Навигация

Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 29

композиционные материалам

Необычная ситуация возникла перед конструкторами и технологами в связи с широким внедрением композиционных материалов практически во все отрасли машиностроения: при создании иовых конструкций разработчик должен начинать свое творчество с проектирования композита. Это требует не только обос-иоваиного выбора исходных материалов - армирующих волокон, связующих, наполнителей, но и оптимизированных по конечному результату структуры композита, технологии его изготовления и переработки в готовое изделие.

В самом деле, только в этом случае может быть реализовано соответствующее инженерное решение, так как без учета возможностей достижения максимальных армирующих эффектов, без выбора целесообразных путей улучшения технологичности, снижения массы, без учета способов увеличения устойчивости, изделий к воздействию длительных знакопеременных нагрузок и внешней среды ие представляется возможным создание экономически оправданных новых изделий.

В этом отиошеиии инженерные проблемы оказываются существенно иными, нежели в традиционном машиностроении, имеющем дело преимущественно с обработкой металлов. Стандартные параметрические характеристики металлов как конструкционных материалов предопределяют возможность выбора обоснованных конструкторских решений и гарантированных эксплуатационных свойств готовых изделий.

Иное дело, когда предстоит работа с композиционными материалами. В этом случае регулирование механических, теплофизических и других характеристик, которые необходимы для эффективной реализации инженерных разработок, также является этапом проектирования и технологии. Существенным фактором при использовании композитов в качестве конструкционных материалов является временная зависимость механических свойств, о(5условлеииая полимерной природой субстрата.

Возможность организации серийного выпуска изделий из композиционных материалов предопределяется самым тщательным входным и пооперационным контролем, а гарантия работоспособности изделия может быть даиа лишь иа ос-иоваиии контроля качества готовой продукции. Сравнительная дороговизна некоторых композиционных материалов, особенно иа основе углеродных, борных и арамидных волокон, вызывает необходимость разработки и внедрения новых методов неразрушающего контроля всех выпускаемых изделий. Важность использования для композитов метода конечных элементов оказывается бесспорной. В этой связи особое значение приобретает проблема стандартизации методов контроля и Оценок по всем операциям технологического процесса. Для неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них все шире используются методы сканирующей электронной микроскопии, жидкокристаллического тепловидения , рентгенографии, лазерной техники и т. п.

Расширяющиеся комплексные исследования, проводимые в нашей стране в области создания эффективных композитов под руководством академика Н, С. Еииколопова и по использованию их в качестве конструкционных материалов в различных отраслях народного хозяйства под руководством академика 16

И. Н. Фридляидера, обусловливают необходимость своевременного обеспечения специалистов соответствующими информационными материалами.

В настоящее время инженерная работа с композиционными материалами прочно базируется на строгих физико-химических принципах. Эти принципы изложены в книге Липатова Ю. С. Коллоидная химия полимеров. Киев: Нау-кова думка, 1984, 342 с. Разработаны обоснованные методы оценки механических свойств этих материалов, описанные, например, в книгах Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов. М.: Мир, 1982, 230 с. и Еидогура А. И., Вайнберга М. В., Иерусалимского К- М. Сотовые конструкции. Выбор параметров и проектирование. М.: Машиностроение, 1986, 199 с.

В справочнике детально изложены основные технологические аспекты производства композитов и формования изделий из иих. Интересно отметить, что при использовании технологии ручной укладки существенное значение приобретает квалификация рабочих, а само формование изделия становится сродни искусству.

Вместе с тем во все варианты технологии изготовления и переработки композитов все активнее внедряется автоматизация, а прогнозирование конечных результатов и поиск оптимальных вариантов нх достижения становятся возможными благодаря компьютеризации процессов.

При обсуждении вопросов контроля производства особое внимание авторов обращено на использование методов неразрушающего контроля н стандартизации применяемых методов для того, чтобы и производители композиционных материалов, и их потребители-машиностроители использовали идентичные приемы для оценки их качества.

Интерес читателя вызовет и знакомство с информацией о работах, проводимых в США по внедрению композитов в транспортное машиностроение (при производстве наземных, морских и авиационных средств транспорта), а также в военную технику.

Книга завершается Словарем терминов , наиболее часто используемых в технологии производства и переработки композиционных материалов. Словарь может служить полезным информационным материалом при работе с технической

литературой (см. кн. 1).

Гл. 13-19 переведены А. М. Кнебельмаиом; гл. 20-25 (гл. 22 - совместно с Г. Э. Кесслером) и приложения А-В - А. Б. Геллером; гл. 26-28 - Г. Э. Кесслером.

Б. Э. Геллер



II. Технология производства изделий из композитов

13. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ РУЧНОЙ УКЛАДКОЙ

Чарльз Уитман, Джеральд Д. Щук 13.1 Введение

Армированные композиционные материалы (АКМ), состоящие из смолы, волокон и других наполнителей, после отверждения являются твердыми телами. Характеристики готового изделия (такие как габаритные размеры, форма, величина серии) обусловливают выбор состава композиции, способа ее получения и формования.

