Kaip skirtingos dėsčiamosios sistemos veikia anglies pluošto preprego našumą?

Kai inžinieriai ir kompozitų gamintojai vertina pažangius stiprinimo medžiagų tipus, dėl dėklų sistemos pasirinkimo retai galvojama tik pabaigoje. Iš tikrųjų dėklų matrica, įterpta į anglies pluošto prepregatas yra vienas svarbiausių veiksnių, nulemiančių, kaip galutinis kompozitas elgsis eksploatacijos metu. Nuo mechaninio stiprumo ir šiluminės atsparumo iki kietėjimo elgsenos ir laikymo trukmės – dėklų chemija lemia beveik visus naudingumui reikšmingus parametrus, kurie yra svarbūs gamybos aikštėje arba reikalaujančiose konstrukcinėse taikymas .

Naudingumo anglies pluošto prepregatas yra ne tik akademinis klausimas. Tai turi tiesioginių padarinių detalės kokybei, gamybos ekonomikai ir galutinio produkto patikimumui. Šiame straipsnyje nagrinėjamos pagrindinės dėklų šeimos, naudojamos anglies pluošto priešpridėtų medžiagų gamyboje, paaiškinama, kaip kiekviena iš jų veikia pagrindinius naudingumo rodiklius, ir pateikiama praktinės rekomendacijos, kaip pasirinkti tinkamą dėklų sistemą remiantis taikymo reikalavimais.

Dėklų sistemų vaidmuo anglies pluošto priešpridėtose medžiagose

Ką iš tikrųjų daro dėžutės sistema priešpridėtame kompozite

Anglies pluošto priešpridėtas kompozitas yra esminis pusbaigiamasis kompozitinis medžiagų produktas, kuriame anglies pluošto stiprinimo elementai jau iš anksto pridėti prie dėžutės matricos kontroliuojamoje gamyklinėje aplinkoje. Dėžutė veikia kaip rišiklis, perduodantis apkrovas tarp atskirų pluošto siūlų, apsaugantis pluoštus nuo aplinkos žalos ir nustatantis apdorojimo sąlygas, reikalingas visiškam susiliejimui ir užkietėjimui pasiekti.

Dėžutė taip pat nulemia neužkietėjusio anglies pluošto priešpridėto kompozito lipnumą ir drapavimą, kurie abu yra būtini dėjimo ir įrankių naudojimo operacijoms. Per mažas lipnumas sukelia tai, kad sluoksniai neprilips vienas prie kito rankiniu dėjimu. Per didelis lipnumas sukuria sunkumų tvarkant medžiagą ir padidina pluošto deformacijos riziką. Šį balansą kontroliuoja dėžutės cheminė sudėtis.

Be to, kad dėl dėklų matricos nustatomas tarp sluoksnių šlyties stiprumas, drėgmės įsisavinimo elgesys, aukštos temperatūros veikimo charakteristikos ir sukietėjusio dėklo atsparumas nuovargiui. Todėl tinkamos dėklų sistemos pasirinkimas yra neišskiriamas nuo pačios anglies pluošto priešpradės specifikavimo.

Pagrindiniai našumo rodikliai, kuriais valdo dėklų chemija

Keli anglies pluošto priešpradės dėkluose našumo rodikliai priklauso daugiausia nuo dėklų, o ne nuo pluošto. Šie rodikliai apima stiklinės būsenos temperatūrą (Tg), kuri nustato aukščiausią eksploatavimo temperatūrą; smūginį stiprumą ir pažeidimų atsparumą bei cheminį atsparumą skysties, tirpiklių ir UV spinduliavimo poveikiui.

Pluošto dominuojamos savybės, tokios kaip tempiamosios modulio ir tempiamosios stiprybės, mažiau jautrios dėl dėvinio pasirinkimo, tačiau suspaudimo stiprybė ir tarp sluoksnių šlyties stiprybė labai priklauso nuo to, kaip gerai dėvinio matrica palaiko pluoštus veikiant apkrovai. Aukštesnio modulio dėvinys žymiai gali pagerinti suspaudimo charakteristikas anglies pluošto paruoštos medžiagos laminatuose.

Kietinimo susitraukimas ir likutinis įtempis taip pat priklauso nuo dėvinio. Sistemos su dideliu kietinimo susitraukimu gali sukurti vidinius įtempimus, kurie sumažina ciklinio gyvavimo trukmę arba sukelia išlinkimą plonos aplankos konstrukcijose. Mažo susitraukimo dėvinio sistemos pasirinkimas ypač svarbus tikslausis aviacijos komponentams, pagamintiems iš anglies pluošto paruoštos medžiagos.

