МЕНЯЮЩИЙ ФОРМУ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области производства композитных изделий, а именно к материалу для изготовления оснастки и инструментов для такого производства.
В современных условиях качество и конечная стоимость производства изделий из композиционных материалов определяются в первую очередь типом и характеристиками используемого инструмента и оснастки. Из всего многообразия инструмента предлагаемая полезная модель относится к так называемому меняющему форму материалу (state change material), который используется для изготовления инструмента, применяемого для формования композитных изделий сложной формы, таких, как: криволинейные трубопроводы, сосуды высокого давления, цилиндрические обечайки для фюзеляжей самолетов (см. патент России №2266201)и других.
В технических решениях по известным патентам используется инструмент в виде оправки, на которую производят намотку слоя ленты или нити, который образует внешнюю поверхность будущего композитного изделия. Для обеспечения простого и легкого удаления оправки из готового изделия оправка целиком или частично выполняется из удаляемого (washout) материала. К таким материалам относятся воски, песчано-смоляные смеси, гипсовые составы.
Эти материалы используются только однократно, поскольку после полного изготовления композитного изделия они разрушаются и удаляются в виде кусков или раствора. Использование этих материалов очень трудоемко и снижает производительность процесса, увеличивая его стоимость.
Известны инструменты, выполненные из меняющих форму материалов, которые могут многократно использоваться для изготовления оправок, форм и т.п. инструментов для изготовления композитных изделий сложной формы. Указанный процесс разработан фирмой «Spirit Aerosystems Inc» и используется под торговой маркой «Inflexion» и защищен патентом США №7648661.
Меняющий форму или агрегатное состояние материал в известном техническом решении по указанному патенту, находится в твердом состоянии, когда на него наматываются (или наносится другим известным способом) композитные слои, и в текучем: жидком, или пастообразном, или гелеобразном состоянии (далее: жидкое), - когда сам инструмент формуется для последующего изготовления композитного изделия сложной формы, например, фюзеляжа самолета, а также, когда инструмент надо удалить из готового (отформованного) композитного изделия.
Недостатком данного технического решения является высокая стоимость материалов, используемых для изготовления указанного инструмента.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является материал для формующего инструмента, разработанный фирмой «2Phase Technologies Inc.» по патенту США №7172714 (фиг.3Е, фиг.3F и фиг.11), который выполнен из смеси твердых тел и водорастворимого вяжущего. Изменение формы (агрегатного состояния) материала с жидкой на твердую и наоборот, происходит за счет удаления влаги из жидкого материала путем вакуумирования и сушки (термообработки), а перевод из твердого в жидкое - путем подачи воды и растворения твердого вяжущего. В качестве твердых тел используют частицы сферической или иной формы (полые шарики, трубочки и т.п). В качестве водорастворимого вяжущего используют силикат натрия или другие водорастворимые вещества. Для того, чтобы увеличить текучесть (скольжение или подвижность) смеси, используют полые шарики различных размеров так, чтобы в зазорах между относительно крупными шариками располагались более мелкие, обеспечивая дополнительное скольжение и подвижность смеси. При этом общая площадь поверхности всех шариков увеличивается, что требует повышенного содержания вяжущего на 20-40% по объему, а это в свою очередь увеличивает требуемое количество воды и времени для растворения вяжущего при переходе из твердого состояния в жидкое, что снижает производительность процесса. Кроме того, при переводе инструмента из жидкого состояния в твердое при повышенном содержании вяжущего требуется большее время на процессы вакуумирования и сушки, что также снижает производительность процесса и увеличивает его энергоемкость.