При изготовлении деревянных или металлических изделий плоские листы этих материалов соединяют друг с другом, после чего на наружную поверхность детали наносят соответствующее покрытие. Противоположные приемы используются при формовании изделий из АКМ при нормальной (комнатной) температуре методом ручной укладки, когда бесформенный материал отверждается и принимает очертания формы, в которую его предварительно загружают. Обычно применяют формы, негативные по отношению к готовому изделию, покрытые изнутри пигментированной полиэфирной смолой, которая образует на изделии поверхностную пленку. Детали, формуемые таким методом, состоят из стекловолокнистого наполнителя и связующего - смеси полиэфирной смолы с катализатором. Когда отвержденное изделие извлекают из формы, его внешняя поверхность оказывается покрытой тонким полимерным слоем - гелькоатом Таким образом, в отличие от деревянных и металлических деталей, окрашивание изделий в этом случае производится раньше, чем они будут изготовлены.

Контактное формование изделий в открытых формах осуществляется в основном двумя способами. При формовании ручной укладкой после нанесения на поверхность формы слоя связующего ее выстилают стекловолокном в виде матов из рубленой стеклопряжи, ткани или тканого ровинга, пропитывают смолой,

Наружный смоляной слой - гелевое покрытие связующим, содержащим минеральные пигменты и инертные наполнители. Эта композиция перед формованием наносится на поверхность формы, а после завершения цикла отверждения переходит на поверхность формуемой детали, образуя наружную поверхностную пленку. Обычно цвет гелькоата отличен от цвета композита, что обеспечивает визуальную оценку полноты и равномерности нанесения покрытия. - Прим. ред. пер.

13.1. Области применения СВКМ

Сельское хозяйство: банки туковысевающих аппаратов, планки для подвешивания свиных туш, силосные башни, клетки для скота, конуры для собак, сараи

Автомобильная промышленность: кузова легковых и грузовых автомобилей, крылья, крыши, прицепы

Соединительные элементы: присоединительные деталИ покрытиЯ ремонтные

элементы конструкций

Бытовые товары: вывески, бочки, оборудование складов, больничная мебель

Строительство: ванны, души, мойки, желобы, водосточные трубы, панели для крыш, ненесущие стены, фасады зданий, двери, опалубки для отливаемых бетонных сооружений, элементы сборных конструкций

Коррозионно-стойкое оборудование: установки для нанесения гальванических покрытий, цистерны, баки, детали бункеров, мешалок, реакторов и скрубберов, трубы, навесы, покрытия, футеровка

Электротехника: корпуса трансформаторов и переключающей электроаппаратуры

Корпуса оборудования: ограждения машин, корпуса счетных машин и ЭВМ, шкафы для электроаппаратуры Мебель: столы, стулья и другая мебель, устанавливаемая внутри помещений

и иа открытом воздухе

Флот: каноэ, буи, бакены, оснастка для рыбного промысла, обычные, парусные и моторные лодки, тральщики

Предметы для отдыха: автомобили со специальным кузовом для загородных поездок, снегоходы, оборудование спортивных площадок и парков с аттракционами

Элементы конструкции плавательных бассейнов: панели солнечных нагревателей, крыш и стен, ступеньки, наклонные спуски, подкидные доски, фильтрующие баки, стартовые тумбы

Оборудование для очистки воды: нижние камеры двухъярусных канализационных отстойников, покрытия, водосливы, аппаратура для хлорирования воды

13.2. Преимущества и недостатки способов формования СВКМ ручной укладкой и напылением

Преимуи{естеа:

универсальность;

возможность получения изделий сложной формы и большого размера; минимальные капиталовложения в оборудование; низкая стоимость оснастки;

для изготовления гнезда формы может быть использовав любой материал, сохраняющий свою форму;

длительность пускового периода и стоимость минимальные; можно легко изменять конструкцию изделия; в изделие можно вводить закладные детали и арматуру; можно получать слоистые конструкции;

можно изготовлять опытные образцы или опытные партии изделий перед началом крупносерийного производства;

не требуется очень высокая квалификация персонала; простота обучения



Недостатки:

большие затраты ручного труда, низкая производительность;

изделия имеют гладкую поверхность только с одной стороны;

качество изделий зависит от квалификации формовщика;

можно использовать только для выпуска мелкосерийной продукции;

большая продолжительность отверждения;

трудность обеспечения однородности изделий;

образуется много отходов

з;о;оЙГя нГеГийТз сК ° - ов

Эластичной диафрагмой:

под вакуумом

в автоклаве Напылением Намоткой волокна Пультрузия

Штамповка листовых формовочных материалов Центробежное Непрерывное, протяжкой Впрыскиванием смолы Литье под давлением Покрытие оболочек Прессование стеклонаполнеиной композиции

2 3 4 6 7 10

9 10

3 10

2 1 4

7 10

2 Ю

4 6 3 10 9 7

5 3 6 3 7

10 6

10 2 2 4

3 2 7 2 5 4

9 7 8 4 2 9

3 1 7 10 7 8

о

л ч

п

к

н

а м

Способ формования

f- >,

а

й

о о

s = S ft

к

g Ч

ц

ч

§1

3 4 1 9 10 10

6 10

8 10

9 10

* Оценка в баллах: 10 ~ наивысшая.

зачищают щеткой или прикатывают валиком для уплотнения материала и удаления пузырьков воздуха.

