Гибридный композиционный материал для оболочечных конструкций высокого давления
HYBRID COMPOSITE MATERIAL FOR HIGH-PRESSURE SHELL STRUCTURES

Изобретение относится к области полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности к гибридным композиционным материалам для изготовления оболочечных конструкций высокого давления. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий ракетно-космической техники, в авиа-, судостроении и вертолетостроении.
Одним из основных направлений совершенствования оболочечных конструкций, работающих при высоких уровнях внутреннего давления, является увеличение их несущей способности и жесткости.
Наиболее распространенным методом изготовления оболочек является намотка. Суть метода заключается в укладке слоев армирующего материала (AM) на вращающуюся оправку посредством раскладочного устройства, движение которого задается управляющей программой. Метод намотки позволяет ориентировать армирующие волокна в композиционном материале в соответствии с распределением главных напряжений, обеспечивая тем самым высокую надежность эксплуатации изделия при его минимальной массе.
Выполнение требований, которые предъявляются к оболочечным конструкциям, определяется свойствами используемого композиционного материала, которые в свою очередь, во многом зависят от характеристик волокнистого наполнителя.
Выбор волокнистого наполнителя для оболочек обусловлен уровнем основных нагрузок, действующих на изделие, и требованием миминизации его массы. При растягивающем напряжении, возникающем в процессе работы оболочечных конструкций, актуальным является применение ПКМ на основе арамидных волокон (органопластиков), основное преимущество которых перед другими конструкционными материалами - высокое значение прочностных характеристик в сочетании с низкой плотностью.
2
Известен органопластик на основе нитей Русар-С [1], характеризующийся наибольшей среди отечественных и зарубежных ПКМ прочностью при растяжении (300 кгс/мм) и удельной прочностью 2,2 МН⋅м/кг (табл. 1).
На сегодняшний день, данный органопластик является наиболее перспективным с точки зрения изготовления конструкций, работающих при высоком уровне растягивающих напряжений. Однако помимо прочности композиционный материал должен обладать высоким модулем упругости, что необходимо для сопротивления деформациям, возникающим в процессе нагружения конструкции.
2
В связи с этим использование композита с Е=11000 кгс/мм на основе нитей Русар-С не позволяет обеспечить низкую деформативность обол очечной конструкции в процессе ее нагружения.
2
Известен также органопластик на основе нитей Русар-НТ [2, 3], модуль упругости которого превосходит соответствующую характеристику ближайших аналогов и приближается к показателям углепластиков. Однако прочность данного органопластика (240 кгс/мм) обеспечивает получение оболочек, давление разрушения которых близко к уровню, достигаемому при использовании ПКМ на основе нитей Руслан. Прочностные характеристики прототипа не соответствуют передовым требованиям, предъявляемым к высоконагруженным оболочечным конструкциям.
Из патентных публикаций известны гибридные композиты [4] на основе органических волокон Kevlar, Zylon, Spectra, используемых для изготовления изделий с повышенными защитными свойствами от баллистического удара и прокалывания ножом. Однако различия в природе полимера, температуре эксплуатации волокон, адгезионной прочности при их взаимодействии с традиционными связующими (например, Spectra имеет адгезионную прочность на порядок ниже, чем для арамидных волокон) не позволяют использовать такие композиты для изготовления силовых конструкций.
Известны гибридные композиты на основе армирующих материалов (AM) различной химической природы [5] - прототип.
Использование гибридных полимерных композиционных материалов, совмещающих два и более типа волокон, является перспективным направлением совершенствования современной техники, поскольку обусловливает возможность создания материалов с заданными свойствами. Однако такие материалы имеют существенный недостаток: опыт испытаний композитов на основе волокон с различной деформативностью (стеклоуглепластиков, органоуглепластиков, боростеклопластиков и бороорганопластиков) показал, что их разрушение при растяжении происходит неодновременно. Это приводит к снижению механических характеристик таких композитов относительно показателей, которые достигаются при использовании армирующих материалов по отдельности. Поэтому использование гибридных ПКМ на основе волокон с различной химической природой не является целесообразным с точки зрения создания высоконагруженных оболочечных конструкций.
2
2
Технической задачей настоящего изобретения является создание композиционного материала с прочностью 240-280 кгс/мм и модулем упругости 12000-14000 кгс/мм для оболочек, работающих при высоком уровне внутреннего давления.
