СПОСОБЫ, СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО БЛОКА ЭПОКСИСОДЕРЖАЩЕГО ПРЕПРЕГА
METHODS, SYSTEMS AND DEVICE FOR CURING OF COMPOSITE BLOCK OF EPOXY-CONTAINING PREPREG

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в общем относится к области композиционных конструкций. Более конкретно, настоящее изобретение относится к области отверждения композиционных блоков, содержащих эпоксисодержащие предварительно пропитанные компоненты.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Композиционные материалы, в том числе композиционные материалы для применения в аэрокосмической промышленности, содержат слои пропитанного композиционного материала или препреги, которые, в свою очередь, содержат смолы или смеси смолосодержащих соединений, в том числе эпоксидные мономеры, включая, без ограничения, многофункцинальный эпоксидный мономер(ы) и бифункциональный аминовый мономер(ы). Для получения пригодного для применения готового композиционного материала слои препрегов необходимо отверждать. Для обеспечения подходящей скорости реакции и, следовательно, осуществления отверждения в течение приемлемого времени, препреги в процессе отверждения обычно подвергают воздействию повышенных температур и давлений.
Например, современные волокнистые/эпоксидные предварительно пропитанные материалы для аэрокосмической промышленности содержат длинноцепочечные молекулы с эпоксидными звеньями и длинноцепочечные молекулы аминовых отвердителей. Для правильного отверждения деталей, изготовленных из композиционных материалов, общепринятые способы отверждения требуют применения высокой температуры в диапазоне от примерно 250°F (примерно 121°С) до примерно 355°F (примерно 179°С) (отверждение в печи). Другие общепринятые способы отверждения требуют применения как высокой температуры в диапазоне от примерно 250°F (примерно 121°С) до примерно 355°F (примерно 179°С), так и высокого давления в диапазоне от примерно 45 psi (примерно 310 кПа) до примерно 100 psi (примерно 690 кПа) (автоклавное отверждение). Печи и автоклавы, применяемые для создания условий отверждения композиционного материала (высокие температуры и высокие давления) являются дорогостоящими и занимают значительную площадь в процессе производства композиционных материалов, увеличивая общую стоимость производства комплектующих деталей и готового продукта. Кроме того, размер (габариты) указанных деталей, способных отверждаться согласно известным способам отверждения, неизбежно ограничен физическими размерами печи или автоклава, доступных для применения в процессе отверждения. Более того, инструменты, применяемые для придания формы деталям, изготовленным из композиционных материалов, должны также выдерживать условия высоких температур и/или высокого давления. Кроме того, в идеале, такие инструменты должны соответствовать коэффициенту термического расширения предварительно пропитанного материала, что дополнительно усложняет указанный процесс и часто повышает соответствующие затраты на обработку при одновременном ограничении доступности других необходимых инструментальных материалов.
Эффективная и экономичная система отверждения, которую можно осуществить при более низких давлениях и температурах, была бы полезной, экономичной и очень перспективной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам, системам и аппаратам для отверждения предварительно пропитанных композиционных материалов, содержащих эпоксидную смолу, при температурах окружающей среды, или комнатных температурах, и давлении окружающей среды.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения описаны способы отверждения блока эпоксисодержащего препрега, включающие размещение блока эпоксисодержащего препрега в замкнутом пространстве, содержащем впускное отверстие; подачу потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство через указанное впускное отверстие до обеспечения предварительно заданной концентрации; поддержание потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство при предварительно заданной концентрации в течение предварительно заданного промежутка времени и отверждение блока эпоксисодержащего препрега, при этом указанный препрег поддерживают в замкнутом пространстве при по существу температуре окружающей среды и при по существу давлении окружающей среды.
Согласно дополнительному аспекту аммиаксодержащее соединение подают в замкнутое пространство в газообразном состоянии.
Согласно другому аспекту аммиаксодержащее соединение подают в замкнутое пространство в виде пара.