Метод формования напылением отличается от описанного тем, что стекловолокно в виде бесконечного ровинга рубится на короткие отрезки - штапельки и инжектируется в форму одновременно со смесью соответствующей смолы и катализатора.

При обоих способах формования получаемый слоистый пластик можно считать элементарным конструкционным материалом. Варьирование соотношения смолы и стекловолокнистого напол-20

нителя, вида армирующего материала и системы его укладки, типа смолы, вида и количества наполнителей позволяет существенно изменять физические свойства получаемых стеклопластиков. Следовательно, можно сказать, что структура и состав АКМ формируются в процессе получения изделия.

Возможность изменения состава композиций, размера, формы и конфигурации изделий позволяет определить наиболее целесообразный путь их получения формованием либо ручной укладкой, либо напылением.

Несмотря на отдельные недостатки, такие как значительные затраты ручного труда, низкая производительность, необходимость высокой квалификации оператора, получение гладкой поверхности изделия только с одной стороны (обратная сторона изделия получается шероховатой), способы формования стекло-волокнистых композиционных материалов (СВКМ) ручной укладкой и напылением имеют довольно широкое применение (табл. 13.1).

В табл. 13.2 приведены преимущества и недостатки обоих способов контактного формования, а в табл. 13.3 даны сравнительные технико-экономические показатели СВКМ, получаемых всеми известными способами.

13.2. Свойства слоистых пластиков

Свойства слоистых пластиков зависят от их структуры, типа смолы, армирующего материала и наполнителей. В табл. 13.4 приведены пределы изменения свойств типичных слоистых пластиков, получаемых формованием ручной укладкой и напылением, и для сравнения - также некоторых металлов.

13.4. Физические свойства

Свойство

Формование ручной укладкой

Напыле-

Сталь

матов

ткани

ние

ний

Плотность р, кг/мЗ

1400- 1800

1600- 2000

1400- 1600

2750

7850

Предел прочности при

растяжении 0, МПа

Модуль упругости при растяжении Е, ГПа Предел прочности при

сжатии Осж. МПа

Предел прочности прн

изгибе 0и, МПа

Модуль упругости при

изгибе Е^, ГПа

Ударная вязкость по

Изоду /, Дж/м

70-140 135-340 60-125

5,5-12,5 10-30 5,5-12,5

70-175 140-375 70-175

135-275 240-445 110-150

5,5-7 8-14 5,5-7

40-185 200-230

267-1335 1068- 1602

267-1335

70 62 135 70 1335

205 195 205 190-205 2403



Формование

Свойство

укладкой

матов

тканн

Продолжение табл. 13.4

Напыление

Алюминий

Сталь

Твердость по Барколу (зависит от типа смолы) Водопоглощение за 24 ч,

Скорость горения

Теплостойкость (при непрерывном нагреве), °С Стойкость к кислотам и щелочам

Стойкость к растворителям

Обрабатываемость резанием твердосплавным нли алмазным инструментом

Диэлектрическая постоянная (по IMEG/9360 MEG) Тангенс угла диэлектрических потерь tg& (по 1МЕ0/9Ш MEG) Содержание стекловолокна Vb. м. %

Электрическая прочность fjjp, МВ/м Теплоизоляция

Акустические свойства

Стойкость к атмосферным воздействиям Оптические свойства

Температурный коэффициент линейного расширения аХЮ-, °С-1 Относительное удлинение при разрыве е, %

40-55 45-65 40-55 -

0,05-1,0 0,05-1,0 0,05-1,0 -

От медленной до самозатухания 50-160 50-160 50-160 -

Отличная

От плохой до отличной

От отличной Отличная

до хорошей

4-4,6/4,1-4,5 0,01-0,06/0,01-0,03

25-40 (10-25% наполнителя)

30-40 45-60 35,5

1,3-1,8 1,3-1,8 1,3-1,8

От хороших до отличных

От хорошей до отличной

От полупрозрачных до непрозрачных 18-32,5 18-32,5 18-32,5

810- 1620

260-460

Корродирует Непрозрачный 21,5-23,5

30-40

Ржавеет

11-18 38-40

13.3. Конструирование изделий

При конструировании изделий прежде всего необходимо располагать данными о напряжениях, которые они будут испытывать в процессе хранения и эксплуатации, что позволяет выбрать необходимую прочность применяемого материала. При этом тех-22

нологические вопросы решаются в зависимости от того, как должно быть сделано изделие.

Предположим, что размер, форма, количество деталей и производительность предопределили выбор способа формования - в открытой форме. Тогда подбор окончательной толщины детали, ориентация и количество армирующего волокна зависят от напряжений, которым будет подвергаться изделие, частоты и продолжительности их приложения. При этом конструктор должен учитывать, что прочность изделия закладывается при создании самого слоистого пластика. Это отличает производство изделий из СВКМ от формования термопластов, так как в первом случае изготовление собственно материала и получение изделия происходят одновременно. Содержание W и ориентация волокна в композите, тип наполнителей и связующего определяют свойства готового продукта.

Изготовитель СВКМ начинает работу с выбора компонентов (смолы, наполнителя, волокна и т. д.) и, определив необходимый состав композиции, смешивает компоненты, а затем заливает, всасывает, вдавливает или впрыскивает смесь в форму, где происходит полимеризация смолы и формование изделия. Поэтому при конструировании изделий из слоистых пластиков необходимо не только определять их размер, форму и т. п., но и принимать во внимание процессы, которые происходят со смесью в (на) форме, особенно то, как ведет себя волокно в смеси и как все это может отразиться на свойствах материала.

