КОМПОЗИЦИОННЫЙ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2002 года по МПК B32B5/02 B32B5/04 B32B5/14 B32B7/02 

Изобретение относится к области создания слоистых композиционных материалов конструкционного назначения, изменяющих пространственную форму изделия, выполненного из него, под внешним воздействием поля механических сил либо других причин и восстанавливающих ее после снятия этого воздействия. Изобретение может быть использовано в авиационной, судостроительной и других областях техники и промышленности народного хозяйства.

Известны материалы с эффектом запоминания формы - материалы, способные восстанавливать свою первоначальную форму, полученную путем пластической деформации при определенной температуре, в случае изменения температуры до более высокой. Из таких материалов могут изготавливаться полуфабрикаты в виде проволок, пластин и другой необходимой формы и размеров ("Материалы будущего и их удивительные свойства", Москва, Машиностроение, 1995 г.).

Известен слоистый композиционный материал конструкционного назначения, например углепластик, дополнительно армированный волокнами или пленками из сплавов с эффектом "памяти формы", который способен изменять свойства или геометрию изделий, выполненных из такого композиционного материала, контролируемым образом. Однако изменение геометрии изделия с последующим восстановлением своей первоначальной формы достигается путем воздействия на материал изделия температуры, приводящего к его нагреванию или охлаждению. (патент США 5254837 кл. В 32 В 23/02, 1995).

Известен углепластик с вмонтированными в его толщину нитями (проволоки) из сплава типа нитинол (Ni-Ti), обладающий памятью формы, обеспечивающий крылу самолета способность изменять его форму при нагреве и охлаждении, приспосабливаясь к условиям полета (Reinforced Plastics, 2, р. 7, 1995).

Недостатками такого композиционного материала являются:
- введение в углепластик третьей компоненты - проволоки из Ме-сплава - нитинола;
- проявление эффекта "памяти формы", т.е. изменения геометрии (формы) изделия только в результате аэродинамического нагрева и охлаждения материала;
- снижение массовой эффективности изделия за счет наличия третьей компоненты с большой удельной массой;
- необходимость проведения операций тренинга или "обучения" материала, заключающихся в проведении циклов нагрев-охлаждение, для закрепления в нем эффекта памяти формы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является слоистый композиционный материал, в структуру которого введены пластины из сплава нитинол, проложенные между пачками слоев основного композита - углепластика. Эти пластины из сплава нитинол обладают свойством "памяти формы" и деформируются при нагревании или охлаждении. Пластины закрыты с двух сторон слоями электроизоляционного материала, исключающими их контакт со слоями основного композиционного материала - углепластика, т.о. композит становится уже четырехкомпонентным. Введенные в композит пластины из сплава нитинол при нагревании, например, за счет пропускания электрического тока деформируются, изменяя свою форму и одновременно вызывая изменение формы (геометрии) изделия, выполненного из такого композиционного материала, которое возвращается к исходному состоянию после охлаждения (патент США 5804276, кл. В 32 В 15/02, 1997 г.).

Этому материалу присущ весь комплекс недостатков, характерных для материала, описанного выше. Кроме того, изменение формы изделия происходит не автоматически, а требует вмешательства человека: включение и выключение нагрева. Эти операции достаточно инерционны и требуется определенное время, чтобы материал (изделие) принял требуемую геометрическую форму.

Недостатком изобретения является также многокомпонентность композиционного материала: введение армирующих элементов из металлического сплава нитинол, что усложняет технологию их изготовления и стоимость, поскольку требуется специальная обработка металлических элементов, обеспечивающая их адгезию и совместимость с основным композиционным материалом, в зависимости от типа используемой в композите матрицы (связующего).

Технической задачей изобретения является создание конструкционного слоистого композиционного материала с требуемой анизотропией прочностных и упругих свойств, изменяющего форму (геометрию) изготовленного из него изделия, под воздействием механических сил, моментов, нагревания от действия аэродинамического потока и прохождения электрического тока, набухания и любого другого внешнего воздействия, приводящего к появлению в материале механических напряжений и возвращаемого в исходное состояние при снятии этого воздействия, лишенного недостатков, присущих описанным выше изобретениям.

