Ячеистый многослойный композитный материал и способ его производства
CELLULAR MULTILAYER COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
[0001] Изобретение относится к слоистым изделиям или материалам, состоящим из плоских или объемных слоев, например, из слоев ячеистой или сотовой структуры. В частности, к композитной структуре и к способу ее получения.
Уровень техники
[0002] Из уровня техники известно техническое решение по патенту №2489264 на изобретение (дата приоритета: 01.12.2011 г., заявка №2011148959), который раскрывает конструкционный материал, содержащий множество композитных компонентов, закрепленных на листовой основе с обеспечением свободного пространства между ними, причем указанные компоненты выполнены индивидуально (раздельно) путем свободной заливки, прессования, литья или экструзии из синтактного пенопласта на основе термореактивного полимерного связующего, выбранного из группы, включающей полиэфирную смолу, полиамидную смолу, винилэфирную смолу и эпоксидную смолу. Также данный патент раскрывает способ получения конструкционного материала, включающий изготовление отдельных компонентов из синтактного пенопласта с последующим закреплением их на листовой основе с обеспечением свободного пространства между ними.
[0003] Недостатком данного патента является, во-первых, выполнение компонентов индивидуально (раздельно), с последующим расположением на листовой основе с обеспечением свободного пространства между ними, так как остается риск неравномерного размещения указанных элементов, что оставляет риск нарушения физико-механических свойств. Во-вторых, все используемые элементы одинакового размера, что не позволяет производить расположение их на листовой основе с учетом распределения физико-механических свойств изделия. В-третьих, не разрабатывают математическую модель с целью выявления оптимальной конфигурации ячеистой структуры и ее параметров с учетом требуемых характеристик итогового ячеистого многослойного изделия.
[0004] Из уровня техники известно техническое решение по патенту №2679485 на изобретение (дата приоритета: 21.05.2015 г., заявка №2017140507), раскрывающее сотовый заполнитель многослойной панели, содержащий макроскопические сотовые ячейки со стенками ячеек, выполненными из материала многослойной панели с мезоскопическим ячеистым заполнителем, при этом мезоскопическая ячеистая структура выполнена из сотовых ячеек, и продольные оси мезоскопических сотовых ячеек проходят перпендикулярно продольным осям макроскопических сотовых ячеек.
[0005] Недостатком данного технического решения является заполнение самих ячеек, а не каналов, образованных стенками ячеек. Также не разрабатывают математическую модель с целью выявления оптимальной конфигурации ячеистой структуры и ее параметров с учетом требуемых характеристик итогового ячеистого многослойного изделия. Более того, при заполнении не используется эпоксидная смола, что явным образом отличает заявляемое техническое решение от представленного аналога.
[0006] Из уровня техники известно техническое решение по патенту №2665001 на изобретение (дата приоритета: 06.03.2017 г., заявка №2017107355), который раскрывает конструкционный материал, содержащий множество отдельных элементов из синтактного пенопласта на основе синтетической смолы и полых микросфер и соединяющую их между собой с одновременным обеспечением промежутков между ними общую гибкую основу из армированного пластика на основе синтетической смолы и тканого армирующего материала, отличающийся тем, что его общая гибкая основа имеет вид непрерывной пространственной структуры с внутренним объемом по ее толщине, выполнена из пластика, армированного способной к растяжению тканью объемного плетения, в частности трикотажным ластичным полотном, микроструктура которого представляет собой систему переплетенных между собой незамкнутых упругих колец из непрерывной нити или жгута, плоскости которых направлены по отношению к поверхности полотна под углом и которые соединены между собой в местах своего незамыкания участками нити или жгута, направленными поперек по отношению к плоскостям их незамкнутых упругих колец, а отдельные элементы из синтактного пенопласта расположены внутри этой структуры и способ его производства. Недостатком данного технического решения является, во-первых, изготовление отдельных элементов из СП и их закрепление на ОГО осуществляют путем заполнения полимерным связующим, наполненным полыми микросферами, отдельных отстоящих друг от друга на заданном расстоянии участков внутреннего объема, что создает риск заполнения областей неравномерно или делает невозможным прогнозируемое заполнение с вычисленным оптимальным объемом требуемого связующего вещества. Во-вторых, не разрабатывают математическую модель с целью выявления оптимальной конфигурации ячеистой структуры и ее параметров с учетом требуемых характеристик итогового ячеистого многослойного изделия.
