СПОСОБ ГОРЯЧЕГО ФОРМОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF THERMOFORMING OF COMPOSITE PRODUCTS /VERSIONS/ AND DEVICE FOR THEREOF REALISATION /VERSIONS/

Изобретение относится к изготовлению композитных стеклопластиковых, углепластиковых и т.п. изделий высокого качества, например, для авиационно-космической промышленности.
Известны подобные способы, состоящие в нагреве уложенного в формообразующую оснастку материала будущего композита путем атмосферного или автоклавного конвекционного нагрева, и/или путем нагрева оснастки путем пропускания горячего воздуха через двойные стенки оснастки, и/или путем нагрева оснастки с помощью пропускания тока через углеволоконный или металлический электропроводник, следует отметить трудность получения стабильного надежного контакта подводящих электропроводов с углеволокном (cм., например, полезную модель России №126283).
Однако все эти способы в отдельности и в совокупности не обеспечивают технологически быстрого и равномерного нагрева материала будущего композита.
Задача и технический результат изобретения - повышение скорости технологического процесса и повышение качества изделия путем более равномерного нагрева заготовки без появления термических напряжений.
ИЗОБРЕТЕНИЕ 1. Для этого заготовка, содержащая в качестве армирующего материала углеволокно или комбинацию углеволокна с другим волокном, нагревается в поле СВЧ-излучателей.
Так как углеродное волокно электропроводно, то в поле СВЧ-излучения оно нагревается, причем в более толстых местах, где больше углеволокна, энергии выделяется больше, и заготовка в толстых местах нагревается до той же температуры, что и в тонких местах заготовки.
Конфигурация поля СВЧ-излучения должна повторять контуры заготовки.
При необходимости можно локально менять мощность излучения в зависимости от толщины заготовки.
ИЗОБРЕТЕНИЕ 2. Заготовка, содержащая в качестве армирующего материала неэлектропроводное волокно, содержит в связующем электропроводные включения и нагревается в поле СВЧ-излучателей.
Такими включениями могут быть графены, и/или астролены, и/или фуллерены, и/или графитовый или угольный мелкодисперсный порошок, и/или алюминиевая, магниевая или другая металлическая пудра, и/или рубленое углеволокно, и/или любое металлизированное волокно (например, арамидное волокно Дайнима).
Следует отметить одну особенность технологического процесса при применении в качестве электропроводных включений графита или угля - смешение их с пластифицированным связующим должно производиться до смешения с отверждающей композицией, причем в краскотерке для лучшего перемешивания и дальнейшего измельчения порошка графита или угля. Не следует также долго хранить приготовленное связующее, так как присутствие графита или угля может спровоцировать каталитический процесс желатинизации связующего.
ИЗОБРЕТЕНИЕ 3. Способ нагрева оснастки путем пропускания через нее горячего воздуха имеет существенный недостаток - воздух как теплоноситель обладает малой удельной теплоемкостью. В результате чего технологический процесс получается затянутым, а заготовка нагревается неравномерно - на входе горячего воздуха она нагревается существенно быстрее. Это может привести к короблению оснастки и готового изделия.
Чтобы этого избежать, следует вместо воздуха применить воду или при необходимости достижения температуры выше 100 градусов С - другой жидкий теплоноситель - соляной раствор (например, жидкость Клеричи или аналогичная), или гликоли (тормозная жидкость для автомобилей), или минеральное сырье («солярка»), или растительное масло.
В четырех последних случаях можно выбрать жидкость с температурой кипения, равной максимальной температуре технологического процесса, тогда можно полностью устранить риск перегрева заготовки.
То есть способ состоит в том, что через двойные стенки или через систему труб в оснастке пропускают жидкий теплоноситель.
Способы по вариантам 1 и 2 можно сочетать со способом 3, или с электроподогревом оснастки, а также со способом конвекционного атмосферного или автоклавного нагрева.
ИЗОБРЕТЕНИЕ 4. Для реализации способов по вариантам 1 и 2 требуется металлическая или металлизированная камера с установленными в ней в шахматном или в сотовом порядке СВЧ-излучателями.
Излучатели могут индивидуально отключаться, а также могут вращаться для более равномерного распределения излучения по объему камеры.
ИЗОБРЕТЕНИЕ 5. Для реализации способа по варианту 3 оснастка имеет двойные стенки, соединенные с коллекторами, или систему труб внутри оснастки, соединенные входом и выходом с системой нагрева жидкости.
ПРИМЕР 1: Оптимальной установкой для получения композиционных изделий высокого качества может быть, например, автоклавная установка конвекционного принудительного (то есть с помощью вентиляторов) нагрева, снабженная СВЧ-излучателями, с применением оснастки, имеющей внутренний подогрев с помощью нихромовых тепловыделяющих токоносителей, а еще лучше - с помощью циркуляции жидкого теплоносителя. В этом случае будет обеспечен равномерный нагрев заготовки и равномерное ее остывание без остаточных термических напряжений.
Работает установка так: оснастка с уложенной заготовкой загружается в камеру, герметично закрывается, и в ней создается избыточное давление по закону
Р:р=Т:т
где р - начальное давление (атмосферное),
Р - конечное давление,
т - начальная абсолютная температура,
Т - конечная абсолютная температура.
Атмосфера в камере принудительно перемешивается вентилятором. Включаются СВЧ-излучатели и одновременно включается электроподогрев оснастки с помощью нихромовых электропроводящих элементов, или с помощью жидкого теплоносителя.
После достижения заданной температуры и технологической выдержки все нагреватели отключаются и заготовке дают медленно остыть. При необходимости ускорения охлаждения установки и заготовки можно управлять температурой воздуха в камере путем наличия водоохлаждаемых панелей (батарей) и путем управления температурой циркулирующего теплоносителя.
ПРИМЕР 2. Допустим, заготовка выполнена из комбинации углеродного волокна с любым другим волокном, например со стекловолокном (в любом соотношении). Нагрев заготовки происходит в СВЧ-поле за счет нагрева углеродного волокна и дальнейшего распределения тепла по всему объему заготовки.
ПРИМЕР 3. Допустим, заготовка содержит неэлектропроводное волокно, например, стекловолокно. Тогда для возможности нагрева в СВЧ-поле связующее содержит, например, алюминиевую или бронзовую пудру (применяются в декоративных целях), или наноэлементы - фуллерены, астролены, углеродные трубки, или рубленое углеволокно в количестве 0,1-3%. Нагрев происходит в СВЧ-поле за счет нагрева перечисленных электропроводящих элементов и дальнейшего распределения тепла по всему объему заготовки.
ПРИМЕР 4. Допустим, заготовка содержит неэлектропроводное волокно, например высокомодульное волокно из модифицированного полиэтилена. Тогда для возможности нагрева в СВЧ-поле связующее содержит, например, рубленое металлизированное стекловолокно (технология покрытия стеклянных и других поверхностей слоем металла, например алюминия, давно известна и широко применяется). Нагрев происходит в СВЧ-поле за счет нагрева слоя металла на стекловолокне и дальнейшего распределения тепла по всему объему заготовки.