Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОИСТЫХ ПАНЕЛЕЙ

Изобретение относится к способам изготовления крупногабаритных толстостенных панелей, обшивок из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может найти применение в строительной промышленности, судо- и авиастроении, в ракетно-космической технике.

Известен способ получения слоистых изделий (заявка Jp №1-57661, кл. В 29 С 65/52, С 09 J 5/00, от 1989), в котором клей наносится на промежуточный лист пятнами. Величина одного пятна составляет 4×10^-6˜0,24 см². Затем переводят клей на склеиваемую поверхность изделия через промежуточный лист, после чего последний удаляют и приклеивают сверху другой лист.

Недостатком известного способа является невозможность получения крупногабаритных вакуум-плотных толстостенных панелей, так как соединение склеиваемых поверхностей с помощью пятен клея указанной величины не обеспечивает получение герметичного соединения.

Известен также способ изготовления слоистых изделий (SU, №1509389, кл. С 09 J 5/04, 1986) - прототип, включающий нанесение пятен клея на подлежащие склеиванию поверхности и контактирование их под нагрузкой, в котором, с целью повышения прочности соединения при склеивании неравнопрочных материалов, пятна клея наносят по прямоугольной сетке с заданным шагом с соблюдением соотношения, в котором установлена зависимость между диаметром пятен, расстоянием между центрами соседних пятен и глубиной проникновения клея в волокнистый материал, имеющий меньшую плотность.

Этот способ рекомендован для создания многослойных клеевых теплозащитных покрытий, когда волокнистый материал способен впитывать клей. При этом обеспечивается необходимая прочность клеевого соединения, улучшается его качество за счет исключения случайно образующихся пятен непроклея, уменьшается количество клея, необходимого для соединения поверхностей единичной площади в среднем в 1,6 раза.

К недостаткам известного способа относится отсутствие сплошности клеевой пленки в зоне соединения и, как результат, отсутствие вакуумной плотности клеевого соединения.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности изготовления из ПКМ крупногабаритных толстостенных вакуум-плотных силовых слоистых панелей в виде плоскости, полуцилиндра и др. путем склеивания листов ПКМ расчетной толщины с помощью минимально необходимого количества клея.

Для решения этой задачи в способе предусматривается сборка пакета слоистой панели из слоев, подлежащих склеиванию, нанесение с определенной последовательностью клеевого слоя на подлежащие склеиванию поверхности слоев и контактирование их под нагрузкой. Согласно предлагаемому изобретению в качестве слоев используют листы полимерного композиционного материала, в качестве клея используют полосы клеевой пленки, а нанесение их на поверхность слоя полимерного композиционного материала осуществляют параллельно одной из сторон с расстоянием между полосами, относящимся к их ширине не менее чем как 0,2:1, а первую и последнюю полосы в параллельном ряду располагают вдоль кромок склеиваемых поверхностей полимерных композиционных материалов. Число полос клея определяют из уравнения

,

где N - число клеевых полос;

S_общ - площадь склеиваемой поверхности;

К - коэффициент, определяемый степенью растекаемости клеевой пленки;

S - площадь клеевой полосы;

а расстояние между клеевыми полосами рассчитывается по формуле:

в=В·К,

где в - расстояние между клеевыми полосами;

В - ширина клеевой полосы;

К - коэффициент, определяемый степенью растекаемости клеевой пленки.

Клеевые слои каждого последующего слоя могут быть уложены под углом 90° к предыдущему.

Сборка пакета слоистой панели осуществляется следующим образом. Нижний лист панели устанавливается на оснастке, и на него дискретно, в виде сплошных параллельных полос, укладывается пленочный клей в виде полос таким образом, что первая полоса укладывается вдоль кромки листа ПКМ, параллельно ей укладываются следующие полосы с заданным расстоянием между ними, относящимся к их ширине не менее чем как 0,2:1, а последнюю полосу в параллельном ряду располагают вдоль противоположной началу кромки склеиваемых поверхностей полимерных композиционных материалов. Затем укладывается второй лист ПКМ, на наружную поверхность последнего укладываются полосы пленочного клея аналогично описанному выше, но они могут быть положены как параллельно, так и перпендикулярно предыдущему нижнему слою, затем укладывается третий лист ПКМ и т.д. На наружную поверхность последнего листа ПКМ клеевые полосы не наносятся. При этом число полос клея определяется из уравнения

,

где N - число клеевых полос;

S_общ - площадь склеиваемой поверхности;

К - коэффициент, определяемый степенью растекаемости клеевой пленки;

S - площадь клеевой полосы;

а расстояние между клеевыми полосами рассчитывается по формуле:

в=В·К,

где в - расстояние между клеевыми полосами;

В - ширина клеевой полосы;

К - коэффициент, определяемый степенью растекаемости клеевой пленки.

