ПРЕПРЕГ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
PREPREG AND ARTICLE MADE FROM SAID PREPREG

Изобретение относится к области высокопрочных композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих, которые могут быть использованы в авиационной промышленности, в машиностроении и других областях техники.
Известен препрег и композиционный материал на основе эпоксидного связующего, модифицированного каучуком, и углеродного волокна в качестве наполнителя, полученные пропиткой углеродных волокон эпоксидным связующим с последующим отверждением (патент EP №0927737).
Недостатком этого материала является снижение упругопрочностных и эксплуатационных характеристик вследствие того, что препрег получают пропиткой наполнителя связующим в виде раствора в спиртоацетоновой смеси, что вызывает необходимость удаления растворителя в процессе пропитки и приводит к повышенной пористости материала.
Известен препрег, включающий связующее на основе эпокситрифенольной смолы и углеродный жгут в качестве волокнистого наполнителя, и изделие, выполненное из него (патент РФ №2263690).
Недостатком изделий, выполненных из известного препрега, является невысокая прочность при сжатии и при растяжении.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является препрег, включающий в качестве связующего эпоксидную клеевую композицию, содержащую эпоксидиановую смолу или ее смесь с одной или несколькими эпоксидными смолами, выбранными из группы N,N-тетраглицидиловое производное 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана, полиглицидил-производное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицилпроизводное парааминофенола, отвердитель - дициандиамид и полиарилсульфон, и углеродную ткань или тканую ленту в качестве волокнистого наполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанная клеевая композиция
30-60
Указанный углеродный наполнитель
40-70
и изделие, выполненное путем формования указанного препрега (патент РФ №2230764).
В качестве волокнистого наполнителя в прототипе использована углеродная лента ЭЛУР-0,1П, выполненная из углеродных нитей с круткой 50 кр/м и линейной плотностью 10 текс, не разделяемых на элементарные волокна.
Недостатками препрега-прототипа и изделий из него являются недостаточная прочность при растяжении, сжатии и межслоевом сдвиге, а также невысокая стойкость к ударному воздействию. Кроме того, лента типа ЭЛУР не позволяет варьировать толщину монослоя получаемого полимерного композиционного материала и соответственно толщину изделия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание препрега на основе эпоксидной клеевой композиции и волокнистого углеродного наполнителя с повышенной прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, с повышенной стойкостью к ударному воздействию получаемых из него изделий.
Для решения поставленной технической задачи предложен препрег, включающий эпоксидную клеевую композицию, содержащую эпоксидиановую смолу или ее смесь с одной или несколькими эпоксидными смолами, выбранными из группы N,N-тетраглицидиловое производное 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицилпроизводное парааминофенола, отвердитель - дициандиамид и полиарилсульфон, и волокнистый углеродный наполнитель при соотношении компонентов в мас.%: клеевая композиция 30-60, наполнитель 40-70, который в качестве волокнистого углеродного наполнителя содержит обработанный эпоксидным аппретом наполнитель на основе углеродных жгутов, имеющих не более 2 круток на метр, линейную плотность 100-72000 текс и состоящих из элементарных волокон с прочностью 3000 МПа - 4500 МПа.
Наполнитель на основе углеродных жгутов может быть выполнен в виде ленты с редким утком из органических или неорганических волокон.
Предложено также изделие, выполненное путем формования указанного препрега.
Углеродный волокнистый наполнитель в виде жгутов применяется в виде нетканых форм, т.е. углеродные жгуты предварительно не подвергаются текстильной переработке (не ткутся). Жгуты также могут быть зафиксированы в виде ленты с редким утком, при этом нити утка могут быть изготовлены из волокон различного состава и природы - органических и неорганических. Используемые в заявляемом изобретении углеродные жгуты с минимальной круткой обеспечивают лучшую смачиваемость наполнителя связующим по сравнению с прототипом. Кроме того, в отличие от углеродных лент прототипа углеродные жгуты предварительно аппретируются, и наличие аппрета также способствует улучшению смачиваемости наполнителя связующим на границе раздела. Вследствие этого в препреге минимизируется количество макро- и микродефектов, что приводит к повышению уровня прочностных свойств и их стабильности, а также к снижению разброса по свойствам. Наполнитель в виде углеродных жгутов с заданными характеристиками в сочетании с высоковязким клеевым связующим обеспечивает упорядоченность структуры и, как следствие, повышение прочности при сдвиге полученного материала и изделия. Использование жгутового наполнителя также дает возможность варьировать толщину получаемого препрега в зависимости от предъявляемых требований к конечному изделию. Сочетание в препреге по заявляемому изобретению уникального клеевого связующего и предлагаемого жгутового наполнителя позволяет получить материалы и изделия с повышенной прочностью при растяжении и сжатии как вдоль, так и поперек волокна, а также с повышенной прочностью при изгибе, при сдвиге и остаточной прочностью после низкоскоростного удара при сохранении трещиностойкости, усталостной и длительной прочности на уровне прототипа.
