СЛОИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
LAYER COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к слоистым композиционным материалам, предназначенным для использования при строительстве корпусов, оборудования и насыщения транспортных средств (авиакосмической техники, судов, железнодорожного транспорта и т.п.), для которых существенную роль играют вопросы повышения прочности и долговечности конструкций, а также снижения массы.
Известен композиционный материал, состоящий из листов алюминиевых сплавов толщиной менее 1 мм и промежуточных слоев органопластика преимущественно с однонаправленными армирующими высокомодульными полиамидными волокнами и клеевым связующим (ЕПВ заявка №0056288, кл. В32В 15/08, В64С 1/00, опубл. 05.03.86 г.).
Недостатком известного материала, обусловленным в основном свойствами арамидных волокон, является пониженное сопротивление сжатию при усталостных и статических нагружениях, а также ограниченная возможность наполнения и соответственно упрочнения и перекрестного армирования ввиду недостаточной адгезии между волокнами и связующим, повышенное влагонасыщение слоя органопластика.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является слоистый композиционный материал, содержащий листы алюминиевого сплава и слой стеклопластика между ними, выполненного на основе термореактивного связующего, например эпоксидной смолы, и армирующего наполнителя, выполненного в виде однонаправленной стеклоткани с основой из стеклянных нановолокон диаметром 5-20 мкм и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала (патент РФ №2185954, кл. В32В 15/08, 15/14, 15/20, опубл. 27.07.2002 - прототип).
Недостатки такого слоистого композиционного материала заключаются в следующем:
- слой стеклопластика, армированный однонаправленной стеклотканью с основой из стеклянных нановолокон и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала, не способен равномерно воспринимать изгибающие нагрузки при фронтальных воздействиях, что приводит к локальному повреждению и образованию трещин, особенно в зоне растяжения;
- ввиду недостаточно высокого модуля упругости стеклянных нановолокон слоя стеклопластика весь слоистый композиционный материал обладает невысокой жесткостью;
- стеклянные нановолокна слоя стеклопластика имеют довольно высокую плотность, что обусловливает значительную массу изделий, выполненных из такого слоистого композиционного материала.
Технической задачей изобретения является создание нового слоистого композиционного материала, обладающего повышенными прочностью и жесткостью на изгиб, а также пониженной весовой характеристикой.
Для решения поставленной технической задачи предложен слоистый композиционный материал, содержащий листы алюминиевого или магниевого сплава и расположенный между ними промежуточный слой термореактивного связующего с армирующим нановолоконным наполнителем, в котором согласно изобретению армирующий нановолоконный наполнитель выполнен в виде волокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода, и составляет до 30 об.% промежуточного слоя.
Волокна такого наполнителя могут иметь поперечный размер до 8 мкм, а термореактивное связующее может быть выполнено на основе смеси эпоксидных смол с массовой долей эпоксидных групп от 2 до 24, модифицированных каучуком или термопластичным материалом, отверждаемыми при температурах от 120° до 180°С.
3
В таком слоистом композиционном материале выполнение наполнителя термореактивного связующего промежуточного слоя в виде нановолокон (могут иметь поперечный размер 3-8 мкм) оксида алюминия, покрытых для упрочнения и химической защиты пленкой аморфного углерода, при этом наполнитель составляет до 30 об.% промежуточного слоя, при одинаковых с прототипом составе и толщинах листов алюминиевого сплава, а также при одинаковых с прототипом составе термореактивного связующего промежуточного слоя обеспечена повышенная прочность промежуточного слоя, а вместе с ним и всего слоистого композиционного материала: предел прочности волокон с поперечным размером 3-8 мкм оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода, - 600-700 МПа, модуль упругости волокон - 95-110 ГПа, что предопределяет жесткость на изгиб промежуточного слоя и всего слоистого композиционного материала, а плотность 260-290 кг/м определяет пониженную плотность промежуточного слоя, а следовательно и уменьшенную весовую характеристику материала.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого слоистого композиционного материала по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “новизна”.
Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, заключающийся в создании нового слоистого композиционного материала, обладающего повышенными прочностью и жесткостью на изгиб, а также пониженной весовой характеристикой.
Поскольку при исследовании объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе не выявлено решений, содержащих признаки заявляемого изобретения, отличные от прототипа, следует сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения “существенные отличия”.
Использование заявляемого изобретения в области машиностроения обеспечивает заявляемому изобретению соответствие критерию “промышленная применимость”.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен общий вид образца слоистого композиционного материала.
Слоистый композиционный материал содержит листы алюминиевого сплава 1 и 2 и расположенный между ними промежуточный слой 3 термореактивного связующего 4 с армирующим наполнителем, выполненным в виде нановолокон оксида алюминия 5, покрытых пленкой аморфного углерода, и составляющим до 30 об.% промежуточного слоя 3.
