RU2480335C1 - Способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией и устройство для осуществления способа - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к технологии изготовления упрочненных волокном деталей из сухих заготовок на основе композитного материала методом вакуумной инфузии. В способе изготовления волокнистых композитов преформу с распределительной тканью размещают в рабочей полости. Далее создают разрежение P₁ в вакуумном канале для обеспечения поступления смолы к волокнистой преформе с последующей фронтальной инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой. После этого производят отверждение пропитанной смолой преформы с образованием волокнистого композита. При этом осуществляют непрерывное удаление воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных сторон преформы через первую и вторую полупроницаемые мембраны, соответственно, в первую и вторую полости. В вакуумных каналах создают одинаковое разрежение Р₂ и Р₃, отличное от разрежения P₁ в рабочей полости. При этом за счет разности величин разрежений P₁, Р₂ и Р₃ в вакуумных каналах осуществляют транспортирование и последующее удаление газообразных включений и избыточного количества смолы из области рабочей полости, ограниченной преформой и второй полупроницаемой мембраной, и не содержащей распределительной ткани, в вакуумный канал с разрежением P₁ путем размещения в упомянутой области рабочей полости над преформой дренажного материала рабочей полости. Заявленный способ реализуется на устройстве, которое включает первую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства оснасткой и первой полупроницаемой мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей. Первая полость содержит дренажный материал первой полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования. Устройство содержит рабочую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства первой полупроницаемой мембраной и второй полупроницаемой мембраной. Рабочая полость подсоединена посредством вакуумного канала к первому источнику вакуумирования и связана посредством канала подачи смолы с расходной емкостью со смолой. Устройство содержит вторую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства второй полупроницаемой мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, и непроницаемой для газа и смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей. Вторая полость содержит дренажный материал второй полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования. Техническим результатом является повышение качества волокнистых композитов за счет эффективного удаления газообразных включений и избыточного количества смолы по всей поверхности волокнистой преформы и возможность изготовления волокнистых композитов различной формы, в том числе содержащих интегрированные элементы усиления сложного профиля. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления полимерных волокнистых композитов, а именно к способам изготовления упрочненных волокном деталей из сухих заготовок на основе композитного материала методом вакуумной инфузии с последующим отверждением волокнистой заготовки, пропитанной термореактивным олигомерным связующим - смолой, при повышенной температуре в условиях вакуума.

Метод вакуумной инфузии (инжекции) использует силу вакуумного давления для ввода смолы в преформу. Преформа - сухая заготовка на основе волокнистого композита - изготовливается из нескольких типов армирующего наполнителя, например, однонаправленной ленты, ткани различного плетения, мультиаксиальной непереплетенной ткани. При изготовлении преформ обеспечивается требуемая сложная форма деталей, например, деталей с интегрированными элементами усиления, а также достигается максимальное объемное содержание волокна и требуемые размеры детали. Такими деталями сложной формы, содержащими интегрированные элементы усиления, являются, в частности, первичные (высоконагруженные) несущие авиационные конструкции - панели крыла, нервюры, лонжероны.

Сущность технологии вакуумной инфузии (инжекции) заключается в следующем: волокнистая заготовка помещается в сухом виде на оснастку, затем полость, где находится заготовка, вакуумируется, и после достижения требуемой величины вакуума к волокнистой заготовке подается олигомерное связующее - смола. Такой подход позволяет инжектировать в волокнистую заготовку только необходимое количество смолы, а излишнее количество смолы удалить через вакуумную линию. Как следствие, свойства смол и армирующих наполнителей используются в полной мере.

Технология получения волокнистых композитов методом вакуумной инфузии (см., например, патент США №6964561, МПК⁸ B29C 70/48, 2005 г.; патент США №6630095, МПК⁷ B29C 70/44, 2003 г.; заявка WO №06/058541, МПК⁸ B29C 70/48, 2006 г.) относится к т.н. не автоклавным инжекционным технологиям (out-of-autoclave) и позволяет изготавливать волокнистые композиты (как правило, на основе углеродных волокон, пропитанных эпоксидной смолой) больших размеров, с высоким качеством, с меньшими (по сравнению с автоклавными технологиями) энергетическими и стоимостными затратами (K.F.Mason. Autoclave quality out-side the autoclave // High-performance composites // March 2006, pp.44-49).