В качестве связующего в заявляемом изобретении используются клеевые композиции марок ВСК-14-3, ВСК-14-4, ВСК-14-4 м и др. по ТУ 1-595-14-1034-2008.
Примеры осуществления
Пример 1
2
Аппретированные углеродные жгуты (ТУ 1916-002-75969440) (крутка 1 кр/м) с линейной плотностью 72000 текс и прочностью элементарного волокна 3000 МПа пропитывали расплавом связующего, представляющего собой клеевую композицию ВСК-14-4 м, при температуре 140°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 30 мас.%, углеродный наполнитель - 70 мас.%. Путем формования препрега при температуре 180°C и давлении 0,8-1,2 кгс/см в течение 3 ч получали высоконагруженную панель центроплана.
Пример 2
Аппретированные углеродные жгуты (ТУ 1916-146-05763346) (крутка 1 кр/м) с линейной плотностью 800 текс и прочностью элементарного волокна 4500 МПа пропитывали расплавом клеевой композиции ВСК-14-3 при температуре 120°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 60 мас.%, углеродный наполнитель - 40 мас.%. Путем формования препрега по режиму примера 1 получали оребренную панель крыла.
Пример 3
2
На углеродную жгутовую ленту (ТУ 1916-167-05763346), изготовленную из аппретированных углеродных жгутов (нити основы) с линейной плотностью 100 текс, прочностью элементарного волокна 4000 МПа, круткой 2 кр/м и стеклянной уточной нити, наносили расплав связующего, представляющего собой клеевую композицию ВСК-14-4. Пропитку осуществляли при температуре 100°C при соотношении компонентов: связующее - 37 мас.%, углеродный наполнитель - 63 мас.%. Путем вакуум-автоклавного формования при температуре 180°C и давлении 5-6 кгс/см в течение 3 ч получали лонжерон.
Пример 4 - прототип
Углеродную ленту ЭЛУР-П, изготовленную на основе углеродной нити с круткой 50 кр/м и линейной плотностью 10 текс, пропитывали расплавом связующего при температуре 100°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 30 мас.%, углеродный наполнитель - 70 мас.%. Путем формования препрега по примеру 2 получали обшивку трехслойной панели.
В таблице 1 приведены составы препрегов, в таблице 2- свойства материалов и изделий.
Из данных таблицы 2 следует, что материалы и изделия, получаемые на основе заявляемого препрега, имеют по сравнению с прототипом повышенную на 45-50% прочность при растяжении вдоль волокна, на 25% поперек волокна, повышенную на 30% прочность при сжатии вдоль волокна и в 2 раза поперек волокна, а также повышенную на 20% прочность при изгибе, прочность при сдвиге и на 25% остаточную прочность после удара, что позволит оптимизировать схему армирования изготавливаемой конструкции, уменьшить на 10-20%) вес изделия по сравнению с прототипом и снизить на 10-15% трудоемкость изготовления изделия.
Таблица 1
Наименование компонентов
Состав по примерам, мас.%
Прототип
1
2
3
1
Связующее - клеевая композиция
30
60
37
30
Углеродный жгут (ТУ 1916-002-75969440)
70
-
-
-
Углеродный жгут (ТУ 1916-146-05763346)
-
40
-
-
Углеродная лента на основе углеродных жгутов
-
-
63
Углеродная лента ЭЛУР-П0,1
-
-
-
70
Таблица 2
Наименование свойств
Примеры по изобретению
Прототип
1
2
3
Прочность при растяжении вдоль волокна, МПа
1700
2000
1400
950
Прочность при сжатии вдоль волокна, МПа
1350
1500
1100
900
Прочность при растяжении поперек волокна, МПа
50
60
45
40
Прочность при сжатии поперек волокна, МПа
300
300
250
140
Прочность при изгибе, МПа
1750
1800
1600
1400
Прочность при сдвиге, МПа
120
118
ПО
90
Остаточная прочность после низкоскоростного удара, МПа
195
198
200
150