Результат интеллектуальной деятельности: СТЕКЛОПЛАСТИК И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к технологии изготовления стеклопластиков для производства слоистых полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности тонколистовых обшивочных материалов, используемых для изготовления трехслойных сотовых (сендвичевых) конструкций планера летательных аппаратов (самолетов, вертолетов), а также для различных изделий транспортного машиностроения, где требуется высокая весовая эффективность конструкций.

Из предшествующего уровня техники (патент РФ №2185963, опубл. 27.07.2002) известен слоистый композиционный материал. Композиционный слоистый материал содержит слои алюминиевого сплава и слои органопластика на основе связующего с армирующим наполнителем из высокомодульных арамидных волокон. Он дополнительно содержит арамидные волокна с электропроводящим покрытием в количестве не менее двух, которые расположены в слое органопластика.

Недостатком применения органотекстолитов в таких конструкциях является их коробление из-за изменения размеров обшивок при влагопоглощении во время эксплуатации.

Аналогом предлагаемого изобретения (патент США 5547735, опубл. 20.08.1996) является слоистый композиционный материал, содержащий чередующиеся слои алюминиевого сплава и слои стеклопластика на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя. Слой стеклопластика содержит четыре монослоя, упрочненных однонаправленными стеклянными волокнами, причем волокна в двух внутренних монослоях ориентированы в одном направлении, а волокна в двух внешних монослоях ориентированы перпендикулярно этому направлению.

Недостатками указанного материала являются: отсутствие обеспечения равномерного перераспределения нагрузки между армирующими стеклянными волокнами при локальном ударном воздействии на слоистый материал и не способность равномерно воспринимать изгибающие нагрузки при фронтальных ударных воздействиях, что приводит к локальному повреждению и образованию трещин, особенно в зоне растяжения, т.к. монослои пластика армированы только однонаправленными стекловолокнами.

Наиболее близким аналогом является патент РФ №2238850 С1, опубл. 27.10.2004. В данном техническом решении раскрывается четырехслойный стеклопластик, который состоит из чередующихся слоев однонаправленных волокон и стеклоткани, причем армирующий наполнитель в виде однонаправленных волокон располагается в центральной части, а препрег со стеклотканью располагается по наружным сторонам слоя стеклопластика. Слой стеклопластика состоит из двух внутренних монослоев препрега со стеклянными волокнами, в которых волокна располагались параллельно, и двух наружных монослоев препрега, в которых волокна располагались перпендикулярно волокнам во внутренних слоях препрега.

Применение данных стеклопластиков с различной ориентацией слоев препрега уступают по весовым характеристикам обшивкам из органотекстолитам, а попытки уменьшения в их составе количества слоев препрега приводят к снижению ресурса сотовой конструкции в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является создание стеклопластика с улучшенными физико-механическими свойствами.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение анизотропии свойств гибридного материала на основе стеклопластика, что обеспечивает в изделии чрезвычайно высокую устойчивость к различным циклическим нагрузкам.

Поставленный технический результат достигается с помощью стеклопластика, состоящего из по меньшей мере двух слоев из стеклоткани и по меньшей мере одного слоя препрега, который включает связующее и волокнистый наполнитель, причем упомянутый слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

Предпочтительно стеклопластик дополнительно содержит второй слой препрега, пропитанный связующим, и промежуточный слой из стеклоткани, причем второй слой препрега укладывается на внутренний слой из стеклоткани таким образом, что направление волокон наполнителя второго слоя препрега совпадает с направлением волокон первого слоя препрега, а промежуточный слой из стеклоткани располагается поверх первого и второго слоев препрега таким образом, что направление нитей основы и нитей утка промежуточного слоя из стеклоткани совпадает расположением нитей основы и нитей утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани.

Предпочтительно по меньшей мере один слой из стеклоткани является непропитанным.

Предпочтительно препрег включает связующее и волокнистый наполнитель в виде однонаправленных стеклянных или углеродных волокон при следующем соотношении, мас.ч.:

Предпочтительно используется эпоксидное связующее, включающее смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, в качестве отвердителя - дициандиамид, полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, с молекулярной массой 25000 - 45000 и температурой стеклования 190-260°С, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, отличающееся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное, парааминофенола 60-100,

дициандиамид 8-12,

указанный полиарилсульфон 15-30.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1.

На наружную поверхность формы наносится антиадгезионный слой. Слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. То есть на наружную поверхность формы укладывают слой сухой стеклоткани марки Т-64(ВМП) в направлении [90 град, относительно волокон препрега], затем выкладывают один слой препрега в направлении [0] и поверх - еще один слой сухой стеклоткани Т-64(ВМП) в направлении [90 град, относительно волокон препрега]. Нити основы и нити утка внутреннего слоя из стеклоткани параллельны соответствующим нитям основы и нитям утка внешнего слоя из стеклоткани.

