Традиционный метод формования препрега из углеродного волокна

В сложном мире аэрокосмической промышленности и высокотехнологичного производства препрег из углеродного волокна технология формования подобна «невидимому ремесленнику», создающему высокотехнологичные материалы с экстремальным качеством исполнения, сочетающим прочность и лёгкость. Являясь классическим методом в области композитов, традиционный способ формования препрега из углеродного волокна прошёл десятки модификаций и по-прежнему остаётся «основой» производства высокотехнологичной продукции. Сегодня мы подробно разберём основные принципы этой технологии, чтобы понять, как из листа пропитанной смолой углеродной ткани получается ключевой компонент космического аппарата или каркас кузова гоночного автомобиля.

Что такое углеродное prepreg?

Чтобы понять метод формования, мы должны сначала разобраться в базовом понятии «препреги». Проще говоря, углеродная препрега — это «идеальное сочетание» углеродного волокна и смолы: при строго контролируемых температуре и давлении эпоксидные, фенольные и другие матричные смолы равномерно пропитываются в ткань из углеродного волокна, образуя рулон или лист вязкого композитного материала с определённой вязкостью.
Именно эта особенность «предварительной пропитки» отличает его от процесса формования сухих волокон: содержание смолы и её распределение задаются заранее, а на последующем этапе формования нужно лишь обеспечить точное позиционирование материала в форме и его полную полимеризацию, что значительно снижает сложность операций на месте. Это похоже на готовое тесто перед выпечкой — рецепт уже подобран, остаётся только правильно выдержать температуру и время выпечки.