Epoksidiniai dėviniai ir jų įtaka paruoštų medžiagų savybėms

Kodėl epoksidiniai dėviniai dominuoja anglies pluošto paruoštų medžiagų taikymuose

Epoksidai išlieka plačiausiai naudojama dėžutės (prepreg) gamyboje naudojama dervų sistema, ir tai visiškai suprantama. Epoksidinės dervos suteikia puikią mechaninių savybių, adhezijos prie anglies pluošto paviršiaus, mažo kietėjimo susitraukimo bei apdorojimo lankstumo kombinaciją. Jos gali būti paruoštos kietėjimui kambario temperatūroje, padidintoje temperatūroje ar aukštoje temperatūroje, todėl jas galima pritaikyti įvairiausioms gamybos aplinkoms.

Standartinės aviacijos klasės epoksidinės dėžutės (prepreg) sistemos paprastai kietėja esant 120 °C arba 180 °C temperatūrai, o jų stiklinės temperatūros (Tg) reikšmės svyruoja nuo 120 °C iki daugiau nei 200 °C – priklausomai nuo formulės. Stiklinė temperatūra (Tg) tiesiogiai riboja anglies pluošto dėžutės (prepreg) laminato eksploatavimo temperatūrą, todėl parinkti tinkamą kietėjimo ciklą ir kietiklio sistemą yra itin svarbu taikymams, kurie vyksta arti šiluminės ribos.

Epoksidiniai sistemos taip pat pasižymi puikiu cheminio suderinamumo su anglies pluošto dengikliais, kuris skatina stiprią pluošto ir matricos sąsają. Šios sąsajos kokybė yra vienas pagrindinių veiksnių, lemiančių paruošto anglies pluošto plokštės tarpsluoksninį šlyties stiprumą, ir tai viena iš priežasčių, kodėl epoksidai nuolat pranašesni už daugelį kitų dervų konstrukcinėse aplikacijose.

Epoksidų apribojimai aukštos našumo scenarijuose

Nors epoksidiniai anglies pluošto paruoštojo medžiagų sistemos turi daug privalumų, jų trūkumai taip pat gerai žinomi. Svarbiausias iš jų yra trapumas: įprastos epoksidinės matricos pasižymi santykinai žemu lūžio atsparumu, todėl sumažėja smūgio pažeidimų atsparumas. Taikymuose, kuriuose smūgiai tikėtini – pvz., automobilių karoserijos dalyse ar lėktuvų viduje – reikia apsvarstyti stipresnių epoksidų formules arba alternatyvių dervų sistemas.

Drėgmės įsisavinimas yra dar viena problema. Epoksidiniai dervos įsisavina drėgmę iš aplinkos, o ši įsisavinta vandens dalis veikia kaip plastifikatorius, sumažindama efektyvią kietosios anglies pluošto priešpradės laminato stiklinės temperatūros (Tg) reikšmę. Drėgnos Tg reikšmės gali būti 20 °C–40 °C žemesnės nei sausos Tg, todėl tai turi būti atsižvelgiama konstruojant konstrukcijas, kai komponentai veiks drėgnoje aplinkoje.

Taikymams, kuriems reikalingos eksploatacijos temperatūros aukščiau 200 °C, standartinės epoksidinės sistemos pasiekia savo našumo ribas. Šiuo atveju inžinieriai privalo ieškoti aukštos temperatūros dervų alternatyvų, kad jų kietosios anglies pluošto priešpradės komponentai veiktų patikimai.

Aukštos temperatūros dervų sistemos reikalaukantiems priešpradės taikymams

Bismaleimido dervos kietosios anglies pluošto priešpradėje

Bismaleimido (BMI) dervos išplečia anglies pluošto prepregatas eksploatavimo temperatūros diapazoną iki 200 °C–230 °C be reikalingų labai sudėtingų poliimidų apdorojimo ciklų. BMI sistemos kietėja per adicinę polimerizaciją, todėl kietėjimo metu jos neatskiria jokių leidžiamųjų garų, mažindamos tuščiųjų erdvės susidarymo riziką laminatyve.

Anglies pluošto priešimpreguotos medžiagos, pagamintos su BMI dervomis, dažnai naudojamos karinėse lėktuvų konstrukcijose, aukštos našumo automobilių sporto komponentuose ir pramoninėje įrangoje, kuri turi pakartotinai atlaikyti autoklavų temperatūras visą savo eksploatacijos laiką. Ši derva užtikrina puikią mechaninių savybių išlaikymą esant karštam ir drėgnam aplinkos poveikiui, t. y. drėgmės įsisavinimas mažiau veikia savybes aukštoje temperatūroje lyginant su epoksidinėmis dervomis.

