Отверждаемые препреги с отверстиями в поверхности

Отверждаемые препреги с отверстиями в поверхности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Армированные волокнами полимерные композиты представляют собой высококачественные конструкционные материалы, которые состоят из смолистой матрицы и армирующих волокон. Армированные волокнами полимерные композиты применяют для изготовления конструкционных деталей, для которых необходима высокая прочность и/или низкая масса, а также устойчивость к агрессивным условиям. Примеры таких конструкционных деталей включают конструкции воздушного судна (например, хвосты, крылья, фюзеляжи, воздушные винты). Волокна армируют смолистую матрицу, принимая на себя большую часть нагрузки, воздействующей на композит, а смолистая матрица принимает меньшую часть нагрузки, воздействующей на композит, а также переносит нагрузку от разрушенных волокон на целые волокна. Таким образом, эти полимерные композиты могут выдерживать более высокие нагрузки, чем может выдерживать только смолистая матрица или только волокна. Кроме того, за счет изготовления армирующих волокон в определенной геометрии или ориентации, композит может быть эффективно разработан для минимизации массы и объема.

Армированные волокнами полимерные композиты традиционно изготавливают из листов пропитанных смолой волокон, известных также как препреги. Чтобы получить композитную деталь из препрега, можно уложить в форме множество слоев препрега друг на друга и применить нагревание, чтобы смолистая матрица стала текучей, обеспечивая возможность уплотнения слоев препрега. Приложенное нагревание может дополнительно обеспечивать отверждение или полимеризацию матричного компонента.

Однако такое уплотнение препрегов с образованием композита является проблематичным. Внутрь отдельных препрегов и между слоями препрегов при укладке могут попадать газы, такие как воздух и другие летучие вещества. Кроме того, летучие вещества могут также образовываться при нагревании и/или отверждении препрегов. Эти газы трудно удалить из уложенного пакета, поскольку смолистая матрица значительно замедляет движение газов, что может обусловливать пористость конечного, отвержденного композита. Пористость относится к пустотам в отвержденном композитном материале. Пористость может затем негативно влиять на механические свойства готового, отвержденного композита.

Были разработаны способы улучшения удаления захваченных газов при производстве композитов, однако проблемы остались. Например, могут быть использованы краевые всасывающие трубки для обеспечения вакуума на кромке препрегов, чтобы откачивать газы с различных сторон слоев препрега. Однако такое удаление захваченных газов из препрегов является медленным и не может, по существу, удалять все захваченные газы.

Для производства композитных деталей из таких препрегов необходимо отжимание и определенный цикл отверждения для изготовления детали и достижения структурных свойств, необходимых для конечного применения в любой конструкции. Потенциально и в зависимости от способа изготовления, циклы отжимания перед отверждением могут быть затратными по времени, что увеличивает стоимость. Желательно иметь методику, которая бы способствовала, где это уместно, снижению количества времени отжимания перед отверждением.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем документе описаны отверждаемые препреги, обладающие улучшенной способностью к удалению газов из самих препрегов и из пространства между слоями препрегов в уложенном пакете препрегов до и/или во время уплотнения и отверждения. Каждый отверждаемый препрег представляет собой пропитанный смолой тканый материал, который обработан для создания матрицы из отверстий по меньшей мере в одной главной поверхности. Расположение отверстий характерно для ткацкого рисунка ткани. Кроме того, при укладывании этих препрегов в пакет и их обработке в процессе отжимания для получения композитной детали может быть достигнуто более короткое время отжимания, по сравнению с применением препрегов без таких отверстий в поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 схематически иллюстрирует часть тканого материала, в котором нити тянутся в одном ткацком направлении, проходя над, а затем под противоположно направленными нитями.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует частично пропитанную ткань в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего раскрытия.

Фиг. 3 схематически иллюстрирует отверстия, образованные в одной поверхности препрега, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг. 4 схематически иллюстрирует отверстия, образованные в противоположных поверхностях препрега, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.

Фиг. 5 схематически иллюстрирует частично пропитанный препрег в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует препрег, изображенный на фиг. 5, после термической обработки.

Фиг. 7. схематически иллюстрирует часть тканого материала с атласным переплетением.

