RU2048295C1

RU2048295C1 - Method for making laminated article from composite material

Info

Publication number: RU2048295C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Кадун; Владимир Николаевич Трикозов; Анна Ильинична Землянухина
Original assignee: Юрий Иванович Кадун; Владимир Николаевич Трикозов; Анна Ильинична Землянухина
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1992-01-24
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: production of articles from laminated composite material. SUBSTANCE: method involves lining the filler with thermoplastic film, placing it layerwise on mold, and heat-treating the blank followed by removal of holding filler fibers in the required position of film material. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления изделий из слоистых композиционных материалов и может быть использовано в машиностроении, авиационной и ракетно-космической технике. The invention relates to the technology of manufacturing products from layered composite materials and can be used in mechanical engineering, aviation and space rocket technology.

Известен способ получения изделий из слоистых углерод-углеродных композиционных материалов, включающий формирование пакетов лент из углеродного или графитового волокна, пропитку их полимерным связующим, укладку вдоль заданного направления, отверждение горячим прессованием с последующей карбонизацией и уплотнением углеродной матрицей [1]
Недостатком известного способа является низкая межслоевая прочность армирующего каркаса, обусловленная отсутствием механических связей из наполнителя между слоями лент.A known method of producing products from layered carbon-carbon composite materials, including the formation of packages of tapes of carbon or graphite fiber, impregnating them with a polymer binder, laying along a given direction, curing by hot pressing followed by carbonization and densification with a carbon matrix [1]
The disadvantage of this method is the low interlayer strength of the reinforcing frame, due to the lack of mechanical bonds from the filler between the layers of tapes.

Известен способ изготовления слоистого изделия из композиционного материала, включающий предварительное дублирование каждого слоя волокна со связующим в виде пленки, формирование слоистой заготовки изделия и фиксацию его формы [2]
Известный способ не обеспечивает изготовления изделий сложной формы, например типа коробчатого каркаса и хорошего качества.A known method of manufacturing a layered product from a composite material, including the preliminary duplication of each fiber layer with a binder in the form of a film, the formation of a layered blank of the product and fixing its shape [2]
The known method does not provide the manufacture of products of complex shape, for example, the type of box frame and good quality.

Для решения этой задачи в способе изготовления слоистого изделия из композиционного материала, включающем предварительное дублирование каждого слоя волокна со связующим в виде пленки, формирование слоистой заготовки изделия и фиксацию его формы, согласно изобретению, формирование заготовки осуществляют приданием формы на формообразующем элементе каждому слою с соединением его с предыдущим слоем при нагревании и давлении, после чего связующее удаляют, а полученную заготовку насыщают материалом матрицы. To solve this problem, in a method of manufacturing a laminated product from a composite material, including preliminary duplication of each fiber layer with a binder in the form of a film, forming a layered product blank and fixing its shape, according to the invention, forming a workpiece is carried out by shaping each layer with a shape on each forming layer with its connection with the previous layer under heating and pressure, after which the binder is removed, and the resulting preform is saturated with the matrix material.

На фиг. 1 изображена заготовка плоского армирующего каркаса; фиг. 2 фрагмент тонкостенного армирующего каркаса с углом. In FIG. 1 shows a blank of a flat reinforcing carcass; FIG. 2 fragment of a thin-walled reinforcing frame with an angle.