BMI sistemų kompromisas yra tai, kad jos yra esminiu būdu trapesnės nei kietintos epoksidinės dervos ir reikalauja aukštesnių apdorojimo temperatūrų – paprastai nuo 175 °C iki 200 °C – norint pasiekti visišką sukietėjimą. Dažnai būtina atlikti papildomus sukietėjimo ciklus dar aukštesnėse temperatūrose, kad būtų maksimaliai padidinta stiklinės temperatūros (Tg) reikšmė ir šiluminė stabilumas galutiniame anglies pluošto priešpridėtame sluoksnyje.

Polimidinės ir cianato esterinės dervos ekstremalioms aplinkoms

Taikymams, kuriems reikalinga ilgalaikė eksploatacija aukščiau kaip 250 °C, polimidinės dervos yra pačios naujausios technologijos anglies pluošto priešpridėtų medžiagų srityje. Polimidinėmis dervomis pagamintos priešpridėtos medžiagos naudojamos aviacijos variklių komponentuose, kosminės technikos konstrukcijose ir hipersoninės technikos korpusuose, kur reikalaujama neįveikiamos šiluminės našumo. Tačiau polimidinių sistemų apdorojimas reikalauja didelio slėgio ir aukštų temperatūrų, taip pat reikia tiksliai kontroliuoti leidžiamųjų garų susidarymą per sukietėjimo procesą.

Cianatų esterių dervos užima našumo nišą tarp epoksidinių ir BMI sistemų. Jos absorbuoja mažiau drėgmės nei epoksidinės dervos, turi gerų dielektrinių savybių ir gali būti naudojamos temperatūrose nuo 200 °C iki 250 °C. Šios savybės daro cianatų esterių anglies pluošto priešimpregavimo medžiagą ypač patrauklią radijo bangų skleidimo skydų (radomų), palydovų konstrukcijų ir elektronikos apsauginių korpusų gamybai, kur žemas dielektrinis nuostolis yra kritiškai svarbus reikalavimas.

Tiek poliimido, tiek cianatų esterių sistemos yra brangesnės nei epoksidinės sistemos ir reikalauja tikresnių technologinių procesų kontrolės, tačiau taikymams, kuriuose šiluminis našumas yra lemiamasis apribojimas, jokia epoksidinei pagrindu sukurtų anglies pluošto priešimpregavimo medžiagų sistema negali konkuruoti vienodais sąlygomis.

Patvirtintos ir autoklavui nereikalingos dervų sistemos

Epoxydinių priešimpregavimo medžiagų gumine ir termoplastine patvirtinimas

Vienas svarbiausių anglies pluošto priešpridėtų medžiagų technologijos pasiekimų buvo elastingumo didinimo agentų įvedimas į epoksidines matricas. Įtraukiant gumos daleles, termoplastinius priedus arba tarp sluoksnių esančias plėvelės juostas, dervų formuotojai žymiai pagerino epoksidinėms priešpridėtoms medžiagoms būdingą pažeidimų atsparumą ir suspaudimo po smūgio (CAI) charakteristikas.

Elastingumo padidintos anglies pluošto priešpridėtos medžiagos dabar yra standartinės pirminėse lėktuvų konstrukcijose, kur reikalaujama, kad konstrukcija būtų atspari žemos energijos smūgiams be katastrofiško sluoksniavimo. Elastingumo padidinimo mechanizmas veikia sukurdamas energiją sugeriančias plyšių tiltelio zonas dervų matricoje, kurios slopina plyšių plitimą, kuri kitaip sukeltų plačią sluoksniavimą.

Kietinamųjų agentų įvedimas iš tikrųjų padidina dervos klampumą ir gali šiek tiek sumažinti maksimalią eksploatacinę temperatūrą palyginti su nekietintomis epoksidinėmis formulėmis. Todėl konstruktoriai, dirbantys su kietintais anglies pluošto priešpradėtais (prepreg) medžiagų komplektais, savo medžiagų parinkimo procese turi pasverti žalos atsparumo reikalavimus prieš kaitrinės našumo tikslus.