Сущность изобретения
[0007] Заявляемое техническое решение направлено на решение задачи, заключающейся в создании ячеистого многослойного композитного материала с повышенными прочностными характеристиками.
[0008] Технический результат, обеспечивающий данную задачу, заключается в обеспечении повышенной прочности ячеистого многослойного композитного материала за счет ячеистой структуры каналов в материале сердцевины, заполненных связующим веществом, а также за счет высокой адгезии синтактного композиционного материала и слоев изделия и заранее разработанной математической модели, позволяющей задавать индивидуальные физико-механические свойства материала для решения определенной технической задачи.
[0009] Технический результат достигается за счет того, что ячеистый многослойный композитный материал включает по крайней мере один слой из синтактного композиционного материала, полученного из смеси, включающей терморасширяемые полимерные микросферы, отвердитель горячего отверждения, связующее вещество, при этом синтактный композиционный материал имеет ячеистую структуру с каналами, заполненными связующим веществом, а конфигурация и форма каналов ячеек ячеистой структуры определена по заранее рассчитанной математической модели.
[0010] Ячейки ячеистой структуры могут быть расположены неравномерно по площади поверхности синтактного композиционного материала.
[0011] В качестве связующего вещества могут быть использованы эпоксидная смола или смесь, содержащая эпоксидную смолу.
[0012] Каналы ячеек ячеистой структуры могут быть выполнены сквозными или несквозными.
[0013] Синтактный композиционный материал может включать в себя пластификатор.
[0014] Дополнительно многослойный композитный может содержать хотя бы один слой тканого материала.
[0015] Также технический результат достигается благодаря способу производства ячеистого многослойного композитного материала, заключающегося в определении зависимости между напряжением и деформацией слоя ячеистого многослойного композитного материала, разработке математической модели ячеистого многослойного композитного материала с требуемыми физико-механическими характеристиками, определении параметров слоя синтактного композиционного материала, определении формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала, производстве синтактного композиционного материала с определенными параметрами слоя синтактного композиционного материала и формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала, склеивании слоев ячеистого многослойного композитного материала.
[0016] При этом разработка математической модели может осуществляться как всего слоя ячеистого многослойного композитного материала, так и его части.
[0017] Разработка математической модели ячеистого многослойного композитного материала с требуемыми физико-механическими характеристиками состоит из следующих этапов: разработка геометрии изделия, изготовление образца изделия, проведение испытаний и определение механических свойств материала, формирование математической модели, валидация компонентов ячеистого многослойного композитного материала, прогностическое численное создание математической модели ячеистого многослойного композитного материала, применение в моделировании готового изделия.
Описание чертежей
[0018] Фиг. 1 общий вид композитного материала;
[0019] Фиг. 2 - поверхность синтактного композиционного материала;
[0020] Фиг. 3а - изображение синтактного композиционного материала в натуре;
[0021] Фиг. 3б изображение синтактного композиционного материала в продольном разрезе в натуре;
[0022] Фиг. 3в - изображение синтактного композиционного материала в поперечном разрезе в натуре;
[0023] Фиг. 4 представлена схема последовательности действия производства ячеистого многослойного композитного материала.
[0024] Данные фигуры поясняются следующими позициями: 1 - синтактный композиционный материал; 2 - тканый материал; 3 - каналы ячеек ячеистой структуры; 4 - ячейки ячеистой структуры; 5 - определение зависимости между напряжением и деформацией слоя ячеистого многослойного композитного материала; 6 - разработка математической модели ячеистого многослойного композитного материала с требуемыми физико-механическими характеристиками; 7 - определение параметров слоя синтактного композиционного материала; 8 - определение формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала; 9 - производство синтактного композиционного материала с определенными параметрами слоя синтактного композиционного материала и формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала; 10 - склеивание слоев ячеистого многослойного композиционного материала.
