КОНСТРУКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК B32B17/06 B32B17/12 B32B27/42 C08J5/04 

Описание патента на изобретение RU2278027C1

Изобретение относится к области получения конструкционных материалов для изготовления узлов и целых конструкций с повышенным сопротивлением к удару, работающих в агрессивных средах при повышенных температурах, и может быть использовано в химической, космической, авиационной промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Применяемые до настоящего времени конструкции из нержавеющей стали имеют недостаточную коррозионную стойкость и большой удельный вес, а дефицит цветных металлов, входящих в состав нержавеющих сталей, делает их применение неэкономичным. Поэтому широкое распространение получило изготовление узлов и конструкций из композиционных материалов на основе стеклоткани.

Известен конструкционный композиционный материал на основе стеклоткани (см. патент RU №2015926, В 32 В 17/04, В 32 В 27/36, опубл. 15.07.94, бюл. №13). Однако эти конструкции не обладают значительным преимуществом по хемостойкости и имеют относительно низкую ударную вязкость (около 100 кгс·см/см2).

Известен конструкционный композиционный материал для изготовления крупногабаритных изделий с повышенным сопротивлением к удару и эрозии в виде стеклооргановолокнитов, где наружный слой состоит из органических волокон с высокой хемостойкостью (см. Пластики конструкционного назначения, под редакцией Трастянской Л.Б. Москва, Химия, 1984). Однако органические волокна не обладают достаточной термостойкостью и значительно отличаются по коэффициенту термического расширения от стеклянных волокон, что не дает возможность применять такие конструкционные композиционные материалы при повышенных температурах.

Известен конструкционный композиционный материал (см. патент RU №2112652, МПК B 29 D 9/00, F 16 L 9/12, В 32 В 5/28, опубл. 10.06.98, бюл. №16). Защитный слой выполнен из слоев углеродной ткани, пропитанной фенолоформальдегидным связующим, силовой слой выполнен из слоев стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой дианового типа. На границе раздела разнородных частей вводится третий промежуточный слой из термопластичного полимера. Соотношение толщин слоев от 1:1:1-45 мм до 6:6:10-45 мм. Предложенный конструкционный композиционный материал является хемостойким и при многократной смене температурной нагрузки от -30° до +110°С сохраняет герметичность, однако, имеет низкие показатели ударной вязкости (не более 100 кгс·см/см2), так как является многослойным и представляет собой неоднородный композиционный материал в виде соединения разнородных наполнителей с различными связующими и с промежуточным слоем из полимера.

Известно принятое за прототип техническое решение, где предлагается конструкционный композиционный материал (см. описание к патенту RU №1807948, МПК В 32 В 17/12, 27/38, 27/42, опубл. 07.04.93, бюл. №13). Защитный слой выполнен из слоев углеродной ткани, пропитанной фенолоформальдегидным связующим или раствором эпоксифенольной смолы на основе диметилвинилэтинилфенола, силовой слой выполнен из слоев стеклоткани, пропитанной фенолоформальдегидным связующим. Углеродную ткань и стеклоткань берут в массовом соотношении 1:2-42. Предложенный конструкционный композиционный материал является хемостойким и при многократной смене температурной нагрузки от -30° до +110°С сохраняет герметичность, однако, не пригоден для использования в изготовлении тонкостенных конструкций с повышенной ударной вязкостью.

Известен принятый за прототип способ получения конструкционного композиционного материала (см. патент RU №1807948, МПК В 32 В 17/12, опубл. 07.04.93, бюл. №13), включающий пропитку углеродных и стеклянных тканей термореактивным связующим, сборку в пакет и последующее отверждение, причем стеклоткань пропитывают фенолоформальдегидным связующим, а углеродную ткань пропитывают либо фенолоформальдегидным связующим, либо раствором эпоксифенольной смолы на основе диметилвинилэтинил-фенола. Хотя изготовленный по указанному способу композиционный материал имеет повышенные эксплуатационные свойства, однако, не пригоден для использования в тонкостенных конструкциях с высокой ударной вязкостью.

Задачей настоящего технического решения является получение хемо- и термостойкого конструкционного композиционного материала для тонкостенных конструкций с высокой ударной вязкостью.

Техническим результатом является отсутствие коробления и изменения геометрических параметров, сохранение повышенной стойкости к удару при повышенных температурах и в агрессивной среде.