13.3.1. Типичные примеры

13.3.1.1. Коробчатые кожухи механизмов

Установлено, что стеклопластиковый кожух легче стального и не ржавеет. Исходя из размеров детали и объема производства было решено формовать кожухи в открытой форме, при этом за критический показатель была принята жесткость материала.

Методика расчета. Определим номинальную толщину детали из стеклопластика по эмпирической формуле

<стп = <с V £с/-стп, Где - толщина изделия из стали; тп - толщина стеклопластика; £с - модуль упругости стали; Eotn - модуль упругости стеклопластика.

Теперь, если известно значение стп, конструктор может рассчитать значение /с.гп при любом способе формования стеклопластиков (напылением, ручной укладкой ткани и т. д.). Ои может также задаться величиной Е^т-а и подобрать соответствующую композицию, которая обеспечит ему получение изделия, например, - 14 ГПа.

Используемые здесь формулы и методы расчета напряжений и размеров применимы в основном для конструкций, получаемых способом контактного формования и работающих под небольшими нагрузками. См. расчеты для сильно нагруженных композиций в гл. 20.



При толщине стеклопластика 2,5 мм и значении модуля 14 ГПа необходим текстолит, потому что для достижения такого уровня значений £стп требуется композит, армированный непрерывным волокном.

Ассортимент существующих стеклотканей позволяет подобрать конструкцию толщиной 2,5 мм требуемой прочности при минимальной стоимости. Например, можно взять один слой тканого ровннга толщиной 1 мм (развес 814 г/м^) н два слоя мата общей толщиной 1,5 мм (460 г/м'), что даст суммарную толщину около 2,5 мм. При максимальном содержаини смолы 60 % и толщине наружного смоляного слоя 0,5 мм окончательная толщина окрашенного стеклопластика составит 2,75-3,0 мм, а развес около 33,6 кг/м'.

Аналогичная деталь из листовой стали толщиной 1 мм имеет развес -~52,7 кг/м'. К преимуществам СВКМ относятся также способность поглощать звук и высокая коррозионная стойкость. Кроме того, он не является электро-нли теплопроводным материалом. Для получения СВКМ с аналогичными свойствами можно использовать лодочную ткань. На стеклополотно толщиной 0,25 мм настилается шесть слоев лодочной ткани и два слоя стекломатов, чтобы суммарная толщина армирующей основы была ~2,5 мм, после чего наносится пигментирующее покрытие, чтобы придать изделию необходимый цвет.

У полученного таким путем материала модуль упругости также равен 14 ГПа, но конструкция будет уже состоять нз восьми, а не нэ трех слоев, как в первом случае. Кроме того, лодочная ткань дороже (в пересчете на единицу площади илн единицу массы), чем тканый ровинг, нз-за более сложного метода производства. Поэтому экономические показатели всегда необходимо учитывать при выборе армирующей системы для стеклопластика.

13.3.1.2. Бак высокого давления

Из классического анализа напряжений следует, что окружное напряжение вдвое больше продольного (стремящегося вырвать днища).

При конструировании бака из обычных материалов (стали, алюминия и других металлов) необходимо предусмотреть такую толщину стенок, чтобы он не разрушился под действием окружных напряжений, но тогда прочность конструкции в продольном направлении окажется чрезмерно большой. При использовании стеклопластиков конструктор имеет возможность сформировать структуру материала таким образом, что по окружности бака окажется вдвое больше волокон, чем в продольном направлении.

Рассмотрим бак высокого давления диаметром 906 мм и длиной 1812 мм с полусферическими днищами. Расчет напряжений в баке (без учета массы опор, а также содержащегося в нем загруженного материала) проводится по формулам: - pd/{2t) для окружного напряжения и сТц = Р^/(40 концевых и продольных напряжений, где р - давление; d - диаметр; - толщина (растягивающие напряжения являются критическими в конструкции бака). Конструктор допускает, что в процессе эксплуатации давление не превысит 0,7 МПа, и принимает пятикратный запас прочности. Чтобы рассчитать толщину, надо знать возникающее напряжение а. Необходимая прочность готового стеклопластика рассчитывается исходя из его структуры и соотношения компонентов, т. е. смолы, стекломатов и бесконечных волокон. Для этого необходимо сделать и испытать модельные панели и 24

полученные значения разрушающих напряжений использовать в приведенных выше формулах. Таким способом рассчитывают окружную 0 и продольную толщины стенок бака:

= pd/{2ao) = 11,4 мм;

/ = pd/(4a ) = 0,5/о = 5,7 мм

и выбирают метод укладки волокна или структуру стеклопластика (или же можно принять ту же толщину, но при вдвое меньшей нагрузке или напряжении). При пятикратном запасе прочности Оо = 140 МПа, р = 0.7 МПа. d = 910 мм.