Подробно описание изобретения
[0025] В приведенном ниже подробном описании изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них.
[0026] Заявляемое изобретение представляет собой ячеистый многослойный композитный материал, включающий по крайней мере один слой из синтактного композиционного материала (1), полученного из смеси, включающей терморасширяемые полимерные микросферы, связующее вещество, отвердитель горячего отверждения, при этом синтактный композиционный материал (1) имеет ячеистую структуру с каналами (3), заполненными связующим веществом, а конфигурация и форма каналов (3) ячеек ячеистой структуры (4) определена по заранее рассчитанной математической модели.
[0027] Ячеистый многослойный композитный материал может включать в себя несколько слоев из различного материала, в частности, древесины, пластмассы, металла и т.д. Слои ячеистого многослойного композитного материала фиксируются с использованием любых пригодных для данной технологии методами. Например, методом склеивания, контактного формования, прямого прессования, вакуумной инфузии, RTM (Resin Transfer Moulding), формовки препрега в вакуумном мешке, формовки препрега раздувкой и т.д.
[0028] Однако, при любом его выполнении, в ячеистом многослойном композитном материале используется по крайней мере один слой синтактного композиционного материала (1), который является сердцевиной. Количество слоев определяется, исходя из требуемых свойств ячеистого многослойного композитного материала. Синтактный композиционный материал (1) выполнен из смеси, которая включает в себя терморасширяемые полимерные микросферы, которые обеспечивают ему повышенные прочностные характеристики с возможностью выполнения синтактный композиционный материал (1) со строго заданными параметрами, в том числе и с распределенными физико-механическими свойствами, благодаря регулированию процентного соотношения микросфер в составе смеси синтактного композиционного материала (1). Терморасширяемость полимерных микросфер позволяет выполнить одновременное расширение полимерных микросфер и полимеризацию. Для этого в составе может быть использовано связующее вещество и отвердитель горячего отверждения. Благодаря этому возможно реализовать время полимеризации смолы, достаточное для полного термического расширения микросфер. Наилучшим вариантом, но не единственно возможным, является использование эпоксидной смолы Sicomin SR8500 и отвердителя горячего отверждения Sicomin КТА 315. Использование отвердителя необходимо при изготовлении синтактного композиционного материала (1) для придания смеси плотности и ее последующего отверждения. В качестве отвердителя может быть использован любой отвердитель, в зависимости от требуемых параметров смеси синтактного композиционного материала (1). При этом в качестве связующего вещества при производстве синтактного композиционного материала (1) могут быть использованы любые смолы (эпоксидные, полиэфирные и многие другие) в зависимости от требуемых итоговых прочностных характеристик композитного материала. Для обеспечения наилучшего результата в состав синтактного композиционного материала (1) и связующего вещества должна входить одна и та же смола в целях обеспечения повышенной адгезии слоев, но допускается использование разных смол в составе синтактного композиционного материала (1) и в каналах (3) ячеистой структуры. Повышенная адгезия синтактного композиционного материала (1) способствует расширению набора материалов для использования в качестве слоев, и обеспечивает прочность ячеистого многослойного композитного материала при изгибающих нагрузках.
[0029] При нагревании оболочка микросфер размягчается, что позволяет им расширяться в смеси перед ее затвердеванием. В качестве терморасширяющихся полимерных микросфер могут быть использованы полимерные микросферы Akzo Nobel Expancel 43 DU 80.
[0030] Дополнительно, с целью повышения пластичных свойств эпоксидной смолы и для предотвращения растрескивания, в смолу может быть добавлен пластификатор, например, диэтиленгликоль (ДЕГ-1).