Известен способ изготовления волокнистых композитов по технологии вакуумной инфузии, разработанный фирмой EADS Deutschland (патент ЕПВ №1181149, МПК⁷ B29C 70/44, 2003 г.; J.W.Gillespie, Jr. et al. Process and Performance Evaluation of the Vacuum-Assisted Process // Journal of Composite Materials, Vol.38, NO.20, 1803-1814, 2004). Согласно указанному способу волокнистая преформа помещается в первую (рабочую) полость, сообщающуюся с емкостью для смолы и вакуумным насосом. Первая полость образована полупроницаемой мембраной, прикрепленной посредством герметичных уплотнителей к оснастке, на которой располагается волокнистая заготовка. Поверх мембраны расположена газонепроницаемая пленка, также прикрепленная к оснастке при помощи герметичных уплотнителей, в результате чего между мембраной и упомянутой пленкой образуется герметично отделенная от внешнего пространства вторая полость, так же, как и первая полость, связанная с вакуумным насосом. При этом за счет полупроницаемой мембраны создается воздушное сообщение между первой и второй полостями. Поверхность преформы, обращенная к потоку смолы, покрыта распределительной тканью, способствующей поступлению смолы к преформе, фронтальному продвижению смолы по поверхности заготовки и просачиванию ее от поверхности преформы вниз в слоистую структуру. Во второй полости между мембраной и газонепроницаемой пленкой находится вентиляционная ткань, предназначенная для направленного перемещения воздуха и других летучих компонентов, проходящих из рабочей полости через мембрану во вторую полость к вакуумному насосу.

Полупроницаемая мембрана проницаема для газов, но непроницаема для смолы, пропитывающей волокнистую преформу, что позволяет использовать ее для дегазации рабочей полости и уменьшения вероятности возникновения локальных воздушных раковин (пористости) в пропитываемой смолой преформе.

Недостатком известного способа является недостаточная степень дегазации преформы, поскольку отсос воздуха и газовых включений осуществляется только с одной стороны преформы. Кроме того, равномерность вакуума по поверхности преформы, обусловленная присутствием полупроницаемой мембраны, сообщающейся с постоянно вакуумируемой второй полостью, и то обстоятельство, что первая полость не является проточной, затрудняет возможность ориентации фронта потока смолы. Отсутствие такой возможности, как установлено заявителем, затрудняет использование указанного способа для изготовления волокнистых композитов сложной формы с интегрированными элементами усиления, так как в этом случае в волокнистом композите возникают участки с пониженным объемным содержанием волокна и с повышенным содержанием пор, приводящие, в конечном итоге, к ухудшению качества композита.

В качестве ближайшего аналога заявляемых технических решений выбран способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией и устройство, реализующее указанный способ, представленный в заявке США №2008/0136060, МПК⁸ B29C 70/44, 2008 г. В указанном способе образуют рабочую полость, в которой размещают волокнистую преформу с расположенной на ее поверхности распределительной тканью, вакуумируют рабочую полость, что обеспечивает поступление смолы к волокнистой преформе за счет всасывания смолы под действием разрежения из расходной емкости с последующей инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой, и отверждают пропитанную смолой преформу с образованием волокнистого композита. При этом осуществляют непрерывную откачку воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных поверхностей преформы. Устройство для осуществления указанного способа включает рабочую полость, которая связана с расходной емкостью, содержащей смолу, и с вакуумным насосом. Рабочая полость сообщается посредством полупроницаемых мембран, прилегающих к преформе, с расположенными с противоположных сторон от преформы первой и второй полостями, каждая из которых связана с вакуумным насосом. На поверхности преформы находится распределительная ткань, на которую подается смола. Во второй полости, обращенной к поверхности волокнистой преформы, на которую подается смола, размещена вентиляционная ткань для транспортирования газообразных компонентов, поступающих во вторую полость из рабочей полости, к вакуумному насосу.

Недостатками способа, принятого в качестве ближайшего аналога, и устройства, реализующего указанный способ, являются недостаточное качество волокнистого композита, получаемого в процессе вакуумной инфузии, и трудность изготовления волокнистых композитов сложной формы с интегрированными элементами усиления.

Как установлено заявителем, использование в указанном способе, как основного механизма, способствующего непрерывному удалению газообразных компонентов из объема рабочей полости с обеих сторон волокнистой преформы, полупроницаемых мембран, непосредственно прилегающих к поверхности преформы, повышает степень дегазации волокнистой преформы, но, тем не менее, не обеспечивает максимально эффективного удаления газообразных компонентов по всей поверхности преформы, что приводит к увеличению содержания пор и снижению заданной объемной доли волокна в композите.

