ВОЛОКНИСТАЯ ЗАГОТОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗДЕЛИЙ

Область техники
Полезная модель относится к области создания легких и прочных конструкций и изделий. Более точно, к компактным и легким изделиям стационарного и мобильного назначения в авиастроении, судостроении, автомобилестроении и может найти применение в области создания непотопляемых средств, в частности понтонных мостов, причалов, вертолетных площадок на воде, в проектах строительства плавающих городов, во всех конструкциях и изделиях, где требуется сочетания легкости и высокой прочности.
Предшествующий уровень техники.
В настоящее время известны технологии создания изделий и конструкций на основе полимерных волокон (Л.И. Бондалетова. В.Г. Бондалетов. Полимерные композиционные материалы. Издательство Томского политехнического университета. 2013 г.) в которых применяются волокна различной длины от мелкодисперсных до непрерывных, являющихся армирующим материалом, связанным полимером, например, эпоксидной смолой.
Современное производство элементов конструкций из полимерных композиционных материалов в значительной мере ориентируется на препреговую технологию изготовления изделий. Препреги - это композиционные материалы - полуфабрикаты - ткани и волокна из стекла, базальта, углерода предварительно пропитанные пред-катализированной смолой при высоких температурах и давлении. Смолы в препрегах находятся в полутвердом состоянии. Ее полное отверждение происходит при формировании заданной формы изделия. На основании препрегов создаются изделия, конструкции самой разнообразной формы и назначения
Известны патенты, в которых представлены различные материалы и структуры заготовок для изготовления конструктивных элементов сложных функциональных элементов.
Композиционные материалы, произведенные с помощью стекловолокон по патенту на изобретение №2556680, могут иметь неорганическую матрицу, но композиционные материалы с органической матрицей являются особенно предпочтительными. В частности, волокна данного изобретения могут быть использованы с термореактивными смолами, термопластичными полимерами или подобными эластомерами. В случае термореактивных смол волокна могут быть пропитаны в приспособлении для формования композита (например, RTM (трансферное формование пластмасс), листовое прессование или формование намоткой волокон) или предварительно пропитаны, формируя препрег или жгут, пропитанный синтетической смолой для упрочнения. Для термопластичных полимеров прямая пропитка сухих волокон является проблематичной, из-за, как правило, высокой вязкости термопластичных расплавов, и поэтому необходим растворитель для снижения вязкости. Но экстракция растворителя после формирования является время- и энергозатратной и вызывает серьезные проблемы для окружающей среды. Предпочтительным является произвести жгуты, пропитанные синтетической смолой для упрочнения, в которых стекловолокна тщательно смешаны с термопластичной матрицей, присутствующей либо в виде порошка, либо в виде нитей. Как и в случае со стекловолоконно-термореактивными препрегами, стекловолоконно-термопластичные материалы, пропитанные синтетической смолой для упрочения, пропитывают и отверждают.
Панели или более сложные функциональные элементы, например, в автомобильной и аэрокосмической промышленностях могут быть произведены с помощью любой из технологий изготовления, известных в уровне техники, таких как трансферное формование пластмасс (RTM), компрессионное прессование, формование методом вакуумного мешка, автоклавное формование, формование намоткой волокон и т.п. Сосуды высокого давления могут предпочтительно быть произведены с помощью формования намоткой волокон. Альтернативно их можно производить с помощью укладки волокон, например, в виде оплеточной или вязаной заготовки на надувную камеру, и целую систему затем помещают в закрытое приспособление, определяющее полость. Смолу либо впрыскивают, если волокна сухие, либо в случае препрегов или жгутов, пропитанных синтетической смолой для упрочнения, температуру повышают и камеру надувают, чтобы спрессовать волокна и матрицу вплотную к внутренним стенкам приспособления, определяющим полость, чтобы произвести пропитку волокон.
В патенте №2544827 предложена сотовая панель, содержащая средний сдой сотового заполнителя и наружние обшивки, при этом слой сотового заполнителя выполнен из термореактивного полимерного композита, наружние 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.
Согласно патентам США US 4242160 и US 4381960 лопасти ветродвигателя можно произвести с помощью наматывания лент ровницы или пучков ровницы вокруг сердечника или оправки. Они также могут быть изготовлены с помощью объединения двух половин корпуса, произведенных, например, с помощью компрессионного прессования, формования методом вакуумного мешка, автоклавного формования или тиснения препрегов.
