Способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов

Способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, авиадвигателестроения и может быть использовано для изготовления крупногабаритных звукопоглощающих трехслойных конструкций, в частности защитных кожухов деталей авиационного двигателя, из слоистых полимерных композиционных материалов (ПКМ) в виде оболочек вращения со звукопоглощающим заполнителем и зонами усилений.

Известен способ изготовления крупногабаритных трехслойных звукопоглощающих конструкций из слоистых ПКМ в виде оболочек вращения переменной кривизны с несущими слоями, звукопоглощающим заполнителем и зонами усилений, при котором осуществляют раздельное отверждение листов пластика для внутреннего, наружного несущих слоев и зон усилений с последующим их раскроем по шаблонам, предварительную поэлементную сборку сопрягаемых элементов, в процессе которой для обеспечения полноты прилегания выполняют ручную подгонку путем зачистки шлифовальной шкуркой, и поэтапное соединение сопрягаемых элементов со звукопоглощающим заполнителем и между собой методом склейки через пленку клеевую под воздействием вакуумного давления и температуры, обеспечивая взаимную фиксацию в процессе формования (ОСТ 92-5156-90 «Конструкции трехслойные с обшивками из углепластика и алюминиевым сотовым заполнителем клееные»).

Недостатком известного способа является неоднородность контактного давления в зонах сопряжения несущих слоев и зон усиления в процессе поэтапного соединения крупногабаритных элементов конструкции переменной кривизны между собой и со звукопоглощающим заполнителем посредством склейки вследствие невозможности обеспечения равномерности клеевого зазора методом ручной подгонки, что может привести к снижению стабильности прочностных характеристик конструкции.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому результату к заявленному техническому решению является известный способ изготовления крупногабаритных трехслойных звукопоглощающих конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов в виде оболочек вращения с несущими слоями, звукопоглощающим заполнителем и усилениями по патенту РФ №2355583, МПК В32В 37/00, В32В 23/00, заключающийся в:

- пропитке связующим углеродного наполнителя;

- выкладке на полноразмерную форму препрега внутреннего несущего слоя и зон усилений из углепластика в виде пропитанного связующим углеродного наполнителя по заданной схеме армирования;

- выкладке пленки клеевой, которая предварительно перфорируется;

- установке алюминиевого сотового заполнителя и закладных элементов (окантовок люков, вкладышей) с фиксацией стеклянными лентами, сдублированными с полосами пленки клеевой;

- выкладке перфорированной пленки клеевой;

- выкладке препрега наружного несущего слоя из углепластика в виде пропитанного связующим углеродного наполнителя по заданной схеме армирования;

- сборке вакуумной оснастки и проведении склеивания слоев с одновременным отверждением препрегов несущих слоев и зон усилений под вакуумным давлением в термопечи.

Общими признаками для прототипа и заявленного способа являются:

- выкладка на полноразмерную форму препрега в виде пропитанного связующим наполнителя внутреннего несущего слоя по заданной схеме армирования;

- установка звукопоглощающего заполнителя и его фиксация намоткой;

- выкладка усилений;

- выкладка на полноразмерную форму препрега наружного несущего слоя в виде пропитанного связующим наполнителя по заданной схеме армирования;

- сборка вакуумной оснастки (дренажный пакет и формующая эластичная оболочка);

- одновременное отверждение препрегов несущих слоев и зон усилений и соединение их со звукопоглощающим заполнителем под давлением и температурой.

Недостатком данного способа является то, что максимально возможная величина вакуумного давления одновременного режима отверждения является недостаточной для создания равномерного межслойного контактного давления в сформированных одновременно с несущими слоями зонах усилений, толщина которых, как правило, превышает толщину несущих слоев, что в результате приводит к наличию повышенного объема межслойных пустот, возникновению микро- и макродефектов вследствие неравномерного распределения связующего по толщине и способствует, в конечном итоге, снижению прочностных характеристик (жесткость при сжатии, межслойный сдвиг, поперечный отрыв) конструкции в целом и их стабильности.

Технической задачей предлагаемого способа является устранение указанных недостатков, повышение прочностных характеристик и их стабильности, надежности и качества изделий, возможность формования зон усиления различной конфигурации и толщины, в том числе превышающей толщину несущих слоев многократно.

При решении задачи достигается следующий технический результат.

Повышение прочностных характеристик и их стабильности, надежности и качества крупногабаритных трехслойных звукопоглощающих конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов в результате снижения объема межслойных пустот и внутренних дефектов в зонах усилений за счет создания в процессе одновременного режима отверждения в зонах усилений дополнительного давления, что в совокупности с давлением одновременного режима отверждения позволяет обеспечить равномерное и достаточное межслойное контактное давление в слоях препрега по всей толщине зон усилений, а также расширить технологические возможности за счет обеспечения возможности формования зон усилений различной конфигурации, в том числе зон усилений, толщина которых многократно превышает толщину несущих слоев конструкции.

Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что в способе изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов в виде оболочек вращения со звукопоглощающим заполнителем, включающем выкладку на полноразмерную форму внутреннего несущего слоя, зон усиления из препрега в виде пропитанного связующим наполнителя, звукопоглощающего заполнителя и фиксацию его намоткой, наружного несущего слоя из препрега в виде пропитанного связующим наполнителя с последующим одновременным отверждением препрегов несущих слоев, зон усиления и соединение их со звукопоглощающим заполнителем при температуре и давлении, перед отверждением конструкции на препрег зон усиления устанавливают упругодеформируемый элемент, геомерия которого соответствует геометрии зон усиления, фиксируют его, после чего проводят одновременное отверждение под давлением и температурой, значение которой не ниже значения температуры расширения материала упругодеформируемого элемента.

При формовании толстостенных зон усилений слои препрега предварительно разделяют на пакеты и уплотняют под давлением.

В случае, когда величина давления одновременного режима отверждения меньше или равна величине давления, возникающего вследствие температурного расширения материала упругодеформируемого элемента, упругодеформируемый элемент ограничивают по наружной поверхности с целью обеспечения однонаправленности действия давления и, как следствие, его достаточности при формовании слоев препрега в зонах усилений.

Заявляемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем, т.к. содержит существенные отличительные признаки по сравнению с прототипом и в своей новой совокупности и взаимосвязи существенных признаков проявляет при использовании новые технические свойства, достигаются новые результаты, не присущие аналогам.

Предлагаемый способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов в виде оболочек вращения со звукопоглощающим заполнителем заключается в выполнении следующей последовательности операций:

- изготовление препрега методом пропитки наполнителя связующим;

- разделение препрега усилений на пакеты, каждый из которых изготавливают методом наслаивания расчетного количества слоев препрега в определенном порядке с соблюдением ориентации волокон в соответствии со схемой армирования и уплотнение пакетов усилений под давлением до толщины, максимально приближенной к толщине отвержденного препрега. Данную операцию осуществляют при формовании толстостенных зон усиления;

- выкладка препрега внутреннего несущего слоя на полноразмерную форму;

- установка звукопоглощающего заполнителя, фиксация его намоткой, например стеклоровингом, пропитанным связующим;

- выкладка пакетов препрега в зоны усилений;

- выкладка препрега наружного несущего слоя;

- установка на пакеты препрега зон усилений упругодеформируемого элемента, геометрия которого соответствует геометрии зон усиления, и фиксация его. В случае, когда величина давления одновременного режима отверждения меньше или равна величине давления, возникающего вследствие температурного расширения материала упругодеформируемого элемента, последний ограничивают по наружной поверхности, например цулагой, для гарантированного достижения требуемой величины давления, необходимого и достаточного для качественного уплотнения слоев в зонах усилений за счет создания однонаправленного действия давления в зонах усилений;

- установка вакуумной оснастки (дренажный пакет, формующая эластичная оболочка);

- проведение одновременного режима отверждения при заданном давлении и температуре, значение которой не ниже температуры расширения материала упругодеформируемого элемента;

- демонтаж оснастки, извлечение упругодеформируемого элемента из полученной конструкции изделия.

При одновременном режиме формования конструкции под заданным давлением и температурой, значение которой не ниже температуры расширения материала упругодеформируемого элемента, в зонах усилений вследствие температурного расширения материала упругодеформируемого элемента создается дополнительное давление направленного действия, что позволяет создать необходимое и достаточное суммарное давление формования в зонах усилений для обеспечения равномерного межслойного контактного давления по всей толщине и обеспечить уплотнение слоев препрега в данных зонах, сопоставимое с уплотнением препрега во внутреннем и наружном несущих слоях.

Примеры конкретного осуществления.

Пример 1

С целью определения прочностных характеристик материала изготавливали 2 группы плоских образцов: №1 - 10 шт., №2 - 10 шт. толщиной 6 мм каждый из препрега на основе стеклоткани Т-10-14, пропитанной связующим ЭНФБ-2м. Толщина каждого образца обеспечивалась 30 слоями препрега. Слои препрега образцов группы №1 разбивали на 6 пакетов, каждый из которых изготавли методом наслаивания 5 слоев с соблюдением направления основы - 0°. Пакеты каждого из группы образцов №1 уплотняли под механическим давлением поджатия и укладывали на металлическую форму с соблюдением направления основы - 0°. На поверхность группы образцов №1 устанавливали упругодеформируемый элемент из вулканизованной резины 51-2110, ограничивали его по наружной поверхности цулагой для создания однонаправленного действия давления и фиксировали намоткой стеклоровинга.

Образцы группы №2 изготавливали методом наслаивания 30 слоев в каждом с соблюдением направления основы - 0° и укладывали на металлическую форму.

На выложенные группы образцов №1 и №2 укладывали дренажный пакет, формующую эластичную оболочку и проводили одновременный режим отверждения под заданным давлением и температурой 170°С. После проведения режима отверждения осуществляли охлаждение образцов и демонтаж эластичной диафрагмы и дренажных слоев.