Полупроницаемые мембраны, используемые в технологии вакуумной инфузии, относятся, как правило, к классу нанопористых структур. Барьерные свойства таких структур по отношению к смолам основаны на капиллярном эффекте. Характеристики нанопористых полупроницаемых мембран варьируются при изменении материала смолы и используемых в технологии вакуумной инфузии давлений, т.е. будут изменяться, в частности, в указанном способе при изменении величины разрежения в рабочей полости. Это обстоятельство, по мнению заявителя, и обуславливает недостаточную эффективность удаления газообразных включений из объема рабочей полости при использовании полупроницаемых мембран, причем, чем ближе расположена мембрана по отношению к поверхности преформы (в указанном способе - по отношению к поверхности распределительной ткани), тем менее эффективным будет ее использование.

Кроме того, в указанном способе не решена проблема эффективного отвода от волокнистой преформы излишнего количества связующего. Это непосредственно оказывает влияние на снижение объемной доли волокна, влечет за собой не только снижение прочности композита, но и увеличение толщины в локальных зонах, что приводит к трудностям при использовании изделий в дальнейшем (например, при сборке).

Эти факторы обуславливают ухудшение качества волокнистого композита, получаемого согласно указанному способу и устройству.

Другой недостаток указанного способа заключается в ограничении функциональных возможностей. Действительно, в указанном способе сложно реализовать режим требуемой ориентации фронта потока смолы, что, в свою очередь, затрудняет процесс изготовления волокнистых композитов сложной формы с интегрированными элементами усиления ввиду возникающих проблем с локальной пропиткой отдельных участков поверхностей упомянутых композитов.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления направлены на решение вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом является повышение качества волокнистых композитов за счет максимально эффективного удаления газообразных включений и избыточного количества смолы по всей поверхности волокнистой преформы и возможность изготовления волокнистых композитов различной формы, в том числе содержащих интегрированные элементы усиления сложного профиля. Появляется возможность для так называемого уплотнения материала, что выражается в выдержке пропитанной преформы при температуре пропитки, открытом канале подачи связующего и закрытом вакуумном канале рабочей полости.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией из волокнистой преформы с распределительной тканью, размещенными в многополостном устройстве, включающем размещение волокнистой преформы с распределительной тканью в рабочей полости, создание разрежения P₁ в вакуумном канале, соединяющем рабочую полость с первым источником вакуумирования для обеспечения поступления смолы к волокнистой преформе за счет всасывания смолы под действием разрежения из расходной емкости со смолой с последующей фронтальной инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой, и отверждение пропитанной смолой преформы с образованием волокнистого композита, при этом осуществляют непрерывное удаление воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных сторон преформы через проницаемые для газообразных включений, но непроницаемые для смолы первую и вторую мембраны, соответственно, в первую и вторую полости, соединенные между собой посредством вакуумных каналов, в которых создают одинаковое разрежение Р₂ и Р₃, отличное от разрежения P₁ в рабочей полости, со вторым источником вакуумирования, причем за счет разности величин разрежений Р₁, Р₂ и Р₃ в вакуумных каналах осуществляют транспортирование и последующее удаление газообразных включений и избыточного количества смолы из области рабочей полости, ограниченной преформой и проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы второй мембраной, и не содержащей распределительной ткани, в вакуумный канал с разрежением P₁ путем размещения в упомянутой области рабочей полости над преформой дренажного материала рабочей полости для организации в рабочей полости проточного канала, образованного каналом подачи смолы, распределительной тканью, дренажным материалом рабочей полости и вакуумным каналом, соединенным с первым источником вакуумирования, обеспечивающего пропитку преформы смолой и одновременное вытеснение из преформы газообразных включений и излишков смолы с их последующей транспортировкой к дренажному материалу рабочей полости и вакуумному каналу, соединенному с первым источником вакуумирования.

В варианте технического решения величины разрежений P₁, Р₂ и Р₃ выбирают из условия:

P₁≤0,9Р₂, P₁≤0,9Р₃.

В варианте технического решения в качестве дренажного материала рабочей полости используют жесткую сетчатую структуру, не сжимаемую в условиях вакуума.

В варианте технического решения в качестве дренажного материала рабочей полости используют волокнистый нетканый материал на основе найлона.

В варианте технического решения преформу уплотняют за счет выдержки при температуре пропитки.

