СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ КОМПОЗИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ДВОЯКОЙ КРИВИЗНЫ
METHOD OF MAKING BICURVED LAMINAR COMPOSITE SHELL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к судостроению и другим отраслям машиностроения, где применяются изделия в виде оболочек двоякой кривизны из армированных полимероматричных композитов с покрытиями или промежуточными слоями из эластомеров.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционным способом нанесения покрытия из эластомера при малой толщине покрытия является напыление. Толстостенные покрытия наносятся путем приклеивания отвержденных элементов покрытия в виде плоских квадратов или прямоугольников. Для удержания элементов покрытия на поверхности оболочек двоякой кривизны до затвердевания клеевого слоя используются специальные приспособления, а образующиеся между приклеиваемыми элементами полости требуют заполнения материалом того же состава, что и эластомер, используемый для изготовления покрытия, или специальным герметиком.
Недостатками такого способа нанесения покрытия являются: высокая трудоемкость, связанная с монтажом и демонтажом устройств, удерживающих элементы покрытия в искривленном состоянии, соответствующем поверхности изделия, до отверждения клея; малые размеры и, следовательно, большое число элементов; необходимость дополнительных операций по заполнению пустот.
Еще одним недостатком такого способа нанесения покрытия является возникновение остаточных напряжений в клеевом соединении. Кроме того, материал для заполнения пустот обычно имеет свойства, отличающиеся от свойств покрытия, что создает неоднородность последнего.
Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования покрытия (оболочки), раскрытый в ЕР 2014452 А1, заключающийся в том, что согласно этому способу покрытие (оболочку) составляют из большого количества лент заранее заданной длины и ширины. Ленты наносят по очереди, одну за другой, под небольшим углом друг к другу. Недостатком способа является то, что при нанесении могут возникать пустоты между элементами покрытия.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание способа нанесения покрытия, обеспечивающего минимизацию остаточных напряжений, устранение пустот между элементами покрытия и снижение трудоемкости монтажа.
Указанная задача решена с помощью предложенного способа изготовления многослойной композитной оболочки двоякой кривизны.
Технический результат изобретения заключается в том, что между полосами не образуется незаполненных пустот, нанесение покрытия не требует обработки поверхности, на которую оно наносится, и не требуется использование клеев и герметиков.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения предложен способ изготовления многослойной композитной оболочки двоякой кривизны с наружными слоями из высокоэластичного полимерного материала - эластомера и промежуточными слоями из полимероматричного композиционного материала, которые чередуются со слоями из эластомера, включающий операции поочередного формования в технологической оснастке слоев эластомера и слоев композитного материала и отверждения набранного пакета, причем
сначала плоскую пластину из недоотвержденного эластомера нарезают на полосы, укладывают их встык в оснастку парными слоями, в одном из которых полосы располагают параллельно одной линии главной кривизны, проходящей вблизи центра поверхности оболочки, в другом - параллельно второй линии главной кривизны до набора заданной толщины слоя эластомера, а затем формуют слой полимерного композиционного материала, и так до получения полной толщины оболочки с заданным чередованием слоев, после чего отверждают указанный материал с доотверждением эластомерных слоев.
Согласно одному из вариантов реализации изобретения оснастку размещают так, что нормаль к поверхности вблизи ее центра близка к вертикали.
Согласно другому варианту реализации изобретения формирование слоя эластомера начинают с полосы, расположенной вблизи центра поверхности оболочки, располагая следующие полосы с разных сторон от первой полосы.
Согласно следующему варианту реализации изобретения полосы эластомера изготавливают имеющими толщину, кратную половине толщины его слоя в оболочке, и нарезают на полосы шириной от 1/10 до 1/20 наименьшего радиуса кривизны оболочки.
Согласно еще одному варианту реализации изобретения первую полосу в каждом парном слое укладывают в сечениях с максимальной кривизной.
Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации изобретения эластомер представляет собой вспененный олигоэфир параоксибензойной кислоты или полиуретан. Другие подходящие вспененные полимеры могут быть выбраны специалистом из числа известных полимерных материалов, подходящих для целей настоящего изобретения.