Согласно дополнительному аспекту аммиаксодержащее соединение можно получить, без ограничения, из любого соединения, способного образовывать летучий аммиак, такого как карбонат аммония или чистый аммиак, который, например, подают под давлением из баллона со сжатым газом.
Согласно еще одному аспекту эпоксисодержащий препрег включает эпоксисодержащее соединение, в том числе, без ограничения, диглицидиловые эфиры бисфенола А; диглицидиловые эфиры бисфенола F; N,N,N',N'-тетрагилцидил-4,4'-диаминофенилметан; n-аминофенолтриглицидиловый эфир; эпокси-фенол-новолачные смолы; эпокси-крезол-новолачные смолы; 1,3,5-триглицидилизоцианурат; трис(2,3-эпоксипропил)изоцианурат (и изоцианураты); глицеролдиглицидиловый эфир; триметилолпропантриглицилиловый эфир или их комбинации.
Согласно другому аспекту эпоксисодержащий препрег имеет вязкость в диапазоне от примерно 60000 пуаз до примерно 1000 пуаз в зависимости от температуры препрега. Например, хотя и не ограничиваясь в отношении применимых препрегов, рассмотренных в настоящем документе, при комнатной температуре применимые эпоксисодержащие препреги, как правило, имеют вязкость примерно 60000 пуаз, при этом можно наблюдать изменение вязкости, приблизительно соответствующее следующему:
100°F (примерно 38°С): 22000 пуаз
150°F (примерно 66°С): 1000 пуаз
200°F (примерно 93°С): 93 пуаз
250°F (примерно 121°С): 16 пуаз
300°F (примерно 149°С): 16 пуаз
350°F (примерно 177°С): 165000 пуаз (смола преимущественно является отвержденной).
Согласно дополнительному аспекту замкнутое пространство содержит выпускное отверстие.
Согласно другому аспекту выпускное отверстие сообщается с вакуумом.
Согласно дополнительному аспекту по существу температура окружающей среды эквивалентна общепринятой комнатной температуре.
Согласно другому аспекту комнатная температура составляет от примерно 60°F (примерно 16°С) до примерно 100°F (примерно 38°С).
Согласно другому аспекту комнатная температура составляет от примерно 70°F (примерно 21°С) до примерно 85°F (примерно 29°С).
Согласно еще одному аспекту давление окружающей среды составляет от примерно 14 psi (примерно 97 кПа) до примерно 16 psi (примерно 110 кПа).
Согласно дополнительному аспекту настоящее изобретение относится к системе для отверждения блока эпоксисодержащего препрега, при этом указанный блок содержит эпоксисодержащий препрег с вязкостью в диапазоне от примерно 60000 пуаз до 1000 пуаз; указанная система также содержит замкнутое пространство, размеры которого позволяют разместить в указанном пространстве блок эпоксисодержащего препрега, при этом указанное замкнутое пространство содержит впускное отверстие; и определенное количество аммиаксодержащего соединения, подаваемого в замкнутое пространство через впускное отверстие до обеспечения предварительно заданной концентрации, при этом аммиаксодержащее соединение отверждает блок эпоксисодержащего препрега при по существу температуре окружающей среды и при по существу давлении окружающей среды.
Согласно дополнительному аспекту замкнутое пространство содержит выпускное отверстие.
Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение относится к блоку отвержденного эпоксисодержащего препрега, полученному по способу, включающему стадии размещения блока эпоксисодержащего препрега в замкнутом пространстве, при этом указанное замкнутое пространство содержит впускное отверстие; подачи потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство через впускное отверстие до обеспечения предварительно заданной концентрации; поддержания потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство при предварительно заданной концентрации в течение предварительно заданного промежутка времени и отверждения блока эпоксисодержащего препрега, при этом препрег в замкнутом пространстве поддерживают при по существу температуре окружающей среды и при по существу давлении окружающей среды.
