Технологии получения изделий из карбона

Производимые карбоновые изделия идеально подходят по своим характеристикам для эксплуатации в любых (даже экстремальных) условиях. Возможность совмещения производства материала с последующим формованием только повысила рентабельность многих предприятий.

Как получают многослойные изделия из препрегов?

Для справки: слово «препрег» имеет английские корни — pre-impregnated, или prepreg. Это полуфабрикат, из пропитанных смолой (в большинстве случаев эпоксидной) волокон или тканей, используемых в производстве. Вообще препреги могут иметь в основе различные (не только углеродные) волокна с пропиткой. Но в данном случае нас интересуют препреги на основе именно углеродного (или карбонового) волокна.

Далее приведем часто используемые технологии изготовления карбоновых изделий.

Прессование препрегов методом штамповки

В основе технологии лежит процесс выкладки препрега в подогреваемую пресс-форму с дальнейшим прессованием. Это — наиболее старый метод, известный как основной при формовании пластмассовых деталей. Для производства изделий из препрегов технология остается популярной. Ведь тут нет необходимости перераспределять компоненты в объеме материала и не требуется использовать высокое давление, как например при использовании инжекционных методов, что дает возможность применять относительно дешевые формы из металла и оборудование.

При этом технология позволяет получать не только изделия заданной формы, но и с идеально точными размерами. Используемые армирующие материалы значительно усиливают характеристики прочности и жесткости, а нарушение ориентации волокон (как следствие перетекания связующего вещества) вообще отсутствует при правильной укладке материала.

В углепластиках данного типа, как правило, применяются связующие, основу которых составляют эпоксидные смолы. Помимо этого могут применяться полиимиды, ненасыщенные полиэфирные смолы и некоторые другие виды полимеров.

Но у технологии есть главный, хотя и некритичный, недостаток — довольно низкая производительность и большое количество этапов производства:

1) Выбор схемы ориентации волокон с последующим раскроем препрега;

2) Укладка раскроенного материала в пакет. На данном этапе существует также много нюансов, связанных с соблюдением ориентации волокон, что может потребовать дополнительных операций по укладке их в тетроновую ткань;

3) Укладка пакета в металлическую форму и, если применяются в качестве связующих вещества на основе эпоксидных смол, его предварительное прогревание. Только после этого запускают процесс прессования, устанавливая величину давления в зависимости от сложности формы (плоский это будет лист или форма с криволинейными поверхностями). Используемая полимерная система предопределяет температуру и время термической обработки;

4) Извлечение изделия и осуществление его зачистки. В ряде случаев проводят дополнительное отверждение полученного изделия в термокамере.

Метод формования в автоклаве

Суть заключается в процедуре укладки препрега (или пакета) на форму. Всю конструкцию размещают в вакуумном мешке с последующим изменением давления. Поэтому технология отверждения, подразумевающая создание градиента давления относительно атмосферного, носит название формование с применением вакуумного мешка.

Основные этапы формовки:

1) На форму помещают требуемое количество слоев препрега;

2) Используя автоклав, запускают процесс отверждения;

3) Обрезают полученные изделия.

Необходимо заметить, что от типа вакуумного мешка, способа выкладки на форму и других нюансов напрямую зависят и характеристики будущего изделия.

К явным преимуществам и возможностям метода можно отнести следующие:

Формование изделий больших размеров;

Получение равномерного показателя толщины;

Идеальное качество поверхности;

Критически малая пористость.

А вот недостаток технологии заключается в ее дороговизне, поэтому для массового производства ее пока нельзя назвать рентабельной. Хотя в этом направлении постоянно идет работа. Кроме этого, технология считается пожароопасной, что требует повышенного внимания к безопасности, — но, естественно, это касается только производителя, а не заказчика изделий.

Технология изготовления трубчатых изделий

Суть в следующем: между двумя нагреваемыми столами располагается оправка в форме цилиндра, на который происходит намотка однонаправленного препрега. Процесс равномерной и точной намотки достигается смещением столов на заданную величину. Впоследствии препрег проходит процесс отверждения в термошкафу, после чего вынимают оправку и проводят дальнейшую обработку полученной трубки. К недостатку технологии можно отнести только то, что она не позволяет получать трубки больших диаметров.

В остальном же метод имеет ряд преимуществ:

• невысокая стоимость оборудования;

• возможность получения форм конуса;

• сохранение стабильного содержания компонентов при использовании препрегов;

• более благоприятные условия труда за счет отсутствия связующего в жидком состоянии.

Технология намотки с использованием нитей

Основные этапы заключаются в выборе и подготовке нити, либо жгута и оправки. Существую два основных метода: "сухая" намотка и "мокрая". Самый распространенный метод - "мокрая намотка". Суть заключается в том, что нить пропитывают связующим в процессе намотки на оправку, затем происходит отверждение, извлечение оправки и финишная обработка изделия. Иногда еще возникает необходимость предварительной обмотки изделия усадочной тетроновой пленкой перед отверждением, которая позволяет более качественно выдавливать из материала связующее вещество. Этот этап позволяет получить монолитное изделие.

