СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОВЕСНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО БЛОКОВ ПЛАВУЧЕСТИ Российский патент 1997 года по МПК C08J5/04 B32B5/16 B29C70/06 

Изобретение относится к изготовлению легковесных изделий, применяемых в качестве блоков плавучести в глубоководных технических средствах. Оно может найти применение при изготовлении различного рода легковесных теплоизоляционных материалов, испытывающих большое гидростатическое давление.

Известен по авт.св. СССР N28653, 1964 г. способ изготовления легковесного композиционного материала (сферопластика) в виде отвержденного полимерного связующего, армированного полыми микросферами, выполненными, например, из стекла, заключающийся в смешивании микросфер с полимерным связующим и заполнением неотвержденной массой форм или конструкций с последующим отверждением сферопластика при 18^oC в течение 30 суток с момента окончания заливки. Минимальная плотность, которую удается достичь в данном материале 0,65, г/см³. Недостатком указанного способа является то, что вследствие неравномерной усадки полимерной матрицы сферопластика в процессе его отверждения и под воздействием знакопеременных нагрузок при эксплуатации на заказе, в изготовленном таким способе блоке может возникнуть неравномерное напряженно-деформированное состояние материала, что приведет к появлению трещин по всему объему блока и тем самым к снижению его надежности при эксплуатации на заказе.

Ввиду того, что сферопластик относится к хрупким материалам, трещина под воздействием знакопеременных нагрузок может распространиться на всю длину блока, что отрицательно скажется на его прочности.

Известен по авт.св. СССР N921876, 1982 г. способ изготовления армированного криогенного изоляционного материала (пенополимера) путем усиления последнего арматурой, состоящей из ряда элементов, имеющих продольно-поперечную структуру пересекающихся между собой и образующих в сечении ячейки различной геометрической формы с целью повышения механических характеристик материала и устойчивости его к трещинообразованию.

Наличие такого армирующего каркаса приводит к возрастанию прочности материала при сжатии по сравнению с неармированным пенополимером примерно в 16 раз, при этом плотность материала увеличивается примерно в 6 раз, что совершенно недопустимо для блоков плавучести из легковесных материалов.

Кроме того, предусмотренный в указанном способе армирующий каркас имеет сложную объемную форму, трудоемок в изготовлении и требует специального оборудования для изготовления.

Известен по патенту США N4323623, 1982 г. способ изготовления многослойной структуры трехслойных конструкций для летательных аппаратов, состоящих из наружных высокопрочных слоев и среднего слоя из легковесного полимерного материала, испытывающих изгибные, растягивающие и сжимающие нагрузки. Указанный способ выбран в качестве прототипа.

Применение способа изготовления конструкций в соответствии с патентом США N4323623 для изготовления блоков плавучести из сферопластика неприемлемо по следующим причинам.

Наличие в легковесных конструкциях наружных высокопрочных слоев из прессованного волокнистого материала существенно увеличивает объемную плотность конструкции, которая при этом составляет ρ > 1,0 г/cм³. В то время как плотность легковесных блоков плавучести из сферопластика не должна превышать ρ= 0,65 г/см³.

Введение в средний слой при его отливке армирующих высокопрочных полимерных (стеклянных, угольных и др.) волокон с целью повышения прочности как среднего слоя, так и всей трехслойной конструкции в целом для изготовления блоков плавучести нецелесообразно, так как при этом не обеспечивается основная цель повышение трещиностойкости и надежности блока. Введение отдельных армирующих нитей не образует преграду на пути возникающих трещин.

Заливку в формы неотвержденной композиции сферопластика при отливке среднего слоя по патенту США N4323623 производят под давлением за одну операцию. Применение указанного способа заливки неотвержденной композиции сферопластика в формы при отливке блоков плавучести невозможно ввиду того, что при наличии больших объемов блоков потребуется соответственно и заливка за одну операцию большого количества сферопластика, что вследствие экзотермического эффекта композиции может привести к ее возгоранию и пожару.

После отливки среднего слоя в трехслойных конструкциях по патенту США материал среднего слоя частично отверждают. Для полного (окончательного) отверждения среднего слоя совместно с наружными слоями из волокнистого материала производят отверждение трехслойной конструкции под давлением, например, в автоклаве, чтобы получить монолитную многослойную структуру панели.

Применение указанного способа окончательного отверждения конструкции в автоклаве для отлитых блоков плавучести из сферопластика нецелесообразно, так как подпрессовки при отверждении монолитных блоков сферопластика не требуется, также при этом не требуется дорогостоящее производственное оборудование, каким является автоклав.