Проницаемая для газа, но непроницаемая для смолы мембрана выполнена из материала, размер пор которого обеспечивает прохождение через него молекул газа, но препятствует прохождению молекул связующего - смолы. Примером такой полупроницаемой мембраны является бикомпонентная мембрана GORE-TEX®, один слой которой выполнен из вспененного ПТФЭ (политетрафторэтилена), а другой слой - из олеофобного материала. Слой ПТФЭ содержит около 9 миллиардов микроскопических пор на 1 квадратный дюйм. Размер этих пор примерно в 20000 раз меньше размера капли воды, но в 700 раз больше размера молекулы водяного пара, что обеспечивает свободное прохождение через мембрану газообразных включений. В свою очередь, олеофобный слой (слой, отталкивающий масла, жировые соединения и смолы) создает физический барьер для молекул смолы, препятствуя их прохождению через мембрану.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления волокнистых композитов лишен указанных недостатков, присущих наиболее близкому аналогу, за счет создания в вакуумном канале, связанном с рабочей полостью, в которой размещается волокнистая преформа, более глубокого разрежения по сравнению с вакуумными каналами, посредством которых производится удаление газообразных включений с противоположных поверхностей преформы, причем размещение в рабочей полости дренажного материала, связанного с вакуумным каналом, который соединен с рабочей полостью, позволяет организовать в рабочей полости проточный канал, обеспечивающий эффективную пропитку преформы смолой и одновременное вытеснение из преформы воздуха и газообразных включений с последующей транспортировкой их к дренажному материалу и далее - в вакуумный канал. При этом свойства полупроницаемой мембраны используются в полной мере, что позволяет гибко управлять процессом пропитки преформы за счет действия полупроницаемой мембраны, обеспечивающей вакуумирование по всей ее поверхности соприкосновения с преформой и акцентирование потока связующего за счет введения дополнительного вакуумного канала, связывающего рабочую полость с источником вакуумирования.

При использовании только полупроницаемых мембран такое уплотнение приводит к избытку связующего и падению объемного содержания волокна. Использование вакуумного канала рабочей полости и реверсивного вакуумного канала на основе канала подачи связующего позволяет после проведения уплотнения удалять излишки связующего до тех пор, пока его вязкость с подъемом температуры не станет слишком высокой.

Технический результат достигается также тем, что устройство для осуществления способа включает первую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства оснасткой и первой проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, при этом первая полость содержит дренажный материал первой полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования, рабочую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства первой проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной, и второй проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, и содержит волокнистую преформу с распределительной тканью, при этом рабочая полость подсоединена посредством вакуумного канала к первому источнику вакуумирования и связана посредством канала подачи смолы с расходной емкостью со смолой, и вторую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства второй проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, и непроницаемой для газа и смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, при этом вторая полость содержит дренажный материал второй полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования, при этом в области рабочей полости, ограниченной преформой и проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы второй мембраной, и не содержащей распределительной ткани, над преформой размещен дренажный материал рабочей полости, находящийся в контакте с вакуумным каналом, соединяющим рабочую полость с первым источником вакуумирования, для организации в рабочей полости проточного канала, образованного каналом подачи смолы, распределительной тканью, дренажным материалом рабочей полости и вакуумным каналом, соединенным с первым источником вакуумирования, обеспечивающего пропитку преформы смолой и одновременное вытеснение из преформы газообразных включений и излишков смолы с их последующей транспортировкой к дренажному материалу рабочей полости и вакуумному каналу, соединенному с первым источником вакуумирования.

В варианте технического решения распределительная ткань находится в контакте с каналом подачи смолы.

В варианте технического решения канал подачи смолы выполнен с возможностью подключения к первому источнику вакуумирования через вакуумную ловушку.

В варианте технического решения распределительная ткань размещена между первой проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной, и преформой.

В варианте технического решения волокнистая преформа содержит интегрированный элемент усиления.

В варианте технического решения дренажный материал рабочей полости размещен, по меньшей мере, частично, на внешней поверхности интегрированного элемента усиления.

Ниже изобретение объясняется более подробно посредством описания различных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

На фиг.1 схематически изображено устройство для реализации заявляемого способа, на фиг.2 показано устройство для реализации заявляемого способа, в котором преформа содержит интегрированный элемент усиления Т-образного профиля, на фиг.3 показан вид А фиг.2, на фиг.4 изображено устройство для реализации заявляемого способа, в котором преформа содержит интегрированный элемент усиления замкнутого сечения, на фиг.5 приведены временные диаграммы разрежения в вакуумных каналах 7, 19, 26 и в реверсивном канале 22 и температуры на различных стадиях технологического процесса получения волокнистого композита (I - стадия пропитки волокнистой преформы, II - стадия, во время которой происходят определенные химические реакции, III - стадия отверждения волокнистого композита. Наличие стадии II является не обязательным и зависит от используемых материалов: волокнистой преформы и связующего - смолы).