Autoklavu nepriklausomi priešpradėtų (prepreg) sistemų ir jų dervų reikalavimai

Autoklavu nepriklausomas (OOA) apdorojimas yra vis svarbesnis gamybos būdas didelėms konstrukcijoms ir mažesnio apimties taikymo srityse, kur autoklavų įsigijimo ir eksploatacijos kaštai yra per dideli. OOA anglies pluošto priešpradėtos (prepreg) sistemos naudoja ypatingai sukurtas dervas su dalinai atvirais poromis kanalais, kurie leidžia įstrigusiam orui ir išgaruojantiems komponentams išeiti tik vakuumo maišelyje vykstantis kietinimo sąlygas.

OOA anglies pluošto priešpradedamojo medžiagos dėklų dėmesys turi išlaikyti pakankamai žemą klampumą kietinimo ciklo pradiniame etape, kad dujos būtų pašalintos prieš tai, kai dėmesys susigelia. Tai reikalauja tikslaus dėmės tekėjimo langelio valdymo, kuris apibrėžiamas temperatūros, laiko ir klampumo kitimo sąryšiu kietinimo metu. OOA dėmės sistemos paprastai suformuluojamos su didesniu pradiniu lipnumu nei autoklavų sistemos, kad kompensuotų mažesnį konsolidavimo slėgį.

OOA kietinamų anglies pluošto priešpradedamųjų medžiagos dėklų laminatų mechaniniai savybės per pastaruosius dešimtmečius žymiai pagerėjo ir dabar artėja prie autoklavais apdorotų detalių savybių daugelyje konstrukcinių taikymų. Šios našumo lygybės pagrindinis veiksnys yra dėmės sistemos projektavimas, todėl OOA priešpradedamieji medžiagos dėklai vis labiau tampa realiu pasirinkimu aviacijos, jūrų ir vėjo energijos konstrukcijoms.

Dėmės sistemų parinkimas atitinkant taikymo reikalavimus anglies pluošto priešpradedamuose medžiagos dėkluose

Konstrukciniai ir šiluminiai reikalavimai kaip pirminiai varikliai

Nurodant anglies pluošto priešpradėjimą konstrukciniam taikymui, dėl dėžės sistemos parinkimo procesas turėtų prasidėti aiškiai apibrėžiant šiluminę aplinką. Didžiausia nuolatinė eksploatacijos temperatūra, drėgnos ar sausos sąlygos bei reikalaujamas saugos rezervas virš Tg nurodo į tam tikrą dėžės chemijos klasę. Epoksidinės sistemos tenkins daugumą taikymų žemiau 150 °C, o aukštesnėms temperatūroms reikės BMI ar cianato esterio sistemų.

Antra svarstymo vieta turėtų būti smūginės apkrovos scenarijai. Taikymai, kuriems yra didelė tikimybė, kad bus numestos įrankių, pateks grūdai ar įvairūs šiukšlių smūgiai, reikalauja sustiprintų anglies pluošto priešpradėjimų sistemų su patvirtintomis CAI charakteristikomis, kurios patikrintos standartinėmis bandymo metodikomis. Tokiose aplinkose nesustiprinto epoksidinio priešpradėjimo nurodymas yra konstrukcinis rizikos veiksnys, kuris gali sukelti per anksti eksploatacijoje įvykusius pažeidimus ir brangius remontus.

Cheminių medžiagų veikimo reikalavimai, įskaitant atsparumą hidraulinėms skystybėms, kuro medžiagoms, valymo priemonėms arba druskos purškiamajam smarčiui, dar labiau susiaurina dervų pasirinkimą. Kai kurios dervų sistemos absorbuoja tam tikrus tirpiklius arba greičiau suskyla rūgštinėse arba šarminėse aplinkose nei kitos. Prieš pasirenkant dervų sistemą anglies pluošto priešpridėtos (prepreg) medžiagos taikymui visada rekomenduojama atlikti kvalifikacinį bandymą konkrečioje cheminių medžiagų aplinkoje.

Gamintojo apribojimai ir perdirbimo suderinamumas

Anglies pluošto priešpridėtos (prepreg) medžiagos taikymui dervų sistemos pasirinkimą taip pat turi įtakos turima gamybos infrastruktūra. Autoklavų talpa, krosnių dydis, vakuumo maišų naudojimo galimybė bei darbuotojų patirtis su konkrečiais kietinimo ciklais visi lemia, kuri dervų sistema praktiškai yra įmanoma. Nurodant BMI priešpridėtą (prepreg) medžiagą, kai yra tik aplinkos temperatūroje kietinamų medžiagų infrastruktūra, kyla neatitikimas, kuris sukels nepakankamai sukietintus ir neatitinkančius reikalavimų gaminius.