Для решения поставленной задачи предлагается слоистый композиционный материал с регулируемой деформацией при внешнем воздействии, состоящий из чередующихся слоев или пачек слоев, отличающийся тем, что материал имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, которая при внешнем воздействии создает отличные от нуля суммарный вектор сил или суммарный момент относительно этих осей, вызывающий пространственную деформацию материала, и возвращает материал в прежнее состояние после снятия внешнего воздействия.

Несбалансированную структуру образуют за счет:
- несимметричной ориентации слоев или их части под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии;
- размещения слоев или пачек слоев на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщины материала;
- использования слоев, выполненных из разнородных или однородных материалов, имеющих различные свойства.

Существенным отличием изобретения является то, что несбалансированная структура армирования материала создает неуравновешенность суммы сил или моментов относительно выбранных осей, в результате чего в материале появляются касательные напряжения кручения, и вследствие возникающего крутящего момента материал (изделие, выполненное из него) деформируется, изгибаясь в плоскости. В случае нагружения материала напряжениями изгиба происходит два вида деформаций, изменяющих форму, - прогиб и крутка.

Величины этих деформаций (см. фиг. 1-3) взаимосвязаны и зависят от многих факторов, но в первую очередь от жесткости материала и изделия из него, т. е. от модулей упругости материала в направлении укладки слоев и толщины и геометрической формы изделия. Изменение формы изделия и ее возврат в первоначальное положение происходят автоматически без вмешательства человека в результате возрастания или уменьшения поля напряжений, действующих в материале конструкции. В случае углепластика этого эффекта можно достигнуть, как и в случае с нитинолом, за счет нагревания путем пропускания электрического тока или аэродинамического нагрева. В органоволокнитах, армированных арамидными волокнами, подобный эффект может быть достигнут за счет набухания волокон, которое для СВМ составляет ~ 6%.

Несбалансированность структуры в слоистом композиционном материале достигается несколькими путями:
а) за счет укладки всех слоев или их части под углами ϕ несимметрично относительно выбранных осей анизотропии, причем 0<ϕ<90^o,
при этом
б) за счет укладки слоев под одинаковыми углами ϕ симметрично или несимметрично относительно выбранных осей анизотропии, но находящимися на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщин материала,
при этом
в) за счет использования в конструкционном материале разномодульных слоев, выполненных из однородных (например, углепластиков с волокнами различного модуля упругости) или разнородных (углепластиков и стеклопластиков) слоев разномодульных композиционных материалов,
при этом E_ϕ-≠ E_ϕ+
Пример 1. Из препрега углепластика с характеристиками в однонаправленном материале: Е₀= 14500 кгс/мм², Е₉₀= 920 кгс/мм², σ+0

=165 кгс/мм², σ-0=135 кгс/мм², G_0,90= 520 кгс/мм², μ= 0,34, ρ=1,55 г/см³, τ=10 кгс/мм², толщина монослоя 0,14 мм, изготовлена плоская плита толщиной 5,1 мм, состоящая из 37 слоев [90^o-19%, 0^o-10%, ±45^o-15%, 15^o-56%] , имеющая несбалансированную структуру за счет несимметричной укладки слоев под углом 15^o.

При нагружении изгибающим моментом 5000 кгм образцы размером 400•100•5,1 мм из указанного материала изменили свою форму, при этом деформации изгиба составили 11,6 мм, деформации кручения 2,3 град.