Если значения напряжений были рассчитаны для стеклопластика с чередующимися слоями тканого ровинга и мата, число слоев (или схема укладки) должно быть достаточным, чтобы суммарная толщина их составляла 11 мм, т. е. можно взять четыре слоя тканого ровинга и три слоя мата с развесом (460 г/м^). Однако полученный таким путем материал будет слишком прочным в осевом направлении. Для получения стеклопластика с соотношением окружной прочности к осевой 2 : 1 необходимо точно рассчитать число волокон, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, или производить намотку волокном так, чтобы векторная сумма спиральных витков дала значения 2 (окружное) и 1 (осевое), т. е. угол намотки относительно оси должен составлять примерно 54°.

Другой метод состоит в том, что можно подобрать специальную ткань с переплетением 2 : 1 и намотать по окружности цилиндрические секции до заданной толщины, что обеспечит получение необходимых значений окружной и осевой прочности без чрезмерной ее величины в осевом (продольном) направлении, как это неизбежно бывает при конструировании металлических баков.

Как ясно из изложенного, изделия из СВКМ по конструкции практически аналогичны таким же изделиям из обычных конструкционных материалов, но имеют одну принципиальную особенность, заключающуюся в том, что компоненты материала соединяются друг с другом в процессе изготовления изделия. Поэтому конструктор, использующий СВКМ, должен учитывать расположение в материале несущих нагрузку волокон и обеспечивать их фиксацию в правильном положении в процессе формования изделия.

13.3.2. Смола (связующее)

Выбор смолы для конкретного изделия является важнейшим этапом проектирования. Тип смолы частично или полностью определяет ряд эксплуатационных свойств изделий, таких как химическую стойкость, горючесть, эластичность, погодостойкость,



ударную прочность, коробление, прочность и электроизоляционные характеристики.

При определении типа смолы необходимо также учитывать технологические свойства и особенности обращения с материалом (время гелеобразоваиия и время, в течение которого можно обрезать кромки, максимальное количество выделившейся теплоты, коробление, усадка, непрозрачность, вязкость и тиксотроп-ность).

Чтобы для каждого конкретного изделия подобрать смолу с нужными свойствами, необходимо тщательно изучить технические условия на смолы, выпускаемые их изготовителями.

13.3.3. Наполненные смолы

Дополнительным условием при выборе смолы является возможность введения в нее различных наполнителей. В зависимости от химической природы и степени наполнения добавки могут снижать стоимость изделия, уменьшая расход смолы и (или) стекловолокна. Наполнители могут также улучшать огнестойкость материала, уменьшать выделение токсичного дыма, повышать жесткость, снижать пик тепловыделения и усадку, что приводит к уменьшению пропечатывания стекловолокна через наружный смоляной слой, улучшает электроизоляционные свойства и уменьшает массу изделия.

Наполнители можно применять при формовании ручной укладкой, но чаще всего их используют при напылении, когда периодическое смешивание и сама технология напыления обеспечивают возможность получения гомогенной композиции. Использование низковязких смол позволяет увеличивать степень наполнения. В табл. 13.5 дан перечень наполнителей, наиболее широко используемых при формовании СВКМ ручной укладкой и напылением, а также указана их роль и допустимые пределы наполнения.

13.3.4. Огнестойкость

Выше отмечалось, что выбор смолы оказывает решающее влияние на сопротивление слоистого пластика горению или способность его к самозатуханию. К наиболее огнестойким полимерам относятся галоидсодержащие смолы, виниловые полиэфиры и смолы на основе кислот группы НЕТ.

Скорость горения и расходы, связанные с уменьшением горючести, зависят не только от типа смолы, но и от наличия и количества наполнителей, особенностей структуры материала (например, многослойная структура с использованием бальзы) и от применения покрытий, вспучивающихся при нагревании.

В табл. 13.6 приведены испытания на горючесть и определяемые при этом показатели.

я основное назначение добавок

Наполнитель

Типы добавок, изменяющих свойства стеклопластиков

Тригидрат алюминия С (ТГА) Q = Cell

В, С

Сферы фирмы ЗМ В, С

Шарики фирмы Поттер В, С Слюда су зорит Мйкромикс Кабосил аэросил Измельченные волокна Песок

Стеклянные чешуйки Трехокись сурьмы Тальк Глина

С С А

А - -

С С С

с с

с

с

с - - -

с с с с

в, с в, с с

- А - А А - В - А

А -

А

Типы добавок, изменяющих свойства стеклопластиков

Наполнитель

Тригидрат алюминия (ТГА) Q = Cell

Сферы фирмы ЗМ Шарики фирмы Поттер Слюда сузорит Мйкромикс Кабосил аэросил Измельченные волокна Песок

Стеклянные чешуйки Трехокись сурьмы Тальк Глина

- С

С С

в в

А -

В, С В, С

А А

В

В

В В, С В, С

В, С В, С

В, с

А А А

- - А, В -

С С В, С

А А А А А

С С В, с с с

А

А А

А А - - - -А А - - - -

/ - наполнители смолы; 2 - антипирены; 3 - подавители дыма; 4-9, 11, 13-16 - добавки (4 - увеличивающие жесткость; 5 - уменьшающие тепловыделение; 6 - снижающие усадку; 7 - обеспечивающие необходимые электрические свойства; 8 - снижающие массу; 9 - способствующие получению пенопяастов с микросферами; - улучшающие обрабатываемость материала; 13 - обеспечивающие получение химически стойких покрытий; 14 - смешиваемые с компаундом при заливке; 15 - используемые при формовании ручной укладкой; 16 - применяемые прн формовании напылением); 10 - тиксотропные вещества; 12 ~ пасты н шпатлевки.