Фиг. 8 схематически иллюстрирует смолистую поверхность с поверхностными отверстиями, образованными на тканом материале с атласным переплетением, изображенном на фиг. 7.

Фиг. 9 схематически иллюстрирует частично пропитанный препрег, который был термически обработан для создания отверстий в поверхности в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.

Фиг. 10 схематически иллюстрирует часть тканого материала с полотняным переплетением.

Фиг. 11 схематически иллюстрирует смолистую поверхность с поверхностными отверстиями, образованными на тканом материале с полотняным переплетением.

Фиг. 12 иллюстрирует иллюстративную систему препрегирования, с помощью которой можно производить тканевый препрег.

Фиг. 13 схематически иллюстрирует конфигурацию для сборки слоистой конструкции с сотовым заполнителем в соответствии с одним из примеров.

Фиг. 14 схематически иллюстрирует слоистую конструкцию с сотовым заполнителем, полученную из набора, изображенного на фиг. 13.

Фиг. 15-17 представляют собой микрофотографии, демонстрирующие вид сверху поверхности термически обработанного препрега через 1 минуту, 4 минуты и 7,5 минут, соответственно, при этом препрег был получен с применением тканого материала с атласным переплетением в соответствии с одним из примеров.

Фиг. 18 представляет собой микрофотографию, демонстрирующую вид сверху поверхности термически обработанного препрега, при этом препрег был получен с применением тканого материала с полотняным переплетением в соответствии с другим примером.

Фиг. 19 представляет собой микрофотографию, демонстрирующую вид сверху поверхности отвержденного препрега с пузырьками воздуха, образованными под поверхностью.

Фиг. 20 иллюстрирует вид в поперечном разрезе отвержденной композитной панели, состоящей из необработанного материала препрега.

Фиг. 21 иллюстрирует вид в поперечном разрезе отвержденной композитной панели, состоящей из термически обработанного материала препрега.

Фиг. 22 иллюстрирует влияние стандартного процесса отжимания и результирующей пористости на композиты, изготовленные из необработанного материала препрега 5320-1/8HS с выдерживанием в течение 16 часов под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 23 иллюстрирует влияние усовершенствованного процесса отжимания и результирующей пористости на композиты, изготовленные из термически обработанного материала препрега 5320-1/8HS с выдерживанием в течение 16 часов под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 24 иллюстрирует влияние стандартного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из необработанного материала препрега 5320-1/8HS с выдерживанием в течение 0,5 часа под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 25 иллюстрирует влияние усовершенствованного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из термически обработанного материала препрега 5320-1/8HS с выдерживанием в течение 0,5 часа под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 26 иллюстрирует влияние стандартного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из необработанного материала препрега 5320-1/PW с выдерживанием в течение 16 часов под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 27 иллюстрирует влияние усовершенствованного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из термически обработанного материала препрега 5320-1/PW с выдерживанием в течение 16 часов под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 28 иллюстрирует влияние стандартного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из необработанного материала препрега 5320-1/PW с выдерживанием в течение 0,5 часа под вакуумом перед отверждением.

Фиг. 29 иллюстрирует влияние усовершенствованного процесса и результирующей пористости на композиты, изготовленные из термически обработанного материала препрега 5320-1/PW с выдерживанием в течение 0,5 часа под вакуумом перед отверждением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Отверждаемый препрег, описанный в настоящем документе, состоит из пропитанного смолой тканого материала. Тканый материал имеет две противоположные поверхности и ткацкое переплетение, в котором одна или более нитей в первом ткацком направлении проходит над одной или более нитями во втором ткацком направлении, затем проходит под одной или более нитями во втором ткацком направлении, при этом положение перекрытия сверху/снизу на поверхности материала образуется, когда первая нить в первом ткацком направлении проходит над второй нитью во втором ткацком направлении, затем проходит под соседней третьей нитью во втором ткацком направлении, или когда первая нить проходит под второй нитью во втором ткацком направлении, затем проходит над соседней третьей нитью во втором ткацком направлении. Положения перекрытия сверху и снизу в этом контексте относятся к части первой нити, которая направлена вверх или вниз между соседними второй и третьей нитями.