П р и м е р 1. На фиг. 1 представлена заготовка плоского армирующего каркаса, состоящая из первого слоя 1, второго слоя 2, третьего слоя 3 волокнистого наполнителя из однонаправленной ленты, и слоев 4 термопластичной полиэтиленовой пленки, размещенной между указанными слоями наполнителя, а также на верхней и нижней плоскостях заготовки, причем полиэтиленовая пленка скреплена с контактирующими с ней поверхностями наполнителя. Второй слой 2 уложен так, что в нем волокна 6 сориентированы под углом 45^о по отношению к волокнам 5 первого слоя 1, а третий слой 3 уложен так, что в нем волокна 7 сориентированы под углом 45^о по отношению к волокнам 6 второго слоя 2. Заготовка каркаса прошита машинным способом нитью 8.PRI me R 1. In FIG. 1 shows a blank of a flat reinforcing carcass, consisting of a first layer 1, a second layer 2, a third layer 3 of fibrous filler from a unidirectional tape, and layers 4 of a thermoplastic polyethylene film placed between these layers of filler, as well as on the upper and lower planes of the blank the film is bonded to the filler surfaces in contact with it. The second layer 2 is laid so that it fibers 6 oriented at an angle of ⁴⁵ ° with respect to the fibers 5 of the first layer 1 and third layer 3 is laid so that it fibers 7 are oriented at an angle of ⁴⁵ ° with respect to the fibers 6 of the second layer 2 The frame blank is stitched by machine thread 8.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Изготовление каркаса начинают с дублирования ленты с термопластичной пленкой, например с полиэтиленовой, толщиной 0,015-0,05 мм по ГОСТ 10354-82. Для этого берут однонаправленную углеродную ленту ЛУ-П ТУ 6-06-4-481-85, укладывают ее на плоскую поверхность, накрывают полиэтиленовой пленкой, а сверху на пленку укладывают фторлакоткань ОСТ 6-05-426-76, выполняющую роль антиадгезионной прокладки. Затем утюгом, нагретым до температуры 180-200^оС, медленно проглаживают набранный пакет. Скорость перемещения утюга определяется процессом расплавления полиэтилена, что зависит от толщины и теплопроводности антиадгезионной прокладки. Оптимальное значение скорости устанавливается экспериментальным путем. В результате дублирования достигается фиксация структуры однонаправленной ленты на период дальнейших технологических операций по формированию армирующего каркаса. Дублированную ленту разрезают на заготовки и последовательно укладывают в пакет, ориентируя волокна в каждом слое в требуемом направлении. При этом каждый слой соединяют с предыдущим нагревом под давлением через фторлакоткань подобно тому, как это делается при дублировании ленты. В результате обеспечивается фиксация структуры армирующего каркаса. После набора полного пакета его прошивают углеродной нитью Урал-НШ-24 ТУ 6-06-4227-85 на тяжелой швейной машине 48 класса. В результате получают заготовку плоского армирующего каркаса (фиг. 1). Затем удаляют полиэтиленовую пленку, для чего полученную заготовку помещают в печь со средой аргона и проводят термообработку. Режим термообработки: скорость подъема температуры 100-150^оС, выдержка при температуре 500±50^оС в течение 30-40 мин с последующим свободным охлаждением.The manufacture of the frame begins with duplication of the tape with a thermoplastic film, for example with polyethylene, with a thickness of 0.015-0.05 mm according to GOST 10354-82. To do this, take the unidirectional carbon tape LU-P TU 6-06-4-481-85, lay it on a flat surface, cover it with plastic wrap, and OST 6-05-426-76 fluorine-coated fabric acting as a release liner on top of the film. Then the iron, heated to a temperature of 180-200 ^{° C,} is slowly ironed dialed package. The speed of movement of the iron is determined by the process of melting of polyethylene, which depends on the thickness and thermal conductivity of the release pad. The optimal speed value is established experimentally. As a result of duplication, the structure of the unidirectional tape is fixed for the period of further technological operations to form the reinforcing cage. The duplicated tape is cut into blanks and sequentially placed in a bag, orienting the fibers in each layer in the desired direction. In this case, each layer is connected to the previous heating under pressure through a fluorine cloth similar to how it is done when duplicating the tape. The result is a fixation of the structure of the reinforcing frame. After dialing a complete package, it is flashed with Ural-NSh-24 TU 6-06-4227-85 carbon fiber on a heavy class 48 sewing machine. The result is a blank flat reinforcing frame (Fig. 1). Then remove the plastic film, for which the resulting preform is placed in a furnace with argon medium and heat treatment is carried out. Heat treatment: temperature rise rate of 100-150 ^{° C,} holding at a temperature of 500 ± 50 ^{° C} for 30-40 min followed by a free cooling.