Согласно еще одному дополнительному аспекту настоящее изобретение относится к структуре, содержащей блок эпоксисодержащего препрега, изготовленный согласно способу, включающему стадии размещения блока эпоксисодержащего препрега в замкнутом пространстве, при этом указанное замкнутое пространство содержит впускное отверстие; подачи потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство через впускное отверстие до обеспечения предварительно заданной концентрации; поддержания потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство при предварительно заданной концентрации в течение предварительно заданного промежутка времени и отверждения блока эпоксисодержащего препрега, при этом препрег в замкнутом пространстве поддерживают при по существу температуре окружающей среды и при по существу давлении окружающей среды.
Согласно дополнительному аспекту указанная структура может представлять собой неподвижную структуру.
Согласно другому аспекту неподвижная структура может содержать или не содержать подвижные компоненты, такие как строения, генераторы, ветровые турбины и т.п.
Согласно еще одному аспекту указанная структура может представлять собой транспортное средство.
Согласно еще дополнительному аспекту транспортное средство может представлять собой пилотируемый летательный аппарат, беспилотный летательный аппарат, пилотируемый космический аппарат, беспилотный космический аппарат, пилотируемый винтокрылый летательный аппарат, беспилотный винтокрылый летательный аппарат, пилотируемый спутник, беспилотный спутник, ракету, управляемое человеком наземное транспортное средство, автоматическое наземное транспортное средство, управляемое человеком водное и/или подводное плавающее транспортное средство, автоматическое водное и/или подводное плавающее транспортное средство и их комбинации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
После описания таким образом вариантов настоящего изобретения в общих чертах будут сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, которые не обязательно выполнены в масштабе, при этом:
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе рулона эпоксисодержащего препрега;
Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе эпоксисодержащего препрега, частично находящегося внутри замкнутого пространства;
Фиг. 3 представляет собой вид сбоку сформированного эпоксисодержащего препрега внутри замкнутого пространства;
Фиг. 4 представляет собой вид сбоку одного из вариантов, на котором показан эпоксисодержащий препрег внутри замкнутого пространства;
Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему одного из аспектов настоящего изобретения;
Фиг. 6А представляет собой чертеж летательного аппарата, содержащего комплектующие детали, изготовленные согласно способам настоящего изобретения;
Фиг. 6В представляет собой чертеж, на котором показан в увеличенный участок комплектующих деталей крыла летательного аппарата, изображенного на фиг. 6А; и
Фиг. 6С представляет собой чертеж внутренней части фюзеляжной панели А, показанной на фиг. 6А.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Аспекты настоящего изобретения относятся к способам и системам для отверждения эпоксисодержащего препрега при по существу температуре окружающей среды и при по существу давлении окружающей среды путем размещения препрега, подвергаемого отверждению, в замкнутом пространстве и подачи потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство до обеспечения предварительно заданной концентрации и поддержания потока и концентрации в течение предварительно заданного промежутка времени до тех пор, пока препрег не приобретет требуемую и предварительно заданную степень отверждения. Таким образом, аспекты настоящего изобретения предусматривают полный и законченный цикл отверждения эпоксисодержащего предварительно пропитанного композиционного материала без применения повышенного количества тепла (выше комнатной температуры) или повышенного давления (выше давления окружающей среды).
Согласно описанию настоящего изобретения «по существу температуру окружающей среды» определяют как комнатную температуру и, таким образом, под этим термином понимают температуру в диапазоне от примерно 60°F (примерно 16°С) до примерно 100°F (примерно 38°С). Кроме того, согласно описанию настоящего изобретения «по существу давление окружающей среды» определяют как естественное давление, обусловленное природными атмосферными условиями, варьирующее в зависимости от отклонения от уровня моря и соответственно имеющее значение в диапазоне от примерно 14 (примерно 97 кПа) до примерно 16 psi (примерно 110 кПа).
Под препрегами согласно настоящему изобретению понимают композиционные предварительно пропитанные материалы, содержащие волокнистый компонент и компонент, содержащий эпоксидную смолу. Рассматриваемые волокна для применения в композиционном предварительно пропитанном материале включают, без ограничения, углеродные волокна, стекловолокно, арамидные волокна, борные волокна и т.п.и их комбинации.
