книги из ГПНТБ / Детали из стеклопластика в судовом машиностроении

Во всех случаях, когда градиенты напряжений (или другого внеш­ него поля) невелики, т. е. когда изменение напряжений в пределах элементарного объема, по которому производится осреднение свойств, Пренебрежимо мало, возможно экспериментальное определение усредненных характеристик композиционного материала, рассма­ триваемого как квазигомогенный и анизотропный. В некоторых слу­ чаях, когда градиенты напряжений велики, например в окрестности точки приложения сосредоточенной силы к поверхности армирован­ ной среды, необходимо учитывать гетерогенность композиционного материала.

Стеклопластики можно отнести к квазигомогенным анизотропным телам, если структурные элементы распределены равномерно по объему, при этом неоднородность структуры должна быть прене­ брежимо малой по сравнению с размерами изделия, а механические характеристики должны определяться путем испытания образцов армированного материала. Высокая гомогенность стеклопластиков является обязательным условием, обеспечивающим возможность их применения в ответственных конструкциях, особенно при действии сжимающих напряжений. Гомогенные (вернее, квазигомогенные) стеклопластики отличаются от негомогенных более высокими харак­ теристиками прочности и жесткости. Чем более гомогенен стекло­ пластик, тем меньше различия между его характеристиками проч­ ности при растяжении и при сжатии.

У большинства стеклопластиков армирующие волокна или по­ лосы (ленты) армирующей стеклоткани укладываются в двух вза­ имно перпендикулярных направлениях, эти материалы с большой до­ стоверностью можно отнести к ортотропным. Для изготовления ме­ нее ответственных конструкций часто применяются стеклопластики, в которых армирующее волокно расположено хаотически. Напри­ мер, такую структуру имеют стеклопластики, изготовленные методом напыления или прессования (премиксы). Такие стеклопластики с до­ статочным основанием можно считать изотропными в отношении ме­ ханических свойств.

Листовые слоистые стеклопластики при хаотическом расположе­ нии армирующих волокон следует относить к поперечно-изотропным (транстропным) материалам. Намотанные в виде тел вращения изде­ лия при регулярном расположении армирующих волокон и доста­ точно гомогенной структуре могут быть отнесены к телам с кри­ волинейной анизотропией, ортотропным или трансверсально-изо­ тропным в элементарных объемах.

С точки зрения характера армирования стеклопластиков принята следующая их классификация. Стеклопластики могут быть разделены на три основные группы: однонаправленные (их принято называть во­ локнистыми), слоистые и пространственно-сшитые.

Если все армирующие волокна расположены параллельно друг другу, то принято считать, что композитная среда имеет однонаправ­ ленную, или волокнистую, структуру; если армирующие элементы расположены под некоторым углом один к другому в нескольких параллельных плоскостях, то структура называется слоистой, и,

7

наконец, если между армирующими слоями имеются связи, —; пространственно-сшитой (трехмерноармированной).

В настоящее время при производстве армированных материалов (в частности, стеклопластиков) используются однонаправленные волокна (нить, ровница, жгут) и ткани разного переплетения: по­ лотняные, саржевые, сатиновые и так называемые многослойные ткани объемного плетения. При применении в качестве арматуры нетканых волокон могут быть получены изделия, имеющие волок­

ны так, что направление основы во всех слоях совпадает или между этими направлениями в смежных слоях образуется некото­ рый наперед заданный угол.

В практике изготовления слоистых и намоточных стеклопластиков известны случаи симметричной неортогональной укладки волокон в смежных слоях, показанной на рис. 1. Укладка волокон или стекло­ ленты производится поочередно в двух направлениях: х' и у ', рас­ положенных так, что углы между этими направлениями не равны между собой (2у =£ ß). Если волокна укладываются параллельно осям х' и у ', то осями симметрии являются оси х и у, причем ось у является биссектрисой угла ß, а ось х —■биссектрисой угла 2у. Такой материал можно рассматривать как ортогонально-анизо­ тропный (ортотропный) при условии, что достаточно большое число слоев с укладкой волокон в направлениях х' и у' правильно чере­ дуется. В этом случае плоскостями симметрии в каждой точке будут срединная плоскость листа и две плоскости, перпендикулярные первой и содержащие оси х и у.

Основным недостатком слоистых материалов является низкая величина сопротивления межслойному сдвигу и растяжению пер­ пендикулярно слоям. Специальные ткани применяются для создания

8

изделий с пространственно-сшитой структурой, причем существующие типы тканей объемного плетения обеспечивают поперечную сшивку в плоскостях, в которых лежат нити основы. Пространственная схема армирования имеет своей целью уменьшение влияния слабых прослоек, характерных для слоистых материалов.

Стеклопластики представляют собой, в сущности, гетерогенные системы, обладающие конструктивной анизотропией. Однако микро­ структурные особенности стеклопластиков позволяют в большинстве случаев считать их квазиоднородными анизотропными средами. Та­ кое представление возможно благодаря множественности армирую­ щих элементов, их малым размерам и вследствие того, что материалы, армированные волокнами, обладают упорядоченной неоднородностью.

Следует отметить, что к квазигомогенным анизотропным мате­ риалам можно относить только такие стеклопластики, в которых обеспечена достаточно плотная укладка армирующих волокон до­ статочно малого диаметра, а связующее во всем объеме обеспечивает надежную связь между этими волокнами.