Тканый материал для получения препрега изготавливают из волокнистых нитей. Нити переплетены в ткацком рисунке, в котором одна или более нитей в первом ткацком направлении проходит над одной или более нитями во втором ткацком направлении, затем проходит под одной или более нитями в том же, втором ткацком направлении. Из-за ткацкой конфигурации две главные поверхности ткани содержат карманы, поэтому они не являются ни гладкими, ни плоскими.

Фиг. 1 схематически иллюстрирует, что из-за ткацкой конфигурации тканого материала существуют карманы Р, образующиеся в поверхности ткани, когда есть часть нити, которая проходит над или проходит под другой противоположной нитью, т.е. положения перекрытия сверху/снизу. Ссылаясь на фиг. 1, двигаясь слева направо, когда нить 11 в первом ткацком направлении перекрывает сверху другую нить 12 во втором/противоположном ткацком направлении, затем проходит под соседней нитью 13 в том же, втором/противоположном ткацком направлении, образуется «нисходящая» часть нити Т₁, а когда нить 11 проходит под нитью 13, затем над соседней нитью 14 во втором/противоположном ткацком направлении, образуется «восходящая» часть нити Т₂. Эти «восходящие» и «нисходящие» части нити приводят к образованию карманов Р. Другими словами, если ткань лежит на горизонтальной, плоской поверхности, то карман Р образуется, когда существует изменение угла наклона нити относительно плоской поверхности. Следует понимать, что фиг. 1 иллюстрирует лишь один пример ткацкого рисунка, и что в настоящем документе предусмотрены также более сложные ткацкие рисунки, такие как трехмерные узоры.

Отверждаемый препрег дополнительно содержит отверждаемую термоплавкую смолистую пленку, покрывающую каждую поверхность ткани и частично проникающую сквозь толщу ткани, при этом срединная часть ткани, в направлении толщины, остается, по существу, без смолистой пленки. Образуется матрица отверстий в одной или в обеих смолистых пленках, при этом каждое отверстие расположено в кармане (Р на фиг. 1), образованном в месте перекрывания сверху/снизу в ткацком рисунке ткани, в соответствии с одним из вариантов реализации. В некоторых вариантах реализации изобретения смолистая пленка является непрерывной везде, кроме мест расположения отверстий. В соответствии с другим вариантом реализации матрица отверстий в смоле совпадает с пустотами в ткацком рисунке. Этот вариант реализации относится к некоторым тканым материалам, таким как тканый материал с полотняным переплетением.

Отверстия выполнены с возможностью прохождения газов, таких как воздух, из срединной части материала, по меньшей мере, на одну внешнюю поверхность препрега, или, по меньшей мере, с одной внешней поверхности препрега в срединную часть, или с одной внешней поверхности препрега на противоположную поверхность, или их комбинации. Отверстия обеспечивают также возможность прохождения газа, а также создания вакуума, который обеспечивает движущую силу для пропитки смолой зон с высоким вакуумом.

Отверстия, описанные в настоящем документе, характерны для ткацкого рисунка, в отличие от препрегов, в которых поверхностные отверстия образованы стандартными механическими способами, которые используют для получения общей схемы расположения отверстий или случайной схемы расположения отверстий.

Для целей настоящего изобретения термин «отверждаемый» означает не полностью отвержденный и включает неотвержденное состояние.

Каждая нить представляет собой пучок нитевидных волокон. Количество волокон в каждой нити может составлять несколько 1000, например, 1000-75000. Нити, содержащие менее 15000 волокон на пучок, предполагаются подходящими для заданных целей, описанных в настоящем документе. Термин «волокно» относится к относительно гибкой непрерывной структуре, имеющей большое соотношение длины к ширине.

Волокнистые материалы для волокнистых нитей включают, но не ограничиваются ими, стекло (включая электротехническое или Е-стекло), углерод (включая графит), арамид (например, кевлар), высокомодульный полиэтилен (ПЭ), бор, кварц, базальт, керамические материалы, сложный полиэфир, поли-п-фениленбензобисоксазол (РВО), а также их комбинации. Для получения высококачественных композитных материалов, например, материалов для аэрокосмических применений, необходимы волокна с прочностью на разрыв более 3500 МПа.

