Пре-прег - это композитный материал, изготовленный из «предварительно пропитанных» волокон и частично отвержденной полимерной матрицы, такой как эпоксидная или фенольная смола, или даже термопласт, смешанный с жидкими каучуками или смолами . [1] Волокна часто имеют форму плетения, и матрица используется для их соединения вместе и с другими компонентами во время производства. Термореактивной матрицы только частично отверждают , чтобы обеспечить легкую обработку; этот материал B-Stageтребует холодного хранения для предотвращения полного отверждения. Препрег B-Stage всегда хранится в охлаждаемых помещениях, поскольку тепло ускоряет полную полимеризацию. Следовательно, композитные конструкции, построенные из пре-прег, в большинстве случаев потребуют печи или автоклава для отверждения. Основная идея материала pre-preg заключается в использовании анизотропных механических свойств вдоль волокон, в то время как полимерная матрица обеспечивает свойства наполнения, удерживая волокна в единой системе.
Pre-preg позволяет пропитывать волокна на плоской обрабатываемой поверхности или, скорее, в промышленном процессе, а затем формировать пропитанные волокна до формы, которая может оказаться проблематичной для процесса горячего впрыска. Pre-preg также позволяет пропитать большое количество волокна, а затем хранить его в охлаждаемом помещении (ниже 20 ° C) в течение длительного периода времени для последующего отверждения. Этот процесс также может занимать много времени по сравнению с процессом горячего впрыска, а добавленная стоимость предварительной подготовки находится на стадии поставщика материала.
Области применения
Этот метод может быть использован в авиационной промышленности. Как и в принципе, препрег может обрабатываться партиями. Несмотря на то, что стекловолокно широко применяется в самолетах, особенно в двигателях малых летательных аппаратов, углеродное волокно используется в этом виде промышленности все чаще, и спрос на него растет. Например, характеристика Airbus A380 осуществляется с помощью массовой доли. Эта массовая доля составляет около 20%, а у Airbus A350XWB - около 50% массовой доли препрегов из углеродного волокна. Препреги из углеродного волокна используются в аэродинамических профилях парка Airbus более 20 лет.
В автомобильной промышленности препрег используется в относительно ограниченных количествах по сравнению с другими методами, такими как автоматическая укладка ленты и автоматическое размещение волокон. Основная причина этого - относительно высокая стоимость волокон препрега, а также компаундов, используемых в формах. Примером таких инструментов являются BMC или SMC.
Использование препрегов
Существует множество продуктов, в которых используется концепция препрега, среди которых следующие.
- Автоспорт
- Космическое путешествие
- Спортивное оборудование
- Парусный спорт
- Ортопедические технологии в ортопедии и протезировании
- В электротехнике в качестве «промежуточного слоя» в многослойных печатных платах и в качестве изоляционного материала для электрических машин и трансформаторов.
- Лопасти ротора ветряных турбин
Применимые типы волокон
Существует множество типов волокон, которые могут быть отличными кандидатами для получения предварительно пропитанных волокон. [2] Наиболее распространенными волокнами среди этих кандидатов являются следующие волокна.
Матрица
Матричные системы различают по температуре отверждения и типу смолы. Температура отверждения сильно влияет на температуру стеклования и, следовательно, на рабочую температуру. Военные самолеты в основном используют системы 180 ° C
Состав
Матрица препрега состоит из смеси смолы и отвердителя, в некоторых случаях ускорителя. [3] Замораживание при -20 ° C предотвращает реакцию смолы с отвердителем. Если холодовая цепь прерывается, начинается реакция, и препрег становится непригодным для использования. Также существуют высокотемпературные препреги, которые можно хранить определенное время при комнатной температуре. Затем эти препреги можно отверждать только в автоклаве при повышенной температуре.
Типы смол
В основном используются смолы на основе эпоксидной смолы. Также доступны препреги на основе сложного винилового эфира. Поскольку винилэфирные смолы необходимо предварительно ускорять аминовым ускорителем или кобальтом, время их обработки при комнатной температуре короче, чем с препрегами на основе эпоксидной смолы. Катализаторы (также называемые отвердителями) включают пероксиды, такие как пероксид метилэтилкетона (MEKP), пероксид ацетилацетона (AAP) или пероксид циклогексанона (CHP). Смола на основе сложного винилового эфира используется при высоких ударных нагрузках.