[0031] Дополнительно в качестве армирующего тканого материала может быть использована углеродная ткань. При этом она может быть выполнена биаксиальной, триаксиальной и т.д. Два слоя тканого материала располагаются сверху и снизу пластины из синтактного композиционного материала (1). Волокна ткани располагаются вдоль и поперек образца. Армирующий тканый материал (2) обеспечивает дополнительную прочность ячеистому многослойному композитному материалу, при этом, количество армирующих слоев определяется исходя из требуем прочностных характеристик изделия.
[0032] Прочностные характеристики заявляемого ячеистого многослойного композитного материала обуславливаются не только методом изготовления синтактного композиционного материала (1), видом смолы, отвердителя горячего отверждения или терморасширяемых полимерных микросфер. Особенностью заявляемого технического решения является способ определения и расположения, конфигурации и формы ячеек ячеистой структуры, каналов (3) ячеек (4), выполнения с возможностью распределения физико-механических свойств, в зависимости от входных физико-механических свойств слоев композитного материала и требуемых итоговых свойств итогового ячеистого многослойного композитного материала, а также за счет заполнения каналов (3) ячеек (4) ячеистой структуры синтактного композиционного материала (1) связующим веществом. Так как слои композитного материала могут иметь различную структуру и физические параметры, а также различные функциональные назначения и степень механического воздействия при эксплуатации, необходимо изготовить такой синтактный композиционный материал (1), который будет обеспечивать повышенные прочностные характеристики с учетом индивидуальных особенностей слоев и условий использования. Для этого в заявляемом техническом решении разрабатывают математическую модель, позволяющую определить оптимальную конфигурацию каналов (3) ячеек (4), а также форму самих ячеек. Заполнения каналов (3) ячеек (4) ячеистой структуры синтактного композиционного материала (1) связующим веществом, с учетом разработанной математической модели, дает возможность также придать различным областям синтактного композиционного материала (1) индивидуальные желаемые свойства. Данные особенности позволяют обеспечить высокую прочность ячеистого многослойного композитного материала при изгибающих нагрузках за счет задания распределенных физико-механических свойств конструкции изделия или его отдельного компонента.
[0033] Для улучшения конструкционных свойств синтактного композиционного материала (1) в конструкции будущего ячеистого многослойного композитного материала и получения технологии программирования свойств материала используется технология создания в слое из синтактного композиционного материала (1) сети каналов (3), которые образуют ячейки (4) ячеистой структуры. Форма ячеек (4) и каналов (3) ячеек обеспечивает достижение заявляемого технического результата. При этом форма каналов (3), разделяющих ячейки (4), задается в результате создания модели итоговой конструкции, в зависимости от требуемых прочностных характеристик требуемого изделия и параметров используемых слоев, например, под углом или перпендикулярно, или иным способом. Возможно выполнение каналов (3) ячеек (4) ячеистой структуры сквозными.
[0034] Каналы (3) ячеек (4) заполняются связующим веществом. Заполнение необходимо для повышения адгезии синтактного композиционного материала (1), что способствует расширению набора материалов для использования в качестве слоев, и обеспечивает прочность ячеистого многослойного композитного материала при изгибающих нагрузках за счет компенсации связующим вещество оказываемой нагрузки. Так как каналы (3) ячеек (4) ячеистой структуры заполнены связующим веществом, коэффициент деформации на растяжение и сжатие как синтактного композиционного материала (1), так и всего композитного материала, выше, чем у используемых в композитном материале слоев по отдельности. Заполнение может осуществляться методом вакуумной инфузии, прессования и иными способами. Сеть каналов (3) ячеек (4) ячеистой структуры может была получена с помощью технологии лазерной импульсно-периодической резки, с помощью механической обработки, штамма (матрица) и т.д.
Способ производства многослойного композитного материала
[0035] Способ производства ячеистого многослойного композитного материала заключается в определении зависимости между напряжением и деформацией слоя ячеистого многослойного композитного материала (5), разработке математической модели ячеистого многослойного композитного материала с требуемыми физико-механическими характеристиками (6), определении параметров слоя синтактного композиционного материала (7), определении формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала (8), производство синтактного композиционного материала с выявленными параметрами слоя синтактного композиционного материала и формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала (9), склеивание слоев ячеистого многослойного композитного материала (10).