Наполнение; Л = 1 ... 10 %; В = 10 ... 30 %; С = 30 ... 50 %.



g 13.6. Методы определения огнестойкости * слоистых стеклопластиков

Метод

Описание

Определяемые показатели

Примечания

ASTM D-635

UL 94, горизонтальный UL 94, вертикальный, используется для оценки технологического оборудования UL 478, комнатных кондиционеров UL 484 и т. п.

HLT-15

ASTM D-757 (общепринятый стандарт)

Федеральный стандарт испытаний 406, метод 2023

ASTM £-162

Стендовые испытания

Горизонтально расположенный образец поджигается пламенем газовой горелки То же

Вертикально расположенный образец поджигается пламенем газовой горелкн

Длина сгоревшего участка и продолжительность горения

(94-V-0), 5 образцов X 2 поджигания, среднее время горения 5 с; (94-V-1), 5 образцов X 2 поджигания, среднее время горения 25 с; (94-5К), 5 образцов X 5 поджиганий, максимальное время горения 60 с

вертикально расположенные 0-100 (100 - самый лучший образцы поджигаются пламе- показатель) нем газовой горелки

Пруток с электрическим на- Скорость горения в течение гревом контактирует с образ- 3 мин, мм/мин

цом

Поджигание нагревательной Время поджигания и продол-спиралью образца размерами жительность горения 1.бХ 12 мм

Излучающая панель с газовым подогревом

Показатель распространения пламени, рассчитанный по данным, характеризующим поведение материала при поджигании, и количеству теплоты, выделившейся прн горе-

Самые мягкие условия испытания; применяется для классификации материалов То же

Обычно используется для наполненных систем; требуется для подтверждения UL; толщина образцов является критическим фактором

Средние условия испытания, применяется для смол с содержанием галогенов от среднего до высокого

Применяется только для смол с содержанием галогенов от среднего до высокого Жесткие условия испытания материалов, применяемых при высоких температурах в отсутствии открытого пламени Жесткие условия испытания для материалов с горючей поверхностью, применяется для наполненных систем

Продолжение табл. 13.6

Метод

Описание

Определяемые показатели

Примечания

ASTM 0-2863 (предельный кислородный' индекс)

Стендовые испытания

Поджигание образцов производится в атмосфере с контролируемым содержанием кислорода

Кислородный индекс - минимальная концентрация кислорода, при которой поддерживается горение; при показателе 28 материал считается огнестойким

Превосходная воспроизводимость; применяется для наполненных систем с различным содержанием галогенов

Натурные испытания на горючесть

ASTM Е-&4, UL 723, NPFA 255 (испытания в трубе Стейнера)

Заводской метод фирмы Корнер уолл

Проводятся в трубе длиной 7,6 м, на верху которой укреплены испытуемые панели поджигание пламенем газовой горелки

В стандартных условиях сжигается конструкция, выполненная из испытуемых панелей

Оценка проводится по шкале от О (для асбеста) до 100 (для красного дуба ) по скорости распространения пламени и количеству выделяющегося дыма

Стандартный метод по нормам, применяемым в строительстве и в промышленности

Метод совершенствуется

. Многочисленные методы испытаний по определению скорости PP-PJ 1?е^ГлП'еальнык у^о-ющиеся производными от указанных выше способов, не предназначены для оценки огнестойкости материалов в реальных уело

виях эксплуатации. *



13.3.5. Особенности конструирования 13.3.5.1. Детали сложной формы о изменяющейся толщиной

Может показаться, что внести изменения в конфигурацию или толщину нового изделия достаточно просто. Однако при формовании деталей в открытой форме эти изменения надо вносить с учетом всех возможных последствий.

Формованию детали предшествует укладка материала в форму строго по ее очертанию. При наличии острых углов (90° без закруглений) маты не закрывают всю поверхность формы, и за наружным смоляным слоем около углов образуются пузырьки воздуха. При наличии внутренних прямых углов, выполненных без закруглений, стеклопластик не будет прилегать к поверхности формы. Если же форма имеет наружные прямые углы, стеклопластик также не сможет их плотно охватить.


Рорма

Для предотвращения этих явлений рекомендуется закруглять внутренние и наружные углы по радиусу 4,75 ... 12,75 мм. В этом случае СВКМ будет полнее следовать очертанию формы, т. е. драпируемость будет лучше. Места резких переходов поверхности являются зонами концентрации высоких напряжений, где может происходить расслоение и растрескивание материала. Очевидно, что в конструкциях следует избегать таких мест и предусматривать самоупрочняющиеся переходные участки умеренного изгиба.

13.3.5.2. Изменение толщины слоистого пластика

Для изменения толщины изделия, формуемого в открытой форме, следует прибавить или убавить число слоев материала. При необходимости резких изменений слои следует тщательно укладывать точно по очертанию формы, что, однако, увеличивает затраты на ручной труд. В местах резких увеличений толщины

происходит концентрация напряжений и, как следствие частое расслоение материала. Поэтому надо избегать появления таких высоконапряженных зон. С этой целью рекомендуется не делать резких переходов толщины, а изменять ее постепенно, укладывая слои ступенчато или как кровельную черепицу. 30

13.3.5.3. Отверстия

Наиболее удобным для формования отверстием считается круглое; самым неудобным - отверстие с острыми незакругленными углами. Для предотвращения роста напряжений рекомендуется увеличивать радиусы закруглений в углах, а толщину в острых углах повышать постепенно или предусматривать фланцы вокруг отверстий.