Известно изобретение, относящееся к волокнистой заготовке для изготовления волокнистых композитных структур и конструктивным элементам из композитного материала. Патент №2583017 от 11.11.2011. (Авторы: Вольманн Бернд Шнайдер Маркус, Вегингер Андреас, Оберваренброк Франк). Техническим результатом является повышение прочности и упрощение изготовления. Технический результат достигается тем, что в волокнистой заготовке для изготовления волокнистых композитных структур, стенка состоит из армирующих волокон. Стенка имеет первую поверхность и расположенную напротив первой поверхности вторую поверхность, и проходящую между этими поверхностями толщину, и ограничена кромками. При этом стенка имеет первую зону из пучков армирующих волокон, содержащих первую композицию смол, и вторую зону из волокнистой ленты, состоящей из содержащего вторую композицию смол однонаправленно ориентированного жгута армирующих нитей. Причем пучки армирующих волокон в первой зоне, если смотреть параллельно протяженности толщины, ориентированы в различных пространственных направлениях относительно друг друга. Каждый пучок армирующих волокон состоит из ориентированных параллельно друг другу филаментов армирующих волокон, имеет длину в пределах от 3 до 50 мм и содержит первую композицию смол с концентрацией в пределах от 1 до 10 вес. %, относительно веса волокна. Стенка волокнистой заготовки содержит долю армирующих волокон, составляющую более 35 объемн. %. Причем вторая зона, если смотреть перпендикулярно протяженности толщины стенки, образует дискретную область, и волокнистая лента заканчивается одним из своих концов внутри стенки.
В общем случае волокнистые заготовки, предназначенные для изготовления конструктивных элементов сложных изделий, имеют следующую структуру: армирующие волокна, которые могут быть соединены между собой с помощью связующих материалов и собраны в пучки, помещены в оболочку (обшивку), например, из препрега.
Все изложенные выше решения имеют существенный недостаток они тяжелые и практически не имеют возможности варьировать вес заготовки или конструкции в зависимости от их функции в изделии.
Сущность полезной модели.
Проблемой, решаемой настоящим устройством является преодоление недостатков известного уровня техники.
Техническим результатом является обеспечение создания заготовок конструкций и изделий, требующих сочетания двух свойств: легкости и высокопрочности, позволяющих создать на их основе мобильные системы такие как плавсредства, летательные аппараты, автомобили и другие средства транспорта и доставки, а также стационарных систем и объектов, например, быстровозводимых причалов, понтонных мостов, вертолетных площадок и плавающих городов.
В данном описании понимают:
- под капилляром - полые трубки с внешним диаметром, как правило, от 5 до 5000 мкм.
- пучком капилляров - набор капилляров скрепленных между собой
- под микросферами - полые частицы в форме сфер, заполненные газом, Размер микросфер зависит от технологии их получения и находится в диапазоне от единиц до сотен микрометров. толщина оболочки 0,8-1,0 мкм. Микросферы производятся, как правило, на основе стекла, алюмосиликатов и полимеров.
Для достижения указанного результата предложена волокнистая заготовка для изготовления конструктивных элементов изделий, содержащая армирующие волокна, помещенные в оболочку, и связующие материалы, при этом армирующие волокна выполнены в виде капилляров.
Кроме того,
- капилляры выполнены из базальта, или стекла, или кварца, или полимера, или металла.
- оболочка выполнена из препрегов.
- внешний профиль капилляра выполнен круглым, или многогранным, или трехгранным, или квадратным, или прямоугольным, или шестигранным, или произвольной формы
- внутренняя полость капилляра заполнена жидкой, или газообразной, или полимеризующейся затвердевающей средой.
- капилляры собраны в пучки.
- капилляры соединены между собой связующим материалом локально, или точечно, или по всему объему между ними.
- пространство между капиллярами заполнено полыми микросферами.
- пучки капилляров соединены между собой связующим материалом локально, или точечно, или по всему объему между ними.
- пространство между пучками капилляров заполнено полыми микросферами.
На Фигуре представлена волокнистая заготовка, где
1 - плотно упакованные капилляры;
2 - оболочка из препрегов.
Осуществление полезной модели.