На фиг.1 показано устройство, с помощью которого реализуется заявляемый способ. Устройство включает три последовательно сформированные на оснастке 1 полости - первую полость 2, рабочую полость 3 и вторую полость 4.

Первая полость 2 ограничена относительно окружающего пространства первой проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы (полупроницаемой) мембраной 5, закрепленной на оснастке 1 с помощью герметичных уплотнителей 6, и оснасткой 1. Первая полость 2 связана посредством вакуумного канала 7 со вторым источником вакуумирования 8 и содержит дренажный материал 9 первой полости.

Проницаемая для газа, но непроницаемая для смолы мембрана 5 выполнена из материала, размер пор которого обеспечивает прохождение через него молекул газа, но препятствует прохождению молекул связующего - смолы.

Дренажный материал 9 первой полости размещается на поверхности оснастки 1 и, при необходимости, фиксируется на ней липкой лентой, при этом поверхность оснастки может быть предварительно обработана антиадгезионным материалом. Дренажный материал 9 первой полости служит для создания воздухопроводящего слоя между оснасткой 1 и первой проницаемой для газа, но непроницаемой для смолы мембраной 5, а также для обеспечения - за счет минимального градиента разрежения в направлении от вакуумного канала 7 к уплотнителям 6 - одинакового значения разрежения по всей протяженности первой полости 2. Дренажный материал 9 первой полости может быть выполнен из материала, легко пропускающего воздух (например, из нетканого иглопробивного материала, получаемого из полиэфирных нитей) и сохраняющего в условиях разрежения жесткость. Такой материал является «дышащим» и одновременно характеризуется плоской жесткой поверхностью, не оказывающей влияния на качество поверхности волокнистого композита.

На первой полости 2 сформирована рабочая полость 3, ограниченная относительно окружающего пространства первой полупроницаемой мембраной 5 и второй полупроницаемой мембраной 10, выполненной аналогично мембране 5, и закрепленная на оснастке 1 с помощью герметичных уплотнителей 11. В полости 3 размещена волокнистая преформа 12, на внутренней поверхности которой, обращенной к полупроницаемой мембране 5, расположена распределительная ткань 13, способствующая поступлению смолы к волокнистой преформе 12, ее распределению по поверхности преформы 12 и просачиванию от поверхности преформы 12 вглубь преформы. Распределительная ткань 13 может быть изготовлена, например, в виде жесткой сетки из нитей полисульфона или в виде плетеного изделия из мононитей полиэтилена высокой плотности. Без использования распределительной ткани сложно обеспечить равномерное распределение смолы в волокнистой преформе и избежать появления в ней пустот и других возможных дефектов.

Между распределительной тканью 13 и преформой 12 расположены перфорированная разделительная пленка 14 и отрывная пленка (жертвенная ткань) 15. Пленка 14 служит для отделения мембраны 5 после завершения процесса отверждения волокнистого композита; она не препятствует движению фронта смолы от распределительной ткани 13 к преформе 12. Жертвенная ткань 15 предназначена для исключения влияния материала распределительной ткани 13 на качество внутренней поверхности готового волокнистого композита, а также для защиты поверхности композита во время его транспортировки. Жертвенная ткань 15 может быть выполнена, например, из полиамидной, полиэфирной ткани или ткани на основе политетрафторэтилена, с антиадгезионным покрытием или без него.

На внешней поверхности преформы 12 последовательно расположены жертвенная ткань 16 (назначение которой аналогично назначению жертвенной ткани 15), перфорированная разделительная пленка 17 и дренажный материал 18 рабочей полости.

В качестве варианта и при правильном подборе жертвенной ткани возможно исключение слоев 14 и 17 из схемы сборки.

Рабочая полость 3 посредством вакуумного канала 19 подсоединена через вакуумную ловушку 20 к первому источнику вакуумирования 21 и связана посредством канала подачи смолы 22 с расходной емкостью со смолой 23. Канал 22 находится в постоянном контакте с распределительной тканью 13, что обеспечивается, например, непосредственным креплением канала 22 на распределительной ткани 13.

Канал подачи смолы 22 выполнен реверсивным, с возможностью подключения через вакуумную ловушку 20 к первому источнику вакуумирования 21.