Препрег пропитан связующим в количестве, достаточном для пропитки обоих слоев непропитанной, т.е. сухой, стеклоткани. Препрег со стеклянными волокнами получают путем пропитки при температуре 80-100°C эпоксидной клеевой композицией, взятой в количестве 48 мас.%, стеклоровинга марки РВМПН-10-600, взятого в количестве 52 мас.%.

Использовали эпоксидное связующее, включающее смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы]N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, в качестве отвердителя - дициандиамид, полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, с молекулярной массой 25000-45000 и температурой стеклования 190-260°C, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, отличающееся тем, что указанные компоненты взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное, парааминофенола 60-100,

дициандиамид 8-12,

указанный полиарилсульфон 15-30.

Использовали однонаправленный препрег из волокон стекла с прочностью 6500 МПа, модулем упругости от 95 ГПа, с поверхностной плотностью наполнителя 150-300 г/м², пропитанного эпоксидным клеевым связующим. Поверхностная плотность однонаправленного препрега 250-00 г/м². Поверхностная плотность внутреннего и наружного слоев из стеклоткани 100 г/м².

Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Прочность и модуль упругости монослоя стеклопластика на основе стеклянных волокон составляли от 1500 до 2000 МПа и от 45 до 55 ГПа соответственно.

Пример 2.

На наружную поверхность формы укладывают слой сухой стеклоткани марки Т-64(ВМП) в направлении [90], затем выкладывают один слой препрега в направлении [0] и поверх - еще один слой сухой стеклоткани Т-64(ВМП) в направлении [90]. Препрег пропитан связующим в количестве, достаточном для пропитки обоих слоев сухой стеклоткани. Препрег с углеродными волокнами получают путем пропитки при температуре 80-100°C эпоксидной клеевой композицией, взятой в количестве 52 мас.%, углеродной нити марки HTS45 12k 800tex, взятой в количестве 48 мас.%.

Поверхностная плотность внутреннего слоя стеклоткани 100 г/м², а наружного слоя 290 г/м².

Использование однонаправленного препрега из углеродных волокон с прочностью 4500 МПа, модулем упругости от 230 ГПа, с линейной плотностью от 800 текс, с поверхностной плотностью наполнителя 150 - 300 г/м², пропитанного эпоксидным клеевым связующим.

Прочность и модуль упругости монослоя ПКМ на основе углеродных волокон составляли от 2000 до 3000 МПа и от 120 до 140 ГПа соответственно.

Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Пример 3.

На наружную поверхность формы наносится антиадгезионный слой. Слой препрега расположен между внутренним и наружным слоями из стеклоткани таким образом, что волокна препрега направлены перпендикулярно по отношению к направлению нитям основы или нитям утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. При этом дополнительно содержит второй слой препрега, пропитанный связующим, и промежуточный слой из стеклоткани. Второй слой препрега укладывается на внутренний слой из стеклоткани таким образом, что направление волокон наполнителя второго слоя препрега совпадает с направлением волокон первого слоя препрега, а дополнительный слой из стеклоткани располагается поверх первого и второго слоев препрега таким образом, что направление нитей основы и нитей утка промежуточного слоя из стеклоткани совпадает с расположением нитей основы и нитей утка внутреннего и наружного слоев из стеклоткани. То есть слои располагались следующим образом: слой стеклоткани в направлении [90], поверх него два слоя препрега в направлении [0] и поверх них два слоя стеклоткани в направлении [90]. Использовали препрег и связующее аналогично по примеру 1. Пакет формуют методом автоклавного формования при температуре 180±5°C в течение 3 ч при давлении 0,5-0,8 МПа. Стеклопластик может также формоваться методом прямого прессования.

Стеклопластик за счет оптимальной ориентации слоев однонаправленного препрега и стеклоткани из высокомодульных волокон и изделия из него имеют в сравнении с прототипом повышенные механические характеристики: для стеклопластика со структурой армирования [0, 90] прочность при растяжении в направлении [0] повышена на 10-20%, в направлении [90] - от 3 до 6,7 раз; для стеклопластика со структурой армирования [0] прочность при растяжении в направлении [0] повышена в 1,9-2 раза, модуль при растяжении повышен на 4-20%, прочность при сжатии повышена на 54-75%. Стеклопластик и изделие, выполненное из него, обладают ярко выраженной направленной анизотропией свойств, не имеют ограничений по ширине в пределах монослоя.

Из предложенного стеклопластика могут быть выполнены различные изделия, например обшивки многослойных конструкций, элероны, хвостовые отсеки хвостовых частей лопастей вертолетов.