Способ изготовления элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов

.Г. И. Стр и Б 1ской авиации 1) Заявитель неров гражд ин оск 4) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙИЗ ОРИЕНТИРОВАННЫХ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ обретение относится ки может быть использов ашиностроно прирукций из по известному спо личеством разорва растяжения волоко ен ко- ерации обу, огра шихся при в рез ультате такующего разруше ветствует ко называемого прогр ния. Это количест композицмаппарасси о со же 08 ме з конструкций из ориентированных вол нистых композиционных материалов, чающий пропитку армирукщих волокон термореактивными смолами (получение препрегов) с последующим отверждением последних. Причем после операции отверждения композиционный материал подвергают растяжению с усилиями в диапазоне, ограниченном величинами эксплуатационных нагрузок, действующих на элемент конструкции, и несущей спо собностью композиционного материала Г 1 1.Уровень демпфирующей способности элементов конструкций, изг ок- чить заданную демп1 Овклю- ность, а также ееные значения в пр ирующую способ;отребные перемен лах собственного элемент отовленных изготовлении элементов конс ориентированных волокнистых онных материалов летательнь тов, судов, автомобилей, а строительстве.По основному авт. св, 9 вестен способ изготовления личеству дефектов, получающихся припроизводстве волокон и случайным образом распределенных по их длине. Данное обстоятельство не позволяет полуобъема изготавливаем а конструкции.5Цель изобретения - повышение демпфирующей способности элементов конструкции и получение различных ее уровней в заданных областях изделия.Поставленная цель достигается введением в способ элементов конструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов, включающий пропитку армирующего волокна термореактивными смолами, отверждение компози87646ционного материала и растяжение его с усилиями в диапазоне, ограниченном величинами эксплуатационных нагрузок, действующих на элемент конструкции, и несущей способностью композиционного материала, дополнительной операции, заключакщейся в том, что перед опера-. цией отверждения связующего в препрегах создают концентраторы напряжений с величиной шага расположения концентраторов вдоль направления волокон, ограниченной размерами диаметра армирующих волокон и длиной элемента конструкции. При этом концентраторы напряжений создают ввиде проколов монослоев препрегов с разрушением армирующих волокон с длиной линии прокола, ограниченной габаритами моно- слоя или в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещин на ар-. мирующих волокнах. Выполнение такой операции с учетом последующего растяжения отвержденного композиционногО материала позволяет получить столько очагов рассеяния энергии в виде концов разорвавшихся в местах дефектов волокон, сколько предусмотрено программой. Задавая определенные законы изменения шага де 30 фектов по длине волокон с учетом их месторасположения в поперечном сечении элемента конструкции, можно получать различные запланированные уровни демпфирующей способности как для детали в целом, так и для различных ее областей.Технология способа состоит в следующем.Получают препрег путем намотки на барабан в один слой предварительно пропитанных смолой двух стеклонитей с последующей частичной попсушкой в течение 10 мин при 100 ОС и разрезкой вдоль образующей барабана. Затем на монтажный столик, выстланный одним 45 слоем пЛотной бумаги, помещают моно- слой однонаправленного препрега с размерами 250 х 50 (направление волокон вдоль большего размера) . Монослой покрывают трафаретом из плотной бумаги 0 с разметкой линий прокалывания, которые ориентируют перпендикулярно направлению волокон в препреге. Расстояния между линиями проколов вдоль направления волокон представляют собой шаги проколов и соответственно длины получающихся в результате прокалывания дискретных пучков волокон. Длина ли 9 4ний проколов и расстояние между их рядами, расположенными вдоль направления волокон, составляет в дайном случае соответственно -0,85 мм и 0,15 мм. Режущая часть прокаяывающего инструмента представляет собой заостренную стальную пластину с длиной линии заострения, равной длине линии прокалывания.Прокалывание препрега насквозь осуществляют путем легкого нажима рукой. Сквозное нрокалывание гарантировалось наличием отпечатка линии заострения. режущего инструмента на листе бумаги, находящимся под монослоем препрега.17 монослоев препрега, прошедшие такую операцию, формируют в пакет со сдвигом проколов в каждом монослое относительно друг друга с целью наименьшего ослабления поперечного сечения и помещают в пресс-форму. Формирование осуществляют при давлении 10 кг/ /см и температуре 160 оС в течение 8 ч, Из этой заготовки вырезают два образ - ца с размерами в плане 245 х 20 (длинная сторона - вдоль направления волокон)По указанной технологии изготавливают две группы образцов:, 1) на основе .эпоксициануратного связующего (ЭЦТ) и высокомодульных полимерных волокон (ВМП) диаметром 10 мкм и 2) на основе эпоксифенольного связующего 5-2 Т 1-Б и высокомодульных стеклянных волокон (ВМС) диаметром 20 мкм. Первая группа содержит четыре типа образцов с посто- янным шагом проколов в каждом типе равном соответственно 2, 5, 10 и 25 мм, один тип с переменной длиной волокон, изменяющейся от 2 до 8 мм, а также образец без проколов. Вторая группа содержит образец с постоянной длиной волокон,равной 10 мм,и образец без про- колов Демпфирующие свойства оценивают величинами логарифмических декрементов 1 свободных затухающих колебаний образцов в условиях чистого изгиба,Предварительное растяжение осуществляется на испытательной машине с усилием до 502 от разрушающей нагрузки для каждого образца. Для образца с длиной волокна равной 2 мм декремент определяется также после повторного предварительного растяжения с усилием до 803 от несущей способности.