Дренажный материал 18 рабочей полости находится в постоянном контакте с вакуумным каналом 19 и служит для транспортирования к каналу 19 газообразных включений и излишков смолы, выделяющихся из преформы 12 в процессе ее пропитки смолой с последующим их удалением источником вакуумирования 21. Дренажный материал 18 рабочей полости может быть выполнен в виде активатора течения - жесткой сетчатой структуры, не сжимаемой в условиях вакуума, например, в виде полиэтиленового плетеного материала. Дренажный материал 18 рабочей полости также может быть выполнен в виде нетканого волокнистого материала на основе найлона. Перфорированная разделительная пленка 17 предназначена для облегчения удаления дренажного материала 18 рабочей полости после окончания процесса отверждения волокнистого композита; она также, как и перфорированная разделительная пленка 14, не препятствует удалению газообразных включений и излишков смолы.

Сверху рабочей полости 3 сформирована вторая полость 4, которая ограничена относительно окружающего пространства второй полупроницаемой мембраной 10 и непроницаемой для газа и смолы пленкой 24, закрепленной на оснастке 1 с помощью герметичных уплотнителей 25. Вторая полость 4 связана посредством вакуумного канала 26 со вторым источником вакуумирования 8 и содержит дренажный материал 27 второй полости.

Длина дренажного материала 9 первой полости в направлении преформы 12 выбирается не меньше длины распределительной ткани 13, а его площадь выбирается больше площади поверхности преформы 12. Герметичные уплотнители 6, 11 и 25 могут быть выполнены в виде герметизирующего жгута.

Упомянутые выше технологические материалы (распределительная ткань, разделительная пленка, жертвенная ткань, дренажный материал и др.) отвечают общим требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в способе вакуумной инфузии, в том числе они обладают требуемой химической и термической стойкостью. Они способны повторять геометрию готового волокнистого композита за счет растяжения, образования складок и прочее.

Из фиг.2 и 3 хорошо видно, что предлагаемое расположение дренажного материала 18 рабочей полости является принципиальным с точки зрения оптимальной пропитки зоны Б (фиг.3), поскольку оно в данном варианте устройства обеспечивает возможность локального удаления газообразных включений и избытка смолы в области, максимально удаленной от распределительной ткани 13. Максимальное локальное разрежение в верхней части преформы, возникающее вследствие существования разности давлений ΔР, позволяет ориентировать фронт смолы в требуемом направлении, которая, в этом случае, двигаясь в направлении стрелки В, пропитывает зону Б и вытесняет газообразные включения.

На фиг.4 показано устройство, в котором волокнистая преформа 12 содержит интегрированный элемент усиления замкнутого сечения 31 (позиция 32 - технологическая оснастка, служащая для обеспечения требуемой геометрии элемента усиления. Оснастка 32 может изготавливаться в виде твердого тела, сохраняющего свою форму при воздействии на него параметров технологического процесса, например, из пенопласта). Зона пропитки Г на фиг.4 аналогична зоне пропитки Б на фиг.3.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Полости 2, 3 и 4 вакуумируются, при этом величина разрежения Р₂ и Р₃ в полостях 2 и 4, соответственно, одинакова, а величина разрежения P₁ в полости 3 больше.

В результате того, что рабочая полость 3 характеризуется большей глубиной разрежения, между рабочей полостью 3, с одной стороны, и полостями 2 и 4, с другой стороны, создается разность давлений ΔР. В предпочтительном варианте изобретения величина разрежения P₁ в полости 3 примерно на 10% больше величины разрежения в полостях 2 и 4, т.е. выполняется условие

Типичная величина разрежения на стадии I составляет: в рабочей полости 3 - 0,003-0,01 кгс/см², в полостях 2 и 4 - 0,03-0,05 кгс/см².

После вакуумирования рабочей полости 3 в нее через канал 22 подается смола, поступающая непосредственно на распределительную ткань 13.

Распределительная ткань 13 быстро заполняется смолой и обеспечивает пропитку волокнистой преформы 12 по фронту поступления смолы.

Благодаря существующей разности давлений ΔР дренажный материал 18 рабочей полости, находящийся на противоположной (относительно распределительной ткани 13) стороне преформы 12, всасывает воздух, газообразные включения, возникающие в преформе 12, и излишки смолы, и транспортирует их к вакуумному каналу 19.