Из образцов группы №1 (10 шт.) и группы №2 (10 шт.) определяли характеристики отвержденного материала: предел прочности при межслоевом сдвиге согласно ОСТ 92-1472-78, плотность и содержание связующего по ОСТ 92-0903-78, пористость по методике, изложенной в ГОСТ 28006.

Получены следующие результаты:

Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа:	№1 - 41-48; №2 - 33-38
Плотность, г/см3:	№1 - 1,95-1,99; №2 - 1,74-1,9
Содержание связующего, %:	№1 - 22-26; №2 - 30,5-31,9
Пористость, %:	№1 - 1,7-4,3; №2 - 5,8-9,0

Пример 2

Изготавливали крупногабаритный кожух защитный замкнутого контура для авиационного двигателя, внутренний диаметр которого составляет порядка 2000 мм, следующим образом.

Препрег на основе стеклоткани Т-10-14, пропитанной связующим ЭНФБ-2м, раскраивали на расчетное количество заготовок внутреннего, наружного несущих слоев, зон усилений, соблюдая ориентацию волокон согласно схеме армирования. Из заготовок препрега зон усилений изготавливали пакеты путем наслаивания пяти слоев препрега с соблюдением ориентации волокон согласно схеме армирования и уплотняли под механическим давлением.

На полноразмерную форму выкладывали 3 слоя препрега внутреннего несущего слоя, устанавливали звукопоглощающий заполнитель с фиксацией последнего намоткой пропитанным связующим стеклоровингом. Выкладывали зоны усилений предварительно уплотненными пакетами, обеспечивая суммарную толщину усилений в 20 слоев, и 3 слоя препрега наружного несущего слоя. Выкладку слоев препрега проводили с соблюдением ориентации волокон по заданной схеме армирования. На зоны усилений устанавливали упругодеформируемый элемент из вулканизированной резины 51-2110, геометрия которого соответствует геометрии зон усилений, ограничивали его по наружной поверхности цулагой для создания однонаправленного действия давления в зонах усилений и фиксировали намоткой стеклоровинга.

Для определения сопоставимости результатов изготавливали образец-свидетель по схеме армирования несущих слоев, который фиксировали на поверхности конструкции. На поверхность конструкции устанавливали дренажный пакет, формующую эластичную оболочку и проводили одновременный режим отверждения при температуре 170°С и заданном давлении. После режима отверждения проводили охлаждение кожуха, демонтаж формующей эластичной оболочки и дренажных пакетов, демонтаж кожуха совместно с образцом-свидетелем с формы, изготовление образцов из технологического припуска конструкции в зоне усилений толщиной 4,5 мм и образца-свидетеля толщиной 0,75 мм и определение физико-химических характеристик материала.

Получены следующие результаты:

Плотность, г/см:	технологический припуск - 1,96
	образец-свидетель - 1,96
Содержание связующего, %:	технологический припуск - 23,5
	образец-свидетель - 26,6
Пористость, %:	технологический припуск - 4,0
	образец-свидетель - 3,9

Ввиду того что конструкция изделия имеет диаметральную форму и препрег зон усиления выкладывается по определенной схеме армирования, проведение сравнительного анализа уровня прочностных характеристик материала технологического припуска по показателю «Предел прочности при межслоевом сдвиге» не осуществлялось.

Приведенные в примерах 1, 2 результаты подтверждают, что использование предлагаемого способа позволяет снизить пористость пластика конструкции, создать достаточное межслойное контактное давление в слоях препрега по всей толщине усилений, сопоставимое с уплотнением препрега во внутреннем и наружном несущих слоях, тем самым повысить надежность изделия, его прочностные характеристики и обеспечить их стабильность.

Предложенный способ по сравнению с прототипом может быть использован для изготовления изделий с зонами усилений, различными по конфигурации и толщине, в том числе когда толщина зон усилений многократно превышает толщину несущих слоев, с гарантированным обеспечением прочностных характеристик и их стабильности, надежности и качества конструкции.

1. Способ изготовления крупногабаритных трехслойных конструкций из слоистых полимерных композиционных материалов в виде оболочек вращения со звукопоглощающим заполнителем, включающий предварительную выкладку на полноразмерную форму препрега внутреннего несущего слоя, зон усиления в виде пропитанного связующим наполнителя, звукопоглощающего заполнителя и его фиксацию намоткой, препрега наружного несущего слоя в виде пропитанного связующим наполнителя с последующим одновременным отверждением при температуре и давлении препрегов несущих слоев и зон усиления и соединения их со звукопоглощающим заполнителем, отличающийся тем, что перед отверждением конструкции на препрег зон усиления устанавливают упругодеформируемый элемент, геометрия которого соответствует геометрии зон усиления, фиксируют его, после чего проводят одновременное отверждение под давлением и температурой, значение которой не ниже значения температуры расширения материала упругодеформируемого элемента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формовании толстостенных зон усиления слои препрега предварительно разделяют на пакеты и уплотняют под давлением.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упругодеформируемый элемент ограничивают по наружной поверхности в случае, когда величина давления одновременного режима отверждения меньше или равна величине давления температурного расширения материала упругодеформируемого элемента.