СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ПОЛОСТЬ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1996 года по МПК C01B31/02 F16B17/00 

Изобретение относится к производству деталей из композиционных материалов и может быть использовано в авиационной и ракетно-космической технике при изготовлении изделий из полимерных и углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ).

Известен способ изготовления изделий с полостями для соединения силовых конструкций из композиционных материалов (т.н. штифто-болтовое и штифто-шпилечное соединения), особенностью которых является выполнение механической обработкой профилированных отверстий и пазов в концевых элементах соединяемых изделий [1]
Недостатком этого способа является выполнение полостей пазов с помощью механической обработки, что приводит к перерезыванию нитей армирующего каркаса, а следовательно, к местному разупрочнению конструкции в зоне полостей и необходимости ее усиления путем намотки кольцевых утолщений, введения специальных упрочняющих элементов и т.п.

Указанные недостатки можно частично устранить, используя способ изготовления изделий с полостями из композиционных материалов, включающий формирование армирующего каркаса из волокнистого наполнителя, пропитку его связующим, установку в каркасе закладного элемента, прессование и отверждение полученной заготовки [2]
Недостатком этого способа является пониженная механическая прочность композиционного материала в районе соединения его с закладным элементом, обусловленная возникновением локальных трещин, расслоений в армирующем каркасе, а также разноплотностью композиционного материала в указанной зоне. Отмеченные дефекты проявляются как следствие различной упрессовки армирующего каркаса и материала закладного элемента. Например, в случае изготовления закладного элемента из стали, последний при прессовании не деформируется и служит упором, ограничивающим перемещение подвижного пуансона пресса в направлении оси прессования. В результате участки армирующего каркаса, расположенные над закладным элементом (в направлении оси прессования), оказываются переуплотненными, а участки, расположенные ниже высоты закладного элемента, недоуплотненными. Кроме того, в этих участках возникают локальные дефекты (трещины, расслоения), обусловленные недоуплотненностью каркаса и задирами армировки, контактирующей с закладным элементом.

Изобретение решает задачу повышения механической прочности изделий, содержащих полость из углеродсодержащего композиционного материала путем исключения трещин, расслоений и разноплотности в районе полости.

Это достигается тем, что в способе изготовления изделия, содержащего полость из углеродсодержащего композиционного материала, включающем формирование армирующего каркаса из волокнистого наполнителя, пропитку его связующим, установку в каркасе закладного элемента, прессование и отверждение заготовки, согласно изобретению, закладной элемент выполняют из материала указанного изделия по форме полости между закладным элементом и армирующим каркасом изделия устанавливают разъемную прокладку с зазором в плоскости, перпендикулярной направлению прессования, величина которого с зазором 0,90-1,08 от величины линейной упрессовки закладного элемента, а после отверждения закладной элемент и прокладку удаляют. Прокладку выполняют из стальной фольги или из материала с температурой плавления не ниже температуры пропитки, а удаление прокладки и закладного элемента осуществляют посредством механической обработки.

При изготовлении изделия из углерод-углеродного композиционного материала предпочтительным является способ изготовления, при котором прокладку выполняют из материала, выплавляемого при температуре, превышающей температуру, при которой осуществляют пропитку армирующего каркаса связующим, причем заготовку после отверждения дополнительно корбонизуют и пропитывают.

Изобретение позволяет на стадии формирования армирующего каркаса и прессования заготовки добиться плотного прилегания волокнистого наполнителя и исключить трещины, расслоения и разноплотность в материале по всему объему изделия, включая прилегающую к полости зону, что приводит к повышению механической прочности.

Формирование закладного элемента из одного с изделием материала позволяет добиться их одинаково упрессовки и за счет этого исключить разноплотность материала по всему объему изделия.

Выполнение закладного элемента по форме полости и последующее удаление закладного элемента и прокладки обеспечивает получение полости с требуемой геометрией.

Использование разъемной прокладки, устанавливаемой с зазором по разъему, во-первых, гарантирует, что прокладка в процессе прессования не послужит упором и не окажет влияния на упрессовку армирующего каркаса, а следовательно, обеспечит получение изделия с одинаковой плотностью материала по всему объему, а, во-вторых, исключает вероятность деформирования прокладки. Одинаковая упрессовка армирующего каркаса по всему объему изделия предотвращает возможность задиров элементов армировки, контактирующей с прокладкой, и тем самым снижает вероятность возникновения локальных трещин и расслоений в материале. Зазор 0,9-1,08 от величины линейной упрессовки закладного элемента выбирают из условий минимального натекания в зазор полимерного связующего и, в то же время, недопущения деформирования прокладки при прессовании.