Результаты испытаний представлены в табл. 1.,Длина волокЛогари 4 мический декремент по предлагаемому способу, 7 Увеличениедемпфирующей способности по на, мм Образцы Тип образца предлагаемому способу в сравнении с известным способом, Е 1 1-я группа 25 1,2 47,2143,6 1 О 1,62 5 2,68 2-8 2,42 120 2 3,6/6,25 227,3/468,2 6 2-я группа 1 О 1,54 40 частях; Приведенные в таблице декременты /соответствуют относительной деформации в крайних точках сечения образцовравной 1610эа исключением декремента для образца с длиной волокнаравной 2 мм после повторного предварительного растяжения, для которого приведенный в знаменателе декремент соответствует относительной деформа-. 35 ции равной 810 4Экспериментальные данные показывают, что предлагаемый способ позволяет повысить демпфирующую способность изделий при предварительном рас тяжении, не превышающем 503 несущей способности материала, тогда как поизвестному способу увеличение демпфирующей способности происходит при предварительном нагружении вьппе 507 45 разрушающей нагрузки вследствие того, что только начиная с нагрузки, равной примерно .половине несущей способности материала образуются случайные разрывы отдельных волокон, имеющих 5 О статистическую приоду прочности. Это имеет важное практическое значение, особенно в том случае, когда материал подвергается предварительному растяжению непосредственно в изготовленной конструкций, высокое предварительное нагружение которой может вызвать пластические деформации в металлических Концентраторы напряжений в препрегах создаются в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещинна армирующих волокнах.В этом случае обеспечивается болеевысокая прочность материала, чем присоздании концентраторов напряжений ввиде проколов монослоя препрега, таккак здесь волокна располагаются неслучайными дискретными пучками, а каждое волокно может быть расположено вматериале случайно. Так, например,придлине волокна равной десяти критическим длинам (что для стекловолокна диаметром 10 вмк составляет 4-6 мм),прочность композиционного материаласоставляет 90-957. от прочности матери-,ала с непрерывным волокном,Создание концентраторов йапряженийв препреге в этом случае производят,в частности следующим образом.Приготавливают однослойный препрегнамоткой предварительно пропитанныхсмолой моноволокон на барабан и после-дующим разрезанием препрега вдоль образующей барабана. Перед операциейотверждения каждый слой препрега прокатывают между тремя цилиндрическимироликами с длинами, равными ширинепрепрега. В результате прокатки на волокнах образуются поперечные микротрещины, локальные утонения или риски.Диаметр роликов и величину шага рас7 87646 положения концентраторов напряжений выбирают для каждого конкретного изделия в зависимости от диаметра волокон, толщины препрега, жесткости и прочности волокон и требуемых демпфирующей способности прочности и жесткости композиционного материала.Сравнительные расчетные данные по свойствам трех типов композиционных материалов АГС (ориентированный стеклопластик), КМУ(ориентирован -Предлагаемый Основной ПоказателиАГ-С КМУКМБЛогарифмический де,5 13 5,3 кремент,Е 1,1 3 1,28 10,6 28,5 12,3 формула из обретения 40 1Способ изготовления элементовконструкций из ориентированных волокнистых композиционных материалов по 45 авт.св. У 689080, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения демпфирующей способности элементов конструкций и получения различных ее уровней в заданных областях изделия, перед отверждением связующего в препреге создают концентраторы напряженийс шагом расположения концентратороввдоль направления волокон, ограниченным диаметром армирующих волокон иих длиной.552, Способ поп. 1, о тличающ и й с я тем, что концентраторынапряжений создают в виде проколовмонослоя препрега с разрушением арИз табл. 2 видно, что демпфирующаяспособность материала, изготовленногопо предлагаемому способу, в 4-10 развыше, чем у материала изготовленногопо основному способу,Использование предлагаемого способа изготовления элементов конструкцийиз ориентированных волокнистых композиционных материалов обеспечивает посравнению с основным способом следующие преимущества:значительное повышение демпфирую-щей способности элементов конструкций, и, следовательно, более эффектив,ное ограничение амплитуд вынужценныхколебаний в околорезонансных областях;возможность получения запланированных значений демпфирукщей способности, а также различных ее уровней в заданных областях элементов конструкций,что позволяет оптимально проектировать детали с учетом интенсивности иформы их колебаний.Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования современных композиционных материалов.Так, увеличение демпфирующей способУности элементов конструкций в 4-10 9 8ный углепластик) и КМБ(ориентированный боропластик), изготовленных по основному и предлагаемому способам приведены в табл. 2.Образцы по предлагаемому способу изготовления рассмотрены в этих случаях для двух значений равномерных шагов концентраторов напряжений и соответственно длин волокон, образовавшихся после операции растяжения 25 мм и 10 мм.1.Таблица 2 раз снижает практически в такой жестепени амплитуды вынужденных колебаний изделий в резонансных областях.Это позврляет уменьшить уровень напряжений и накапливаемых в процессе эксплуатации повреждений и тем самымпродлить ресурс изделий.9 876 мирукщих волокон с длиной линии.прокола, ограниченной габаритами моноелоя или в виде локальных утонений, поперечных рисок и микротрещин на армирующих волокнах. 469 1 ОИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР11 689080, кл. В 29 С 25/00, 1978 (прототип), Составитель А, Рожков, Редактор Ю. Середа Техоед Л. Пекарь Корректор О. Билак Заказ 9472/20 Тираж 697 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035 Москва Жд Раушская наб. д. 4/ 5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4