Таким образом, в рабочей полости 3 образуется проточный канал, сформированный цепочкой последовательных элементов: канал подачи смолы 22 - распределительная ткань 13 - дренажный материал 18 рабочей полости - вакуумный канал 19. Каждый элемент этой цепочки (проточного канала) находится в непосредственном контакте с соседним элементом, что способствует - при существующей разности давлений ΔР - как эффективной пропитке преформы 12 смолой, так и эффективному удалению из преформы 12 газообразных включений и излишков смолы. Действительно, одновременно с пропиткой волокнистой преформы 12 смолой последняя вытесняет из преформы воздух и газообразные включения, которые затем транспортируются под воздействием разрежения и вследствие всасывающего эффекта к дренажному материалу 18 рабочей полости, и далее - в вакуумный канал 19.

При описанной выше организации процесса пропитки преформы 12 контроль процесса пропитки осуществляется по изменению количества смолы в расходной емкости 23 и по появлению связующего в вакуумном канале 19.

Первая полость 2 обеспечивает дегазацию смолы, заполняющей распределительную ткань 13, и постоянное удаление воздуха и газообразных включений от внутренней (обращенной к первой полости 2) поверхности преформы 12 через полупроницаемую мембрану 5 и дренажный материал 9 первой полости в вакуумный канал 7.

Вторая полость 4 создает равномерное разрежение по всей внешней поверхности преформы 12 и обеспечивает непрерывное удаление воздуха и газообразных включений от внешней поверхности преформы 12 через полупроницаемую мембрану 10 и дренажный материал 27 второй полости в вакуумный канал 26.

После окончания стадии I степень разрежения в полостях 2, 3 и 4 становится одинаковой и равной 0,003-0,01 кгс/см². Такое разрежение позволяет получить максимальное объемное содержание волокна в композите при минимальной пористости композита и обеспечить требуемую толщину композита.

На конечном этапе стадии I (после окончания пропитки) создается уплотнение пропитанной преформы путем перекрытия вакуумного канала 19 и стопроцентного открытия канала 22 на определенный промежуток времени. Продолжительность уплотнения определяется, исходя из габаритов пропитываемой преформы, и в общем не превышает 30 мин.

После окончания стадии этапа уплотнения и стадии I канал подачи смолы 22 подсоединяется через вакуумную ловушку 20 к источнику вакуумирования 21, образуя реверсивный канал. Это позволяет создать дополнительный участок повышенного разрежения в области канала 22, способствуя удалению излишков смолы с внутренней стороны преформы 12 и выравниванию давления с обеих сторон преформы 12. Также полностью открывается вакуумный канал 19.

Работа реверсивного канала в обычном варианте продолжается вплоть до начала стадии III.

Стадия II в стандартном варианте позволяет максимально удалить излишки связующего с преформы 12, а также позволяет учесть все особенности применяемых связующих и требования к процессу отверждения, рекомендованные производителями связующего.

На стадиях II и III технологического процесса величина разрежения в полостях 2, 3 и 4 устанавливается равной 0,003-0,01 кгс/см². Отверждение композита осуществляется при повышенной температуре и постоянном разрежении во всех каналах (фиг.5). После охлаждения композит извлекается из рабочей полости 3, причем наличие полупроницаемой мембраны 5, разделительной пленки 14 и жертвенной ткани 15 позволяет извлечь композит без приложения к нему дополнительных изгибающих нагрузок.

Заявляемые способ и устройство для его осуществления могут быть без модификации применены для изготовления волокнистых композитов различной формы, в том числе, содержащих интегрированные элементы усиления.

На фиг.2 иллюстрируется устройство, в котором преформа 12 включает элемент усиления замкнутого сечения 28 (поз.29 - технологическая оснастка, которая может быть изготовлена, например, из металла), на фиг.3 приведен вид А фиг.2 (элемент усиления 28 показан состоящим из двух одинаковых половин, 30 - заполнитель зазора между преформами, представляющий собой материал в виде жгута или жгутов необходимой толщины, изготавливаемый из того же волокна, что и элемент усиления 28, и предназначенный для заполнения пространства между двумя предварительно отформованными половинами элемента усиления 28 и повышения объемного содержания волокна в этой зоне до заданной величины). Дренажный материал 18 рабочей полости расположен, по меньшей мере, частично на внешней поверхности интегрированного элемента усиления 28.

Максимальные размеры волокнистых композитов, получаемых по заявляемому способу, практически не ограничены, и могут быть реализованы при использовании различных CAD-систем, моделирующих процессы пропитки при оптимальном расположении вакуумных каналов и каналов подачи смолы. Максимальная толщина волокнистого композита ограничена только характеристиками применяемых материалов.