Ткацкий рисунок ткани не ограничен, и он может содержать полотняное переплетение, атласное переплетение, саржевое переплетение и т.п. В рулоне ткани продольные нити находятся в направлении основы, а поперечные нити находятся в направлении утка. При полотняном переплетении нити основы и утка образуют простую перекрестную последовательность. Каждая нить утка пересекает нить основы прохождением над одной нитью, затем под следующей и т.п. Атласное переплетение характеризуется двумя или более нитями утка, проходящими над одной нитью основы, или наоборот, две или более нити основы проходят над одной нитью утка. Саржевое переплетение характеризуется прохождением нити утка над одной или более нитями основы, а затем под одной или более нитями основы и т.д., со смещением между рядами для создания характерного диагонального рисунка.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует частично пропитанную ткань (т.е. слой препрега или тканевый препрег) в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего описания. Ткань с волокнистыми нитями 20 покрыта с обеих главных поверхностей верхней смолистой пленкой 21 и нижней смолистой пленкой 22. Каждая смолистая пленка частично проникает сквозь толщу (T_f) ткани, при этом срединная часть ткани остается, по существу, без смолы. После частичной пропитки образуется множество замкнутых воздушных карманов 23 между смолистыми пленками и тканью, как показано на фиг. 2. Замкнутые воздушные карманы совпадают с карманами, образованными в местах перекрытия сверху/снизу в тканом материале.

Массовое отношение ткани к смолистой матрице в отверждаемом пористом препреге может варьироваться, в зависимости от применения. В одном из вариантов реализации изобретения массовая доля ткани может варьироваться от 20 масс. % до 80 масс. % относительно общей массы препрега. В другом варианте реализации массовая доля ткани в пористом препреге составляет менее 20 масс. %, если пористый препрег используют в качестве пленочного покрытия на композитной подложке или пакете слоев препрега. Доля препрега, занятого смолистой матрицей, также может, при необходимости, варьироваться. В некоторых вариантах реализации смолистая матрица может занимать от около 20 масс. % до 80 масс. % препрега относительно общей массы препрега.

Способ препрегирования

В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения способ получения отверждаемого препрега, описанного выше, включает частичное пропитывание тканого материала отверждаемой смолистой матрицей с последующей термической обработкой с получением матрицы поверхностных отверстий. Способ частичного пропитывания тканого материала смолистой матрицей не ограничен, но предпочтителен «термоплавкий» способ препрегирования. В общем, этот способ препрегирования характеризуется пропитыванием слоя ткани термоплавкой смолистой композицией в расплавленном состоянии с получением частично пропитанного препрега. Пропитывание может быть выполнено расположением слоя ткани между двумя смолистыми пленками и прессованием полученного слоистого пластика горячими пластинами, нагретыми валами или методом, в котором слоистый пластик прессуют между горячими металлическими лентами. Альтернативно, ткань ламинируют на смолистую пленку только с одной стороны, оставляя другую сторону, по существу, без смолы.

Например, отверждаемую термоплавкую композицию смолы можно нанести в форме тонкой смолистой пленки на разделительную бумагу, а образующуюся смолистую пленку, отделенную от нее, ламинируют и формуют на слое ткани. Для понижения вязкости смолистой пленки применяют нагревание, так что она переходит в расплавленное состояние и может проникать в ткань до заданного уровня, предпочтительно лишь частично проникая через ткань, чтобы центральная часть осталась сухой. Следует понимать, что повышенная температура, применяемая при пропитывании, ниже, чем температура начала отверждения термоплавкой смолы. При ламинировании применяют также достаточное давление, чтобы смолистая пленка частично проникала сквозь толщу слоя ткани, предпочтительно образуя слой ткани, частично пропитанный смолистой композицией в направлении толщины. Сразу после пропитывания смолистая матрица остается неотвержденной. Для некоторых вариантов реализации изобретения смолистая пленка, нанесенная на каждую поверхность ткани, может иметь массу пленки 10-200 г/см², а ткань может иметь массу ткани на единицу площади (FAW) 100-600 г/см². После частичного пропитывания непрерывная смолистая пленка покрывает одну или обе главные поверхности ткани и частично проникает сквозь толщу ткани, оставляя срединную часть ткани, по существу, без смолы.