Схема слоистой панели представлена на чертеже.

Способ осуществляется на оснастке 1, соответствующей заданной конфигурации панели, в следующей последовательности. Предварительно полностью и/или частично отвержденный лист 2 ПКМ - элемента панели требуемой площади укладывается на формообразующую оснастку 1, наружная поверхность листа 2 ПКМ подготавливается к склеиванию, затем на него укладывается слой пленочного клея 3 в виде параллельных полос заданной ширины, начиная с одной из кромок листа 2 ПКМ, с заданным расстоянием между полосами, которое обеспечивает требуемую толщину клеевого слоя после склеивания. Поверх слоя пленочного клея 3 укладывается следующий лист 4 ПКМ с подготовленной для склеивания поверхностью, затем на него укладывается дискретно следующий слой пленочного клея 5. В этом слое полосы пленочного клея 5 располагаются параллельно или перпендикулярно дискретным слоям пленочного клея 3, затем укладывается лист 6 ПКМ с подготовленной для склеивания поверхностью, на него укладывается следующий слой пленочного клея 7 аналогично слою пленочного клея 3, далее укладывается лист 8 ПКМ и т.д. до выкладки всего расчетного количества слоев ПКМ.

Собранный пакет слоистой панели сверху накрывается разделительной пленкой, цулагой, дренажным слоем и герметично упаковывается в вакуумный мешок. В пакете создается разрежение не менее 0,5 кгс/см², после чего пакет на оснастке помещается в тепловой агрегат (печь или автоклав), где при сохранении разрежения в пакете производится тепловая обработка по заданному режиму. Вакуум в пакете сохраняется во время тепловой обработки. При необходимости при заданной температуре подается внешнее давление, и пакет формуется под дополнительным внешним давлением, что в целом обеспечивает более высокое качество склеивания и позволяет получить заданные толщины клеевого слоя. Повышенное давление также способствует росту прочности клеевого соединения за счет более полного и равномерного растекания клея, равномерности прочности по сечению слоистой панели.

После окончания режима термообработки пакет слоистой панели с оснасткой извлекается из теплового агрегата, пакет распрессовывается, обрезается технологический припуск, оценивается дефектность слоистой панели на отсутствие непроклеев с помощью ультразвукового дефектоскопа. Толщина клеевого соединения, как правило, не превышает 0,1 мм, при этом обеспечивается вакуумная плотность изготавливаемых слоистых панелей при снижении до 2 раз количества клея, а следовательно, снижается вес слоистых панелей, что особенно важно в авиационной и ракетно-космической технике.

Слоистая панель может быть как плоской, так и элементом тела вращения (полуцилиндр, конус и т.п.). Способ наиболее эффективен при изготовлении слоистых панелей площадью более 2 м², лучшие результаты по сравнению с известными способами достигаются при площадях более 20 м².

Пример 1. Изготовление плоской слоистой панели с размерами 7,0×3,0 м из стеклопластика толщиной 6 мм с продольным нанесением полос в клеевых слоях.

На полностью отвержденный лист ПКМ на основе полимерного эпоксифенольного связующего ЭНФБ и стеклоктани марки Т 10-80 нанесли 5 полос шириной 20 мм пленочного клея ВК-36. Лист ПКМ с нанесенными полосами пленочного клея поместили в тепловой агрегат, провели тепловую обработку по типовому режиму полимеризации пленочного клея ВК-36 при атмосферном давлении (выдержка при температуре 175°С в течение 3 часов при скорости подъема температуры 1,5÷3°С в минуту). По окончании режима термообработки тепловой агрегат охладили до температуры 25-30°С, извлекли лист ПКМ с нанесенными полосами пленочного клея из теплового агрегата и измерили ширину (B₁) полос пленочного клея ВК-36. Минимальная ширина растекшейся одной из полос пленочного клея стала равной 24 мм. После этого определили расстояние между клеевыми полосами (в).

в=B₁-В=24-20=4 мм,

где В=20 мм - исходная ширина клеевой полосы.

Определили коэффициент К

К=в/В=24/20=1,2

Число клеевых полос определили из соотношения

,

где S_общ - площадь склеиваемой поверхности;

S - площадь клеевой полосы;

S_общ=7000·3000=21000000 мм².

Площадь продольной клеевой полосы S=7000·20=140000 мм².