13.3.5.4. Соединение и склеивание

Изделия из стеклопластиков часто получают сборкой нескольких отдельных деталей. Например, парусная шлюпка состоит из корпуса, внутренней облицовки, кабины, крыши каюты и палубы, и все эти элементы соединяются вместе, причем в каждом случае должен быть свой собственный тип соединения. Классификация этих соединений по прочности (от большей к меньшей) следующая: нахлесточные, работающие на сдвиг; стыковые; вр ас-щеп; косые нахлесточные, работающие на раздир (на расслаивание).

Нахлесточные соединения являются самыми легкими при изготовлении и очень широко используются. Их форма и особенности нагружения (на сдвиг) предполагают применение клеев, что обеспечивает максимальную прочность соединения. Такие соединения

реализуют в местах крепления переборок с корпусом корабля, палубой и крышей кают и т. п. Прочность нахлесточных соединений рассчитывается просто. Для этого определяют площадь поверхности перекрытия деталей и умножают ее на номинальные допустимые значения сдвиговых напряжений, опубликованные поставщиками клеев или определенные самостоятельно.

Разрушение нахлесточного соединения под действием усилий сдвига происходит тогда, когда при возрастании нагрузки оно начинает работать на раздир.

Увеличение нагрузки вызывает поворот места соединения, так что действующие усилия располагаются на одной оси. Этот поворот приводит к изгибанию стеклопластика и формированию на концах нахлеста условий, способствующих расслаиванию КМ. Если нагрузки продолжают расти, расслаивающие напряжения

* Подробнее см. в гл. 22.



превосходят адгезионную прочность, и соединение быстро разрушается. Однако если края нахлеста скошены, жесткость конструкции уменьшается. Когда место контакта начинает поворачиваться, чтобы соответствовать направлению растягивающего усилия, скошенные края нахлеста, будучи более гибкими, не вызывают перенапряжений клеевого шва. В результате этот простой прием может повысить прочность соединения без увеличения площади его поверхности. Более того, при надлежащей подготовке материалов можно получить еще более высокие значения прочности при той же поверхности сдвига, сделав соединение вскос ( в ус ).

производится только растяжение в чистом виде и реализуется значительная прочность.

Соединение внапуск является разновидностью нахлесточного соединения, при котором не происходит поворота плоскостей контакта под сдвиговой нагрузкой. Клеевой шов испытывает только сдвиговые напряжения, и раздир или вообще не происходит, или его размеры весьма незначительны. Подготовка таких соединений более трудоемка и требует специальных зажимных приспособлений и оснастки для фиксации положения склеиваемых деталей в процессе отверждения связующего. Но эти соединения являются самыми надежными, и их прочность часто почти равна прочности склеиваемых материалов.

Стыковое соединение со слоем клея / и промежуточными слоями 4 используется при склеивании жестких материалов 2, 3 и работает только на растяжение. Прочность его обычно колеблется от низких до средних значений и легко рассчитывается. Однако в реальных конструкциях такие соединения встречаются редко. Кроме того, стыковое соединение должно быть выполнено очень тщательно, а нагрузка к нему должна прилагаться так, чтобы возникающие напряжения были сбалансированы. В рекламных передачах по телевидению, посвященных новым связующим, часто показывают каплю клея между двумя дисками на тросах, прикрепленных к опоре и источнику нагрузки (например, к автомобилю), демонстрируя быстрое затвердевание клея, опережающее увеличение нагрузки. Это пример идеального стыкового соединения, в котором отсутствуют боковые нагрузки, а

Ж

Соединение, работающее на раздир, представляет собой конструкцию, где напряжения концентрируются вдоль линии, по которой один склеиваемый материал отгибается от другого, в результате чего в материалах возникают неуравновешенные растягивающие напряжения.

В таком соединении под нагрузкой оказывается только тот участок клеевого шва, который находится в точке расслаивания, а остальные участки шва остаются ненагруженными до тех пор, пока до них не дойдет зона расслоения (поскольку контакт начинает разрушаться).

13.3.6. Рекомендации по конструированию

Везде, где это возможно, детали надо соединять или объединять в единое изделие.

Нескользящие н декоративные текстурнрованные поверхности могут быть отформованы одновременно с изделием (при особенно сложной текстуре используют гибкие резиновые формы).

Места для сверления отверстий могут быть отформованы в нзделнн или размечены на форме.

При формовании самоупрочняющнхся изделий надо использовать приемы, увеличивающие жесткость детали и исключающие нли уменьшающие потребность в последующем введении увеличивающих жесткость элементов (установка выпуклых Вставок, ребер жесткости).

Конфигурация изделия должна удовлетворять одновременно всем эстетическим и функциональным требованиям к нему.

Изделие должно иметь радиусы закруглений и технологические уклоны, максимально допустимые с учетом эстетических и функциональных требований к нему.