При нанесении покрытия или промежуточного слоя многослойной оболочки из композитного материала в виде полос из недоотвержденного материала исключается возникновение в соединениях остаточных напряжений, которые релаксируют в процессе доотверждения.
Укладываемые слои принимают форму поверхности матрицы или предыдущего слоя за счет высокоэластической деформации (текучести) недоотвержденного материала. По той же причине не возникает пустот между прилегающими друг к другу слоями. Расположение полос в направлениях главной кривизны оболочки предотвращает или уменьшает их искривление в плоскости полосы в процессе укладки и отверждения и сползание по поверхности оболочки. С этой же целью формирование оболочки начинают с полосы, проходящей через центр поверхности оболочки. Располагаемые с двух сторон от центральной полосы прижимаются к ней силой тяжести.
Расположение полос в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет исключить совпадение на значительной длине границ между полосами.
Ширина полосы выбирается из условия удобства ее укладки и возможности деформирования по поверхности оболочки без вспучивания. Преимуществом вспененного полиуретана и олигоэфиров параоксибензойной кислоты является их высокая звукопоглощающая способность и возможность доотверждения одновременно с отверждением композита.
ПРИМЕРЫ
Приведенное выше описание можно лучше понять с помощью следующих примеров, предназначенных для иллюстрации способов реализации изобретения и не ограничивающих его объем.
Пример 1
Получение многослойной композитной оболочки путем формирования покрытия толщиной 16 мм из вспененного олигоэфира параоксибензойной кислоты с отвердителем на оболочке из стеклопластика, имеющей форму полусферы толщиной 22 мм.
Радиус кривизны оболочки составлял 1.5 м, размер 3×3 м. Матрицу для изготовления оболочки устанавливали так, что в ее центре нормаль к касательной плоскости вертикальна.
Смесь олигомера с отвердителем наносили на предварительно обработанную разделительным составом плоскую стеклянную или металлическую пластину размером 2×2 м. Слой смеси во вспененном состоянии должен составить 4±0,5 мм. Затем смесь выдерживали при температуре +60°С в течение 2 часов. Далее полученную полуотвержденную пластину разрезали на полосы шириной 100 мм, которые укладывали на матрицу параллельно, начиная с центральной линии. Далее процесс повторяли еще 3 раза, причем во 2 и 4 случае (2-й и 4-й повтор) полосы укладывали в направлении, перпендикулярном первому, а в 3-м случае - параллельно первому.
Сформированное изделие отверждали по режиму, необходимому для отверждения стеклопластика: выдержка при температуре 80°С в течение 8 часов и при температуре 140°С в течение 2 часов с получением готового изделия.
Пример 2
Осуществляли формирование покрытия на стеклопластиковой оболочке аналогично Примеру 1, а затем дополнительно осуществляли нанесение внутреннего слоя покрытий согласно способу, описанному в Примере 1.
Пример 3
Осуществляли формирование покрытия на стеклопластиковой оболочке аналогично Примеру 1 с той разницей, что в качестве материала покрытия использовали вспененный полиуретан.
Для полученных многослойных композитных оболочек дефекты в виде пустот на линии стыков полос, между слоями покрытия и между покрытием и оболочкой при ультразвуковой дефектоскопии не были обнаружены. Остаточные напряжения путем надреза покрытия выявлены не были.
Трудоемкость получения покрытия по сравнению с приклейкой элементов размером 500×500 мм и толщиной 16 мм снижается на 40-50%.
Приведенные выше результаты показывают, что многослойная композитная оболочка, полученная по способу согласно настоящему изобретению, характеризуется отсутствием поддающихся обнаружению остаточных напряжений и отсутствием пустот между элементами покрытия, при этом трудозатраты на монтаж элементов оболочки сократились почти вдвое.
Предпочтительные варианты реализации предложенного способа охарактеризованы ниже в зависимых пунктах формулы изобретения.