Naudojimo terminas ir laikymo laikas kambario temperatūroje yra dėl rezino priklausantys parametrai, turintys tiesioginę įtaką kaštams. Dauguma anglies pluošto priešpradėtų sistemų reikalauja šaldyto laikymo esant –18 °C temperatūroje, kad būtų sustabdytas rezino brandinimas ir išlaikytos lipnumo bei apdorojimo savybės. Šaldytas naudojimo terminas ir leistinas laikymo laikas kambario temperatūroje žymiai skiriasi tarp skirtingų rezino sistemų. Didelės reaktyvumo rezino sistemos, skirtos greitam kietėjimui, paprastai turi trumpesnį laikymo laiką kambario temperatūroje, todėl apriboja dėjimo operacijų sudėtingumą, kurias galima atlikti prieš tai, kol medžiaga turi būti vėl sušaldyta arba pradėta kietėti.

Remontuojamumas yra galutinis, tačiau dažnai nepastebimas veiksnys. Kai kurios aukštos temperatūros dervos sistemos, naudojamos anglies pluošto pritaikytuose sluoksniuose, yra sunkiai remontuojamos lauke, nes joms reikia padidintos kietinimo temperatūros, kurios neįmanoma pasiekti naudojant nešiojamą šildymo įrangą. Epoksidinės dervos sistemos paprastai siūlo praktiškesnes remonto galimybes, o tai yra svarbus veiksnys aerokosmoso konstrukcijų ar sporto automobilių operatoriams, kuriems po pažeidimo greitas atstatymas yra komerciškai būtinas.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kurią dervų sistemą dažniausiai naudoja anglies pluošto pritaikytuose sluoksniuose aerokosmoso srityje?

Epoksidinės dervos sistemos yra plačiausiai naudojamos aerokosmoso anglies pluošto pritaikytuose sluoksniuose dėl jų puikių mechaninių savybių, mažo kietinimo susitraukimo ir stiprios sukibimo su anglies pluoštu. Pagarbinės epoksidinės formulės yra standartinės pirminėms konstrukcijoms, kurios reikalauja smūgio atsparumo. Aukštesnėms eksploatavimo temperatūroms virš 180 °C vietoj jų nurodomos bismaleimido ar cianato esterio sistemos.

Kaip dėslių sustiprinimas dėl rezino veikia anglies pluošto priešpradėtų sluoksniuotų medžiagų mechanines savybes?

Sustiprinamieji komponentai, tokie kaip gumos dalelės ar termoplastiniai priedai, žymiai pagerina anglies pluošto priešpradėtų sluoksniuotų medžiagų atsparumą smūgio pažeidimams ir suspaudimo po smūgio stiprumą. Jie veikia, sukuriant energiją sugeriančias zonas dėslio matricoje, kurios slopina įtrūkio plitimą. Kompromisas – šiek tiek sumažėja maksimali darbinė temperatūra ir kartais šiek tiek sumažėja tarpplauštinis šlyties stiprumas lyginant su nestiprinamomis sistemomis.

Ar anglies pluošto priešpradėtos medžiagos gali būti apdorojamos be autoklavų naudojant standartines dėslio sistemas?

Standartinės autoclavų klasės anglies pluošto priešpridėtinės droselės dėl rezino sistemų nėra sukurtos neautoklavinei apdorojimo technologijai ir dažniausiai sukuria aukštą tuščiųjų erdvių kiekį, kai kietinamos tik vakuumo maišu. Norint pasiekti žemą tuščiųjų erdvių kiekį ir priimtinas mechanines savybes apdorojant anglies pluošto priešpridėtinę droselę be autoclavų slėgio, reikia specialių neautoklavinių rezino sistemų, kurios turi suprojektuotą poringumą ir kontroliuojamą tekėjimo elgseną.

Kaip drėgmė veikia epoksidinio anglies pluošto priešpridėtinės droselės laminatų eksploatavimo charakteristikas?

Absorbuota drėgmė plastifikuoja epoksidinę matricą anglies pluošto priešpridėtinės droselės laminatuose, sumažindama efektyvią stiklinės būklės temperatūrą 20 °C–40 °C lyginant su sausa būseną. Šis drėgnosios stiklinės būklės temperatūros sumažėjimas turi būti įvertintas konstruojant konstrukcijas, ypač tiems komponentams, kurie bus naudojami karštuose ir drėgnuose aplinkos sąlygose. Rezino sistemos su mažesniu pusiausvyros drėgmės absorbcijos kiekiu, pvz., cianato esteriai ar tam tikros stiprinamosios epoksidinės sistemos, pasižymi geresnėmis karšto ir drėgno eksploatavimo sąlygų savybėmis.