При конструированнн надо избегать глубоких, плотно прилегающих секций с нулевым уклоном.

13.3.7. Обсуждение конструкций

Минимальный радиус закругления внутренних углов 4, 8 ... 6,4 мм (меньшие радиусы допустимы, но нежелательны).

Минимальный угол технологического уклона 2° (нулевой уклон - только в разъемных формах).

Поднутрения нежелательны, допускаются только в разъемных и резиновых формах.

Обрезка кромок в форме (с помощью специального ножа изделие доводится до требуемого размера).

Отверстия (только большого диаметра) формуются заодно с изделием.

Минимальная реальная толщина нзделнй: прн формовании ручной укладкой слоев - 0,8 мм, при напылении - 1,5 мм.

2 П/р Ди. Любниа 33



Максимальная реальная толщина, в принципе, не ограничивается, но с учетом отверждения - 6 мм.

Стандартная разнотолщинность: при формовании ручной укладкой слоев - от +0,8 до -0,4 мм и при напылении - от +0,64 до -0,64 мм.

Максимальное увеличение толщины не ограничивается.

Закладные заполнители (сотовых или многослойных конструкций).

Металлические вставки.

Ребра жесткости из металлов или других материалов. Бобышки должны быть конической формы. Грат (требуются специальные приспособления для удаления). Рифленая (или с выпуклостями) поверхность допускается. Лимитирующие размерные показатели отсутствуют (учитываются размер формы и удобство обращения).

Максимально допустимый размер детали 370 м'. Конфигурационные ограничения отсутствуют.

Отделанные поверхности - одна (с помощью специальной оснастки - две).

Поверхность с наружным смоляным слоем (гелевым покрытием) (можно получить только одну такую поверхность; на противоположную сторону гелькоат наносится после формования).

Облицовочный мат.

Светопроницаемость - изделия непрозрачны.

Формование маркировки - символы, слова, номера, в виде выступов или углублений.

Прочностная ориентация - случайная или в определенном направлении (при напылении - только случайная).

Стандартная массовая доля стекловолокна: при формовании с ручной укладкой 30-55 %, при напылении 25-45 %, при напылении с одновременным введением наполнителя 10-20 %.

13.3.8. Упрощенные расчеты конструкций

Ниже приводятся основные принципы и формулы для расчета слабонагруженных стеклопластиковых деталей, которые можно изготовлять контактным формованием. Дополнительная информация для расчета и анализа изделий из композиционных материалов включена в гл. 16 - по намотке волокном, гл. 20 - по расчету композиционных материалов и гл. 21 - по трехслойным конструкциям.

В приведенных ниже формулах используются следующие обозначения: b - ширина панели, мм; d - диаметр емкости, м; Етл - модуль упругости металла. Па;

- модуль упругости стеклопластика. Па;

высота емкости, м;

- расстояние между опорами, м;

- нагрузка (для емкостей - напор воды), кгс ( Х 10 Н);

толщина панели или стенки, мм; толщина металла, м;

толщина стеклопластика, м; растягивающее напряжение, Па; напряжение при изгибе. Па;

окружное напряжение. Па.

В табл. 13.7 и в стандарте BS Voluntary Product Standard P. S. 15-69 (табл. 13.8-13.10) приведены свойства и основные конструкционные размеры различных изделий промышленного назначения из стеклопластиков: труб, емкостей и соединений.

-стп

о

t3 7. Физические свойства слоистых пластиков и а основе полиэфирной смолы, армированной стекловолокном различных типов

Конструкция

Стекломатерная (развес, г/м')

св.м

МПа

МПа

Е, ГПа

Дж/м

Развес, кг/м'

п о

в том числе

, о

и

13 14

1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1

Мат 610) Ткань (339) Мат (610) Ткань (339) Мат (458) Ткань (339) Мат (610) Ткаиь (339) Мат (610) Ткань Г339) Мат (458) Ткань (339) Ткань (339) Мат (458)- Ткань Г339) Мат (458) 2415 Фэбмэт (142)

Ткань (339) TP (814) Ткань (339) Ткань (339) Мат (458) TP (814) TP (814) TP (814) Мат (458) TP (814) Мат (610) TP (814) Ткань (339) Мат (458) TP (814) Мат (458) TP (814) Мат (458) Ткань (339)

3,2 2,5

28,2 28,4

96,8 72,3

161.0 128,0

6,33 6.13

480 438

4,3 3.3

1,2 0.9

3.1 2.4

32,0

95,4

152.0

7.58

30.1

103,0

147,5

6,54

32,0

90.9

6.33

24.9

62.6

10.13

22.6

72,3

8.27

39,2

208.7

10,95

1665

и.о

42.5

127,5

5.37

38.3

117.5

157.5

8,61

1680

52,7

268.4

309,5

12.75

1940

53.2

199.8

15.15

2445

36,0

79,2

158,5

5,03

47.0

153.0 288

13.1

2255

47,9

171.6

216.5

7,65

1380

Примечание. Характеристикой матов, тканей и тканой Ромицы (TP) служит развес, т. е. масса единицы площади, г/м'. В примерах не учитывается гелькоат. 2145 Фэбмэт. - зарегистрированное торговое наименование материала, выпускаемое фирмой сфайбергласс индастрнз .



1 2 3 4 ... 29