Целью изобретения является повышение трещиностойкости и надежности легковесных изделий, преимущественно блоков плавучести, при внешнем гидростатическом давлении.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления легковесных изделий, преимущественно блоков плавучести, включающем установку в формы армирующих элементов из стеклопластика с последующей заливкой неотвержденной композиции сферопластика, введены следующие усовершенствования:
армирующие элементы, выполненные с перфорационными отверстиями, образуют между собой каркас, делящий объем формы на ячейки, причем масса армирующего каркаса составляет 3 -7% от массы сферопластика, а заливку композиции сферопластика в форму осуществляют послойно;
армирующий каркас собирают из армирующих элементов в виде полос, имеющих равномерно распределенные прорези глубиной соответствующей 1/2 высоты полосы, соединяя их между собой с образованием продольно-поперечной структуры.

Введение указанных действий, их последовательность и использование устройств, без которых невозможно выполнение этих действий, позволяет обеспечить повышение трещиностойкости и надежности блока при внешнем гидростатическом давлении.

Из известного авторам уровня техники не было обнаружено решений, которые бы решали поставленную задачу таким же путем и с таким же результатом.

В предложенном способе установленные в форме перед заливкой неотвержденной композиции сферопластика армирующие элементы, образующие между собой каркас, делящий объем формы на ячейки, выполняют роль барьеров на пути возникающей трещины в блоке, что препятствует ее распространению дальше. Тем самым повышаются трещиностойкость и надежность блока при воздействии внешнего гидростатического давления в период его эксплуатации на заказе.

Наличие в армирующих элементах перфорационных отверстий обеспечивает механическую связь объемов блока в ячейках между собой.

Выполнение армирующего каркаса массой 3-7% от массы сферопластика блока позволяет получить армирующий каркас с толщиной стенок, препятствующей распространению возникающих трещин по всему объему блока, при незначительном (в пределах допуска в ТУ на сферопластик) увеличении величины плотности материала блока ρ= 0,65 г/см³ (на 0,18 -0,4 г/см³.

Выполнение послойной заливки композиции сферопластика в форму обеспечивает заливку и частичное отверждение каждого слоя при комнатной температуре без проявления экзотермического эффекта.

Сборка армирующего каркаса из армирующих элементов в виде полос, имеющих равномерно распределенные прорези, соответствующие 1/2 высоты полосы, соединенные между собой с образованием продольно-поперечной структуры, обеспечивает получение жесткого объемного каркаса, увеличивающего жесткость блока плавучести при внешнем гидростатическом давлении.

Сущность предлагаемого способа поясняется нижеследующим примером изготовления блока плавучести из сферопластика марки ЭДС-5АС (ТУ 5.966-21114-85) размером 1,0х1,0х1,0 м на основе полых стеклянных микросфер марки МСО-А9 группы А₂ или Б₂ и эпоксидного связующего на основе смолы ЭД-16.

Жидкую композицию сферопластика приготавливают на смесительных установках непрерывного действия типа СУН-150.

Предварительно из полос стеклопластика 1 (см. чертеж) высотой 300 мм и толщиной 2 мм, изготавливаемого из пресс-материала СТЭТ-1-Т-10 (ТУ 5.977-13307-80) методом горячего прессования, имеющих прорези 2 на половину высоты полос и перфорационные отверстия 3 диаметром 60-80 мм собирают армирующий каркас 4, состоящий из 3-х рядов полос по высоте блока, и устанавливают в форму 5.

В ячейки 6, образуемые полосами стеклопластика, производят послойно на 100 мм заливку жидкой (неотвержденной) композиции сферопластика с перерывом 8 -10 ч между заливками.

После окончания заливки блок выдерживают при 80^oC в течение 30 ч.

Размеры ячеек каркаса, их количество, толщину полос стеклопластика выбирают в каждом конкретном случае в зависимости от размеров блока и при условии, чтобы масса каркаса составляла 3 -7% от массы сферопластика.

Применение в блоках плавучести из сферопластика армирующего каркаса, позволяющего разделить блок на объемы, на 34% повышает трещиностойкость и надежность блока при его эксплуатации на заказе в условиях внешнего гидростатического давления.

Использование: изготовление блоков плавучести из сферопластика. Сущность изобретения: в форму перед отливкой блоков устанавливают армирующий каркас из стеклопластика, выполненный с перфорационными отверстиями. Каркас составляет 3 - 7% от массы сферопластика и делит объем формы на ячейки. Заливку неотвержденной композиции сферопластика в форму осуществляют послойно. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления легковесных изделий, преимущественно блоков плавучести, включающий установку в форму армирующих элементов из стеклопластика с последующей заливкой неотвержденной композиции сферопластика, отличающийся тем, что армирующие элементы, выполненные с перфорационными отверстиями, образуют между собой каркас, делящий объем формы на ячейки, причем масса армирующего каркаса составляет 3 7 от массы сферопластика, а заливку композиции сферопластика в форму осуществляют послойно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что армирующий каркас собирают из армирующих элементов в виде полос, имеющих равномерно распределенные прорези глубиной 1/2 высоты полосы, соединяя их между собой с образованием продольно-поперечной структуры.