Плотно упакованные капилляры 1 как показано на фигуре, могут быть выполнены из стекла, базальта, полимера, металла. Капилляры между собой соединяются либо клеем, либо полимером, либо сплавляются между собой за счет нагрева, в том числе и локального нагрева или другим способом. Соединение капилляров может осуществляться точечно, либо в местах контакта капилляров, либо связующее заполняет все пространство между капиллярами. Расположение капилляров в создаваемой заготовке может быть параллельным или каждый слой капилляров расположен под углом, последнее расположение капилляров придает большую прочность заготовке, если заготовка работает при изменяющихся по различным направлениям силовым нагрузкам на нее. Капиллярная структура может помещаться между препрегами 2 и на пресс-форме при повышенных температурах этой капиллярной структуре с препрегами придается определенная форма волокнистой заготовки для изготовления волокнистых композитных структур и конструктивных элементов изделий. В случае получения цилиндрических, конусных, эллипсных или шаровых заготовок, например, корпуса фюзеляжа, заготовки из капилляров наматываются по традиционной технологии намотки фюзеляжей из волокон. Заготовки, выполненные на основе капилляров, имеют малый вес, что позволяет их использовать в мобильных изделиях, кроме этого, можно создавать непотопляемые изделия для чего удельный вес изделия должен быть меньше удельного веса воды. Кроме этого при разрушении части изделия оно сохраняет плавучесть. При технологической необходимости капилляры могут заполняться газообразной средой, например азотом для использования его для создания средств пожаротушения, иные вводимые среды могут использоваться для создания средств для кондиционирования, как хранилище топлива и т.п. Кроме этого, создание избыточного давления среды в капиллярах или введение полимеризующихся сред внутрь капилляров придает конструкции дополнительную жесткость. Отличительной особенностью является заполнение пространства между капиллярами микросферами, которые исключительно легкие, предают заготовке высокие прочностные свойства. Микросферы производятся, как правило, на основе стекла, алюмосиликатов и полимеров. При частичном разрушении заготовки, использующей в конструкции микросферы, это не приводит к потоплению плавсредств. Такое плавсредство будет иметь повышенную плавучесть. Для исследования характеристик заготовок использовались стеклянные микросферы с диаметром 100 мкм и толщиной оболочки 1,0 мкм, производимые в НПО «Стеклопластик» г. Зеленоград.
Капилляры могут сначала формироваться в пучки, которые затем соединяются между собой и затем помещаются в оболочку из препрега для дальнейшего формирования изделия. Пространство между пучками также может заполняться микросферами.
Сравним прочностные и весовые характеристики пучка капилляров волокнистых заготовок. Пучок капилляров волокнистой заготовки из базальтовых капиллярных структур с диаметром 200 мкм, длиной заготовки 100 мм, шириной 100 мм, высотой 18,65 мм имеет вес 1,43 кг, такая же заготовка из базальтовых нитей имеет вес 2,5 кг, т.е. заготовка из капиллярных структур в 1,7 раз легче. Если сравнить вес пучка капилляров из базальта с внутренним диаметром капилляров 200 мкм и внешним диаметром 220 мкм, то одинаковые объемы пучка капилляров и воды будут отличаться более чем 2,5 раза, т.е., такой пучок капилляров имеет большой запас плавучести и может держать на плаву дополнительный вес, превышающий вес волокнистой заготовки из пучка капилляров в 2,5 раза. Прочность базальтовых капилляров на растяжение находится на уровне 3-4 ГПа, Для сравнения, прочность высокопрочных сталей находится на уровне 0,5 ГПа.
Расчеты показали, что волокнистая заготовка, изготовленная из капилляров из полиимида, арамида или высокомолекулярного полиэтилена, которые имеют прочность до 5 ГПа, весит 0,77 кг, а аналогичная заготовка из сплошных волокон 1,3 кг.
Таким образом, такое конструктивное выполнение волокнистых заготовок обеспечивает их высокую прочность и низкий удельный вес, что позволит выйти на качественно новый уровень создания изделий самого различного назначения.
Полезная модель может быть осуществлено на основании настоящего описания. Все необходимые для этого средства и методы раскрыты в описании, либо известны специалисту из уровня техники.
Также следует понимать, что представленные в настоящей заявке графические материалы приведены исключительно в иллюстративных целях и не предназначены для того, чтобы быть ограничивающими.