Поставленная задача достигается тем, что конструкционный композиционный материал содержит защитный слой из углеродной ткани и силовой слой из стеклоткани, пропитанные фенолоформальдегидным связующим, при этом углеродная ткань и стеклоткань имеют полотняное переплетение с соотношением количества слоев из углеродной ткани и количества слоев из стеклоткани, равным 1:3-1:5. В качестве углеродной ткани используют имеющую значительную извитость нити углеродную ткань, полученную путем карбонизации гидратцеллюлозной ткани, коэффициенты линейного термического расширения КЛТР углеродной ткани и стеклоткани полотняного переплетения составляют 7,7×10-6 К-1 и 8,1×10-6 К-1 соответственно. Общее количество слоев для тонкостенных конструкций равно 12, причем количество слоев из углеродной ткани равно 2. В качестве стеклоткани используют стеклоткань СТФ-4А полотняного переплетения, в качестве углеродной ткани используют углеродную ткань УУТ-2 полотняного переплетения, в качестве фенолоформальдегидного связующего используется фенолоформальдегидная смола ВИАМ-Б, содержащая 3-5% отвердителя бензосульфокислоты.

Способ получения конструкционного композиционного материала включает пропитку стеклоткани и углеродной ткани термореактивным связующим, сборку в пакет, последующее отверждение, при этом пакет прессуют в пресс-форме полузакрытого типа при температуре 70°-100°С на гидравлическом прессе при давлении 15-30 кгс/см2, выдерживая в течение 1-2 часов, затем, не сбрасывая давления, охлаждают до 30-40°С.

Конструкционный композиционный материал в качестве защитного (хемостойкого и термостойкого) слоя содержит углеродную ткань полотняного переплетения с высокой химической стойкостью, полученную путем карбонизации гидратцеллюлозной ткани, имеющей значительную извитость нити и повышенную хемостойкость. В качестве силового слоя используют стеклоткань полотняного переплетения. При этом углеродная ткань и стеклоткань пропитаны фенолоформальдегидным связующим, содержащим 3-5% отвердителя. Соотношение наполнителя и связующего составляет около 50%. Такой конструкционный композиционный материал не подчиняется закону аддитивности и имеет ударную вязкость в два раза выше расчетной. Сохраняет физико-механические свойства при повышенных температурах и в агрессивных средах.

Способ получения конструкционного композиционного материала состоит в следующем. Стеклоткань и углеродную ткань пропитывают фенолоформальдегидным связующим, после этого собирают в пакет. Затем пакет прессуют в пресс-форме полузакрытого типа при температуре 70-100°С и давлении 15-30 кгс/см2 на гидравлическом прессе, выдерживая в течение 1-2 часов. Затем, не сбрасывая давления, охлаждают до 30-40°С и раскрывают пресс-форму.

Наилучший результат для тонкостенных конструкций получен из 12 слоев, из которых количество слоев из углеродной ткани равно 2, а количество слоев из стеклоткани равно 10 (см. таблицу).

Пример 1

Из стеклоткани СТФ-4А полотняного переплетения и углеродной ткани УУТ-2 полотняного переплетения, пропитанных фенолоформальдегидной смолой ВИАМ-Б, содержащей 4% отвердителя БСК (бензосульфокислота) собирается в пакет. Соотношение наполнителя и связующего составило около 50%. Затем пакет прессуют в пресс-форме полузакрытого типа при температуре 80°С и давлении 15 кгс/см2 на гидравлическом прессе, выдерживая в течение 1 часа. Затем охлаждают до 40°С и раскрывают пресс-форму. Весь пакет состоит из 12 отдельных слоев ткани, причем соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 9:3.

Пример 2

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 6:6.

Пример 3

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 4:8.

Пример 4

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 3:9.

Пример 5

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 2:10.

Пример 6

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 1:11.

Пример 7

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 0:12.

Пример 8

То же, только соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 12:0.

Пример 9

То же, только весь пакет состоит из 18 отдельных слоев тканей, причем соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 3:15.

Пример 10

То же, только весь пакет состоит из 20 отдельных слоев тканей, причем соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 5:15.

Пример 11

То же, только весь пакет состоит из 24 отдельных слоев тканей, причем соотношение количества слоев из углеродной ткани к стеклоткани берется 4:20.

