Способ изготовления крупногабаритных толстостенных полимерных композитных деталей

Способ изготовления крупногабаритных толстостенных полимерных композитных деталей

Реферат

Изобретение относится к способу изготовления крупногабаритных толстостенных композитных деталей для электроэнергетики, энергомашиностроения, транспортных средств и т.п.

Известны способы изготовления крупногабаритных полимерных композитных деталей (Механика композитов в 12 т. Т.6. Технологические напряжения и деформации в материалах / под редакцией Шульги и Томашевского В.Т / Киев, 1997 г.). При пултрузии покрытые смолой нити протягиваются через горячую фильеру, в которой оформляется соответствующий профиль и производится полимеризация. Этот способ пригоден для изготовления только линейных профилей.

При филаментном способе покрытые смолой нити наматываются на оправке и вместе с ней заготовка полимеризуется в печи. Этот способ пригоден для деталей в форме тел вращения или близкой к ним форме. При обмоточно-укладочных способах могут изготавливаться детали сложной конфигурации, причем заготовка полимеризуется под давлением в металлической или эластичной форме. При всех этих способах могут использоваться неорганические и органические волокна, в т.ч. высокомодульные.

Общим недостатком этих способов является возникновение внутренних механических напряжений вследствие различий в коэффициентах теплового расширения волокон и связующего, а также разницы в температурах в процессе полимеризации и усадки связующего. Внутренние напряжения растут с ростом толщины детали. Они ведут к возникновению трещин, делающих деталь негодной, и создают высокий уровень остаточных напряжений, ограничивающих допустимые механические нагрузки в эксплуатации.

Другими недостатками этих способов, ограничивающими их применение, являются сложность встраивания металлической арматуры и комбинированное использование различных видов армирующих средств вследствие нарастания внутренних механических напряжений.

Наиболее близким к предлагаемому является способ для переработки пресс-материалов с непрерывными стекловолокнами на основе фенолформальдегидных смол путем повышения содержания летучих веществ, изготовления заготовки и полимеризации заготовки без внешнего давления до получения деталей с открытой пористостью, с последующей ее пропиткой (Патент Болгарии №61529, 102428).

Этот способ обеспечивает низкий уровень внутренних механических напряжений. С его помощью можно изготавливать крупногабаритные детали с большими сечениями, но недостатком его является то, что его применение ограничивается относительно низким содержанием армирующих стекловолокон (55-60% весовых), что приводит к недостаточно высокому модулю упругости. Кроме того, к недостаткам этого способа относится то, что он ограничен лишь переработкой пресс-материалов с непрерывными стекловолокнами. Для значительной части крупногабаритных деталей величина модуля упругости стекловолокна является недостаточной для обеспечения необходимой жесткости детали.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления крупногабаритных толстостенных полимерных композитных деталей, обеспечивающего низкий уровень внутренних механических напряжений, возможность применения подходящих волокон для достижения необходимых характеристик готовой композитной детали - жесткости, прочности, ударостойкости, теплофизических свойств, а также пригодность для встраивания металлической и другой арматуры в процессе изготовления детали.

Указанная задача достигается тем, что изготавливают заготовку детали с ориентированными волокнами из препрега с заданным повышенным содержанием летучих веществ в связующем, затем проводят полимеризацию заготовки в негерметичной форме без внешнего давления с образованием микропористой структуры. При образовании микропористой структуры из-за повышенной подвижности возникающих связей уровень внутренних напряжений ограничивается. Затем заготовку подвергают термообработке и термической стабилизации в соответствии с видом связующих смол и геометрическими размерами детали, производят пропитку заготовки составом, заполняющим микропористую структуру и полимеризацию пропиточного состава. При этом образуется связующая матрица из двух отдельных взаимопроникающих фаз, имеющих сильно развитую контактную поверхность, без химических связей между ними. Проводят полимеризацию пропиточного состава и выполняют термическую стабилизацию готовой композитной детали. Поставленная задача решается также за счет того, что заготовку детали изготавливают со встроенными в нее деталями и арматурой из металлов, керамики или композитов, что заготовку, например, для несущего стержня полимерного изолятора для разъединителей высокого напряжения наружной установки изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим и проводят пропитку микропористой структуры указанного несущего стержня эпоксидным составом, что заготовку несущего стержня полимерного изолятора изготавливают из препрега с содержанием стекловолокна от 75 до 85 весовых процентов и фенолформальдегидной смолы в сухом состоянии - от 25 до 15 весовых процентов, причем весовое количество летучих веществ в связующей фенолформальдегидной смоле в сухом состоянии составляет от 20 до 35 весовых процентов, что термическую стабилизацию микропористой структуры полимеризованной заготовки несущего стержня проводят при температуре 160-180°С в течение 16-24 часов, что дополнительно проводят вакуумную сушку термически стабилизированной микропористой заготовки несущего стержня полимерного изолятора при температуре 80-120°С.