Во время термической обработки разделительную бумагу или бумагу-основу оставляют на обрабатываемой поверхности смолистой пленки препрега, и нагревают, пока смолистая пленка не станет текучей. В некоторых вариантах реализации изобретения вязкость смолы во время термической обработки составляет менее 500 пуаз при 90°C. Нагревание выполняют до тех пор, пока не откроются те части смолистой пленки, который расположены над воздушными карманами, создавая отверстия в смолистой пленке, которые соответствуют положениям воздушных карманов. Смолистая пленка разрывается из-за уменьшения смачивающей способности поверхности разделительной пленки со смолой, двигающейся в сторону областей, расположенных рядом с карманом. В некоторых случаях смолистая пленка разрывается по краям воздушного пузырька и двигается внутрь, оставляя небольшую каплю смолы, которую удаляют при отрыве разделительной бумаги от препрега. Отверстия могут быть получены в одной поверхности препрега, как показано на фиг. 3 (отверстия 30), или в обеих противоположных поверхностях препрега, как показано на фиг. 4 (отверстия 40). В результате термической обработки отверстия образуют жидкостные проходы для переноса воздуха или других газов с внешней поверхности(-ей) препрега в срединную часть ткани.

Термическая обработка для создания отверстий в препреге может быть выполнена в качестве дополнительной обработки после частичного пропитывания ткани смолистыми пленками путем стандартного способа препрегирования. Альтернативно, термическая обработка может быть выполнена in situ во время процесса препрегирования. Следует понимать, что повышенная температура, которую используют во время термической обработки, ниже, чем температура начала отверждения смолистой матрицы, и ее применяют для инициации течения смолы, чтобы открыть замкнутые воздушные карманы. Поток смолы может приводить к снижению коэффициента уплотнения. Коэффициент уплотнения определяют как отношение толщины неотвержденных материалов препрега к их толщине в состоянии полного отверждения.

В одном из вариантов реализации изобретения пропитанную смолой ткань с атласным переплетением подвергают дополнительной обработке для создания матрицы отверстий. Ссылаясь на фиг. 5, ткань 50 с атласным переплетением располагают между верхней смолистой пленкой 51 и нижней смолистой пленкой 52. Верхняя смолистая пленка 51 образована на разделительной бумаге 53, а нижняя смолистая пленка 52 образована на разделительной (или бумаге-основе) бумаге 54. Разделительная бумага может быть покрыта силиконовой пленкой. Полученный слоистый пластик подвергают горячему прессованию с получением частично пропитанного препрега, например, в автомате препрегирования. После пропитывания смолой под смолистой пленкой образуются воздушные карманы 55. Затем, ссылаясь на фиг. 6, разделительную бумагу 54, которая присоединена к нижней смолистой пленке 52, заменяют полиэфирной пленкой 56. Полиэфирную пленку помещают на одну сторону после удаления одной из разделительных бумаг для облегчения сворачивания готового препрега. Ссылаясь на фиг. 6, частично пропитанный препрег с разделительной бумагой и полиэфирной пленкой затем нагревают в нагревательном цикле, таким образом, части смолы на верхней смолистой пленке 52, которая лежит поверх воздушных карманов, отрываются и двигаются/вытекают из воздушных карманов. В результате в смолистой пленке 51 образуются отверстия 57. Термическая обработка может быть осуществлена воздействием на препрег источника нагревания, который установлен на предварительно определенную температуру, в течение заданного периода времени. Препрег может быть неподвижным во время термического воздействия или может двигаться через зону нагревания в непрерывном процессе. Альтернативно, могут быть использованы другие источники нагревания, такие как электроплита, лазер, нагретый цилиндр, ультразвук, струя горячего воздуха и т.д. Температура и период времени термической обработки могут варьироваться в зависимости от минимальной вязкости смолы для обеспечения текучести и достаточного времени для образования потока. Более тонкие смолистые пленки начинают течь быстрее, поэтому для более тяжелых пленок необходимо больше времени. Например, дополнительная обработка может быть применена в отношении рулона материала препрега в форме непрерывного полотна, которое получено стандартным способом непрерывного изготовления препрега. При такой дополнительной обработке непрерывный препрег разматывают и подают на непрерывный конвейер, используя натяжение и горизонтальную нагревательную печь, в которой препрег подвергается термической обработке, а затем сматывают на приемный вал. В зависимости от длины печи можно контролировать время термического воздействия относительно скорости движения конвейера для получения требуемых отверстий. В одном из вариантов реализации изобретения пропитывающая смола представляет собой термоплавкую эпоксидную матрицу, которая является вязкоэластичным твердым веществом при комнатной температуре (20°C-25°C) и отверждаемой в диапазоне температур 250°F-350°F (121°C-177°C); цикл нагревания может быть выполнен в течение 0,25-20 минут в диапазоне 120°F-250°F (49°C-121°C).