2
2
2
2
2
2
Техническая задача решается за счет использования гибридного композиционного материала (органо-органо-композита), выполненного из арамидных армирующих материалов двух видов, нитей Русар-С с прочностью при растяжении микропластика 580-800 кгс/мм и модулем упругости 15500-17000 кгс/мм и нитей Русар-НТ с прочностью при растяжении микропластика 550-700 кгс/мм и модулем упругости 17000-20000 кгс/мм при этом прочность и модуль упругости кольцевых слоев композиционного материала составляет, соответственно 240-280 кгс/мм и 12000-14000 кгс/мм.
AM Русар-С и Русар-НТ имеют близкие деформативные характеристики, вследствие чего их разрушение в гибридном композиционном материале происходит одновременно. Это подтверждается тем, что диаграммы растяжения кольцевых образцов разработанного органо-органо-композита линейны. Следовательно, его механическое поведение при растяжении соответствует принципу аддитивности, т.е. представлениям о пропорциональном вкладе каждого компонента в механические характеристики ПКМ. Рекордные прочностные характеристики материала Русар-С и высокие упругие показатели волокна Русар-НТ позволяют получать гибридный композит, превосходящий все отечественные и зарубежные аналоги по сочетанию механических характеристик. Следует отметить, что используемые для разработанного органо-органо-композита AM имеют не только близкие значения относительного удлинения, но и обладают одной химической природой, что препятствует накоплению дополнительных напряжений в ПКМ в процессе его изготовления и эксплуатации.
Изобретение иллюстрируется диаграммой растяжения кольцевых образцов гибридного композиционного материалы (фиг. 1) и возможными вариантами армирования органо-органо-композита армирования на основе волокон Русар-С и Русар-НТ, а именно:
на фиг. 2 показана схема армирования двухслойного органо-органо-композита, в котором внутренний и внешний слой армируется арамидными нитями разных видов;
на фиг. 3 - схема армирования многослойного органо-органо- композита с чередующимися по толщине слоями, каждый из которых армирован одним видом арамидных нитей арамидных нитей;
на фиг. 4 - органо-органо-композит с равномерно распределенными по структуре арамидными нитями двух видов.
Техническим результатом изобретения является получение гибридного композита с механическими характеристиками, превосходящими все отечественные и зарубежные аналоги по сочетанию механических характеристик.
В качестве армирующих материалов для получения гибридного композита кроме нитей Русар-С и Русар-НТ могут быть использованы и другие арамидные нити (Кевлар, Терлон, Армос, Руслан и др.), а также жгуты и ткани на их основе. В качестве методов получения гибридного композита на основе нитей Русар-С и Русар-НТ используют намотку, вакуумную инфузию, RTM (Resin Transfer Moulding) или прессование.
Ниже приведены конкретные примеры реализации изобретения.
Пример 1
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 3 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 1,5 мм на основе жгутов Русар-С с последующей укладкой второго пакета слоев аналогичной толщины, сформированного из жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 244 кгс/мм и модулем упругости 12400 кгс/мм, в котором внутренний слой армирован нитями Русар-С, а наружный слой - нитями Русар-НТ.
Пример 2
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 3 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 2,5 мм на основе жгутов Русар-С с последующей укладкой второго пакета слоев толщиной 0,5 мм, сформированного из жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 280 кгс/мм и модулем упругости 12000 кгс/мм, в котором внутренний слой армирован нитями Русар-С, а наружный слой - нитями Русар-НТ.
Пример 3
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 3 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 0,5 мм на основе жгутов Русар-С с последующей укладкой второго пакета слоев толщиной 2,5 мм, сформированного из жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 240 кгс/мм и модулем упругости 14000 кгс/мм, в котором внутренний слой армирован нитями Русар-С, а наружный слой - нитями Русар-НТ.
Пример 4
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 3 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 1,5 мм на основе жгутов Русар-НТ с последующей укладкой второго пакета слоев толщиной 1,5 мм, сформированного из жгутов Русар-С. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 265 кгс/мм и модулем упругости 12300 кгс/мм, в котором внутренний слой армирован нитями Русар-НТ, а наружный слой - нитями Русар-С.
Пример 5
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 2 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем поочередной укладки на оправку слоев на основе жгутов Русар-С и жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой многослойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 252 кгс/мм и модулем упругости 12600 кгс/мм, состоящий их чередующихся по толщине слоев на основе жгутов Русар-С и Русар-НТ. Объемное содержание волокон в ПКМ составило 75%.
Пример 6
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 13 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались комплексные нити Русар-С и Русар-НТ, а также эпоксидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку армирующей ленты, сформированной из 50 нитей Русар-С и 50 нитей Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой органо-органо-композит с равномерно распределенными по его структуре нитями Русар-С и Русар-НТ в соотношении 50/50. Прочность кольцевых слоев намотанного ПКМ составила 261 кгс/мм, модуль упругости - 13500 кгс/мм.