Выполнение прокладки из выплавляемого материала при изготовлении изделия из углерод-углеродного композиционного материала позволяет улучшить чистоту поверхности полости в сравнении с механической обработкой. Кроме того, при этом упрощается демонтаж закладного элемента и исключаются операции механической обработки полостных поверхностей.

Сущность изобретения поясняется чертежом и примерами конкретного выполнения.

На фиг. 1 показана заготовка армирующего каркаса изделия с закладным элементом; на фиг.2 отвержденная заготовка после прессования.

Заготовка армирующего каркаса с закладным элементом содержит собственно армирующий каркас изделия 1, закладной элемент 2 цилиндрической формы и размещенную между ними разъемную прокладку, состоящую из цилиндрической трубки 3 и плоской крышки 4 в форме диска. Между элементами прокладки трубкой 3 и крышкой 4 имеется зазор 5. Заготовка размещена на плите 6 рабочего стола. Заготовку армирующего каркаса изделия получают в результате выполнения следующих операций: вначале из ткани (например, из углеродной марки Урал-ТМ-4/22 ГОСТ 28005-88/ подготавливают выкройки для армирующего каркаса, предусматривая в них проемы по форме полости в соответствующем уровне изделия. Из этой же ткани подготавливают выкройки для армирующего каркаса закладного элемента с учетом геометрии полости в данном уровне изделия и толщины прокладки (так, если диаметр полости d, толщина прокладки b, то диаметр выкройки ткани для армирующего каркаса закладного элемента равен d-2b). Полученные выкройки ткани пропитывают полимерным связующим, после чего последовательно укладывают на плиту 6 рабочего стола. Уложив нижнюю выкройку
препрег армирующего каркаса изделия на плиту 6, устанавливают в проеме выкройки трубку 3 прокладки, после чего в полости трубки помещают нижнюю выкройку препрег армирующего каркаса закладного элемента, утапливая ее и размещая на поверхности плиты 6.

После этого подобным же образом укладывают следующий слой тканевых выкроек армирующих каркасов изделия и закладного элемента, и таким способом набирают армирующие каркасы на высоте закладного элемента с учетом их упрессовки. На верхнем слое армирующего каркаса закладного элемента помещают крышку 4 прокладки так, что между верхним срезом трубки 3 и крышки 4 прокладки получают зазор 5, высотой 0,9-1,08 от величины линейной упрессовки закладного элемента, обозначенной на чертеже буквой δ. Выполнив указанные операции, проводят прессование и отверждение, в результате чего получают заготовку из полимерного композиционного материала, показанную на фиг.2. В случае изготовления изделия из углерод-углеродного композиционного материала затем проводят операции карбонизации и насыщения заготовки связующим. Характеристика технологических режимов представлена в приводимых ниже примерах конкретного заполнения.

Пример 1.

Из углепластика изготавливаю т квадратную плиту 100х100 мм толщиной 20 мм с цилиндрической открытой полостью, диаметром 20 мм и высотой 10 мм.

Для получения армирующих каркасов используют углеродную ткань марки - ТМ/4-22 по ГОСТ 28005-88. Вначале подготавливают 16 выкроек ткани размером 100х100 мм, причем 8 выкроек выполняют с проемом посредине диаметром 20 мм. Кроме того, подготавливают из этой же ткани 8 выкроек диаметром 19,8 мм. Все выкройки пропитывают бакелитовым лаком марки ЛБС-4 (ГОСТ 901-78) и просушивают в цеховых условиях при температуре 20±4^oС в течение 48 ч, получая таким способом заготовки ткани препрега для армирующих каркасов изделия и закладного элемента. Берут цилиндрическую трубку из стальной фольги с наружным диаметром 20 мм и толщиной стенки 0,1 мм, высота трубки 9,8 мм. Подготавливают цилиндрический диск из фольги (крышку прокладки) диаметром 20 мм. Выкройки ткани препрега укладывают на плиту рабочего стола в следующем порядке: вначале укладывают один слой препрега с проемом, в полости проема устанавливают вертикально на торец трубку из стальной фольги, помещают внутри трубку одну выкройку препрега армирующего каркаса закладного элемента и прижимают ее к поверхности плиты, затем последовательно укладывают еще по семь выкроек препрега армирующего каркаса изделия и армирующего каркаса закладного элемента. На верхний, восьмой слой, последнего укладывают крышку прокладки из стальной фольги. Толщина каждого слоя препрега составляет 1,5 мм. Высота неотвержденного закладного элемента (l_o) 1,5•8= 12,0 мм. Высота трубки прокладки (h_т) составляет 9,8 мм. Зазор d = l_o-h_т= 12,0-9,8 = 2,2мм. Величина линейной упрессовки закладного элемента определяется как разность между высотой неотвержденного (l_o) и отвержденного (l) закладного элемента, т.е. Δl = l_o-l. Относительная величина линейной упрессовки определяется опытным путем и составляет 17% т.е. ε = 0,17;Δl = ε•l_o= 2.04мм.
Относительная величина

