СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНО АРМИРОВАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING VOLUMETRIC REINFORCED COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области получения композиционных материалов с низкой объемной плотностью, в частности углерод-полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК) композитам на основе многомерно-армированного углеволокнистого каркаса и ПЭЭК матрицы. Такие композиционные материалы могут быть использованы в медицине, авиационной, аэрокосмической, автомобильной, военной, и других отраслях промышленности.
Известен способ [1] изготовления объемно армированного композиционного материала углерод-углерод марки 4КМС-Л на основе стержневого каркаса. Каркас материала 4КМС-Л представляет собой объемную четырехнаправленную структуру, собранную из углепластиковых стержней на основе углеродного волокна и поливинилового спирта в виде гексагональной трансверсально-изотропной укладки. В данном случае термин «изотропная» характеризует только осесимметричность структуры каркаса, в которой стержни каждого из трех трансверсальных направлений расположены под одинаковым друг к другу углом 120. Структура получила название 4D-л. Известны армирующие структуры 3D, 4D и другие (см. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков. - М.: Машиностроение, 1987, с. 20-21), отличающиеся пространственным расположением стержней.
Объемно армированный композиционный материал марки 4КМС-Л имеет матрицу из углеродного материала, получаемую дорогостоящими и длительными процессами насыщения, материал с углеродной матрицей обладает высокой стоимостью и низкой трещиностойкостью матрицы.
Известен способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению [2]. Сущность изобретения состоит в том, что изготавливают каркас путем набора стержней из углеродного волокна в пучок цилиндрической формы, армируют его углеродным волокном и осуществляют нагрев до 900-950°С прямым пропусканием электрического тока в среде природного газа с выдержкой при этой температуре не более 24 часов. Испытания стойкости полученного этим способом материала к окислению на воздухе при 1200°С показали значительное повышение жаростойкости изделия.
Углеродные стержни диаметром 2 мм получали из углеродного волокна УКН-5000 на стержневой машине. Связующим был выбран водный раствор поливинилового спирта (ПВС), соотношение ПВС:вода - 1:2; температура отверждения была равна 200°С, длина готовых стержней составляла 0,5 м. Из готовых углеродных стержней набирали пучки цилиндрической формы диаметром 6-12 мм и закрепляли липкой лентой. Полученную заготовку устанавливали в патрон намоточной машины и плотно обматывали углеродным волокном, которое также закрепляли липкой лентой.
Предлагаемая аналогом заготовка имеет явный недостаток - анизотропия свойств, а также материал дорогостоящий, трудоемкий и энергоемкий, его не рационально применять в конструкциях, не требующих высокой стойкости к окислению.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ [3] изготовления объемно армированного композиционного материала (прототип), включающий изготовление армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением термореактивной смолой с известными требованиями, а затем полимеризацию смолы, армирующий каркас выполнен трехмерным и составлен из стержней диаметром 0,8-0,9 мм, а пропитка термореактивной смолой осуществляется методом инфузии в три этапа: вакуумирование до подачи связующего от 20 до 30 мин, подача связующего под вакуумом от 30 до 40 мин со скоростью 0,35 л/мин, промежуточная выдержка под вакуумом от 20 до 40 мин.
Недостатком данного способа является отсутствие биосовместимости материала с телом человека, низкая теплостойкость термореактивной смолы и материала соответственно.
Предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет в сравнительно простых технологических условиях (доступное оборудование, низкие температуры и давление, небольшая продолжительность процесса и другие) получать углепластиковый конструкционный материал с высокими удельными характеристиками и температурой эксплуатации до 250°С, имеющий биосовместимость с телом человека.
Техническим результатом является, обеспечение биосовместимости материала с телом человека, сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления объемно армированного композиционного материала, включающем изготовление многомерного армирующего каркаса путем набора стержней из углеродного волокна, помещение армирующего каркаса в форму, пропитку его под давлением связующим с формированием матрицы, используют стержни изготовленные из пропитанного полиэфирэфиркетоном (ПЭЭК) углеродного волокна, в качестве связующего используют ПЭЭК, а пропитку осуществляют ПЭЭК в следующей последовательности: разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления.
Армирующий каркас выполняют со структурой армирования 3D, 4D или 4D-л. Для изготовления армирующих каркасов могут быть применены стержни круглого сечения или заданной формы. При применении стержней заданной формы, для структуры армирования 3D используют стержни с прямоугольным сечением, для 4D - с сечением в виде шестигранника, для 4D-л - с сечением в виде шестигранника для стержней, устанавливаемых в осевом направлении и с прямоугольным сечением для стержней, устанавливаемых в трансверсальном направлении.
Матрица может быть сформирована путем размещения каркаса в форме, заполненной ПЭЭК или из ПЭЭК, содержащегося в стержнях.
Достижение биосовместимости материала с телом человека получают за счет применения биосовместимых компонентов углеродное волокно и ПЭЭК разрешенной марки, а также технологического процесса изготовления при котором не происходит изменение химического состава связующего. Сохранение высоких удельных характеристик, повышение температуры эксплуатации до 250°С достигается применением высокотемпературного термопластичного связующего - ПЭЭК и многомерной схемой армирования. Дополнительное повышение характеристик получают при увеличении наполнения материала волокном за счет применения стержней заданной формы (для 3D - прямоугольная, для 4D - шестигранная, для 4D-л - шестигранная в осевом, а в трансверсальном направлении прямоугольная).
Изготовление стержней выполняется пултрузией углеродного волокна через расплав ПЭЭК. ПЭЭК в реакторе доводят до температуры плавления. Через реактор пропускают углеродный жгут. На выходе из реактора устанавливают фильеру соответствующую сечению стержня. После фильеры стержень охлаждается. Движение с заданной скоростью обеспечивает тянущее устройство, которое контактирует с отвержденным стержнем и не повреждает его.
Сборку армирующего каркаса выполняют с применением оснастки, задающей пространственное расположение стержней в процессе сборки, и зависит от собираемой структуры 3D, 4D или 4D-л. Сборка может выполняться вручную или автоматизированным способом.
Пропитку собранного каркаса осуществляют ПЭЭК в следующей последовательности: помещение собранного каркаса в жесткую оснастку, заполнение камеры оснастки ПЭЭК для пропитки, разогрев до температуры плавления ПЭЭК и вакуумирование, промежуточная выдержка в вакууме, подача ПЭЭК, создание избыточного давления, промежуточная выдержка под давлением, охлаждение, снятие избыточного давления.
Описанным способом были изготовлены стержни круглого сечения диаметром 0,7 мм из углеродного волокна УКН-М-6К. Собрана армирующая структура 4D-л. Армирующий каркас помещали в форму, с формой разогревали до температуры плавления ПЭЭК 370°С и вакуумировали, скорость нагрева составляла, при достижении температуры 370°С выдержка 10 мин, создание избыточного давления 130 атм, охлаждение со скоростью 6°С под давлением до температуры 140°С, снятие избыточного давления.
Анализ полученного материала показал отсутствие деструкции ПЭЭК и изменение его химического состава, что показывает сохранение биосовместимости исходных компонентов.
3
Плотность образцов 1,3-1,31 г/см, прочность на растяжение в осевом направлении до 450 МПа. Температура длительной эксплуатации до 250°С.
Источники информации
1. Композиционные материалы: справ / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
2. Патент РФ 2090497, опубл. 20.09.1997 г., 3. 95101863 от 20.02.1995 г.
3. Патент РФ 2568725, опубл. 20.11.2015 г., 3. 2014124851 от 18.06.2014 г.