Тогда число клеевых полос для продольных клеевых слоев равно соответственно

Предварительно изготовили с полной степенью отверждения три листа ПКМ толщиной 1,9 мм на основе полимерного эпоксифенольного связующего ЭНФБ и стеклоктани марки Т 10-80. Лист ПКМ с подготовленной для склеивания поверхностью путем удаления с поверхности листа жертвенного дренажного слоя фильтровальной ткани из синтетических нитей артикул типа 56207 уложили на плоскую формующую металлическую оснастку, на верхнюю поверхность листа ПКМ уложили пленочный клей ВК-36, начиная с края продольной стороны кромки листа ПКМ, в виде полос шириной 20 мм и длиной 7000 мм, с расстоянием между полосами 4 мм по всей длине листа, последнюю полосу клея уложили вдоль края листа ПКМ. Затем поверх клеевого слоя уложили второй аналогичный лист ПКМ с предварительно подготовленной к склеиванию поверхностью. На него уложили аналогично предшествующему слою ПКМ с подготовленной для склеивания поверхностью полосы клея шириной 20 мм, длиной 3000 мм и расстоянием между ними 4 мм. Сверху клеевой слой закрыли третьим листом ПКМ.

Собранный пакет слоистой панели сверху накрыли разделительной пленкой, цулагой, дренажным слоем фильтровальной ткани из синтетических нитей артикул типа 56207 и герметично упаковали в вакуумный мешок. В мешке создали разрежение 0,9 кгс/см², после чего его на оснастке поместили в тепловой агрегат (автоклав), где при сохранении разрежения в мешке произвели тепловую обработку по типовому режиму полимеризации пленочного клея ВК-36. Вакуум в мешке сохранялся во время тепловой обработки.

По окончании режима термообработки тепловой агрегат охладили до температуры 25-30°С, мешок с оснасткой извлекли из теплового агрегата. Пакет слоистой панели распрессовали, обрезали технологический припуск, оценили дефектность слоистой панели на отсутствие непроклеев с помощью ультразвукового дефектоскопа типа АД-60. Изготовленная слоистая панель дефектов не имела.

Пример 2. Изготовление плоской слоистой панели с размерами 7,0×3,0 м из стеклопластика толщиной 6 мм с продольным и поперечным нанесением полос в клеевых слоях.

Определили расстояние между клеевыми полосами (в) аналогично примеру 1.

в=B₁-B=24-20=4 мм,

где В=20 мм - исходная ширина клеевой полосы.

Определили коэффициент К

К=в/В=24/20=1

Число клеевых полос определили из соотношения

,

где S_общ - площадь склеиваемой поверхности;

S - площадь клеевой полосы;

S_общ=7000·3000=21000000 мм².

Площадь продольной клеевой полосы S=7000·20=140000 мм².

Площадь поперечной клеевой полосы S=3000·20=60000 мм².

Тогда число клеевых полос для продольных и поперечных клеевых слоев равно соответственно

Выбрали число клеевых полос для продольного клеевого слоя равным 125, а для поперечного клеевого слоя - 292.

Сборка пакета слоистой панели, его упаковка, режим термообработки, распрессовка и оценка дефектности слоистой панели на отсутствие непроклеев проводились аналогично примеру 1. Изготовленная слоистая панель также не имела дефектов.

Предлагаемый способ изготовления слоистых панелей пригоден при использовании клеев в виде клеевой пленки (ВК-36, ВК-41, ВК-51 и т.п.), обладающих свойствами текучести при температурном воздействии. Однако степень растекаемости пленочного клея будет зависеть не только от типа клея, но и от конкретной партии, срока его изготовления, условий хранения, температуры полимеризации и т.д. При растекаемости пленочного клея с расстоянием между полосами, относящимся к их ширине менее чем как 0,2:1, применение данного способа изготовления слоистых панелей становится нецелесообразным ввиду незначительного снижения веса конструкции при большой трудоемкости проведения подготовительных работ, связанных с использованием пленочного клея.

Предлагаемый способ изготовления слоистых панелей по сравнению с прототипом обеспечивает возможность изготовления крупногабаритных толстостенных вакуум-плотных силовых слоистых панелей из ПКМ в виде плоскости, полуцилиндра и др. путем склеивания листов ПКМ расчетной толщины с помощью минимально необходимого количества пленочного клея. Использование клеевой пленки в виде полос с расстоянием между полосами, относящимся к их ширине не менее чем как 0,2:1, дополнительно облегчает удаление воздуха и летучих компонентов клеевой пленки в процессе вакуумирования при ее полимеризации, т.к. зоны между полосами клеевой пленки служат своеобразными дренажными каналами. При этом обеспечивается необходимая прочность клеевого соединения при снижении веса слоистых панелей, что является определяющими факторами при проектировании и изготовлении узлов и агрегатов авиационной и ракетно-космической техники.