Вообще метод популярен тем, что полученные изделия обладают высокими деформационно-прочностными параметрами, стабильными свойствами и оптимальной структурой. А использование современных станков с ЧПУ вообще предоставляет возможность производить изделия, имеющие сложную геометрию и идеально точные размеры.

Технология пултрузии (протяжка)

Данный метод используется, когда необходимо получить однонаправленные профили. И приятен метод не только простотой, но и полной автоматизацией. Это дает отличные перспективы промышленного производства профилированных изделий.

Однако есть у него и недостатки:

• Технология позволяет работать только с нитями либо жгутами;

• Существуют трудности в обеспечении одинакового сечения на всей длине, если речь идет о простых формах;

• Довольно низкая скорость процесса, ориентированная на скорость отверждения связующего вещества и его температуры, особенно когда используются низкотеплостойкие полиэфирные смолы.

Однако разработки последних лет позволили существенно продвинуться в преодолении этих недостатков разными способами. Тема заслуживает отдельного рассмотрения.

Инжекционная технология

Метод не новый, но с большим списком достоинств, хотя для получения углепластика его используют реже, чем для получения изделий из пластиков.

Суть технологии:

1) Подготовка пресс-формы, включая очистку и обработку антиадгезионным веществом;

2) Укладка армирующих материалов в пресс-форму (или закладных элементов);

3) Соединение пресс-формы жесткой фиксацией;

4) Впрыск под высоким давлением связующего вещества внутрь пресс-формы;

5) Процесс отверждения;

6) Раскрытие и извлечение полученного изделия с использованием сжатого воздуха;

7) Финишная обработка.

Стоит заметить, что для производств такая технология привлекательна низкими энергозатратами и невысокой стоимостью оборудования, а также экологической чистотой процесса, поскольку связующее вещество находится практически в изолированном от внешней среды состоянии.

Технология формования листовых материалов

Этот процесс проходит под высоким давлением. Но, с учетом сложности площади проекции изделий, числовое значение давления может различаться. Этот факт влияет и на конструкцию пресс-формы, и даже на выбор оборудования. Однако это не единственное, что влияет на выбор пресса. Немало требований предъявляется также к металлически формам и к последовательности технологических операций, поскольку в конечном итоге всё это влияет на прочность и внешний вид конечного изделия. И несмотря на то, что повысить прочность изделия также можно выбрав материал с большим содержанием армирующего волокна, технология не исключает дефекты.

Надо также отметить, что при увеличении количества армирующих волокон снижаются реологические параметры композиции — а именно, на поверхности можно видеть волокна, не обработанные связующим веществом.

Но, несмотря на большое количество условий и требований, технология позволяет производить изделия сложных форм за непродолжительное время формования. Однако если требуется получить изделия с высокими параметрами жесткости и прочности, данная технология не используется.

Литье под давлением термопластов с углеродным волокном

Также как и экструзионная технология, литье под давлением сегодня является наиболее распространенным методом для работы с полимерами. С его помощью удается получать изделия из углепластиков, имеющих сложные геометрические формы.

Самые основные нюансы производства такие:

• Выбирая марку термопласта или вид полимера, следует ориентироваться на назначение получаемых изделий, поскольку их физические свойства будут напрямую зависеть от содержания и направленности волокон. Это влияет на степень усадки;

• По причине малого диаметра, небольшого удлинения и высокого значения модуля упругости волокно из углерода при литье часто ломается. Это нужно учитывать при выборе оборудования;

• Армированные волокном термопласты крайне плохо поддаются сварке. При этом не имеет значения чем армировать — углеродным волокном или стекловолокном. Сварные швы не выдерживают больших нагрузок.

Штамповка термопластов армированных углеродным волокном

Метод схож с методом прессования листовых формовочных материалов с тем отличием, что течение материала во время переработки листовых наполненных термопластов значительно ниже. Кроме этого, метод похож на метод запрессовки между металлическими плитами. В некоторой степени он имеет много общего и с методом вакуумного формования. Но отличается тем, что требует высокого давления и разъемной формы, которая включает в себя позитивную и негативную металлические матрицы.

Заключение

В данной статье приведен далеко не полный перечень технологических методов изготовления композиционных материалов. Работы по разработке новых технологий и усовершенствованию уже имеющихся не прекращаются и сегодня. Мы хотели показать вам, что методов получения углепластиков (карбона) большое множество, и мы постараемся рассказать более подробно о каждом из них.

Вообще, пожалуй, главным недостатком карбоновых изделий является высокая себестоимость самого углеродного волокна. И, тем не менее, это с лихвой компенсируется результатом, а именно — потрясающими эксплуатационными характеристиками.