Поставленная задача решается также за счет того, что внутренние слои цилиндрической заготовки несущего стержня полимерного изолятора изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, а внешние слои - из препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим, что заготовку несущего стержня полимерного изолятора выполняют с цилиндрическими ступенями, внутренние слои которых изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, а их внешние слои - из препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим, что заготовку детали изготавливают из слоев препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, чередующихся со слоями препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидным связующим, что заготовку детали изготавливают из слоев препрега с арамидными волокнами с фенолформальдегидным связующим, чередующихся со слоями препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидным связующим, что заготовку детали изготавливают из препрега с углеродными волокнами м фенолформальдегидным связующим.

По заявляемому способу изготавливают крупногабаритные толстостенные полимерные композитные детали с низким уровнем остаточных напряжений, со связующей матрицей, имеющей одновременно высокую эластичность и прочность. Благодаря этой матрице становится возможным применение различных армирующих волокон, а также использование различных армирующих волокон в одной крупногабаритной толстостенной детали. В качестве связующих можно применять различные смолы или их модификации, а также специально разработанные для этой цели связующие, способные при полимеризации в сочетании с армирующими волокнами образовать открытую микропористую структуру.

По этому способу, используя соответствующие компоненты, можно достичь нужных характеристик крупногабаритной толстостенной детали - жесткости, стойкости при кручении и изгибе, тепло- и термостойкости, небольших изменений механических характеристик при повышенных температурах, низких тепловых расширений.

По этому способу на этапе заготовки в крупногабаритной детали можно надежно встроить другие металлические, керамические и композитные детали и арматуру, так как эластичность и прочность матрицы в сочетании с соответствующей армировкой уменьшают различия в тепловых расширениях как в процессе изготовления детали, так и в эксплуатационных условиях.

Примером одного из возможных осуществлений способа является изготовление несущего стержня полимерного изолятора для разъединителей высокого напряжения наружной установки. Эти стержни уже при напряжении 220 кВ из-за жестких требований к деформациям при изгибе должны иметь такие размеры сечения, которые существующими способами не могут быть изготовлены. По заявляемому способу для изготовления несущего стержня сначала производят проектирование внутренней структуры, выбор армировки и связующего, а также их соотношение. Благодаря хорошим механическим и электроизоляционным свойствам, а также низкой цене, одним из подходящих вариантов является изготовление заготовки из слоев препрега из стекловолокна с фенолформальдегидным связующим с пропиткой эпоксидным составом. Выбирают содержание стекловолокна в препреге из диапазона от 75 до 85 весовых процентов, а фенолформальдегидной смолы в сухом состоянии - от 25 до 15 весовых процентов. Весовое количество летучих принимают от 20 до 35 весовых процентов по отношению к связующему из фенолформальдегидной смолы. При этих соотношениях, учитывая также пропитку эпоксидным составом, в готовом композитной стержне весовое содержание связующего будет от 20 до 35 процентов. Обмоточно-прессовыми операциями изготавливают плотную заготовку из аксиальных и радиальных слоев препрега. Заготовку полимеризуют при постоянном объеме в негерметичной форме на прессе или в сушильном шкафу, при этом получают деталь с открытой микропористой структурой. Производят термообработку в течение 16-24 часов. Внутренние напряжения ограничиваются повышенной подвижностью связей, возникающих при полимеризации микропористой структуры, а также в результате последующих термообработок и стабилизации. При термообработке вне пресс-формы, а также при вакуумной обработке перед пропиткой через открытую пористость устраняют продукты полимеризации, отражающиеся неблагоприятно на электроизоляционных характеристиках (tg δ, ε). При повышенных требованиях к электрической изоляции после полимеризации и термических обработок заготовка может быть подвергнута вакуумной сушке при температурах 80-120°С.

Затем производят пропитку эпоксидным составом по методу «вакуум - давление» и полимеризацию при режимах, учитывающих технологические характеристики пропиточного состава, с последующей стабилизацией.

Связующая матрица состоит из двух взаимопроникающих смол - фенолформальдегидной и эпоксидной. В соответствии с конфигурацией капилляров эпоксидная смола имеет преобладающую форму нитей. Контактная поверхность между обеими смолами сильно развита, без химических связей между ними. Это делает матрицу эластичной и прочной, а композит получается ударопрочным. Вместе с объемным армированием стекловолокнами такая матрица ограничивает возникновение и распространение трещин. Наличие радиальных слоев стекловолокон, охватывающих аксиальные слои, увеличивает механическую прочность при кручении и способность передачи крутящего момента.