При производстве труб в качестве армирующих наполнителей обычно используются стеклянные волокна или нити, стекложгуты, ровница, а также стеклоткани и ленты различного переплетения. Связующим материалом служат термореактивные полимерные смолы, как правило, полиэфирные или эпоксидные. Существуют следующие схемы армирования труб:

1) продольно-поперечная ортогональная укладка, при которой стеклоарматура располагается параллельно образующей цилиндра и по окружности его сечения, т. е. когда направления армиро­ вания совпадают с направлениями траекторий главных напряжений; 2) симметричная неортогональная укладка, называемая также косоперекрестной, когда волокна располагаются под некоторыми углами к направлению действия главных напряжений (рис. 1);

3)комбинированная укладка, при которой слои с ортогональным

инеортогональным расположением волокон чередуются.

Визделиях, полученных методом намотки, стеклопластик имеет ортогональное или неортогональное расположение волокон, причем каждому элементарному объему можно приписать ортогональную симметрию механических свойств. Оси симметрии свойств в трубах совпадают с направлениями, параллельными образующей цилиндра, радиусу кругового сечения трубы и касательной к окружности сечения.

Всудостроении широко применяется пластик, армированный тканью сатинового переплетения марки АСТТ (б)-С2, связующее для которого получается на основе ненасыщенных полиэфирных смол или эпоксидных смол. Стеклоткань при изготовлении этого стеклопла­ стика может укладываться как в одном направлении во всех слоях, так и под углом 90° в смежных слоях. Применяется также укладка' ткани, при которой основа в смежных слоях повернута последова­

тельно на угол 45°. В последнем случае материал приближается к трансверсально-изотропному.

Стеклопластики типа СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал) не нашли применения в судостроении из-за недостатков,

9

плуатации, размеров, конструкции и количества деталей в выпу­ скаемой партии.

Кратко изложим наиболее распространенные способы изготов­ ления деталей из стеклопластиков.

1. Г о р я ч е е п р е с с о в а н и е в ж е с т к и х ф о р м а х . Горячее прессование выполняется в два этапа. Первый этап пре­ дусматривает прессование таблеток. Стеклоармирующий материал при этом заранее пропитывается связующим либо пропитка осуще­ ствляется при изготовлении таблетки в процессе прессования непо-

прессования (компрессионного) в жестких формах: а — загрузка прессматериала; б — прессование; в — извлечение изделия.

1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — выталкиватель; 4 — изделие.

средственно в форме. На втором этапе горячего прессования изго­ товление изделий осуществляется из пресс-материалов, предвари­ тельно пропитанных связующим (обычно стеклоармирующий мате­ риал — стеклоткань, стеклолента — пропитывается механизирован­ ным способом на пропиточных машинах), с использованием частично отвержденных таблеток. Сам процесс прессования протекает следую­ щим образом. Таблетка или заготовки пресс-материала загружаются в пресс-форму. После смыкания пресс-формы пресс-материал под воздействием температуры и давления, развиваемого прессом, пере­ ходит в пластическое состояние. С целью удаления газов, выделяе­ мых пресс-материалом и скапливающихся в формующей полости пресс-формы, обычно производят 1—2 подпрессовки. Подпрессовка заключается в открытии пресс-формы на 2—5 с после приложения давления и повторном смыкании ее. Режим прессования изделий из стеклопластиков характеризуется следующими параметрами: удель­ ным давлением, варьируемым в пределах 20—200 кгс/см2, которое выбирается в зависимости от геометрической формы прессуемой де­ тали; температурой прессования 155 + 5° С, определяемой составом

12

Рис. 3. Схема изготовления изделий из стеклопластиков методом литьевого прес­ сования: а — закрытие пресс-формы и нагрев пресс-материала под давлением; б — прессование изделия; в — подъем пуансона загрузочной камеры и удаление го­ тового изделия.

1 — загрузочная камера; 2 — пресс-материал; 3 —- пуансон; 4 — матрица; 5 — выталки­ ватель; 6 — пуансон загрузочной камеры; 7 — изделие.

Паблешіе

Рис. 4. Схема изготовления изделий вакуумным форме ванием: а — с жесткими ма­ трицей и пуансоном; б — с жесткой матрицей и эластичным пуансоном.

1 — емкость; 2 — ловушка; 3 — жесткий пуансон; 4 — стекломатериал; 5 — жесткая ма­ трица; 6 — уплотнение; 7 — кольцевой канал для поступления связующего; 8 — трубо­ провод избыточного давления; 9 — эластичный пуансон.

13

15

При «сухом» способе формования стеклонаполнитель предвари­ тельно пропитывается на пропиточных машинах, раскраивается и укладывается в форму. Для придания эластичности стеклонапол­ нитель нагревается или укладывается в нагретую форму.

Опыт изготовления деталей из стеклопластиков свидетельствует о том, что эти материалы в высокой степени чувствительны к ка­ честву исходных материалов и параметрам технологического про­ цесса [10].

Известно, например, что изменение исходного сырья для эпоксид­ ной смолы может существенным образом повлиять на ее реакцион­ ную способность, а попадание посторонних веществ в состав связую­ щего (в частности, воды) даже в весьма небольших количествах приводит к резкому ухудшению технологических качеств и меха­ нической прочности стеклопластика.

Технологический процесс изготовления изделий методом горячего прессования из эпоксидных стеклопластиков состоит из следующих основных этапов: приготовления связующего, механизированной пропитки стеклоткани связующим, раскроя и прессования. С целью получения изделий высокого качества на каждом этапе необходимо проводить контроль параметров технологического процесса. Кон­ тролю подлежат исходные материалы (связующие, стеклоткани, пропиточные лаки), параметры пропитки (содержание связующего,

16