В последние годы активно изучаются и внедряются в промышленность толстостенные конструкции из композитных материалов. Это прочные и легкие изделия на основе полимера и непрерывных угле- или стекловолокон. Они нужны для работы в условиях высоких нагрузок, которым подвергаются, например, элементы самолетов, ракет и подводных лодок, лопасти ветрогенераторов, газовые баллоны и многое другое. Такие конструкции создают в автоклаве — большой печи, где слои материала из волокон и смолы выкладывают в заданную форму, а затем под высоким давлением и температурой отверждают в готовое изделие. Однако из-за большой толщины стенок материал может уплотняться неравномерно, что приводит к различным дефектам. Ученые Пермского Политеха установили оптимальные режимы для предварительного формования заготовки в автоклаве. Они обеспечат лучшее уплотнение материала и позволят контролировать толщину слоев, что повысит качество готового изделия.
Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение», 2024 год. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Для получения толстостенных конструкций из композита заранее подготавливают препреги — слои материала из волокон и смолы, которые выглядят как листы или рулоны. Их укладывают в форму, повторяющую контуры будущей детали, и отправляют в автоклав. Под высоким давлением и температурой смола затвердевает, а слои плотно соединяются друг с другом. В итоге получается прочная и легкая деталь, которая может выдерживать большие нагрузки.
Однако из-за большого количества слоев процесс изготовления толстостенных конструкций сложнее, чем тонкостенных. Требуется тщательный контроль температуры и давления, чтобы избежать дефектов в виде пористости и волнистости слоев. Уплотнить материал и снизить количество воздушных включений в структуре можно с помощью такой операции, как подформовка. Это этап, когда в процессе выкладки слоев изделию предварительно придается форма перед окончательным отверждением. Для этого препрег слегка прогревают и прижимают, чтобы смола лучше распределилась по заготовке и уплотнилась.
Хотя подформовка улучшает качество и характеристики изделий, важно определить, сколько раз ее нужно делать и при каких условиях — температуре, давлении и длительности. Это нужно для того, чтобы готовое изделие сохраняло свои свойства и оставалось надежным в работе. Ученые Пермского Политеха экспериментально установили оптимальные режимы подформовки, обеспечивающие необходимые физико-химические и механические характеристики композита.
Политехники использовали слоистые пластины углепластика. Подформовку проводили, нагревая образцы, выдерживая в течение 10 минут и охлаждая до 30 градусов. Затем определяли уплотнение материала, измеряя толщину пластин, и проводили его испытания на прочность.
— Мы установили, что материал максимально уплотняется (на 0,75 мм) при температуре 80 градусов. Это происходит из-за снижения вязкости смолы в составе препрега, что способствует ее выходу из объема заготовки и исключает появление воздушных прослоек между слоями. Близкие значения уплотнения (0,66 мм) достигнуты при температуре в 70 градусов. При работе автоклава под давлением в 5 атм средняя продолжительность составила 1 час 43 минуты, — рассказывает Артем Сыстеров, ведущий инженер НОЦ АКТ, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
Таким образом, наиболее эффективный режим предварительного прогрева толстостенных заготовок — это 70-80 градусов в автоклаве при давлении 5 атм. Такие условия обеспечат более плотное прилегание слоев, что предотвратит образование дефектов, пористости и неравномерности материала.
Также политехники выяснили, если проводить дополнительные подформовки при высокой температуре, слои материала становятся плотнее. От 2 до 5 таких операций сохраняет прочность заготовки при последующей эксплуатации в высоких нагрузках (78-80 МПа). Но если препрег хранится 14 дней, а потом проводится его подформовка 5 раз и больше, его прочность снижается. Это говорит о том, что материал «стареет» и теряет свои свойства.
Проведенное исследование ученых ПНИПУ позволило установить оптимальные режимы формования заготовок, которые повысят скорость и качество изготовления промышленных толстостенных конструкций из композитных материалов.