Выбор метода формования из условий нагруженности изделий
Цель работы: научиться выбирать оптимальный метод формования изделий в зависимости от условий их нагруженности.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
По условиям эксплуатации изделия условно можно разделить на четыре группы: неответственные, слабонагруженные, ответственные и высоконагруженные. Прочность изделий из ПКМ зависит, в первую очередь, от следующих факторов:
а) характеристик арматуры и матрицы;
б) рационально выбранных направлений армирования (укладки арматуры);
в) объемного содержания связующего и наполнителя;
г) сцепления арматуры и связующего.
Если условия а) и б) обеспечиваются на этапе проектирования изделия, то условия в) и г) могут быть реализованы только при правильном выборе метода формования.
На рис. 1 представлена качественная зависимость прочности изделия из ПКМ от объемного содержания наполнителя, а также указаны методы формования, позволяющие реализовывать заданное объемное наполнение.
Рис. 1. Качественная зависимость прочности от объемного
содержания наполнителя для изделия из полимерного композиционного материала
Рассмотрим сначала два крайних случая объемного содержания наполнителя.
Если в изделии V = 0 (то есть арматура отсутствует), то прочность изделия будет определяться прочностью матрицы σм.
Другой крайний случай соответствует отсутствию связующего.
Очевидно, что достигнуть в изделии прочности отдельной нити арматуры σа невозможно, т.к. в реальном изделии всегда присутствует связующее с меньшей прочностью. Кроме того, значительная часть волокон ориентирована не по направлению действия сил (рис. 2, а).
Рис. 2. Восприятие усилий волокнами арматуры:
а – ортогональное армирование; б – однонаправленное
Даже в случае однонаправленного армирования не все нити одновременно включаются в работу, т.к. некоторые из них искривлены (рис. 2, б).
Для неответственных изделий содержание наполнителя может быть небольшим (V = 0,35-0,45 и для них достаточно контактного формования (зона А на рис. 1).
Слабонагруженные изделия имеют V = 0,45-0,55 и получаются вакуумированием (зона B на рис. 1).
Ответственные изделия требуют объемного содержания арматуры порядка 0,55-0,65 (зона C на рис. 1). Для них необходимо использовать формование в автоклавах, терморасширяющейся резиной и в пресс-камерах.
Высоконагруженные изделия имеют V = 0,65-0,75 и получаются при прессовом формовании в штампах, в гидроклавах и пресс-камерах (зона D на рис. 1).
Таким образом, для повышения V, то есть более плотной упаковки арматуры и вытеснения связующего, необходимо выбирать схемы формования, обеспечивающие высокое давление на препрег. Повышение давления при формовании выше оптимального давления может привести к тому, что не будет хватать связующего для сцепления арматуры. В результате этого нарушается связь между волокнами, и прочность материала падает.
На выбор метода формования в значительной степени влияет толщина пакета препрега и структура армирующей ткани. Например, при параллельной укладке лент из однонаправленных волокон (рис. 3, а) для получения плотной паковки требуется меньшее давление, чем при формовании пакета из тканей полотняного или сатинового плетения (рис. 3, б).
Рис. 3. Формование технологического пакета:
а – при однонаправленном армировании; б – при ортогональном армировании; в – качественное изменение толщины пакета в зависимости от давления
Из практики формования установлено, что для технологических пакетов, состоящих из препрегов на тканой основе, существенное уплотнение происходит при давлении от 3 до 8 атм (рис. 3, в). Затем повышение давления не приводит к сколь-нибудь заметному обжатию пакета. При достижении давления более 50-60 атм возникают контактные усилия в месте пересечения волокон, что может вести к их разрушению. Поскольку на практике для уплотнения препрега достаточно бывает 3-8 атм, наибольшее распространение получило формование в автоклавах.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Разновидности изделий в зависимости от условий их эксплуатации.
2. Чем руководствуются при выборе метода формования изделий из ПКМ?
3. Факторы, влияющие на выбор метода формования изделий из ПКМ?
Практическое занятие № 18