Готовый композитный несущий стержень имеет низкий уровень остаточных напряжений. Наличие в связующей матрице фенолформальдегидной смолы способствует сохранению механических характеристик стержня при повышенных температурах, улучшаются также термостойкость и негорючесть.

Когда требования к деформациям при изгибающей нагрузке повышены, внутренние слои заготовки несущего стержня выполняют из препрега со стекловолокном, имеющим относительно низкую цену и хорошо работающим при сжимающих и изгибающих нагрузках, а внешние слои - из препрега с арамидными волокнами, которые имеют более высокий модуль упругости, чем стекловолокна. Готовый несущий стержень имеет более низкую деформацию при изгибе по сравнению со стержнем, изготовленным из препрега со стекловолокнами.

При применении арамидных волокон можно существенным образом уменьшить сечение и вес несущего стержня полимерного изолятора.

Когда имеется требование о существенном уменьшении веса, несущий стержень изготавливают с цилиндрическими ступенями, рассчитанными по механическим нагрузкам сечений и по длине стержня и заданной деформации, например 3 ступени для несущего стержня изолятора на 220 кВ.

Внутренние слои цилиндрических ступеней заготовки несущего стержня изготавливают из препрега со стекловолокном, а внешние слои ступеней - из препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим.

Если способ применяют для изготовления несущей толстостенной детали, например, для транспортного средства, к которому предъявляют требование небольшого веса в отношении нагрузки, а также повышенной жесткости, заготовку изготавливают из симметрично расположенных слоев препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим и слоев препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидным связующим. При повышенных требованиях в отношении веса вместо препрега со стекловолокном используют препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим. Симметричное расположение слоев предотвращает возникновение деформаций при температурных изменениях.

Когда имеются особые требования к толстостенной детали в отношении механической прочности, небольших деформаций при нагрузках и при температурных изменениях, например, для прецизионных металлообрабатывающих станков, заготовку изготавливают из слоев препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидного связующего. Высокий модуль упругости углеродных волокон и низкий коэффициент линейного расширения, который бывает и отрицательным, обеспечивают получение готовой композитной детали с размерами, практически не зависящими от температурных изменений.

1. Способ изготовления крупногабаритных толстостенных полимерных композитных деталей из препрега, отличающийся тем, что изготавливают заготовку детали с ориентированными армирующими волокнами из препрега с заданным повышенным содержанием летучих веществ в связующем, проводят полимеризацию заготовки в негерметичной форме без внешнего давления с образованием открытой микропористой структуры, выполняют термическую стабилизацию, пропитывают микропористую структуру пропиточным составом, проводят полимеризацию пропиточного состава и выполняют термическую стабилизацию готовой композитной детали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку детали изготавливают со встроенными в нее деталями и арматурой из металлов, керамики или композитов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку, например, для несущего стержня полимерного изолятора для разъединителей высокого напряжения наружной установки изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим и проводят пропитку микропористой структуры указанного несущего стержня эпоксидным составом.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что заготовку несущего стержня полимерного изолятора изготавливают из препрега с содержанием стекловолокна от 75 до 85 вес.% и фенолформальдегидной смолы в сухом состоянии - от 25 до 15 вес.%, причем весовое количество летучих веществ в связующей фенолформальдегидной смоле в сухом состоянии составляет от 20 до 35 вес.%.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что термическую стабилизацию микропористой структуры полимеризованной заготовки несущего стержня проводят при температуре 160-180°С в течение 16-24 ч.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно проводят вакуумную сушку термически стабилизированной микропористой заготовки несущего стержня полимерного изолятора при температуре 80-120°С.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что внутренние слои цилиндрической заготовки несущего стержня полимерного изолятора изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, а внешние слои - из препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что заготовку несущего стержня полимерного изолятора выполняют с цилиндрическими ступенями, внутренние слои которых изготавливают из препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, а их внешние слои - из препрега с арамидными волокнами и фенолформальдегидным связующим.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку детали изготавливают из слоев препрега со стекловолокном и фенолформальдегидным связующим, чередующихся со слоями препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидным связующим.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку детали изготавливают из слоев препрега с арамидными волокнами с фенолформальдегидным связующим, чередующихся со слоями препрега из углеродных волокон и фенолформальдегидным связующим.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку детали изготавливают из препрега с углеродными волокнами и фенолформальдегидным связующим.