[0036] Определение исходных параметров слоев ячеистого многослойного композитного материала (5) осуществляется с использованием соответствующих установок и устройств. Проводятся соответствующие испытания (на растяжение, сжатие и трехточечный изгиб образцов), целью которых является выявление механических свойств и закономерностей компонентов, входящих в ячеистый многослойный композитный материал. Так, например, для разработки математической модели ячеистого многослойного композитного материала (6), включающего в себя ячеистый синтактный композиционный материал, и, дополнительно армирующие слои тканого материала, необходимо знать механические свойства, как модуль Юнга, всех входящих в ячеистый многослойный композитный материал компонентов. В результате испытаний материалов, входящих в состав изделия, можно получать аналитические зависимости между напряжениями и деформациями, которые учитываются в модели.
[0037] Эксперимент на трехточечный изгиб необходим для валидации модели. С его помощью выполняется сравнение модели на соответствие экспериментальным данным. Для проведения вычислительного эксперимента на трехточечный изгиб разрабатывается модель для каждой компоненты материала.
[0038] Разработка математической модели ячеистого многослойного композитного материала (6) с требуемыми прочностными характеристиками и определение параметров слоя синтактного композиционного материала (7), формы ячеек и каналов ячеек ячеистой структуры синтактного композиционного материала состоит (8) из следующих этапов: разработка геометрии будущего изделия, изготовление образцов для испытаний с целью получения механических свойств материала; формирование математической модели и валидация компонент ячеистого многослойного композитного материала; прогностическое численное создание математической модели многокомпонентного материала и дальнейшее его применение в моделировании готового изделия.
[0039] При этом создание математической модели (6) может осуществляться как образца целиком, так и половины или четверти образца с учетом симметрии задачи.
[0040] Разработка геометрии изделия (построение геометрии и расчетной сетки испытываемых образцов) является первым этапом разработки математической модели. В соответствии с экспериментом на трехточечный изгиб эпоксидной смолы моделируется объект, например, балка. На больших гранях объекта определяются линии, на которых в дальнейшем будут определены граничные условия. Геометрия и параметры расчетной сетки определяются исходя из физических возможностей создания структуры. Например, во внимание принимается толщина эпоксидной смолы.
[0041] Затем осуществляется изготовление образца изделия и проведение испытаний, и определение механических свойств материала слоев, которые будут использованы для формирования математической модели, валидации компонентов ячеистого многослойного композитного материала, прогностического численного создания математической модели ячеистого многослойного композитного материала.
[0042] Следующим этапом разработки математической модели является формирование математической модели. Основным условием является измерение пространства. Например, модель может быть сформирована в 1D, 2D или 3D пространстве. Однако, не для всех слоев композитного материала требуется единая модель. Поэтому возможно построение комплексной модели, где каждый слой синтактного композиционного материала моделируется в своем доступном пространственном измерении. В случае, когда модель имеет сложную периодическую структуру, как, например, синтактный композиционный материал или тканый материал (2), то для получения их механических свойств возможно провести гомогенизацию (способ осреднения механических свойств материала).
[0043] Задание граничных условий и способа нагружения, которые моделируют натурные условия испытания осуществляется в соответствии с предоставленными экспериментальными данными испытаний на трехточечный изгиб и с использованием полученных показателей характеристики тестируемого материала.
[0044] Задание граничных условий и способа нагружения, которые моделируют натурные условия испытания, возможно выполнить как в программных пакетах, так и с помощью написания соответствующего кода.
[0045] Разработка математической модели композитного материала с верхним и нижним слоями осуществляется в сборке, где каждая деталь делается отдельно.