Полученные физико-механические характеристики конструкционного композиционного материала для тонкостенных конструкций из 12 слоев (примеры №1-№8) иллюстрируются на чертеже, где показано изменение значения показателя ударной вязкости с изменением соотношения между количеством слоев стеклоткани и количеством слоев углеродной ткани. Такой конструкционный композиционный материал не подчиняется закону аддитивности и имеет ударную вязкость со стороны углеродной ткани (кривая I) выше расчетной (эффект синергизма). Причем ударная вязкость со стороны стеклоткани (кривая II) имеет практически линейную зависимость от количественного соотношения армирующих компонентов и возрастает с увеличением доли стеклоткани, то есть близка к расчетной. Ударная вязкость конструкционного композиционного материала со стороны углеродной ткани (кривая I) возрастает не линейно и при соотношении 1:3-1:5, достигает величины в 3 раза выше, чем у углеродной ткани, в 1,5 выше, чем у стеклоткани и в два раза выше по сравнению с расчетной, которая практически соответствует прочности со стороны стеклоткани. При соотношении меньше 1:5 толщина более хрупкого слоя из углеродной ткани недостаточна и разрушение происходит практически по механизму разрушения стеклоткани. При соотношении выше 1:3 недостаточна толщина из стеклоткани (вязкого армированного слоя) и ударная вязкость конструкционного композиционного материала возрастает незначительно.

Благодаря близким коэффициентам линейного термического расширения КЛТР углеродной ткани и стеклоткани полотняного переплетения, составляющим 7,7×10-6 К-1 и 8,1×10-6 К-1 соответственно, при повышенных температурах не происходит коробление изготовленных изделий из конструкционного композиционного материала и изменение геометрических параметров. Из таблицы видно, что ударная вязкость со стороны углеродной ткани при повышенной температуре (200°С) даже выше, чем при обычной температуре (20°С).

ТаблицаПример1234567891011Количество слоев из углеродной ткани964321012354Количество слоев из стеклоткани36891011120151520Ударная вязкость со стороны углеродной ткани при температуре 20°С, кгс·см/см2589012015616411510952161157163Ударная вязкость со стороны углеродной ткани при температуре 200°С, кгс·см/см257911221571681069253160158162

Похожие патенты RU2278027C1

название год авторы номер документа
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2002
  • Демичев В.И.
  • Мелешко А.И.
RU2239895C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕПРЕГА ДЛЯ НАМОТКИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ И/ИЛИ АНТИСТАТИЧЕСКИХ ВНУТРЕННИХ ОБЕЧАЕК СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ-ОБОЛОЧЕК РАЗЛИЧНОГО КЛАССА И НАЗНАЧЕНИЯ 2002
  • Колганов В.И.
  • Кришнев Л.М.
  • Егоренков И.А.
  • Беккужев Н.Г.
RU2206582C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2009
  • Железина Галина Федоровна
  • Зеленина Ирина Викторовна
  • Соловьева Наталия Александровна
  • Раскутин Александр Евгеньевич
  • Гуревич Арнольд Мовшевич
RU2405675C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТО-АРМИРОВАННОГО УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2006
  • Кулик Виктор Иванович
  • Нилов Алексей Сергеевич
  • Загашвили Юрий Владимирович
  • Кулик Алексей Викторович
  • Рамм Марк Спиридонович
RU2337083C2
ДЛИННОМЕРНЫЙ СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТИПА СТРОИТЕЛЬНОЙ БАЛКИ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2013
  • Нелюб Владимир Александрович
  • Буянов Иван Андреевич
  • Бородулин Алексей Сергеевич
  • Чуднов Илья Владимирович
  • Полосмак Павел Вячеславович
RU2542294C2
Гибридная композитная панель для авиаконструкций 2016
  • Водовозов Георгий Александрович
  • Дубовиков Евгений Аркадьевич
  • Шаныгин Александр Николаевич
  • Мараховский Константин Маркович
  • Олихова Юлия Викторовна
  • Осипчик Владимир Семёнович
RU2637001C1
АНТИФРИКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ 2005
  • Чукаловский Павел Алексеевич
  • Краснов Александр Петрович
  • Кузнецов Виталий Васильевич
  • Буяев Дмитрий Игоревич
  • Иванов Альберт Иванович
  • Шабанова Надежда Антоновна
  • Буря Александр Иванович
RU2278878C1
ВТУЛКА РЫЧАЖНОЙ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА 2005
  • Чукаловский Павел Алексеевич
  • Буяев Дмитрий Игоревич
  • Якобук Анатолий Алексеевич
  • Буря Александр Иванович
  • Бутягин Павел Анатольевич
  • Шувалов Вячеслав Юрьевич
  • Буткин Михаил Геннадиевич
  • Черепов Олег Вячеславович
  • Краснов Александр Петрович
  • Шабанова Надежда Антоновна
RU2298707C1
ЛИСТОВОЙ СЛОИСТЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ИЗНОСОСТОЙКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) 2014
  • Митин Валентин Геннадиевич
  • Муратов Вячеслав Васильевич
  • Буяев Дмитрий Игоревич
  • Краснов Александр Петрович
RU2597372C2
Вкладыш соплового блока РДТТ из углестеклопластика с регулируемой эрозионной стойкостью 2020
  • Ершов Анатолий Михайлович
  • Абрахманов Фарид Хабибуллович
  • Карсаков Александр Сергеевич
  • Минеев Дмитрий Николаевич
RU2767242C1

