Любин Дж. - Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Книга 2

СПРАВОЧНИК по композиционным материалам

В ДВУХ КНИГАХ

КНИГА ВТОРАЯ

Под редакцией Дж. ЛЮБИНА

Перевод с английского канд. техн. наук А.Б. Геллера, канд. хим. наук Г.Э. Кесслера, канд. техн. наук A.M. Кнебельмана

Под редакцией д-ра техн. наук Б.Э. Геллера

МОСКВА «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1988

 

Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн.

С74 Кн. 2/Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А. Б. Геллера и др.; Под ред. Б. Э. Геллера.—М.: Машиностроение, 1988. —584 с: ил.

ISBN 5-217-00000-0

Во второй книге описаны различные технологии получения изделий из композиционных материалов с применением ручных, механизированных и автоматизированных процессов. Изложены принципы инженерных расчетов свойств, а также контроля производства и качества готовых конструкций (в том числе и неразрушающих методов). Содержатся сведения о состоянии и перспективах применения композиционных материалов в наземном и морском транспорте, а также в аэрокосмической технике.

Книга завершается приложениями с табличным материалом.

Для конструкторов, технологов и исследователей, а также студентов и аспирантов вузов.

ISBN 5-217-00224-7 (СССР)

ISBN 0-442-24897-0 (США)

© 1982 by Van Nostrand Reinhold Company Inc.

© Перевод на русский язык и предисловие редактора перевода, «Машиностроение», 1988

 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи с широким внедрением композиционных материалов практически во все отрасли машиностроения: при создании новых конструкций разработчик должен начинать свое творчество с проектирования композита. Это требует не только обоснованного выбора исходных материалов—армирующих волокон, связующих, наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры композита, технологии его изготовления и переработки в готовое изделие.

В самом деле, только в этом случае может быть реализовано соответствующее инженерное решение, так как без учета возможностей достижения максимальных армирующих эффектов, без выбора целесообразных путей улучшения технологичности, снижения массы, без учета способов увеличения устойчивости, изделий к воздействию длительных знакопеременных нагрузок и внешней среды не представляется возможным создание экономически оправданных новых изделий.

В этом отношении инженерные проблемы оказываются существенно иными, нежели в традиционном машиностроении, имеющем дело преимущественно с обработкой металлов. Стандартные параметрические характеристики металлов как конструкционных материалов предопределяют возможность выбора обоснованных конструкторских решений и гарантированных эксплуатационных свойств готовых изделий.

Иное дело, когда предстоит работа с композиционными материалами. В этом случае регулирование механических, теплофизических и других характеристик, которые необходимы для эффективной реализации инженерных разработок, также является этапом проектирования и технологии. Существенным фактором при использовании композитов в качестве конструкционных материалов является временная зависимость механических свойств, обусловленная полимерной природой субстрата.

Возможность организации серийного выпуска изделий из композиционных материалов предопределяется самым тщательным входным и пооперационным контролем, а гарантия работоспособности изделия может быть дана лишь на основании контроля качества готовой продукции. Сравнительная дороговизна некоторых композиционных материалов, особенно на основе углеродных, борных и арамидиых волокон, вызывает необходимость разработки и внедрения новых методов неразрушающего контроля всех выпускаемых изделий. Важность использования для композитов метода конечных элементов оказывается бесспорной. В этой связи особое значение приобретает проблема стандартизации методов контроля и оценок по всем операциям технологического процесса. Для неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них все шире используются методы сканирующей электронной микроскопии, «жидкокристаллического тепловидения», рентгенографии, лазерной техники и т. п.

Расширяющиеся комплексные исследования, проводимые в нашей стране в области создания эффективных композитов под руководством академика Н. С. Еииколопова и по использованию их в качестве конструкционных материалов в различных отраслях народного хозяйства под руководством академика И. Н. Фридляндера, обусловливают необходимость своевременного обеспечения специалистов соответствующими информационными материалами.

В настоящее время инженерная работа с композиционными материалами прочно базируется на строгих физико-химических принципах. Эти принципы изложены в книге Липатова Ю. С. Коллоидная химия полимеров. Киев: Наукова думка, 1984, 342 с. Разработаны обоснованные методы оценки механических свойств этих материалов, описанные, например, в книгах Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Мир, 1982, 230 с. и Еидогура А. И., Вайнберга М. В., Иерусалимского К- М. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование. М.: Машиностроение, 1986, 199 с.

