Anglies pluošto lakštų storio ir plokštumos kontrolė: išsamus priešpridėjimo (prepreg) pasirinkimo ir technologinių parametrų analizė

Anglies pluošto kompozitų gamybos srityje storumo tikslumas ir paviršiaus plokštumas yra du svarbūs kriterijai, kuriais remiantis vertinama produkto kokybė. Norint gaminti aukštos kokybės anglies pluošto plokštes, kurių storis yra tikslus ir paviršius plokštas, būtina atlikti tikslią kontrolę visoje gamybos grandinėje nuo prepreg atrankos iki atšilimo proceso. Šiame straipsnyje bus sistemingai analizuojamos pagrindinės plokštės storumo ir plokštumo kontrolės technologijos iš trijų perspektyvų: prepreg charakteristikos, lakšties dizainas ir formavimo parametrai.

Prepregų "genai" lemia laminuotų medžiagų standartą

Kaip anglies pluošto plokščių žaliava, prepregų fizinės savybės tiesiogiai lemia jų storį ir plokštumą.

1.Žaidimo pluošto ploto svoris (FAW) lemia teorinį storį

Skysčio pagrindo svoris yra pagrindinis parametras, kuris valdo storį. Pavyzdžiui, vienkryptės skaidros pagrindo svoris 50 g/m² vieno sluoksnio storis yra apytiksliai 0,05–0,06 mm, o 200 g/m² – 0,19–0,20 mm. Skysčio pagrindo svorio pasirinkimas tiesiogiai nulemia galutinio skydo teorinį storio etaloną.
Plonos skaidros suteikia reikšmingų pranašumų lygumo kontrolėje. Tyrimai parodė, kad palyginti su įprastomis skaidromis (200 g/m²), plonos skaidros (pvz., 50 g/m²) palengvina impregnavimą ir turi geresnę pralaidumą dėl mažesnio atskirų skaidulų sluoksnių storio. Daugiasluoksnėse konstrukcijose oro burbulai lengviau išstumiami tarp plonų skaidrų sluoksnių, todėl susidaro žymiai mažiau tuščiųjų erdvių ir tiesesnės skaidulos. Tai ne tik padeda kontroliuoti storio tikslumą, bet taip pat pagerina paviršiaus lygumą ir mechanines savybes.

2. Dėl dėl rezino kiekio (RC) reguliavimo funkcijos

Priešpraturtintų medžiagų rezino kiekis paprastai svyruoja nuo 35 iki 42 procentų pagal masę. Šis parametras tiesiogiai veikia tekėjimo elgseną kaitinimo metu ir galutinį storį:

Aukštas RC (daugiau kaip 42 %): Geriau tekėjimo savybės; po kaitinimo paviršiuje susidaro storesnis rezino turtingas sluoksnis ir patrauklus išvaizdos įspūdis. Tačiau jei slėgis nekontroliuojamas tinkamai, per didelis rezino ištekėjimas gali lengvai sukelti nepakankamą storį ir tarpus tarp sluoksnių.

Žemas RC (35–38 %): Aukštesnis pluošto tūrio dalis ir geriau stiprumo savybės, bet prastesnės tekėjimo savybės. Tai gali sukelti tarpus kampuose ir sustiprinamuose briaunose, taip pabloginant paviršiaus lygumą.

3. Dėl летančių medžiagų kiekio rūpesčiai

Tirpstantis tirpiklis ir drėgmė, likusi paruoštoje medžiagoje, sukelia burbulus kietinant. Aukštos kokybės paruoštos medžiagos turėtų turėti išgaruojančių medžiagų kiekį mažesnį nei 1,5 %, o žemos kokybės – iki 3 %. Iš tokių paruoštų medžiagų formuojami detalės turi daug mikroskopinių skylių paviršiuje ir tuščiųjų erdvių tarp sluoksnių, kurios labai pažeidžia jų plokštumą.

4. Audinio struktūros poveikis

Pagal audimo schemą paruoštos medžiagos skirstomos į tris tipus: paprastasis audimas, žymėjimo audimas ir sateno audimas. Paprastasis audimas turi prastas dėstymo savybes ir aukštą pluošto lenkimo rodiklį; sateno audimas turi gerą dėstymo savybes, bet žemą pluošto lenkimo rodiklį; žymėjimo audimas yra tarpinis. Skirtingos audimo schemos įtakoja laminato tankį ir jo dujų šalinimo savybes, o tai savo ruožtu veikia storio vienodumą.

Dangos projektavimas: pirmoji plokštumos apsaugos linija

1. Simetriškas dėstymas yra auksinė taisyklė, užkertanti kelią išsivengimui

Dėjimo kampai paprastai nustatomi 0°, ±45° ir 90°, o jų kombinacija parenkama pagal apkrovos reikalavimus. Po kietinimo netikslūs dėjimai gali sukelti kaupiamąją deformaciją dėl šiluminio plėtimosi koeficientų ir kietinimo susitraukimo greičių skirtumų (apytiksliai 0,02–0,05 mm/m), kas sukelia išlinkimą. Paprasčiausias patikrinimo metodas – sulenkti dėjimo seka per vidurį ir patikrinti, ar sluoksnių kampai abiejose pusėse yra vienas kitam veidrodyje atspindėti – jei ne, išdėstymas turi būti pakeistas.