Важнейшими характеристиками данного материала являются коэффициент теплового расширения в твердой форме, который в большинстве случаев должен быть максимально близок к коэффициенту теплового расширения изготавливаемого композитного изделия, а также коэффициент теплопроводности материала-инструмента, определяющий время термообработки изготавливаемого композитного изделия и соответственно энергозатраты на этот процесс. Чем больше размер микрошариков, тем меньше площадь поверхностей всех шариков, что позволяет снизить количество связующего компонента, но при этом коэффициенты теплового расширения и теплопроводности также не высоки и плохо поддаются изменению. Для изменения указанных коэффициентов в приведенном техническом решении дополнительно вводят мелкие шарики. Изменяя количество мелких шариков можно изменять указанные характеристики материала-инструмента. При этом повышенное содержание мелких шариков увеличивает коэффициент теплового расширения и коэффициент теплопроводности, но требует повышенного содержания вяжущего, что снижает производительность процесса и увеличивает его энергоемкость.
Таким образом, недостатками известного решения являются высокая стоимость материала-инструмента, а также высокая стоимость и низкая производительность процесса изготовления композитного изделия, вследствие высокого содержания вяжущего компонента при высоком содержании мелких шариков.
Решаемая полезной моделью задача состоит в том, чтобы создать дешевый материал (инструмент) с небольшим содержанием вяжущего за счет снижения общей площади поверхности полых шариков, который при этом сохранит свои высокие качественные характеристики.
Технический результат от использования предлагаемого решения заключается в снижении стоимости материала-инструмента и стоимости процесса изготовления композитного изделия, а также в повышении производительности процесса изготовления композитного изделия, вследствие использования промышленных отходов для получения микрошариков, а также снижения содержания вяжущего компонента при сохранении высоких качеств инструмента, в частности таких, как возможность изменять коэффициент теплового расширения и коэффициент теплопроводности материала-инструмента в конкретных технологических процессах.
Сущность полезной модели состоит в том, что в известном меняющем форму материале (инструменте) для изготовления композитных изделий, содержащем полые сферические частицы (полые шарики или микросферы) и водорастворимую связку, согласно предлагаемой полезной модели, сферические частицы выполнены в виде алюмосиликатных полых микрошариков, часть из которых имеют внутреннюю многополостную структуру при следующем соотношении компонентов в объем. %: указанные алюмосиликатные полые микрошарики - 65-95; водорастворимая связка - 5-35.
Сущность полезной модели состоит также в том, что в указанном материале-инструменте полые алюмосиликатные микрошарики содержат 5-95% микрошариков, выполненных с внутренней многополостной структурой.
Сущность полезной модели состоит также в том, что в указанном инструменте водорастворимая связка представляет собой силикат натрия.
Использование в предлагаемом решении части микрошариков с несколькими внутренними полостями позволяет использовать микрошарики относительно большего диаметра, что позволит уменьшить площадь поверхности микрошариков по сравнению с прототипом, а следовательно и необходимое количество связующего компонента. Размер используемых микрошариков лежит в пределах 5-500 микрон, а соотношение компонентов в объем. %: указанные алюмосиликатные полые микрошарики - 65-95; водорастворимая связка - 5-35. В случае использования достаточно большого количества связки она заполняет все пространство между микрошариками. Если количество связки небольшое, то она лишь покрывает поверхности микрошариков, оставляя воздушные зазоры между ними, что не снижает качественных характеристик материала-инструмента.
Кроме того, наличие нескольких внутренних полостей в микрошарике предопределяет наличие дополнительных перегородок во внутренней полости, а это в свою очередь повышает коэффициент теплопроводности и коэффициент теплового расширения материала инструмента. Изменяя количество микрошариков с внутренней многополостной структурой можно изменять качественные характеристики материала-инструмента, а именно: подбирать или устанавливать нужные величины коэффициентов теплопроводности и теплового расширения в соответствии с характеристиками изготавливаемого композитного изделия.
Использование в качестве микрошариков алюмосиликатных микросфер, в том числе с внутренней многополостной структурой, позволяет использовать дешевые золо-шлаковые отходы, полученные от сжигания пылевидного угля на электростанциях, что позволяет снизить стоимость материала-инструмента, а также технологического процесса изготовления композитных изделий.