Пример 7
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 12 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также полиэфирное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 9,6 мм на основе жгутов Русар-С с последующей укладкой второго пакета слоев толщиной 2,4 мм, сформированного из жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с соотношением материалов Русар-С и Русар-НТ - 80/20. Объемное содержание волокон в ПКМ составило 65%. Прочность кольцевых слоев намотанного ПКМ составила 248 кгс/мм, модуль упругости - 11300 кгс/мм.
Пример 8
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 12 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались жгуты Русар-С и Русар-НТ, а также фенолформальдегидное связующее.
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пакета слоев толщиной 2,4 мм на основе жгутов Русар-С с последующей укладкой второго пакета слоев толщиной 9,6 мм, сформированного из жгутов Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с соотношением армирующих материалов Русар-С и Русар-НТ - 20/80. Объемное содержание волокон в ПКМ составило 80%. Прочность кольцевых слоев намотанного ПКМ составила 240 кгс/мм, модуль упругости - 14000 кгс/мм.
Пример 9
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, изготовлена оболочка с толщиной стенки 6 мм.
В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита оболочки использовались пропитанные эпоксидным связующим ткани на основе нитей Русар-С и Русар-НТ (препреги).
2
2
Намотка композитной оболочки осуществлялась путем укладки на оправку пропитанной связующим ткани на основе нитей Русар-С с последующей укладкой препрега из армирующего материала Русар-НТ. Полученный композиционный материал представлял собой двухслойный органо-органо-композит с прочностью кольцевых слоев 268 кгс/мм и модулем упругости 12400 кгс/мм.
Пример 10
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, методом вакуумной инфузии изготовлена квазиизотропная пластина толщиной 2 мм. В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита использовались равнопрочные ткани полотняного переплетения на основе нитей Русар-С, Русар-НТ и эпоксидное связующее. Слои армирующих материалов были уложены в соответствии со схемой, приведенной в таблице 2.
Полученная пластина представляла собой многослойный органо-органо-композит с чередующимися по толщине слоями, каждый из которых армирован одним видом арамидных нитей.
Пример 11
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, методом RTM изготовлена ортотропная пластина толщиной 1 мм. В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита использовались равнопрочные ткани саржевого переплетения на основе нитей Русар-С, Русар-НТ и эпоксидное связующее. Слои армирующих материалов были уложены в соответствии со схемой, приведенной в таблице 2.
Полученная пластина представляла собой многослойный органо-органо-композит с чередующимися по толщине слоями, каждый из которых армирован одним видом арамидных нитей.
Пример 12
На основе разработанного гибридного композиционного материала - органо-органо-композита, в состав которого входят два вида арамидных нитей, прессованием изготовлена ортотропная пластина толщиной 1 мм. В качестве исходных материалов для формования органо-органо-композита использовались равнопрочные ткани саржевого переплетения на основе нитей Русар-С, Русар-НТ и эпоксидное связующее. Слои армирующих материалов были уложены в соответствии со схемой, приведенной в таблице 2.
Полученная пластина представляла собой многослойный органо-органо-композит с чередующимися по толщине слоями, каждый из которых армирован одним видом арамидных нитей.
Источники информации
1. В.В. Соколов, С.А. Гусев, И.В. Тихонов, В.М. Щетинин «Исследование закономерностей формирования композиционного материала на основе арамидного волокна Русар-С для оболочечных конструкций ракетно-космической техники». Том 5 (под ред. И.Г. Ассовского, А.А. Берлина, Г.К. Коротаева - М.: ТОРУС ПРЕСС. 2016 - 336 с.)
2. В.В. Соколов, С.А. Гусев, А.П. Соколова, И.В. Тихонов, В.М. Щетинин, Т.Е. Черных, А.Ю. Кутюрин. Свойства перспективного арамидного волокна Русар-НТ и эксплуатационные характеристики органопластика на его основе // V международная конференция-школа по химической технологии XT 16. Волгоград 16 - 20 мая 2016 г. - Т. 1. - С. 571-573.
3. Г.Ф. Железина, С.И. Войнов, Т.Е. Черных, К.Ю. Черных «Новые арамидные волокна Русар НТ для армирования конструкционных органопластиков», Вопросы материаловедения, 2015, №1(81).
4. Пат. RU 2217682 (2003 г.), 2225583 (2004 г.), WO 93/20400 (Дюпон).
5. Куперман A.M.,Турусов Р.А., Горенберг А.Я. «Исследование упруго-прочностных характеристик гибридных и градиентных полимерных композиционных материалов (ГПКМ). Механика композиционных материалов и конструкций, 2008 г., Том 14, №4.