Меньшая величина зазора для такой высоты трубки недопустима из-за возможности деформации последней и искажения поверхности, при большей величине зазора возможно вдавливание препрега, что приведет к нарушению структуры материала в зоне полости.

Полученная сборка подвергается прессованию и отверждению под прессом по режиму, представленному в табл.1.

В результате получают плиту толщиной 20 мм из углепластика с плотностью 1,24 г/см³, в которой фрезерованием удаляют закладной элемент и прокладку.

Граничные величины зазора получают аналогичным образом, используя трубку различной высоты.

Пример 2.

Из УУКМ изготавливают квадратную плиту 100х100 мм толщиной 20 мм с цилиндрической открытой полостью диаметром 20 мм и высотой 10 мм.

Технология получения углепластиковой заготовки идентична примеру 1 за исключением того, что для изготовления прокладки применяют фольгу из латуни марки Л-96 ГОСТ 1019-48, имеющей темпера туру плавления 1070^oС.

Заготовку карбонизуют в среде аргона при давлении 600 мг/см² по режиму, представленному в табл.2.

После карбонизации заготовку пропитывают пеком каменноугольным электродным марки А (ГОСТ 10200-85) при давлении 30 кг/см² и температуре 300^oС в течение 1 ч. Цикл карбонизации пропитки повторяют трижды и получают заготовку из УУКМ с плотностью 1,45 г/см³. Для удаления прокладки заготовку подвергают термообработке в среде аргона при температуре 1400-1450^oС в течение 1 ч, после чего вынимают из полости закладной элемент.

Таким образом, изобретение позволяет повысить механическую прочность изделий за счет исключения трещин, расслоений и разноплотности при изготовлении.

Использование: получение деталей для авиационной и ракетно-космической техники. Сущность изобретения: формируют армирующий каркас из волокнистого наполнителя, например углеродной ткани, пропитывают связующим, устанавливают закладной элемент из того же материала, выполненный по форме полости, между армирующим каркасом и закладным элементом устанавливают разъемную прокладку из стальной фольги или материала с температурой плавления не ниже температуры пропитки, с зазором в плоскости, перпендикулярной направлению прессования. Величина зазора 0,9-1,08 величины линейной упрессовки закладного элемента. Заготовку прессуют и отверждают. Закладной элемент и прокладку удаляют механической обработкой. При изготовлении изделия из углерод-углеродного композиционного материала заготовку после отверждения дополнительно карбонизуют и пропитывают углеродным связующим. Изделия прочны, в них отсутствуют трещины, расслоения, неравномерность по плотности. 2 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ изготовления изделия, содержащего полость из углеродсодержащего композиционного материала, включающий формирование армирующего каркаса из волокнистого наполнителя, его пропитку связующим, установку в полученном каркасе закладного элемента, прессование и отверждение полученной заготовки, отличающийся тем, что закладной элемент выполняют из материала указанного изделия по форме полости, между армирующим каркасом изделия и закладным элементом устанавливают разъемную прокладку с зазором в плоскости, перпендикулярной направлению прессования, величина которого составляет 0,9 ^oC 1,08 от величины линейной упрессовки закладного элемента, а после отверждения заготовки закладной элемент и прокладку удаляют. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что прокладку выполняют из стальной фольги, а удаление прокладки и закладного элемента осуществляют путем механической обработки. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении изделия из углерод-углеродного композиционного материала заготовку после отверждения дополнительно карбонизуют и пропитывают углеродным связующим, а прокладку выполняют из материала с температурой плавления не ниже температуры пропитки связующим.