Реферат патента 2006 года КОНСТРУКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области получения конструкционных материалов и может быть использовано в химической, космической, авиационной промышленности и других отраслях народного хозяйства для изготовления узлов и целых конструкций с повышенным сопротивлением к удару, работающих в агрессивных средах при повышенных температурах. Конструкционный композиционный материал содержит защитный слой из углеродной ткани и силовой слой из стеклоткани, пропитанные связующим, в качестве которого используют фенолоформальдегидную смолу ВИАМ-Б, содержащую 3-5% отвердителя бензосульфокислоты. Соотношение количества слоев из углеродной ткани и количества слоев из стеклоткани равно 1:3-1:5, при этом количество слоев из углеродной ткани не менее двух. Способ получения материала включает пропитку стеклоткани и углеродной ткани связующим, сборку в пакет и последующее отверждение. Изобретение обеспечивает получение хемостойкого и термостойкого конструкционного материала. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 278 027 C1

1. Конструкционный композиционный материал, содержащий защитный слой из углеродной ткани и силовой слой из стеклоткани, пропитанные фенолоформальдегидным связующим, отличающийся тем, что углеродная ткань и стеклоткань имеют полотняное переплетение с соотношением количества слоев из углеродной ткани и количества слоев из стеклоткани, равным 1:3-1:5, при этом количество слоев из углеродной ткани не менее двух, причем в качестве углеродной ткани используют имеющую значительную извитость нити углеродную ткань, полученную путем карбонизации гидратцеллюлозной ткани, при этом в качестве фенолоформальдегидного связующего используют фенолоформальдегидную смолу ВИАМ-Б, содержащую 3-5% отвердителя бензосульфокислоты.2. Конструкционный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты линейного термического расширения углеродной ткани и стеклоткани полотняного переплетения составляют 7,7×10-6 K-1 и 8,1×10-6 К-1 соответственно.3. Конструкционный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве стеклоткани используют стеклоткань СТФ-4А, в качестве углеродной ткани используют углеродную ткань УУТ-2.4. Конструкционный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что общее количество слоев равно 12.5. Конструкционный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что количество слоев из углеродной ткани равно 2, а количество слоев из стеклоткани равно 10.6. Способ получения конструкционного композиционного материала по п.1, включающий пропитку стеклоткани и углеродной ткани термореактивным связующим, сборку в пакет, последующее отверждение, отличающийся тем, что пакет прессуют при давлении 15-30 кгс/см2 и при температуре 70-100°С в пресс-форме полузакрытого типа, в которой сначала выдерживают в течение 1-2 ч, затем, не сбрасывая давления, охлаждают.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что пакет охлаждают до 30-40°С.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2278027C1

Способ получения токопроводящего химически стойкого многослойного гибридного материала 1990
  • Кургузов Вячеслав Николаевич
  • Щетинин Максим Александрович
  • Космачев Андрей Николаевич
  • Казаков Марк Евгеньевич
  • Прудникова Нина Николаевна
  • Фомченков Леонид Петрович
  • Костенкова Любовь Сергеевна
  • Романенков Игорь Григорьевич
  • Шахов Игорь Иванович
  • Власов Павел Васильевич
SU1807948A3
РАСТВОРИМЫЕ В ВОДЕ ФОСФОНООКСИМЕТИЛОВЫЕ ЭФИРЫ ЗАТРУДНЕННЫХ СПИРТОВ ИЛИ ФЕНОЛОВ, ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИИ НА ИХ ОСНОВЕ, СПОСОБ АНЕСТЕЗИИ И СПОСОБ ЛЕЧЕНИЯ ОПУХОЛЕВЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ 1999
  • Стелла Валентино Дж.
  • Зигмунт Ян Дж.
  • Джорг Ингрид Ганда
  • Сафади Мухаммед С.
RU2235727C2
Способ изготовления пресс-материала на основе фосфатного связующего 1990
  • Эпельфельд Самуил Адольфович
  • Авдошин Анатолий Александрович
  • Коган Михаил Александрович
  • Гутышварц Александр Николаевич
  • Козлов Сергей Иванович
  • Пальгуев Николай Анатольевич
  • Шульман Самуил Зальманович
  • Иванов Борис Анатольевич
  • Тяпкин Борис Сергеевич
SU1766708A1
JP 10235799, А, 08.09.1998.

RU 2 278 027 C1

Авторы

Мелешко Александр Иванович

Шайдуров Валерий Сергеевич

Даты

2006-06-20Публикация

2004-11-30Подача