Фиг. 7 демонстрирует иллюстративную конфигурацию с атласным переплетением, более конкретно, 8-жгутовое сатиновое переплетение, а места 70, где могут быть образованы воздушные карманы, могут быть получены при частичном пропитывании ткани с атласным переплетением смолистыми пленками, описанными выше. Следует понимать, что в действительности перекрещивающиеся нити, изображенные на фиг. 7, фактически расположены ближе друг к другу и более плотно сплетены. Фиг. 8 схематически иллюстрирует поверхность термически обработанного препрега после пропитки смолой и термической обработки, как описано выше в отношении фиг. 5 и 6, и положения отверстий в смолистой пленке относительно положений перекрытия сверху/снизу в тканом материале.

Фиг. 9 схематически иллюстрирует частично пропитанную ткань 95 с полотняным переплетением, которая была термически обработана для создания отверстий 100, которые образованы сквозь верхнюю и нижнюю смолистые пленки 96, 97. Смолистые пленки 96, 97 поддерживают разделительными бумагами/бумагами-основами 98, 99, соответственно.

Фиг. 10 демонстрирует иллюстративную ткань с полотняным переплетением и порами 101, образованными в ней. Следует понимать, что в действительности перекрещивающиеся нити, изображенные на фиг. 7, фактически расположены ближе друг к другу и более плотно сплетены. Фиг. 11 схематически иллюстрирует поверхность термически обработанного препрега после пропитки смолой и термической обработки, как описано выше в отношении фиг. 9, и положения отверстий в смолистой пленке относительно пустот 101 в тканом материале. Следует отметить, что эти отверстия совпадают с пустотами 11.

Фиг. 12 схематически демонстрирует иллюстративную систему препрегирования, с помощью которой можно производить тканевый препрег и выполнять in situ термическую обработку. Ссылаясь на фиг. 12, непрерывный тканый холст 80 подают в первый прессующий зазор, образованный парой нагретых прижимных валков 81, 82. Тканый холст 80 размещают между двумя смолистыми пленками 83, 84, которые разматывают с подающих валов 85, 86. Каждая смолистая пленка 83, 84 образована на непрерывной разделительной бумаге. Смолистые пленки 83, 84 прессуют на верхнюю и нижнюю поверхности, соответственно, тканого холста 80 при помощи прижимных валков 81, 82. Давление и нагревание от прижимных валков 81, 82 обусловливает частичное пропитывание тканого холста 80 смолистыми пленками 83, 84, таким образом, образуя частично пропитанный препрег. Затем частично пропитанный препрег пропускают над обогревающей плитой 87. На этом этапе обеспечивают нагрев для образования отверстий в препреге. После термической обработки полученный пористый препрег пропускают над охлаждающей плитой 88, где пористый препрег охлаждают для отверждения смолы. Затем охлажденный препрег подают тянущими вальцами 89, 90 и направляют дополнительными направляющими вальцами на намоточный вал 91, где его сматывают. Такой тип процесса особенно подходит для получения отверстий в препреге, основанном на применении ткани с полотняным переплетением, в частности, низкоплотных тканей, где термическая обработка происходит быстро благодаря тонкости ткани и пропитывающей пленки(-ок).