При нагревании полиэтилена до 430^оС происходит глубокий распад на парафины (65-67%) и олефины (16-19%). Кроме того, в продуктах разложения обнаруживается окись углерода (до 12%), водород (до 10%) и углекислый газ (до 1,6% ).When heated, the polyethylene to 430 ^{° C} takes place in a deep decay paraffins (65-67%), and olefins (16-19%). In addition, carbon monoxide (up to 12%), hydrogen (up to 10%) and carbon dioxide (up to 1.6%) are found in decomposition products.

П р и м е р 2. На фиг. 2 представлен фрагмент коробчатого тонкостенного армирующего каркаса с угловым выступом, образованный верхней плоской поверхностью 9, двумя боковыми стенками 10 и 11 (последняя обозначена пунктиром) с отбортовками 12, 13. В месте стыка плоскости 9 с ребрами 10, 11 сформирован пространственный угол 14. Все указанные элементы каркаса имеют толщину 3, 4 мм и выполнены из 24 слоев однонаправленной углеродной ленты, причем волокна в каждом слое ориентированы под углом 45^оотносительно волокон предыдущего слоя. Все элементы каркаса, исключая угол 14, прошиты машинным способом углеродной нитью 15. Перед изготовлением каркаса углеродную ленту дублируют с полиэтиленовой пленкой по технологии, приведенной в примере 1. Из дублированной ленты готовят выкройки с учетом необходимости формирования из них неплоских элементов каркаса. Формообразование каркаса осуществляют на стальной оправке, являющейся негативом внутренней коробчатой полости каркаса. Оправку устанавливают на плоскую поверхность, укладывают на нее первую внутреннюю выкройку и горячим прессованием формируют ее контуры, получая ребра 16 переходов плоскости 9 в стенки 10, 11, ребро 17 стыка стенок 10, 11 и ребра 18, 19 (последнее обозначено пунктиром) перехода стенок 10, 11 в отбортовки 12, 13. Аналогичным образом укладывают остальные выкройки, скрепляя каждую последующую с предыдущей горячим прессованием и добиваясь, чтобы стыки на выкройках (необходимые для формообразования угла 14), размещаемые на стенках 10, 11 и отбортовках 12, 13, были смещены относительно друг друга от слоя к слою.PRI me R 2. In FIG. Figure 2 shows a fragment of a box-shaped thin-walled reinforcing frame with an angled protrusion formed by an upper flat surface 9, two side walls 10 and 11 (the latter is indicated by a dashed line) with flanges 12, 13. A spatial angle 14 is formed at the junction of plane 9 with ribs 10, 11. All these frame elements have a thickness of 3, 4 mm and are made of 24 layers of unidirectional carbon tape, and the fibers in each layer are oriented at an angle of 45 ^{about the} fibers of the previous layer. All frame elements, except angle 14, are machine-sewn with carbon thread 15. Before making the frame, the carbon tape is duplicated with a plastic film according to the technology described in Example 1. Patterns are prepared from the duplicated tape taking into account the need to form non-planar frame elements from them. The forming of the frame is carried out on a steel mandrel, which is a negative of the inner box-shaped cavity of the frame. The mandrel is mounted on a flat surface, the first internal pattern is laid on it and its contours are hot pressed to form ribs 16 of the transitions of plane 9 to walls 10, 11, rib 17 of the junction of walls 10, 11 and ribs 18, 19 (the latter is indicated by a dotted line) of the transition of walls 10, 11 in the flanges 12, 13. Similarly, the remaining patterns are laid, fastening each subsequent with the previous hot pressing and ensuring that the joints on the patterns (necessary for forming the angle 14) placed on the walls 10, 11 and flanges 12, 13 are cm scheny relative to one another from layer to layer.