Рассматриваемые соединения на основе эпоксидной смолы включают, без ограничения, диглицидиловые эфиры бисфенола А; диглицидиловые эфиры бисфенола F; N,N,N',N'-тетрагилцидил-4,4'-диаминофенилметан; n-аминофенолтриглицидиловый эфир; эпокси-фенол-новолачные смолы; эпокси-крезол-новолачные смолы; 1,3,5-триглицидилизоцианурат; трис(2,3-эпоксипропил)изоцианурат (и изоцианураты); глицеролдиглицидиловый эфир; триметилолпропантриглицидиловый эфир или их комбинации.
Согласно аспектам настоящего изобретения предварительно пропитанный материал, содержащий эпоксидную смолу, можно получить в частично отвержденном состоянии и хранить в частично отвержденном состоянии в рулонах или листах до появления необходимости его нанесения, например, на формовочные сердечники. Вязкость частично отвержденного предварительно пропитанного материала, содержащего эпоксидную смолу, может составлять от примерно 60000 пуаз до примерно 1000 пуаз. Идеальные потенциально пригодные предварительно пропитанные материалы представляют собой полностью пропитанные материалы, в которых смола по существу полностью заполняет волокнистый слой. Таким образом, согласно настоящему описанию для обеспечения надежного отверждения после введения аммиака может потребоваться, чтобы чтобы эпоксидная смола полностью пропитывала волокнистый слой неотвержденного препрега, содержащего указанную смолу.
На фиг. 1 показан рулон 10 неотвержденного предварительно пропитанного материала 12, содержащего эпоксидную смолу.
Как показано на фиг. 2, замкнутое пространство 20 полностью включает секцию препрега 22, нанесенного на какой-либо инструмент (не показан, так как инструмент закрыт препрегом 22). Нижнюю секцию замкнутого пространства 24 герметично прикрепляют к верхней секции замкнутого пространства 26 с помощью герметизирующего средства 23. Герметизирующее средство 23 включает любой герметик, в том числе герметизирующие жгуты, герметизирующие составы и т.п., которые могут быть предназначены для одноразового применения или которые можно использовать многократно. Многоразовое герметизирующее средство может включать применение по существу долговечных резиновых прокладок на предварительно заданных участках на верхней секции 26 и нижней секции 24, которые могут быть выполнены с возможностью сопряжения для облегчения повторного уплотнения во время процесса отверждения. Как показано, расположенный по краям дышащий материал 28 окружает препрег 22, хотя понятно, что эта особенность является необязательной. Как показано, входное отверстие 25 и выходное отверстие 27 проходят от верхней секции замкнутого пространства 24. Таким образом, когда верхнюю секцию замкнутого пространства 26 герметично прикрепляют к нижней секции замкнутого пространства 24 с помощью герметизирующего средства 23, входное отверстие 25 и выходное отверстие 27 каждое обеспечивает сообщение между содержимым (препрегом 22 да инструменте) замкнутого пространства и атмосферой за пределами замкнутого пространства. Понятно, что для откачивания содержащегося внутри газа из оболочки (не показана на фиг. 2), к выходному отверстию 27 можно подсоединить вакуум или другое средство. Согласно одному аспекту источником аммиаксодержащего соединения является контейнер, в частности емкость под давлением. Как будет понятно специалисту в данной области техники, в изобретении предполагается использование любых неограничивающих и подходящих средств соединения указанного источника с впускным отверстием 25, таких как система трубопроводов, шланги и т.п., с соединительными деталями. Таким образом в замкнутое пространство можно подавать предварительно заданный поток аммиаксодержащего соединения.