Таким образом, заявляемые способ и устройство позволяют изготавливать методом вакуумной инфузии волокнистые композиты высокого качества, с заданной геометрий и уровнем пористости, в том числе композиты сложной формы с интегрированными элементами усиления.

Claims (11)

1. Способ изготовления волокнистых композитов вакуумной инфузией из волокнистой преформы с распределительной тканью, размещенных в многополостном устройстве, отличающийся тем, что преформу с распределительной тканью размещают в рабочей полости, создают разрежение P₁ в вакуумном канале, соединяющем рабочую полость с первым источником вакуумирования для обеспечения поступления смолы к волокнистой преформе за счет всасывания смолы под действием разрежения из расходной емкости со смолой с последующей фронтальной инжекцией смолы в преформу и пропиткой преформы смолой, и производят отверждение пропитанной смолой преформы с образованием волокнистого композита, при этом осуществляют непрерывное удаление воздуха и газообразных включений из рабочей полости с противоположных сторон преформы через проницаемые для газообразных включений, но не проницаемые для смолы первую и вторую мембраны, соответственно, в первую и вторую полости, соединенные между собой посредством вакуумных каналов, в которых создают одинаковое разрежение Р₂ и Р₃, отличное от разрежения P₁ в рабочей полости, со вторым источником вакуумирования, причем за счет разности величин разрежений P₁, Р₂ и Р₃ в вакуумных каналах осуществляют транспортирование и последующее удаление газообразных включений и избыточного количества смолы из области рабочей полости, ограниченной преформой и проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы второй мембраной и не содержащей распределительной ткани, в вакуумный канал с разрежением P₁ путем размещения в упомянутой области рабочей полости над преформой дренажного материала рабочей полости для организации в рабочей полости проточного канала, образованного каналом подачи смолы, распределительной тканью, дренажным материалом рабочей полости и вакуумным каналом, соединенным с первым источником вакуумирования, обеспечивающего пропитку преформы смолой, и одновременное вытеснение из преформы газообразных включений и излишков смолы с их последующей транспортировкой к дренажному материалу рабочей полости и вакуумному каналу, соединенному с первым источником вакуумирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величины разрежений P₁, P₂ и Р₃ выбирают из условия:
Р₁≤0,9Р₂, Р₁≤0,9Р₃.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дренажного материала рабочей полости используют жесткую сетчатую структуру, не сжимаемую в условиях вакуума.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дренажного материала рабочей полости используют волокнистый нетканый материал на основе найлона.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что преформу уплотняют за счет выдержки при температуре пропитки.

6. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее первую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства оснасткой и первой проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, при этом первая полость содержит дренажный материал первой полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования, рабочую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства первой проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы мембраной, и второй проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, и содержит волокнистую преформу с распределительной тканью, при этом рабочая полость подсоединена посредством вакуумного канала к первому источнику вакуумирования и связана посредством канала подачи смолы с расходной емкостью со смолой, и вторую полость, которая ограничена относительно окружающего пространства второй проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, и не проницаемой для газа и смолы мембраной, закрепленной на оснастке с помощью герметичных уплотнителей, при этом вторая полость содержит дренажный материал второй полости и связана посредством вакуумного канала со вторым источником вакуумирования, причем в области рабочей полости, ограниченной преформой и проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы второй мембраной, и не содержащей распределительной ткани, над преформой размещен дренажный материал рабочей полости, находящийся в контакте с вакуумным каналом, соединяющим рабочую полость с первым источником вакуумирования для организации в рабочей полости проточного канала, образованного каналом подачи смолы, распределительной тканью, дренажным материалом рабочей полости и вакуумным каналом, соединенным с первым источником вакуумирования, обеспечивающего пропитку преформы смолой и одновременное вытеснение из преформы газообразных включений и излишков смолы с их последующей транспортировкой к дренажному материалу рабочей полости и вакуумному каналу, соединенному с первым источником вакуумирования.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что распределительная ткань находится в контакте с портом подачи смолы.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что канал подачи смолы выполнен с возможностью подключения к первому источнику вакуумирования через вакуумную ловушку.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что распределительная ткань размещена между первой проницаемой для газа, но не проницаемой для смолы мембраной, и преформой.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что волокнистая преформа содержит интегрированный элемент усиления.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что дренажный материал рабочей полости размещен, по меньшей мере, частично на внешней поверхности интегрированного элемента усиления.

Images