Таким образом, совокупность существенных признаков, а именно: меняющий форму материал (инструмент) для изготовления композитных изделий, содержащий полые сферические частицы и водорастворимую связку, в котором сферические частицы выполнены в виде алюмосиликатных полых микрошариков, часть из которых имеют внутреннюю многополостную структуру при следующем соотношении компонентов в объем. %: указанные алюмосиликатные полые микрошарики - 65-95; водорастворимая связка - 5-35, - позволяют достичь всех указанных технических результатов одновременно, а именно: снижение стоимости материала-инструмента и стоимости процесса изготовления композитного изделия, а также повышение производительности процесса изготовления композитного изделия, вследствие использования промышленных отходов для получения микрошариков, а также снижения содержания вяжущего компонента при сохранении высоких качеств материала-инструмента, в частности таких, как возможность изменять коэффициент теплового расширения и коэффициент теплопроводности материала-инструмента в конкретных технологических процессах.
Количество микрошариков с многополостной структурой может меняться в диапазоне 5-95% от общего числа микрошариков и определяется необходимыми параметрами (площадью поверхности, коэффициентами теплопроводности и теплового расширения) в конкретных случаях использования предлагаемого материала в соответствии с характеристиками изготавливаемого композитного изделия.
В качестве связующего компонента могут быть использованы неорганические или органические связующие вещества, например, силикат натрия, хлористый натрий, крахмалы и другие, а также их смеси.
Предлагаемое решение было экспериментально проверено в лабораторных условиях. Для испытаний были изготовлены несколько образцов материала с многополостными микрошариками. Смесь микрошариков состояла из 75% многополостных и 25% однополостных микрошариков. Кроме того были изготовлены контрольные образцы с однополостными микрошариками (100% однополостных). Результаты проведенных испытаний отражены в таблице 1.
Таблица 1.
Компонент в % по объему
Предлагаемое решение: смесь микрошариков из 75% многополостных и 25% однополостных
Известное решение (прототип) 100% однополостных микрошариков
1
2
3
4
5
6
Полые микрошарики, объем. %
65
80
95
65
80
95
Силикат натрия, объем. %
35
20
5
35
20
5
Параметры:
Удельная поверхность микросфер в м<sup>2</sup>/гр
0.8
1.3
2.2
1.6
2.7
4.0
КоэффициенттеплопроводностиВт/м°С
0.91
1.1
1.6
0.73
0.83
1.2
Коэффициент термического расширения 10<sup>-6</sup> м/м°С
1.6
2.8
3.6
1.2
2.1
2.7
Анализ таблицы показывает, что по параметру «удельная поверхность» предлагаемый материал содержит микросферы с меньшей удельной поверхностью, и поэтому в одинаковых условиях по сравнению с известным требует меньше содержания связки. Кроме того, результаты таблицы показывают, что предлагаемый материал-инструмент позволяет расширить диапазон изменения коэффициентов теплопроводности и термического расширения, что позволит применять их для изготовления изделий из разнообразных видов композитных материалов.
Также дополнительно было установлено, что известный и предлагаемый материалы обладают одинаковым пределом прочности на сжатие 19 кг/см2 при следующем соотношении компонентов в % по объему: известный - полые однополостные микрошарики - 78%, связка - 22%, а предлагаемый - полые микрошарики (с содержанием многополостных микрошариков в количестве 75%) - 87%, связка -13%, т.е налицо снижение содержания связки, что означает снижение требуемого количества воды для ее растворения и, как следствие, снижение энергозатрат и времени (трудоемкости) процесса перевода материала из жидкого состояния в твердое, также снижаются затраты на нагрев материала т.к. он имеет повышенный коэффициент теплопроводности. Таким образом, за счет изменения количества многополостных микросфер в составе материала можно добиться получения величины коэффициента термического расширения материала соизмеримого или равного коэффициенту термического расширения изготавливаемого композитного изделия, что в некоторых случаях является определяющим фактором для качества изготавливаемого изделия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
На фиг.1 - схематически изображено наличие и расположение микрошариков в известном материале-инструменте (прототипе).
На фиг.2 - схематически изображено наличие и расположение микрошариков в предлагаемом решении.