Отверстия, образованные в термически обработанных препрегах, неоднородны по форме и неоднородны по размеру. Форма и размер отверстий зависят от ткацкого рисунка и времени термической обработки. Размер отверстий увеличивается при продвижении потока смолы с течением времени. Например, отверстия могут быть, по существу, круглыми в поперечном сечении с диаметром в диапазоне 0,1-3 мм или приблизительно прямоугольными в поперечном сечении с шириной и длиной в диапазоне 0,1 мм-3 мм. Кроме того, некоторое время процесса обработки, например, 1-8 минут процесса обработки может быть достаточно для образования отверстий. Кроме того, через некоторый период времени в процессе обработки некоторые отверстия могут соединяться друг с другом, в зависимости от первоначальной близости расположения отверстий. В некоторых случаях некоторые карманы с захваченным воздухом могут не открыться из-за несовершенных технологических условий, например, если разделительная бумага не прилипает к смолистой пленке во время термической обработки.

Смолистая матрица

Смолистая матрица для получения отверждаемого препрега, описанного в настоящем документе, основана на отверждаемой термоплавкой композиции, характеризующейся тем, что она изначально представляет собой твердое или полутвердое вещество при приблизительно комнатной температуре (20°C-25°C), становится расплавленной при повышенной температуре, при которой применяют этот материал, затвердевает при охлаждении и может быть упрочнена путем отверждения. Кроме того, смолистая матрица должна обладать достаточной вязкостью и характеристиками смачивания для обеспечения возможности образования воздушных карманов, а затем образования отверстий над воздушными карманами при термической обработке. В одном из вариантов реализации изобретения термоплавкая смолистая композиция представляет собой композицию отверждаемой термореактивной смолы, состоящей из одной или более термореактивных смол в качестве основного компонента, и, по существу, не содержит органических растворителей, таких как ацетон, метилэтилкетон (МЭК), диоксолан, спирт. При использовании для получения готового отвержденного продукта эти термореактивные смолы отверждают путем применения катализатора или отверждающего агента, нагревания или комбинации этих двух факторов.

Подходящие термореактивные смолы могут включать, но не ограничиваются ими, эпоксиды, ненасыщенные сложные полиэфиры, бисмалеимиды и их комбинации. Эти термореактивные смолы могут быть полностью отверждены путем применения нагревания или отверждающего агента, или их комбинации. Для ускорения реакции отверждения могут быть использованы катализаторы. Когда термореактивные смолы полностью отверждены, они становятся затвердевшими, и их нельзя снова превратить в первоначальную форму.

В одном из вариантов реализации изобретения смолистая матрица представляет собой эпоксидную термореактивную композицию, которая содержит одну или более многофункциональных эпоксидных смол в качестве основного полимерного компонента. Подходящие эпоксидные смолы включают полиглицидиловые производные ароматических диаминов, ароматических первичных моноаминов, аминофенолов, многоатомных фенолов, многоатомных спиртов, поликарбоновых кислот. Примеры подходящих эпоксидных смол включают полиглицидиловые эфиры бисфенолов, таких как бисфенол А, бисфенол F, бисфенол S и бисфенол K; а также полиглицидиловые эфиры крезольных и фенольных новолаков.

Подходящие бисмалеимидные смолы могут включать N,N'-бисмалеимиды 1,2-этандиамина, 1,6-гександиамина, триметил-1,6-гександиамина, 1,4-бензолдиамина, 4,4'-метиленбисбензоламина, 2-метил-1,4-бензолдиамина, 3,3'-метиленбисбензоламина, 3,3'-сульфонилбисбензоламина, 4,4'-сульфонилбисбензоламина, 3,3'-оксибисбензоламина, 4,4'-оксибисбензоламина, 4,4'-метиленбисциклогексанамина, 1,3-бензолдиметанамина, 1,4-бензолдиметанамина и 4,4'-циклогексанбисбензоламина, а также их смеси.

Смолистая матрица может дополнительно содержать, в небольших количествах, термопластичные материалы, такие как полисульфоны, полиэфирсульфоны, полиэфиркетоны (например, полиэфиркетон (PEK), полиэфир-эфиркетон (PEEK), полиэфиркетон-кетон (PEKK) и т.п.), их комбинации и их предшественники. К смолистой матрице добавляют один или более термопластичных материалов для повышения ударной вязкости, липкости и драпируемости препрега.