Требуемые площадь и общее техническое устройство замкнутого пространства не являются критическими факторами и, следовательно, аспекты настоящего изобретения включают любые размеры, необходимые для изготовления конкретной детали, выполненной из композиционного материала. При необходимости и при условии соблюдения стандартов безопасности замкнутое пространство может представлять собой камеру любого размера или даже помещение или здание с подходящим входом для источника аммиаксодержащего соединения и выпускным отверстием для удаления по мере необходимости содержимого замкнутого пространства для получения потока аммиаксодержащего соединения, проходящего поверх препрега, подвергаемого отверждению, при одновременном поддержании требуемого низкого (как в окружающей среде) давления содержимого замкнутого пространства и проведении полного цикла отверждения при температуре окружающей среды/комнатной температуре.
На фиг. 3 показан вид сбоку в поперечном сечении замкнутого пространства 30 с предварительно пропитанным материалом 31, который, как показано, располагается на нижней поверхности 32 камеры, при этом указанная нижняя поверхность камеры представляет собой пресс-форму для укладки, при необходимости. Верхнюю поверхность камеры 34 приклеивают к нижней поверхности камеры 32 с помощью герметика 35. Как показано, предварительно пропитанный материал 31 окружают расположенные по краям слои дышащего материала или разделители 33. Разделяющая пленка 37 показана в виде пунктирной линии, расположенной между предварительно пропитанным материалом 36 и поверхностным слоем 38 дышащего материала. Как показано, вакуумная вентиляционная трубка 39а сообщается с вакуумным отверстием 39.
На фиг. 4 показан вид сбоку замкнутого пространства 40 с расположенным внутри предварительно пропитанным материалом 41, подвергаемым отверждению. Как показано на фиг. 4, замкнутое пространство 40 представляет собой камеру, содержащую нижнюю секцию 42 камеры, герметично прикрепленную к верхней секции 43 камеры. Как показано, нижняя секция камеры может представлять собой пресс-форму для укладки. Предварительно пропитанный материал 41 укладывают на нижнюю секцию 42 камеры. Как показано, наружный кожух 44 сообщается с нижней секцией 42 камеры. Согласно такому варианту первый вакуум 45а сообщается с первым вакуумным трубопроводом 45b. Первый вакуумный трубопровод 45b сообщается с первым вакуумным отверстием 45с. Второй вакуум 46а сообщается со вторым вакуумным трубопроводом 45b, который в свою очередь сообщается со вторым вакуумным отверстием 46с. Таким образом, при необходимости, вакуум можно ввести в зону, содержащую предварительно пропитанный материал 41, которая ограничена нижней 42 секцией камеры и верхней 43 секцией камеры. При необходимости вакуум можно также использовать в области, ограниченной верхней секцией 43 камеры и наружным кожухом 44. Как показано, с помощью герметика 47 нижнюю секцию 42 камеры приклеивают к верхней секции 43 камеры. Как показано, первый вакуумный манометр 48а сообщается с трубопроводом 48b к первому вакуумному манометру. Как показано, второй вакуумный манометр 49а сообщается с трубопроводом 49b ко второму вакуумному манометру. Источник аммиака «А» сообщается с трубопроводом «В» для источника аммиака через впускное отверстие «С» для источника аммиака.
В соответствии с рассматриваемым протоколом согласно одному из аспектов настоящего изобретения, показанному на фиг. 4, предварительно пропитанный материал на инструменте для укладки находится внутри первой камеры, содержащей внизу инструмент для укладки и выше вакуумную пленку. Вакуумный мешок можно выполнить из любого подходящего материала, такого как, без ограничения, полиамидная пленка. Первый вакуум можно применять в первой камере, содержащей предварительно пропитанный материал, подвергаемый отверждению. Затем вакуумную пленку покрывают наружным кожухом на определенном расстоянии выше вакуумной пленки. Согласно одному из аспектов настоящего изобретения затем поток аммиаксодержащего соединения подают в первую камеру для обработки аммиаком предварительно пропитанного материала. Такой процесс проводят при приблизительно комнатной температуре в течение предварительно заданного времени без подвода в указанный процесс тепла (процесс отверждения не проводят при повышенной температуре в течение какого-либо промежутка времени). Первый вакуумный насос можно активировать для удаления аммиака из первой камеры и облегчения поддержания требуемого потока аммиака при по существу давлении окружающей среды или слегка повышенном давлении, при необходимости. Второй вакуумный насос можно активировать для регулирования давления между наружным кожухом и вакуумной пленкой (при необходимости).
