Стеклопластик и изделие, выполненное из него

Стеклопластик и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к технологии изготовления стеклопластиков для производства слоистых полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности тонколистовых обшивочных материалов, используемых для изготовления трехслойных сотовых (сендвичевых) конструкций планера летательных аппаратов (самолетов, вертолетов), а также для различных изделий транспортного машиностроения, где требуется высокая весовая эффективность конструкций.

Из предшествующего уровня техники (патент РФ №2185963, опубл. 27.07.2002) известен слоистый композиционный материал. Композиционный слоистый материал содержит слои алюминиевого сплава и слои органопластика на основе связующего с армирующим наполнителем из высокомодульных арамидных волокон. Он дополнительно содержит арамидные волокна с электропроводящим покрытием в количестве не менее двух, которые расположены в слое органопластика.

Недостатком применения органотекстолитов в таких конструкциях является их коробление из-за изменения размеров обшивок при влагопоглощении во время эксплуатации.

Аналогом предлагаемого изобретения (патент США 5547735, опубл. 20.08.1996) является слоистый композиционный материал, содержащий чередующиеся слои алюминиевого сплава и слои стеклопластика на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя. Слой стеклопластика содержит четыре монослоя, упрочненных однонаправленными стеклянными волокнами, причем волокна в двух внутренних монослоях ориентированы в одном направлении, а волокна в двух внешних монослоях ориентированы перпендикулярно этому направлению.

Недостатками указанного материала являются: отсутствие обеспечения равномерного перераспределения нагрузки между армирующими стеклянными волокнами при локальном ударном воздействии на слоистый материал и не способность равномерно воспринимать изгибающие нагрузки при фронтальных ударных воздействиях, что приводит к локальному повреждению и образованию трещин, особенно в зоне растяжения, т.к. монослои пластика армированы только однонаправленными стекловолокнами.

Наиболее близким аналогом является патент РФ №2238850 С1, опубл. 27.10.2004. В данном техническом решении раскрывается четырехслойный стеклопластик, который состоит из чередующихся слоев однонаправленных волокон и стеклоткани, причем армирующий наполнитель в виде однонаправленных волокон располагается в центральной части, а препрег со стеклотканью располагается по наружным сторонам слоя стеклопластика. Слой стеклопластика состоит из двух внутренних монослоев препрега со стеклянными волокнами, в которых волокна располагались параллельно, и двух наружных монослоев препрега, в которых волокна располагались перпендикулярно волокнам во внутренних слоях препрега.

Применение данных стеклопластиков с различной ориентацией слоев препрега уступают по весовым характеристикам обшивкам из органотекстолитам, а попытки уменьшения в их составе количества слоев препрега приводят к снижению ресурса сотовой конструкции в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является создание стеклопластика с улучшенными физико-механическими свойствами.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение анизотропии свойств гибридного материала на основе стеклопластика, что обеспечивает в изделии чрезвычайно высокую устойчивость к различным циклическим нагрузкам.

Поставленный технический результат достигается с помощью стеклопластика, состоящего из по меньшей мере двух слоев из стеклоткани и по меньшей мере одного слоя препрега, который включает связующее и волокнистый наполнитель, причем упомянутый слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

Предпочтительно стеклопластик дополнительно содержит второй слой препрега, пропитанный связующим, и промежуточный слой из стеклоткани, причем второй слой препрега укладывается на внутренний слой из стеклоткани таким образом, что направление волокон наполнителя второго слоя препрега совпадает с направлением волокон первого слоя препрега, а промежуточный слой из стеклоткани располагается поверх первого и второго слоев препрега таким образом, что направление нитей основы и нитей утка промежуточного слоя из стеклоткани совпадает расположением нитей основы и нитей утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

Предпочтительно по меньшей мере один слой из стеклоткани является непропитанным.

Предпочтительно препрег включает связующее и волокнистый наполнитель в виде однонаправленных стеклянных или углеродных волокон при следующем соотношении, мас.ч.:

связующее	45-65
волокнистый наполнитель	35-55

Предпочтительно используется эпоксидное связующее, включающее смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, в качестве отвердителя - дициандиамид, полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, с молекулярной массой 25000 - 45000 и температурой стеклования 190-260°С, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, отличающееся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное, парааминофенола 60-100,

дициандиамид 8-12,

указанный полиарилсульфон 15-30.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

На наружную поверхность формы наносится антиадгезионный слой. Слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. То есть на наружную поверхность формы укладывают слой сухой стеклоткани марки Т-64(ВМП) в направлении [90 град, относительно волокон препрега], затем выкладывают один слой препрега в направлении [0] и поверх - еще один слой сухой стеклоткани Т-64(ВМП) в направлении [90 град, относительно волокон препрега]. Нити основы и нити утка внутреннего слоя из стеклоткани параллельны соответствующим нитям основы и нитям утка внешнего слоя из стеклоткани.

Препрег пропитан связующим в количестве, достаточном для пропитки обоих слоев непропитанной, т.е. сухой, стеклоткани. Препрег со стеклянными волокнами получают путем пропитки при температуре 80-100°C эпоксидной клеевой композицией, взятой в количестве 48 мас.%, стеклоровинга марки РВМПН-10-600, взятого в количестве 52 мас.%.