В справочнике детально изложены основные технологические аспекты производства композитов и формования изделий из них. Интересно отметить, что при использовании технологии ручной укладки существенное значение приобретает квалификация рабочих, а само формование изделия становится сродни искусству.

Вместе с тем во все варианты технологии изготовления и переработки композитов все активнее внедряется автоматизация, а прогнозирование конечных результатов и поиск оптимальных вариантов их достижения становятся возможными благодаря компьютеризации процессов.

При обсуждении вопросов контроля производства особое внимание авторов обращено на использование методов неразрушающего контроля и стандартизации применяемых методов для того, чтобы и производители композиционных материалов, и их потребители — машиностроители использовали идентичные приемы для оценки их качества.

Интерес читателя вызовет и знакомство с информацией о работах, проводимых в США по внедрению композитов в транспортное машиностроение (при производстве наземных, морских и авиационных средств транспорта), а также в военную технику.

Книга завершается «Словарем терминов», наиболее часто используемых в технологии производства и переработки композиционных материалов. «Словарь» может служить полезным информационным материалом при работе с технической литературой (см. кн. 1).

Гл. 13—19 переведены А. М. Кнебельмаиом; гл. 20—25 (гл. 22 — совместно с Г. Э. Кесслером) и приложения А—В — А. Б. Геллером; гл. 26—28 — Г. Э. Кесслером.

Б. Э. Геллер

 

II. Технология производства изделий из композитов

13. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ РУЧНОЙ укладкой

Чарльз Уитман, Джеральд Д. Щук

13.1 Введение

Армированные композиционные материалы (АКМ), состоящие из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения являются твердыми телами. Характеристики готового изделия (такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обусловливают выбор состава композиции, способа ее получения и формования.

При изготовлении деревянных или металлических изделий плоские листы этих материалов соединяют друг с другом, после чего на наружную поверхность детали наносят соответствующее покрытие. Противоположные приемы используются при формовании изделий из АКМ при нормальной (комнатной) температуре методом ручной укладки, когда бесформенный материал отверждается и принимает очертания формы, в которую его предварительно загружают. Обычно применяют формы, негативные по отношению к готовому изделию, покрытые изнутри пигментированной полиэфирной смолой, которая образует на изделии поверхностную пленку. Детали, формуемые таким методом, состоят из стекловолокнистого наполнителя и связующего — смеси полиэфирной смолы с катализатором. Когда отвержденное изделие извлекают из формы, его внешняя поверхность оказывается покрытой тонким полимерным слоем — гелькоатом г. Таким образом, в отличие от деревянных и металлических деталей, «окрашивание» изделий в этом случае производится раньше, чем они будут изготовлены.

Контактное формование изделий в открытых формах осуществляется в основном двумя способами. При формовании ручной укладкой после нанесения на поверхность формы слоя связующего ее выстилают стекловолокном в виде матов из рубленой стеклопряжи, ткани или тканого ровинга, пропитывают смолой, зачищают щеткой или прикатывают валиком для уплотнения материала и удаления пузырьков воздуха.

Метод формования напылением отличается от описанного тем, что стекловолокно в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки — штапельки и инжектируется в форму одновременно со смесью соответствующей смолы и катализатора.

При обоих способах формования получаемый слоистый пластик можно считать элементарным конструкционным материалом. Варьирование соотношения смолы и стекловолокнистого наполнителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы, вида и количества наполнителей позволяет существенно изменять физические свойства получаемых стеклопластиков. Следовательно, можно сказать, что структура и состав АКМ формируются в процессе получения изделия.

Возможность изменения состава композиций, размера, формы и конфигурации изделий позволяет определить наиболее целесообразный путь их получения формованием либо ручной укладкой, либо напылением.

Несмотря на отдельные недостатки, такие как значительные затраты ручного труда, низкая производительность, необходимость высокой квалификации оператора, получение гладкой поверхности изделия только с одной стороны (обратная сторона изделия получается шероховатой), способы формования стекловолокнистых композиционных материалов (СВКМ) ручной укладкой и напылением имеют довольно широкое применение (табл. 13.1).

В табл. 13.2 приведены преимущества и недостатки обоих способов контактного формования, а в табл. 13.3 даны сравнительные технико-экономические показатели СВКМ, получаемых всеми известными способами.

...