На фиг 3. - схема устройства, реализующего на практике применение меняющего форму материала-инструмента при изготовлении композитного изделия.
Предлагаемый материал-инструмент содержит полые алюмосиликатные микрошарики 1 и водорастворимую связку, например, силикат натрия, хлористый натрий, крахмал и др. или их смеси, нанесенную в виде тонкого покрытия 2 на внешнюю поверхность микрошариков. В известном решении (прототипе) микрошарики выполнены с одной полостью (фиг.1), а в предлагаемом техническом решении - часть шариков 3 имеют многополостную структуру, образованную из отдельных полостей. Эти полости образованы радиальными перегородками 4 и стенкой 5 микрошарика. Коэффициент заполнения объема формующего инструмента у микрошариков составляет 60-65%, и в случае использования достаточно большого количества связки она заполняет все пространство между микрошариками. Если количество связки небольшое, то она лишь покрывает поверхности микрошариков, оставляя воздушные зазоры между ними.
Алюмосиликатные микрошарики, в том числе с многополостной структурой могут быть получены путем выделения таких микрошариков из золо-шлаковых отходов, полученных от сжигания пылевидного угля на электростанциях. Поскольку физические и химические параметры микрошариков определяются видом используемого топлива (угля), режимом работы котлов электростанции и др., то на практике возможно получение алюмосиликатных микрошариков с однополостной или многополостной внутренней структурой. (См. "Characterization of Ash Cenosphere in Fly Ash from Australian Power Stations" Energy Fuels, 2007, 21(6), pp 3437-3445, копия прилагается).
В известном (фиг.1) и предлагаемом материале-инструменте (фиг.2) при равенстве суммарных внутренних объемов нескольких однополостных микрошариков (на схеме трех, как один из возможных вариантов) и одного многополостного микрошарика (при этом (V1+V2+V3) прототипа равно (V1+V2+V3) предложенного решения), суммарные площади поверхностей микрошариков различны: в известном решении-прототипе указанная площадь больше и поэтому требуется большее количество связки, а это увеличивает необходимое количество воды для ее растворения при переводе материала из твердого состояния в жидкое, а также увеличивает время и потребление энергии для сушки при переводе материала из жидкого состояния в твердое.
В предлагаемом решении вследствие наличия в микрошариках радиальных перегородок, образующих многополостную структуру, увеличивается коэффициент теплопроводности микрошариков и материала в целом, что позволяет экономить энергозатраты на сушку (термообработку), а также увеличивается коэффициент теплового расширения материала. Подбирая необходимое количество микрошариков с многополостной структурой, можно изготавливать материал-инструмент с коэффициентом теплового расширения равным коэффициенту теплого расширения композиционного изделия.
Для реализации одного из вариантов использования предлагаемого материала используется устройство, схематически изображенное на фиг.3.
Материал-инструмент по предлагаемому техническому решению укладывается в ложе 6 в форме жидкой пасты 7 и закрывается тонкой нейлоновой пленкой 8. Далее модель будущего изделия (на схеме не показана), вдавливается в поверхность материала 7 с образованием в материале соответствующего профиля, при этом за счет текучести и подвижности материала формируются тончайшие детали профиля. Затем материал вакуумируется, т.е. из него удаляется часть влаги, и досушивается за счет подвода тепла (на схеме не показано). Вследствие твердения связки твердеет весь материал, превращаясь в формующий инструмент, сохраняя заданную моделью форму. Далее композитное изделие изготавливается известными способами, например, на полученную форму укладывают слой препрега, вакуумный мешок, подают смолу и под вакуумом формуют изделие, которое затем отверждают в автоклаве (на схеме не отражено). Для перевода материала инструмента из твердого состояния в жидкое в ложе 6 подается вода, связка материала 2 растворяется и он превращается в пасту 7, после чего процесс может повторяться многократно.
Использование предлагаемого материала не ограничивается данным примером, а может быть, например, использовано и для получения оправки, которая после изготовления готового полого композитного изделия (например намоткой слоев) просто удаляется из него вместе с потоком воды комнатной температуры в отдельную емкость.