Использовали эпоксидное связующее, включающее смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы]N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, в качестве отвердителя - дициандиамид, полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, с молекулярной массой 25000-45000 и температурой стеклования 190-260°C, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, отличающееся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное, парааминофенола 60-100,

дициандиамид 8-12,

указанный полиарилсульфон 15-30.

Использовали однонаправленный препрег из волокон стекла с прочностью 6500 МПа, модулем упругости от 95 ГПа, с поверхностной плотностью наполнителя 150-300 г/м², пропитанного эпоксидным клеевым связующим. Поверхностная плотность однонаправленного препрега 250-00 г/м². Поверхностная плотность внутреннего и наружного слоев из стеклоткани 100 г/м².

Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Прочность и модуль упругости монослоя стеклопластика на основе стеклянных волокон составляли от 1500 до 2000 МПа и от 45 до 55 ГПа соответственно.

Пример 2.

На наружную поверхность формы укладывают слой сухой стеклоткани марки Т-64(ВМП) в направлении [90], затем выкладывают один слой препрега в направлении [0] и поверх - еще один слой сухой стеклоткани Т-64(ВМП) в направлении [90]. Препрег пропитан связующим в количестве, достаточном для пропитки обоих слоев сухой стеклоткани. Препрег с углеродными волокнами получают путем пропитки при температуре 80-100°C эпоксидной клеевой композицией, взятой в количестве 52 мас.%, углеродной нити марки HTS45 12k 800tex, взятой в количестве 48 мас.%.

Поверхностная плотность внутреннего слоя стеклоткани 100 г/м², а наружного слоя 290 г/м².

Использование однонаправленного препрега из углеродных волокон с прочностью 4500 МПа, модулем упругости от 230 ГПа, с линейной плотностью от 800 текс, с поверхностной плотностью наполнителя 150 - 300 г/м², пропитанного эпоксидным клеевым связующим.

Прочность и модуль упругости монослоя ПКМ на основе углеродных волокон составляли от 2000 до 3000 МПа и от 120 до 140 ГПа соответственно.

Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Пример 3.

На наружную поверхность формы наносится антиадгезионный слой. Слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. При этом дополнительно содержит второй слой препрега, пропитанный связующим, и промежуточный слой из стеклоткани. Второй слой препрега укладывается на внутренний слой из стеклоткани таким образом, что направление волокон наполнителя второго слоя препрега совпадает с направлением волокон первого слоя препрега, а дополнительный слой из стеклоткани располагается поверх первого и второго слоев препрега таким образом, что направление нитей основы и нитей утка промежуточного слоя из стеклоткани совпадает с расположением нитей основы и нитей утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. То есть слои располагались следующим образом: слой стеклоткани в направлении [90], поверх него два слоя препрега в направлении [0] и поверх них два слоя стеклоткани в направлении [90]. Использовали препрег и связующее аналогично по примеру 1. Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Стеклопластик за счет оптимальной ориентации слоев однонаправленного препрега и стеклоткани из высокомодульных волокон и изделия из него имеют в сравнении с прототипом повышенные механические характеристики: для стеклопластика со структурой армирования [0, 90] прочность при растяжении в направлении [0] повышена на 10-20%, в направлении [90] - от 3 до 6,7 раз; для стеклопластика со структурой армирования [0] прочность при растяжении в направлении [0] повышена в 1,9-2 раза, модуль при растяжении повышен на 4-20%, прочность при сжатии повышена на 54-75%. Стеклопластик и изделие, выполненное из него, обладают ярко выраженной направленной анизотропией свойств, не имеют ограничений по ширине в пределах монослоя.

Из предложенного стеклопластика могут быть выполнены различные изделия, например обшивки многослойных конструкций, элероны, хвостовые отсеки хвостовых частей лопастей вертолетов.

1. Стеклопластик, состоящий из по меньшей мере двух слоев из стеклоткани и по меньшей мере одного слоя препрега, который включает связующее и волокнистый наполнитель, отличающийся тем, чтослой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

2. Стеклопластик по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй слой препрега, который включает связующее и волокнистый наполнитель, и промежуточный слой из стеклоткани, причем второй слой препрега расположен на внутреннем слое из стеклоткани таким образом, что направление волокон наполнителя второго слоя препрега совпадает с направлением волокон наполнителя первого слоя препрега, а промежуточный слой из стеклоткани расположен поверх первого и второго слоев препрега таким образом, что направление нитей основы и нитей утка промежуточного слоя из стеклоткани совпадает с расположением нитей основы и нитей утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

3. Стеклопластик по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один слой из стеклоткани является непропитанным.

4. Стеклопластик по п. 1 или 2, отличающийся тем, что препрег включает связующее и волокнистый наполнитель в виде однонаправленных стеклянных или углеродных волокон при следующем соотношении, мас.ч.:

связующее	45-65
волокнистый наполнитель	35-55

5. Стеклопластик по п.1 или 2, отличающийся тем, что используется эпоксидное связующее, включающее смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, в качестве отвердителя - дициандиамид, полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, с молекулярной массой 25000-45000 и температурой стеклования 190-260°C, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, при этом указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.ч.:смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное, парааминофенола 60-100,дициандиамид 8-12,указанный полиарилсульфон 15-30.

6. Изделие из стеклопластика, отличающееся тем, что стеклопластик выполнен по п.1.