Размер нановолокон оксида алюминия, покрытого пленкой аморфного углерода - 3-8 мкм.
Термореактивное связующее может быть выполнено на основе смеси эпоксидных смол с массовой долей эпоксидных групп от 2 до 24, модифицированных каучуком или термопластичным материалом, отверждаемыми при температурах от 120° до 180°С.
Эластичная композиция термореактивного связующего с армирующим нановолоконным наполнителем наносится на контактные поверхности листов из алюминиевого сплава толщиной 0,25-1,00 мм, которые затем соединяются в пакет.
Опытный образец имел структуру и толщину листов алюминиевого сплава одинаковую с прототипом.
3
В качестве алюминиевого сплава взят материал, содержащий высокомодульный сплав пониженной плотности с содержанием лития более 1,5 мас.% с модулем упругости при растяжении не менее 7700 МПа, с модулем упругости при сжатии не менее 7900 МПа, с пределом прочности не менее 400 МПа и с плотностью не более 2600 кг/м.
В качестве термореактивного связующего в материале используется смесь эпоксидных смол, имеющих различную молекулярную массу. Связующее модифицировано каучуком или термопластичным материалом, отверждаемыми при температурах 120°-180°С. Такое связующее обеспечивает надежную связь между слоями композиционного материала.
3
В соответствии с изобретением высокомодульные (модуль упругости 95-110 ГПа), высокопрочные (предел прочности 600-700 МПа) нановолокна оксида алюминия, покрытые пленкой аморфного углерода, имеющие поперечный размер 3-8 мкм и занимающие 30 об.% термореактивного связующего, в качестве армирующего наполнителя вносят существенный вклад в высокий уровень показателей прочности, жесткости на изгиб и других показателей предлагаемого слоистого композиционного материала, состав и структура которого позволили поднять показатели прочности свыше 900 МПа, жесткости на изгиб до более 77,6 ГПа и снизить плотность до величины менее 2340 кг/м.
Полученные опытным путем приведенные показатели определяют преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом.
В условиях опытного производства формируются листы алюмополимерного композиционного материала габаритами 650×650 мм: два тонких листа из алюминиево-литиевого сплава и один слой термореактивного связующего с армирующим наполнителем из нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода, занимающего 30 об.% термореактивного связующего, выполненного на основе модифицированных эпоксидных смол.
Характеристики структуры и свойств компонентов заявляемого (примеры 1, 2, 3) и прототипа (пример 4) слоистых композиционных материалов представлены в таблице 1.
Плакированные листы толщиной 0,25-1,00 мм алюминиевого сплава предварительно подвергаются обезжириванию, травлению и анодному окислению и хромовой или фосфорной кислотами, затем листы покрываются адгезионным грунтом, содержащим ингибиторы коррозии.
Формование композита проводится прессованием или автоклавным методом при различных температурах.
Таблица 1.
Механические характеристики
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Алюминиевый сплав:
Модуль упругости, ГПа:
- при растяжении
77
79
81
77-81
- при сжатии
79
81
83
79-83
Предел прочности, МПа
400
440
460
400-460
Нановолокна:
Диаметр, мм
3
5
8
5-20
Предел прочности, МПа
700
650
600
500-400
Модуль упругости, ГПа
95
100
110
100-85
Плотность, кг/м<sup>3</sup>:
2260
2270
2290
2500-2580
Связующее:
Температура отверждения, Т°С
180
150
120
120-180
Механические свойства исследуются на образцах, вырезанных из слоистых композиционных листов.
В таблице 2 показаны механические свойства слоистого композиционного материала по заявляемому изобретению (примеры 1, 2, 3) и по прототипу (пример 4).
Таблица 2
Механические свойства сравниваемых материалов
Примеры
Предел прочности при растяжении, МПа
Модуль упругости при растяжении, ГПа
Модуль упругости при сжатии, ГПа
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1
920
74
76
2310
2
925
75,5
76,9
2320
3
915
76
77,6
2300
4
875
73
75,5
2380
Как видно из полученных и представленных результатов, состав и структура предложенного слоистого композиционного материала позволили повысить предел прочности, модуль упругости и понизить плотность армирующего наполнителя термореактивного связующего, который выполнен в виде нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода, занимая до 30 об.% связующего по сравнению с теми же показателями стеклянными нановолокон прототипа.
Таким образом, предложенный высокомодульный, легкий, высокопрочный слоистый композиционный материал обеспечивает повышение прочности, жесткости на изгиб и снижение весовой характеристики по сравнению с прототипом.