Пример 2. Из препрега углепластика с характеристиками в однонаправленном материале: Е₀= 14500 кгс/мм², Е₉₀= 920 кгс/мм², σ+0

=165 кгс/мм², σ-0=135 кгс/мм², G_0,90= 520 кгс/мм², μ= 0,34, ρ=1,55 г/см³, τ=10 кгс/мм², толщина монослоя 0,14 мм, была изготовлена плоская плита толщиной 2,38 мм, состоящая из 17 слоев, имеющая несбалансированную структуру за счет того, что количество слоев, ориентированных под углом ±30^o относительно выбранной оси симметрии 0^o, разнилось: под углом +30^o было выложено 4 слоя, под углом -30^o - 8 слоев.

При тех же условиях испытания образцов размером 400•100•2,38, что и в примере 1, прогиб составил 28,3 мм, угол закрутки 1,8 град.

Пример 3. Из препрега углепластика с характеристиками в однонаправленном материале: Е₀= 14500 кгс/мм², Е₉₀= 920 кгс/мм², σ+0

=165 кгс/мм², σ-0=135 кгс/мм², G= 520 кгс/мм², μ= 0,34, ρ=1,55 г/см³, τ=10 кгс/мм² и препрега стеклопластика с характеристиками в однонаправленном материале: Е₀=6000 кгс/мм², Е₉₀=420 кгс/мм², σ+0=200 кгс/мм², σ-0=120 кгс/мм², G_0,90=300 кгс/мм², μ= 0,4, ρ= 2,0 г/см³, τ=7 кгс/мм² была изготовлена плита толщиной 21,85 мм, состоящая из 13 слоев [0^o-22,8%, 90^o-15,2%, -45^o-31%, +45^o-31%], имеющая несбалансированную структуру за счет укладки 4-х слоев углепластика под углом 20^o на расстоянии 0,75 мм от плоскости, проходящей через середину толщины плиты, а 4-х слоев стеклопластика под углом 20^o на расстоянии 0,4 мм от средней плоскости.

При испытании образцов размером 400•100•21,85 мм в тех же условиях, что и в примере 1, прогиб составил 5,4 мм, а угол закрутки 3,8 град.

Все образцы, описанные в примерах 1-3, после многократной нагрузки и разгрузки возвращались в исходную форму.

Таким образом, предложенный композиционный материал может быть использован в адаптирующихся конструкциях, изменяющих и восстанавливающих ее до первоначального состояния после снятия внешнего воздействия.

Использование: изобретение относится к области создания слоистых композиционных материалов конструкционного назначения, изменяющих пространственную форму изделия, выполненного из него под внешним воздействием поля механических сил либо других причин и восстанавливающих ее после снятия этого воздействия. Сущность изобретения: Слоистый материал имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, которая при внешнем воздействии создает отличный от нуля суммарный вектор сил или моментов относительно этих осей, вызывающий пространственную деформацию материала, и возвращает материал в прежнее состояние после снятия внешнего воздействия. Несбалансированную структуру образуют за счет несимметричности ориентацией слоев или части под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии, за счет размещения слоев или пачек слоев на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщины материала, за счет использования выполненных разнородными или однородными материалов, имеющих различные свойства. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Композиционный слоистый материал с регулируемой деформацией при внешнем воздействии, состоящий из чередующихся слоев или пачек слоев, отличающийся тем, что материал имеет несбалансированную структуру относительно выбранных осей анизотропии, которая при внешнем воздействии создает отличный от нуля суммарный вектор сил или суммарный момент относительно этих осей, вызывающий пространственную деформацию материала, и возвращает материал в прежнее состояние после снятия внешнего воздействия. 2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет несимметричной ориентации слоев под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии. 3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет несимметричной ориентации части слоев под углами, отличными от направления выбранной оси анизотропии. 4. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет размещения слоев или пачек слоев на различных расстояниях от плоскости, проходящей через середину толщины материала. 5. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что несбалансированная структура образуется за счет использования слоев, выполненных из разнородных материалов. 6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что несбалансированную структуру образуют за счет использования слоев, выполненных из однородных материалов, имеющих различные свойства. 7. Изделие, отличающееся тем, что выполнено из композиционного материала из пп.1-6.