Традиционный метод формования

（1）Формование в автоклаве
Золотой стандартный процесс изготовления композитов высокого качества для аэрокосмической промышленности. Он включает герметизацию укладки препрега из углеродного волокна и формы в вакуумный пакет и помещение его в крупный высокотемпературный и высоконапорный сосуд — автоклав. В процессе отверждения к сосуду одновременно прикладывается равномерное высокое давление (несколько атмосфер) и высокая температура, что позволяет смоле полностью пропитать волокна и уплотнить их, обеспечивая получение деталей с очень высоким содержанием волокна и низкой пористостью.
Преимущество этого процесса заключается в возможности производства сложных конструкционных деталей исключительного качества с отличными механическими свойствами и стабильностью характеристик. Однако недостатки также очевидны: оборудование для автоклавной обработки чрезвычайно дорогостоящее, потребляет большое количество энергии и требует длительных и затратных производственных циклов, поэтому оно обычно ограничивается применением в аэрокосмической отрасли и в гоночных автомобилях Формулы-1, где требуется экстремальная производительность.
（2）Прессование
Высокоэффективный процесс для среднесерийного и массового производства. В него помещается фиксированное количество препрега или формовочной смеси (например, SMC) в предварительно нагретую металлическую форму, после чего форма закрывается, и прикладываются высокое давление и температура, в результате чего материал растекается внутри полости формы, заполняет её, а затем происходит отверждение и формование после изоляции и сохранения давления.
Преимущества этого процесса — высокая степень автоматизации, быстрое производство, высокая точность размеров изделия и гладкая поверхность с обеих сторон. Однако из-за необходимости использования жёсткой формы, выдерживающей высокое давление, первоначальные капитальные затраты выше. Данный метод очень подходит для изготовления крупносерийных конструкционных деталей, требующих высокого качества поверхности, например, панелей кузова автомобилей, корпусов аккумуляторов и высокопроизводительного спортивного оборудования.
（3）Формование в вакуумном мешке
Базовый и широко используемый процесс, при котором используется атмосферное давление для уплотнения композитных материалов. Серия вспомогательных материалов покрывается ручным слоем или препрегом, и вся система герметизируется вакуумным мешком, который постоянно откачивается вакуумным насосом для создания разрежения, благодаря чему атмосферное давление равномерно прикладывается к поверхности изделия, удаляя воздух и уплотняя структуру.
Этот метод позволяет значительно увеличить содержание волокна, снизить пористость и улучшить равномерность распределения смолы, а его стоимость намного ниже, чем у автоклава. Однако он может обеспечить максимальное давление около 0,1 МПа, и предел прочностных характеристик уступает высоконапорному процессу. Данный метод широко применяется в судостроении, при изготовлении прототипов и композитных деталей со средними требованиями к производительности.
（4）Намотка роликом
Направленный процесс, специализирующийся на производстве высокопроизводительных тонкостенных труб. Препреги из углеродного волокна нарезаются под определённым углом, затем с точным натяжением наматываются на оправку, после чего, как правило, обматываются компрессионной лентой для создания уплотняющего давления, далее нагреваются и отверждаются в печи, после чего осуществляется расформовка для получения трубы.
Этот процесс позволяет точно контролировать ориентацию волокон (например, комбинации 0°, ±45°), обеспечивая превосходные механические свойства при осевых циклических нагрузках, а также хорошую точность размеров и качество поверхности. Однако он зависит от применения препрегов и оправок, имеет ограниченную эффективность производства и в основном используется в продукции высокого класса, такой как клюшки для гольфа, удочки и вилки велосипедов.
（5）Намотка волокна
Автоматизированный процесс изготовления вращающихся элементов высокой прочности. Непрерывный жгут из углеродного волокна пропитывается в ванне с смолой, а затем с помощью намоточной головки, управляемой компьютером, точно накладывается на вращающийся оправочный стержень по заданным профилям и углам до достижения требуемой толщины, после чего отверждается для формирования изделия.
Главное преимущество этого процесса заключается в том, что волокна являются непрерывными и равномерно натянутыми, что позволяет достичь очень высокого содержания объемной доли волокон и эффективного использования прочности, особенно для сосудов, подвергающихся внутреннему давлению. Однако он ограничен применением к выпуклым вращающимся формам и требует дорогостоящего оборудования. Типичные продукты включают баллоны высокого давления (CNG/водород), трубы и корпуса ракетных двигателей.
（6）Пултрузия
Высокоэффективный процесс непрерывного производства композитных профилей с постоянным поперечным сечением. Как и «спагетти», он протягивает непрерывные ленты или ткани из углеродного волокна через ванну с смолой для пропитки, затем пропускает их через нагреваемую прецизионную стальную форму, где они формируются, уплотняются и непрерывно отверждаются, после чего вытягиваются тракторным устройством и обрезаются до постоянной длины.
Процесс чрезвычайно производителен, обеспечивает автоматизированное непрерывное производство, высокий уровень использования сырья и значительную экономичность. Однако его продукция ограничена линейными профилями с постоянным поперечным сечением, а продольная прочность значительно выше поперечной. Типичные изделия включают элементы ферменных мостов, кабельные эстакады, штанги лестниц и различные стержни и профили.
（7）Формование под давлением в резиновой оболочке
Это можно рассматривать как усовершенствованную версию формования в вакуумном пакете. На основе системы вакуумного пакета вся герметизированная форма помещается в герметичный нагнетательный бак, который не только откачивает воздух изнутри, но и подаёт сжатый воздух в бак, создавая более высокое положительное давление (обычно 0,4–0,6 МПа) на внешней стороне вакуумного пакета, обеспечивая тем самым более высокое давление при формовании по сравнению с чистым вакуумом.
Этот метод значительно повышает содержание волокна и уплотнённость детали без необходимости крупных инвестиций в автоклав, и превосходит процесс формования только с использованием вакуума. Он идеально подходит для изготовления крупных деталей, которые не могут поместиться в автоклав, например, корпусов небольших и средних судов, деталей железнодорожных вагонов и больших обтекателей антенн.

Сравнение методов формования препрега из углеродного волокна

Будущее: Инновации в наследии

Традиция не означает застой. Сегодня отрасль преодолевает узкие места благодаря «микроинновациям»: например, разработке низкотемпературных смол с быстрым отверждением, которые сокращают время отверждения с 2 часов до 30 минут; внедрению автоматизированного оборудования для формования, заменяющего ручную укладку и повышающего эффективность; а также использованию алгоритмов искусственного интеллекта при проектировании пресс-форм для оптимизации распределения давления и снижения количества дефектов.
Эти усовершенствования позволили традиционным процессам сохранить свои эксплуатационные преимущества, одновременно постепенно переходя к модели «высокая эффективность и низкая стоимость», и продолжать играть важную роль в области композитных материалов.
От космических аппаратов до спортивного снаряжения традиционный метод формования препрега из углеродного волокна интерпретирует производственную философию «медленно и верно» с надежным мастерством. Он может быть не самым передовым, но в условиях, требующих предельной надежности, именно эта «традиция» является наиболее ценной гарантией качества.