Свойства смолы
Свойства компонентов смолы и волокна влияют на эволюцию микроструктуры препрега VBO (только вакуумный мешок) во время отверждения. Однако, как правило, свойства волокна и архитектура волоконного слоя стандартизированы, в то время как свойства матрицы определяют развитие как препрега, так и процесса. [4] Зависимость развития микроструктуры от свойств смолы, таким образом, очень важна для понимания и исследовалась многими авторами. Наличие участков сухого препрега может указывать на необходимость использования смол с низкой вязкостью. Однако Ридгард объясняет, что системы препрегов VBO разработаны так, чтобы оставаться относительно вязкими на ранних стадиях отверждения, чтобы препятствовать проникновению и обеспечивать сохранение достаточного количества сухих участков для удаления воздуха. Поскольку вакуум при комнатной температуре, используемый для откачивания воздуха из систем VBO, иногда измеряется часами или днями, для вязкости смолы критически важно препятствовать «холодному течению», которое может преждевременно перекрыть пути отвода воздуха. [5] Однако общий профиль вязкости должен также обеспечивать достаточную текучесть при температуре отверждения для полной пропитки препрега, чтобы в конечной части не оставались распространенные сухие участки. [6] Кроме того, Бойд и Маскелл [7] утверждают, что для подавления образования и роста пузырьков при низких давлениях консолидации вязкие и упругие характеристики препрега должны быть настроены на конкретные параметры обработки, встречающиеся во время отверждения, и в конечном итоге обеспечить большая часть приложенного давления передается смоле. В целом реологическая эволюция смол VBO должна уравновешивать уменьшение как пустот, вызванных захваченными газами, так и пустот, вызванных недостаточным потоком.
Обработка
Препреги затвердевают при повышенной температуре. [8] Их можно обрабатывать методом горячего прессования или автоклавированием. За счет давления объемная доля волокна увеличивается в обоих методах.
Лучшие качества можно получить с помощью автоклавной техники. Комбинация давления и вакуума приводит к созданию компонентов с очень низким содержанием воздуха. [9]
За отверждением может следовать процесс отпуска, который служит для полного сшивания.
Существенные достижения
Последние достижения во внеавтоклавных процессах (OOA) [10] обещают повысить производительность и снизить затраты на композитные конструкции. Используя только вакуумный мешок (VBO) для атмосферного давления, новые процессы OOA обещают обеспечить менее 1% пустот, необходимых для аэрокосмических первичных структур. Под руководством ученых-материаловедов из Исследовательской лаборатории ВВС эта технология позволит сэкономить на строительстве и установке автоклавов большой конструкции (100 миллионов долларов, сэкономленных НАСА) и сделать экономически жизнеспособными небольшие серии из 100 самолетов. [11]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Чавла, Krishan К. (2012). Композиционные материалы . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. Bibcode : 2012coma.book ..... C . DOI : 10.1007 / 978-0-387-74365-3 . ISBN 978-0-387-74364-6. S2CID 199491314 .
- ^ Руснаков, С (2018). «Обзор производства pre-preg, прототипа и тестирования» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 448 : 012069. дои : 10,1088 / 1757-899X / 448/1 / 012069 . Проверено 20 мая 2021 года . Неизвестный параметр
|conference=
игнорируется ( справка ) - ^ Scola, Daniel A .; Вонтелл, Джон; Фельзен, Марвин (август 1987 г.). «Влияние старения в окружающей среде препрега 5245C / графит на состав и механические свойства изготовленных композитов». Полимерные композиты . 8 (4): 244–252. DOI : 10.1002 / pc.750080406 . ISSN 0272-8397 .
- ^ BOEING CO SEATTLE WA (1963-02-01). «Тестирование Dyna Soar для компании Boeing» . Форт Бельвуар, штат Вирджиния. DOI : 10.21236 / ad0336996 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Хельмус, Рена; Чентеа, Тимотей; Гильбер, Паскаль; Хинтерхёльцль, Роланд (24 июня 2015 г.). «Уплотнение препрега вне автоклава: совместное моделирование откачки воздуха и пропитки препрега». Журнал композитных материалов . 50 (10): 1403–1413. DOI : 10.1177 / 0021998315592005 . ISSN 0021-9983 . S2CID 136977442 .
- ^ Ошибка цитирования. См. Встроенный комментарий, как исправить. [ требуется проверка ]
- ^ К., Мазумдар, Санджай (2002). Производство композитов: материалы, изделия, технологические процессы . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0849305856. OCLC 47825959 .
- ^ Джовен, Рональд; Тавакол, Бехруз; Родригес, Алехандро; Гусман, Маурисио; Минаи, Боб (2013-01-03). «Характеристика напряжения сдвига на границе раздела инструмента и детали во время обработки препрега в автоклаве композитов». Журнал прикладной науки о полимерах . 129 (4): 2017–2028. DOI : 10.1002 / app.38909 . ISSN 0021-8995 .
- ^ Мурашов, В.В. (март 2012). «Контроль многослойных клееных конструкций из полимерных композиционных материалов». Polymer Science, серии D . 5 (2): 109–115. DOI : 10.1134 / s1995421212020104 . ISSN 1995-4212 . S2CID 137124767 .
- ^ Centea, T .; Хуберт, П. (март 2011 г.). «Измерение пропитки внеавтоклавного препрега с помощью микро-КТ». Композиты Наука и Технология . 71 (5): 593–599. DOI : 10.1016 / j.compscitech.2010.12.009 . ISSN 0266-3538 .
- ^ "Препреги вне автоклава: шумиха или революция?" . Мир композитов . Проверено 3 января 2011 .