Листовой композитный материал
COMPOSITE SHEET MATERIAL

Изобретение относится к конструкции листового композитного материала, упрочненного углеродной тканью и металлом, который может быть использован в различных отраслях промышленности при конструировании жестких обечаек стойких к агрессивным средам и повышенной температуре.
Известен композиционный материал на основе магниево-литиевого сплава, который в качестве упрочните ля содержит углеродное волокно. См. патент РФ №2171311. М. кл. С22С 47/20. Матрица материала имеет слоистое строение и дополнительно содержит наружные слои из алюминиево-литиевого сплава. Слои из магниево-литиевых сплавов выполнены со структурами α-, (α+β)- и β-твердых растворов. Способ включает сборку обечайки-полуфабриката, вакуумирование, нагрев и пропитку упрочняющего волокна через жидкую фазу лития, горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку. Операции способа проводят последовательно-непрерывно непосредственно в обечайке-полуфабрикате. Устройство включает системы нагрева, вакуумирования и напуска прессующего инертного газа, оправку для формирования и установки полуфабриката обечайки, полую стойку, разделенную герметичной перегородкой на верхнюю и нижнюю части, нижнее и верхнее опорные и фиксирующие кольца. При этом оправка выполнена сборной. Техническим результатом изобретения, по мнению авторов, является повышение показателей удельной прочности и снижение массы материала.
К недостаткам известного материала можно отнести недостаточную жесткость материала, низкую его стойкость к агрессивным средам и высокую себестоимость.
Широко известна стойкая к агрессивным средам, легированная, нержавеющая, жаростойкая листовая сталь, производство которой является дорогостоящим процессом. К тому же нержавеющая сталь имеет большой удельный вес, что представляет значительные трудности в транспортировке изделий из нее в стесненных производственных условиях, например, при изготовлении и установке ограждений-кожухов в узких галереях над транспортерными лентами с агрессивным перемещаемым ими материалом.
Известен более совершенный слоистый материал по патенту РФ №2544827 «Сотовая панель из полимерного композиционного материала и способ ее изготовления» - прототип, содержащая средний армирующий слой сотового заполнителя и наружные обшивки, при этом слой сотового заполнителя выполнен из термореактивного полимерного композита, наружные обшивки выполнены из препрега на основе термопластичной матрицы из полимерного композиционного материала, при этом в слое каждой обшивки, прилегающем к сотовому заполнителю, содержится термореактивный клей, внедренный в структуру волокнистого материала обшивки со стороны, прилегающей к сотовому заполнителю, и в составе термореактивного клея содержится термопласт идентичной природы с полимерной матрицей обшивки. В качестве препрега обшивки использован дуплексный препрег, образованный с одной стороны волокнистым полимерным композиционным материалом, совмещенным с термопластичной пленкой, и с другой стороны пропитанный термореактивным клеем.
К недостаткам известного слоистого композиционного материала можно отнести недостаточную жесткость готового листового материала, связанную с отделением армирующего сотового слоя материала от наружных его слоев и его податливость при нагрузке, а также низкую стойкость материала при повышенной температуре.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатком прототипа, в частности повышение жесткости материала, обеспечение стойкости при работе в агрессивных средах и при повышенной температуре.
Поставленный технический результат достигается использованием сочетания общих с прототипом известных признаков включающих соединенные при помощи связующего слои из минерального сырья и армирующего слоя и новых признаков, заключающихся в том, что в качестве армирующего слоя листовой материал снабжен армирующей металлической просечно-вытяжной сеткой и выполнен в виде последовательно и симметрично расположенных относительно армирующей сетки слоев базальтовой и/или углеродной ткани и стеклоткани, соединенные при помощи минерального клея-связующего - натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия, при этом нижние от армирующей сетки слои базальтовой и/или углеродной ткани и стеклоткани со связующим выполнены по периметру армирующей сетки с технологическим запасом, наложенным на верхние слои материала.
Соотношение натриевого жидкого стекла и отвердителя кремнефтористого натрия в минеральном клее-связующем - в весовых частях выполнено как 90-100 к 10-25.
Технологический запас нижних слоев базальтовой или углеродной ткани и стеклоткани по периметру армирующей сетки по ширине выполнен равным 2,0-5,0 толщины материала.
Новизной предложенного композитного материала является наличие в качестве армирующего слоя армирующей металлической просечно-вытяжной сетки и выполнение материала в виде последовательно и симметрично расположенных относительно армирующей сетки слоев базальтовой и/или углеродной ткани и стеклоткани, соединенные при помощи минерального клея-связующего - натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия, при этом нижние от армирующей сетки слои базальтовой и/или углеродной ткани и стеклоткани со связующим выполнены по периметру армирующей сетки с технологическим запасом, наложенным на верхние слои материала.
Так, наличие в листовом материале армирующей металлической просечно-вытяжной сетки обеспечивает более надежное соединение при помощи связующего просечно-вытяжной сетки с контактирующим с ней материалом - стеклотканью, а стеклоткани при помощи связующего с базальтовой тканью и/или углеродной тканью и позволяет значительно увеличить жесткость листового композитного материала. Верхняя и нижняя плоские поверхности просечно-вытяжной металлической сетки и вертикально выполненные стороны отверстий в сетке имеют значительно большие площади соприкосновения при помощи связующего с контактирующими сверху и снизу слоями стеклоткани и как следствие, в сочетании с жесткостью металлической сетки, конечный листовой материал приобретает высокую стойкость к изгибающим нагрузкам, позволяющую конструировать различные по прочности в том числе ответственные изделия и детали.