[0046] Разработанная математическая модель программирования упругих свойств ячеистых многослойных композитных материалов позволит осуществить валидацию и рассчитать особенности конструкции и подобрать необходимые материалы при производстве изделий из многослойных материалов с заданными физико-механическими свойствами и ячейками ячеистой структуры синтактного композиционного материала.
[0047] Если отличие результатов вычислительного эксперимента относительно результатов испытания удовлетворяет техническому заданию, то расчет признается достоверным, и на основании модели проводится серия прогностических исследований, в которых варьируется форма и размеры ячеистой структуры синтактного композиционного материала до достижения необходимого результата распределения механических свойств в конечном изделии. Полученная и валидированная численная модель ячеистого многослойного композитного материала может быть изменена (количество слоев, толщина слоев, геометрия ячеистой структуры синтактного композиционного материала и т.д.). Прогностическое численное создание математической моели выполняется с целью получения необходимых заданных свойств готового изделия. Например, при нагрузке в 1000Н перемещение центральной части изделия при трехточечном нагружении в испытательной машине составило 10 мм. До этого изготавливается изделие и формируется математическая модель, где перемещение составило 7 мм. Прогностический расчет будет заключаться в численном подборе, например, количества слоев, до получения заданных значений с достаточной точностью. По полученному прогнозу (прогностическому расчету) происходит изготовление реального образца с требуемыми свойствами.
[0048] Изготовление синтактного композиционного материала (9) осуществляется следующим образом: подготовка смеси, помещение смеси в форму, нагрев смеси в печи до полимеризации состава, извлечение синтактного композиционного материала из формы.
[0049] Этап подготовки смеси заключается в перемешивании смолы и отвердителя. Затем в полученную смесь добавляют полимерные микросферы, которые могут быть выполнены также терморасширяющимися. Дополнительно, для предотвращения растрескивания и повышения пластичных свойств связующего вещества, могут добавляют одновременно пластификатор.
[0050] Полученную густую вязкую массу в необходимом количестве наносят на стенки формы для последующего вспенивания образцов.
[0051] После чего синтактный композиционный материал помещается и полимеризуется под действием температуры. Печь предварительно нагревают и помещают в нее форму со смесью внутри. Осуществляется нагрев до температуры, при которой вязкость смеси резко уменьшается, и она равномерно заполняет форму. При дальнейшем увеличении температуры начинается расширение полимерных микросфер. Затем, в результате повышения температуры, происходит гелеобразование смеси. При этом для придания различных свойств материала могут быть использованы различные модифицирующие добавки при заполнении каналов.
[0052] После окончания полимеризации состава форму остужают до комнатной температуры, разбирают и достают из нее блок из синтактного композиционного материала. Полученный материал готов к механической обработке и склеиванию с другими материалами (10). При механической обработке осуществляется нанесение сети каналов ячеек ячеистой структуры с помощью технологии лазерной импульсно-периодической резки, с помощью механической обработки, штамма (матрица) и т.д. в соответствии с полученными параметрами каналов ячеек и формы ячеек ячеистой структуры в результате математического моделирования. После осуществляется заполнение сформированных каналов связующим веществом методом вакуумной инфузии, прессования и иными способами с учетом параметров (например, количество и состав связующего вещества), полученных в результате математического моделирования.
[0053] Создание внутренней структуры из эпоксидной смолы в синтактном композиционном материале повышает жесткость ячеистого многослойного композитного материала более чем в 2 раза по сравнению с образцом многослойных композитных материалов без усиления синтактным композиционным материалом. При этом вес конструкции увеличивается не существенно или не увеличивается вовсе.
[0054] Склеивание синтактного композиционного материала с другими слоями (10) возможно с использованием любых пригодных для данной технологии методами. Например, методом склеивания, контактного формования, прямого прессования, вакуумной инфузии, RTM (Resin Transfer Moulding), формовки препрега в вакуумном мешке, формовки препрега раздувкой и т.д.
[0055] Также образец ячеистого многослойного композитного материала с внутренней структурой в испытаниях на трехточечный изгиб выдерживает предельные деформации в 1,5 раза больше.
[0056] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.