработке ПКМ на основе углеродных тканых преформ фирмы Porcher Ind. и полимерных пленочных связующих марок ВСЭ-19 и ВСЭ-20 разработаны новые марки углепластиков – ВКУ-40 и ВКУ-41, которые предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей и конструкций с уровнем рабочих температур 120 и 170°С соответственно.