2. Beveik nepastebimų ir persidengiančių sujungimų menas

Jungiant didelio dydžio plokštes, persidengimo plotis turi būti ne mažesnis kaip 10 mm. Glaudžieji sujungimai (kur jungiamosios linijos nesipersidengia) po kietinimo gali sukelti griovelių pavidalo defektus ir įtempimo koncentraciją jungties vietose. Jungiant kelis sluoksnius, gretimų sluoksnių jungiamosios linijos turi būti paslinktos bent 50 mm, kad visos jungiamosios linijos nebūtų vienoje vietoje.

3. Išankstinis suspaudymas – pagrindinis oro burbulų ir storio svyravimų pašalinimo etapas

Po to, kai dėjimas baigtas, išankstinis suspaudymas yra kritiškai svarbus storio ir plokštumos kontrolės žingsnis. Dėdant prepreg medžiagą, tarp sluoksnių įstrigsta oras; kadangi epoksidinė derva yra labai klampi, ne visam orui pavyksta išeiti per šiluminį kietinimą, todėl susidaro tuščios vietos.

Realioje gamyboje po dėjimo pabaigos suspaudymas gali būti pasiekiamas naudojant ritulinį suspaudimą arba šaltąjį spaudimą, kad būtų glaudžiai suspausti sluoksniai anglies pluošto prepregatas , taip veiksmingai išsprendžiant oro patekimo į dėjimą problemą. Nepakankamas išankstinis suspaudymas neleidžia orui išeiti per kietinimą, todėl susidaro tuščios vietos arba burbulai, kurie ne tik pažeidžia storio vienodumą, bet taip pat paveikia paviršiaus plokštumą.

Formos kietinimas: lemiamasis etapas, nulemiantis storį ir plokštumą

1. Formos slėgis – pagrindinis deformacijos (išlinkimo) veiksnys

Tyrimai parodė, kad tarp kompresinio formavimo proceso parametrų veiksniai, turintys įtakos išsivengimui (deformacijai), pagal reikšmingumą yra šie: kompresinis slėgis (P), spaustuvo greitis (v), laikymo trukmė (t), formavimo temperatūra (T); didžiausią įtaką išsivengimui daro kompresinis slėgis.

Priešformuotų medžiagų (prepreg) formavimo slėgis paprastai sudaro tik 0,5–3 MPa, kuris žymiai mažesnis už 10–20 MPa, reikalingą SMC formavimui. Slėgis turi būti tiksliai parinktas:

Per didelis slėgis: perdaug dervos išspaudžiama, todėl tarp sluoksnių susidaro dervos trūkumas, kuris sumažina pjovimo stiprumą ir sukelia plonesnes sienas.

Per mažas slėgis: tarp sluoksnių esantys oro maišeliai nepanaikinami, todėl sienos tampa storesnės ir netolygios.

daugumai 3K prepreg detalių optimalus slėgio intervalas yra 1–1,5 MPa; kiekvieną kartą pereinant prie naujos prepreg medžiagos rekomenduojama pirma pagaminti tris bandymo pavyzdžius, kad patikrintumėte slėgį.

2. Formos temperatūra ir šildymo greitis

Kriaušės temperatūra paprastai yra tarp 120–150 °C. Šildymo greitis turi būti tiksliai kontroliuojamas:

Jei šildymo greitis per didelis (viršija 8 °C/min), dervos želė susidaro anksčiau, nei jos klampumas spėja sumažėti iki mažiausios reikšmės, todėl susidaro prasta tarp sluoksnių sukibimo kokybė ir galimi paviršiaus defektai, pvz., baltos dėmės ar perteklinė derva.

Jei temperatūra kyla per lėtai: gamybos ciklai pailgėja, padidėja sąnaudos.

3 °C/min yra saugus pradinis taškas. Formavimo proceso metu šildymo galia gali būti reguliuojama taip, kad kriaušės temperatūros kilimas lieptų tinkamoje srityje (neviršydami ±5 °C).

3. Tikslus slėgio taikymo laikas

Slėgio taikymo laikas taikymas kietinimo procese yra lemiamas:

Per anksti taikant slėgį: perdaug dervos išbėga, dervos kiekis mažėja, sumažėja tarp sluoksnių skersinės stiprumo charakteristikos.

Per vėliau taikant slėgį: derva jau pradėjo kietėti, todėl sunku išlaikyti pageidaujamą storį; dervos kiekio padidėjimas sukelia lenkimo stiprumo sumažėjimą.

Slėgio taikymo laikas neturėtų būti nustatomas tik remiantis dervos sistemos termokietinėmis savybėmis; sprendimas turi būti priimamas atsižvelgiant į faktines technologines sąlygas.

4. Laikymo trukmės ir storio ryšys

Priešpradėtų medžiagų kietinimo laikas apskaičiuojamas pagal storį – paprastai 1–2 minutės už kiekvieną milimetrą storio. 2 mm storio detalė reikalauja 2–4 minučių slėgio laikymo; tačiau šis laikas skaičiuojamas nuo momento, kai formos temperatūra pasiekia stabilų lygį, o ne nuo formos uždarymo pradžios. Formos įkaitinimas nuo kambario temperatūros trunka gan ilgą laiką ir turi būti matuojamas termoporu, įdėtu į formą.

5. Aušinimas ir išforminimas

Po kietinimo pabaigos gaminys turi būti leidžiamas aušti iki 50 °C arba žemesnės temperatūros prieš išforminant, kad būtų sumažinta deformacija dėl dervos susitraukimo ir užtikrinta serijų vientisumas.