После получения заготовки каркаса ее снимают с оправки и прошивают углеродной нитью Урал НШ-24 на машине 48 класса. Затем ее снова устанавливают на оправку, механически фиксируют на оправке с помощью струбцин и в таком виде проводят термообработку с удалением полиэтиленовой пленки. Режим термообработки идентичен приведенному в примере 1. Использование в качестве пленочного материала удерживающих элементов термопластичной пленки позволяет горячим прессованием на формообразующих справках получать в элементах каркаса изгибы, ступенчатые переходы, локальные выступы и углубления и т.п. Предварительное дублирование волокнистого наполнителя с термопластичной пленкой позволяет зафиксировать исходную структуру наполнителя по всей его поверхности и исключить ее нарушение в процессе выполнения технологических операций. After receiving the frame blank, it is removed from the mandrel and flashed with Ural NSh-24 carbon fiber in a class 48 machine. Then it is again installed on the mandrel, mechanically fixed on the mandrel using clamps and in this form, heat treatment is carried out with the removal of the plastic film. The heat treatment mode is identical to that shown in Example 1. The use of thermoplastic film retaining elements as a film material allows hot pressing on forming certificates to obtain bends, step transitions, local protrusions and indentations, etc. in frame elements. Preliminary duplication of the fibrous filler with a thermoplastic film allows you to fix the initial structure of the filler over its entire surface and to eliminate its violation in the process of performing technological operations.

Ввиду отсутствия клеящего состава обеспечивается возможность прошивки каркасов, что позволяет исключить их расслоение при выполнении последующих технологических операций и, в конечном счете, повысить физико-механические характеристики композиционного материала, в первую очередь, прочность на сдвиг. Это обстоятельство особенно важно при изготовлении изделий из углерод-углеродных композиционных материалов, когда армирующие каркасы насыщают углеродной матрицей при высокой температуре 1000-1100^оС, при которой происходит расслоение непрошитых каркасов из-за термических деформаций слоев. Кроме того, за счет размещения термопластичной пленки по всей поверхности наполнителя исключаются провисания или перехлесты отдельных волокон на участках между дискретными удерживающими элементами. Обработка каркаса термическим или термохимическим способом позволяет полностью, без остатков, эвакуировать из каркаса термопластичную пленку после его сборки.Due to the lack of adhesive, it is possible to flash the frames, which eliminates their stratification during subsequent technological operations and, ultimately, improves the physicomechanical characteristics of the composite material, primarily shear strength. This circumstance is especially important in the manufacture of products from carbon-carbon composite materials, when the reinforcing frames are saturated with a carbon matrix at a high temperature of 1000-1100 ^о С, at which the unbroken frames are stratified due to thermal deformations of the layers. In addition, due to the placement of a thermoplastic film over the entire surface of the filler, sagging or overlapping of individual fibers in the areas between the discrete holding elements is eliminated. Processing the frame with a thermal or thermochemical method allows completely, without residue, to evacuate the thermoplastic film from the frame after its assembly.

В совокупности указанные признаки позволяют повысить качество армирующего каркаса, улучшить его физико-механические свойства и тем самым повысить эксплуатационные характеристики готового изделия из композиционного материала. Together, these features can improve the quality of the reinforcing frame, improve its physical and mechanical properties and thereby increase the operational characteristics of the finished product from composite material.

Claims

METHOD FOR PRODUCING A LAYERED ARTICLE FROM A COMPOSITE MATERIAL, including preliminary duplication of each fiber layer with a binder in the form of a film, forming a layered workpiece of the product and fixing its shape, characterized in that the workpiece is formed by shaping each forming layer on the forming element with the connection of its previous layer by heating and pressure, after which the binder is removed, and the resulting preform is saturated with the matrix material.