Выполнение материала из последовательно и симметрично расположенных относительно армирующей сетки слоев базальтовой и/или углеродной ткани и стеклоткани, соединенные при помощи минерального клея-связующего - натриевого жидкого стекла и отвердителя кремнефтористого натрия позволяет создать жесткий листовой композитный материал, стойкий к агрессивным средам, позволяет сохранять жесткость при повышенной до +300°С температуре, является легким материалом с более низкой себестоимостью.
Выполнение нижних от армирующей сетки слоев базальтовой и/или углеродной тканей и стеклоткани со связующим по периметру листового материала с технологическим запасом, наложенным на верхние слои материала позволяет ограничить через торцы слоистого материала доступ во внутрь материала окружающего воздуха и тем самым повысить срок службы, сохранить жесткость и обеспечить стойкость и надежность работы материала.
Соединение слоев из минерального сырья и армирующего слоя при помощи минерального клея-связующего - натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия обеспечивает качественное и надежное соединение всех слоев листового материала друг с другом и направлено на достижение поставленного предполагаемым изобретением технического результата.
При проведении патентно-информационных исследований сочетания предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не обнаружено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание известных и новых признаков не известно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.
Описание осуществления возможностей изготовления предлагаемого устройства и проведенные опытные работы по его испытаниям позволяют отнести его к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение А-А на фиг. 4 симметрично относительно армирующей сетки расположенных слоев материала с исходным положением технологического запаса нижних слоев материала с левой стороны и наложенного технологического запаса на верхние слои с правой стороны.
На фиг. 2 схематично представлено поперечное сечение листового материала после воздействия на него давления с затвердевшим связующим между его слоями.
На фиг. 3 схематично изображено поперечное сечение материала с симметрично расположенными относительно армирующей сетки двойными слоями базальтовой и/или углеродной ткани.
На фиг. 4 показано сечение В-В на фиг. 3 по армирующей сетке.
Предлагаемый листовой композитный материал состоит из наружных слоев 1 базальтовой и/или углеродной тканей, внутренних - из стеклоткани 2, армирующей просечно-вытяжной сетки 3 и слоев 4 связывающего их материала - натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия. На нижних слоях углеродной и/или базальтовой тканей со связующим по периметру выполнен технологический запас 5 материала, выступающий по ширине на 2,0-5,0 толщин конечного материала. На фиг. 1 с правой стороны технологический запас 5 материала загнут и наложен на верхние слои.
Предлагаемый материал изготавливают следующим образом: Плоскую поверхность требуемых размеров накрывают адгезивной пленкой, например, поливинилэтилалевой пленкой. Далее на адгезивную пленку укладывают подготовленную по размерам базальтовую или углеродную ткань 1, на которую наносят слой 4 связующего - натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия в соотношении например, 90 весовых частей жидкого стекла и 10 весовых частей кремнефтористого натрия. На слой базальтовой или углеродной ткани со связующим накладывают подготовленную по размерам стеклоткань 2 и вновь наносят слой 4 связующего. На уложенные слои базальтовой и/или углеродной ткани со слоями 4 связующего укладывают просечно-вытяжную сетку 3. При этом размеры сетки по периметру меньше размеров нижних слоев базальтовой или углеродной ткани на величину технологического запаса с каждой стороны, который по ширине равен 2,0-5,0 толщины готового материала. На армирующую просечно-вытяжную сетку 3 сначала наносят слой 4 связующего, а затем укладывают слой стеклоткани с нанесенным с нижней ее стороны слоем 4 связующего. На верхнюю поверхность стеклоткани также наносят слой 4 связующего и накрывают сверху базальтовой или углеродной тканью. Далее технологический запас нижних слоев загибают и накладывают на верхние слои, после чего материал накрывают адгезивной пленкой и на материал воздействуют давлением под прессом или под вакуумом в «мешке» равном 180-220 кПа. Далее материал подвергают выдержке в течении времени затвердевания связующего, равного 6,0-24,0 часа. По окончании затвердевания связующего получается загерметизированный с торцов жесткий, стойкий к повышенной температуре и агрессивным средам конструкционный материал.
В вариантном исполнении количество слоев базальтовой или углеродной тканей в зависимости от требуемых условий эксплуатации может быть два, как это представлено на фиг. 3., и более.
Выполнение соотношение натриевого жидкого стекла и отвердителя - кремнефтористого натрия в минеральном клее-связующем - в весовых частях как 90-100 к 10-25 позволяет получать материал с заданной жесткостью и прочностью, обеспечивающее длительные сроки использования материала.
Выполнение технологического запаса нижних слоев базальтовой или углеродной ткани и стеклоткани, соединенные при помощи минерального клея-связующего, по периметру материала по ширине равной 2,0-5,0 толщины материала позволяет надежно осуществить герметизацию материала по торцам и предотвратить попадание атмосферного воздуха во внутрь материала.
В настоящее время на предприятии на материал и технологию изготовления разработана техническая документация, изготовлена опытная партия листового материала предлагаемой конструкции, которая проходит испытания. Предварительные результаты испытаний - положительные.
По результатам комплексных испытаний будет принято решение о постановке на производство предлагаемого материала.