Смолистая матрица, описанная в настоящем документе, может дополнительно содержать, в небольших количествах, добавки для изменения одного или более механических, реологических, электрических, оптических, химических и/или термических свойств матрицы. Такие добавки могут дополнительно содержать материалы, которые химически реагируют с матрицей, взаимодействуют с матрицей или являются инертными в отношении матрицы. Примеры добавок могут включать, но не ограничиваются ими, частицы для повышения ударной прочности, огнезащитные добавки, стабилизаторы ультрафиолетового (УФ) света, антиоксиданты, красители и наполнители (например, пирогенный диоксид кремния, оксид алюминия, карбонат кальция, тальк) для улучшения одного или более свойств из устойчивости к повреждениям, ударной вязкости, износостойкости.

Препреги с поверхностными отверстиями (т.е. пористые препреги), описанные в настоящем документе, выполнены с возможностью обеспечения размерной стабильности этих отверстий. Будучи образованными, отверстия сохраняют размерную стабильность в течение заданного периода времени. В некоторых вариантах реализации изобретения отверстия могут сохранять размерную стабильность при хранении пористых препрегов. Размерная стабильность может быть обеспечена путем подбора вязкости смолистой матрицы. Смолистую матрицу составляют так, чтобы получить стабильные по размерам отверстия примерно при комнатной температуре, при этом смола может быть текучей при повышенной температуре при уплотнении или отверждении для заполнения отверстий.

«Полная пропитка», рассматриваемая в настоящем документе, относится к пропитке смолистой матрицей, по существу, всех волокон ткани. «Частичная пропитка», рассматриваемая в настоящем документе, относится к такой пропитке, которая является более слабой, чем полная пропитка, при этом существуют области сухих волокон, которые не погружены в смолистую матрицу. В предпочтительном варианте реализации изобретения смолистую матрицу наносят на обе поверхности слоя ткани, но смола лишь частично проникает сквозь толщу ткани, оставляя срединную в направлении толщины часть ткани, по существу, без смолы.

Термин «размерная стабильность», используемый в настоящем документе, относится к способности структуры сохранять размеры в заданном диапазоне в течение заданного периода времени. В некоторых вариантах реализации изобретения заданный диапазон может быть определен способностью структуры выполнять предназначенную функцию, такую как обеспечение возможности прохождения газа с заданной скоростью при заданном давлении.

Термин «комнатная температура», используемый в настоящем документе, относится к температурам в диапазоне от 20°C до 25°C.

Пакеты слоев препрега и композитные детали

Для получения композитной детали множество отверждаемых препрегов, описанных в настоящем документе, могут быть уложены в пакет слоев препрега, а затем этот пакет слоев препрега уплотняют и отверждают. Уплотнение и отверждение может быть выполнено за одну стадию или по отдельности.

Было обнаружено, что препреги с поверхностными отверстиями (т.е. пористые препреги) облегчают удаление газов из отдельных препрегов и пакетов слоев препрега, содержащих один или более пористых препрегов, до и/или во время уплотнения и, следовательно, снижают объем пористости в композитах, полученных из них, по сравнению с композитами, полученными без пористых препрегов. Например, отверстия обеспечивают пути выхода газов из внутренней части пористых препрегов и обеспечивают возможность более простого удаления газов и удаления газов из препрегов в большем объеме, по сравнению с необработанными препрегами. Газы могут содержать газы, образованные во внутренней части смолистой матрицы или в зоне частично отвержденного препрега, не содержащей смолы, или газы, образованные в межслойной области между слоями препрега. В частности, препреги обеспечивают возможность удаления газов, которые могут выделяться из смолистой композиции во время уплотнения.

Термин «пакет слоев препрега», используемый в настоящем документе, относится к множеству препрегов, которые расположены рядом в положении друг на друге. В некоторых вариантах реализации изобретения препреги в пакете слоев могут быть расположены в заданной ориентации относительно друг друга. В дополнительном варианте реализации препреги мо