На фиг. 5 показан один из вариантов согласно настоящему раскрытию, при этом указанная фигура представляет собой схему одного из аспектов изобретения согласно настоящему раскрытию. Согласно фиг. 5 способ отверждения эпоксисодержащего препрега 50 включает размещение эпоксисодержащего препрега в замкнутом пространстве 52, подачу потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство 54, поддержание потока аммиаксодержащего соединения в замкнутое пространство 56 и отверждение эпоксисодержащего препрега 48. Понимается, что все стадии способа 50 осуществляют при по существу температуре и давлении окружающей среды.
Варианты и альтернативы настоящего раскрытия относятся к получению и применению компонентов и деталей, таких как, например, комплектующие детали любого размера из композиционных материалов, в том числе к получению и применению компонентов и деталей при изготовлении крупных деталей и конструкций. Такие устройства включают, но не ограничиваются ими, компоненты и детали, выполненные с возможностью размещения на наружной или внутренней части неподвижных объектов, в том числе, без ограничения, стоек мостов, опорных колонн, общих объектов строительства и т.п. Дополнительные объекты включают, без ограничения, атмосферные и аэрокосмические летательные аппараты и другие объекты и конструкции, предназначенные для применения в космосе или других верхних слоях атмосферы, такие как, например, пилотируемые или беспилотные транспортные средства и объекты. Рассматриваемые объекты включают, но не ограничиваются ими, транспортные средства, такие как, например, летательный аппарат, космический аппарат, спутники, ракеты, реактивные снаряды и т.п. и, соответственно, включают пилотируемые и беспилотные летательные аппараты, космические аппараты, наземные, внеземные и даже водные и/или подводные плавающие транспортные средства и объекты.
Фиг. 6А представляет собой чертеж летательного аппарата 60, на котором показан неполный каталог различных комплектующих деталей, которые могут быть изготовлены с применением аспектов способов и устройств, описанных в настоящем документе, для отверждения различных комплектующих деталей, выполненных из отвержденных материалов на основе эпоксидной смолы, отвержденных согласно способам настоящего изобретения. Фиг 6 В представляет собой увеличенный участок левого крыла 67, показанного на фиг. 6А. Как показано на фиг. 6А, такие комплектующие детали включают клин внутренней секции закрылка 61а, 61а'; клин внешней секции закрылка, 61b, 61b'; элероны 63а, 63а', 63b, 63b'; прерыватели потока 64, 64'; руль высоты 62а, 62а'; верхние панели стекателя крыла 62b, 62b', 62b'', 65, 65', 66, 66'; капоты двигателей 68, 68'; и дверь аварийного выхода 69. На фиг. 6А также показан отсек фюзеляжа А. Внутренний вид отсека фюзеляжа А показан на фиг. 6С. Как показано на фиг. 6С, стрингеры А1 и элементы каркаса А2 также можно изготовить согласно способам, описанным в настоящем изобретении.
При использовании элементов согласно настоящему раскрытию или типичным аспектам или варианту(ам) реализации настоящего раскрытия подразумевают, что существительные в единственном числе означают, что имеются один или более из указанных элементов. Подразумевают, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» имеют открытый характер и подразумевают возможность наличия дополнительных элементов, отличных от перечисленных элементов. Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано применительно к конкретным вариантам реализации, детали указанных вариантов реализации не следует толковать как ограничения. Хотя были проиллюстрированы и описаны предпочтительные варианты и альтернативы настоящего раскрытия, следует понимать, что в нем могут быть сделаны различные изменения и замены без отступления от сущности и объема настоящего раскрытия.