Кіріспе
Композиттік материал. Prepreg – "алдын ала қапталып" дайындалған талшықтардан және эпоксидтік немесе фенолды шайыр сияқты жартылай қатайтылған полимерлік матрицадан немесе тіпті сұйық резеңкелермен немесе шайырмен араластырылған термопластиктен жасалған композиттік материал. Талшықтар көбінесе тоқыма түрінде болады, ал матрица оларды бірге байланыстыру және өндіріс кезінде басқа компоненттерге қосу үшін қолданылады. Термореактивті матрица оңай қолдану үшін жартылай ғана қатайтылады; бұл B сатысындағы материал толық қатаюға жол бермеу үшін салқышта сақтауды талап етеді. B сатысындағы Prepreg әрқашан салқындатылған жерде сақталуы керек, себебі жылу толық полимерленуді үдетіп жібереді. Сондықтан, Prepreg-тен жасалған композиттік конструкциялар көбінесе қатайту үшін пеш немесе автоклавты қажет етеді. Prepreg материалының басты идеясы – талшықтар бойымен анизотроптық механикалық қасиеттерді пайдалану, ал полимерлік матрица толтыру қасиеттерін қамтамасыз етеді және талшықтарды біртұтас жүйеде ұстайды. Prepreg талшықтарды тегіс жұмыс істеуге болатын бетке немесе өнеркәсіптік процесте қаптауға мүмкіндік береді, содан кейін қапталған талшықты ыстық инъекция процесінде қиындық тудыруы мүмкін пішінге келтіреді. Prepreg сонымен қатар көп мөлшерде талшықты қаптауға және содан кейін оны салқындатылған жерде (20°C-тан төмен) ұзақ мерзімге сақтауға мүмкіндік береді, кейін қатайту үшін. Бұл процесс ыстық инъекциямен салыстырғанда уақытты көп алады, ал Prepreg дайындаудың қосымша құны материал жеткізуші сатысында пайда болады.
Pre preg is a composite material made from "pre impregnated" fibers and a partially cured polymer matrix, such as epoxy or phenolic resin, or even thermoplastic mixed with liquid rubbers or resins. The fibers often take the form of a weave and the matrix is used to bond them together and to other components during manufacture. The thermoset matrix is only partially cured to allow easy handling; this B Stage material requires cold storage to prevent complete curing. B Stage pre preg is always stored in cooled areas since heat accelerates complete polymerization. Hence, composite structures built of pre pregs will mostly require an oven or autoclave to cure. The main idea behind a pre preg material is the use of anisotropic mechanical properties along the fibers, while the polymer matrix provides filling properties, keeping the fibers in a single system. Pre preg allows one to impregnate the fibers on a flat workable surface, or rather in an industrial process, and then later form the impregnated fibers to a shape which could prove to be problematic for the hot injection process. Pre preg also allows one to impregnate a bulk amount of fiber and then store it in a cooled area (below 20 °C) for an extended period of time to cure later. The process can also be time consuming in comparison to the hot injection process and the added value for pre preg preparation is at the stage of the material supplier.
Қолданылу салалары
Бұл техниканы авиация саласында қолдануға болады. Препрегтер принцип бойынша партиялар бойынша өңделу мүмкіндігіне ие. Шыны талшықтары әуе кемелерінде, әсіресе шағын ұшақ қозғалтқыштарында кеңінен қолданылса да, көміртек талшықтары осы салада көбірек қолданылады және сұраныс оған үнемі артып келеді. Мысалы, Airbus A380 ұшағының сипаттамасы массалық үлесі арқылы анықталады. Бұл үлес шамамен 20%-ды құрайды, ал Airbus A350XWB үшін көміртек талшықты препрегтердің массалық үлесі шамамен 50%-ды құрайды. Көміртек талшықты препрегтер Airbus ұшақтарының қанаттарында 20 жылдан бері қолданылып келеді. Автомобиль өнеркәсібінде препрегтердің қолданылуы автоматтандырылған таспалық және автоматтандырылған талшық орналастыру сияқты басқа технологиялармен салыстырғанда салыстырмалы түрде шектеулі. Бұған негізгі себеп – препрег талшықтарының және қалыптарда қолданылатын қоспалардың жоғары құны. Мұндай материалдардың мысалдары – ірі көлемді қалыптау қосылысы (BMC) немесе парақты қалыптау қосылысы (SMC).
Матрица
Матрицалық жүйелер қатаю температурасы және қолданылатын шайыр түрі бойынша ажыратылады. Қатаю температурасы шыны тәрізді күйге өту температурасына, демек, жұмыс температурасына зор ықпал етеді. Әскери ұшақтар көбінесе 180 °C жүйелерін пайдаланады.
Құрамы
Препрег матрицасы смола мен қатайтқыш қоспасынан, кейде үдеткіштен тұрады. 20 °C температурада мұздату смоланың қатайтқышпен әрекеттесуіне кедерес жасайды. Егер суық тізбегі үзілсе, реакция басталып, препрег қолдануға жарамсыз болады. Сондай-ақ, бөлме температурасында белгілі бір уақыт сақтауға болатын жоғары температуралы препрегтер де бар. Мұндай препрегтерді жоғары температурада автоклавта ғана полимеризациялауға болады.
Резин түрлері
Ол негізінен эпоксидті шайыр негізіндегі шайырлар қолданылады. Винил эфир негізіндегі препрегтер де қолжетімді. Винил эфир шайырларын амин үдеткішімен немесе кобальтпен алдын ала үдету қажет болғандықтан, олардың бөлме температурасында өңдеу уақыты эпоксидті препрегтерге қарағанда қысқа. Катализаторлар (кейде қатайтқыштар деп те аталады) метилэтилкетон пероксиді (МЭКП), ацетилацетон пероксиді (ААП) немесе циклогексанон пероксиді (ЦХП) сияқты пероксидтерді қамтиды. Винил эфир шайыры жоғары соққылық жүктемелерде қолданылады.
Тұнба қасиеттері
Резин мен талшық құрамдас бөліктерінің қасиеттері жабынмен дәнекерлеу кезінде VBO (тек вакуумдік қап) препрег микроқұрылымдарының қалыптасуына әсер етеді. Бірақ, көбінесе талшық қасиеттері мен талшық төсегінің құрылымы стандартталған, ал матрица қасиеттері препрегті және өндіріс процесін дамытуға бағыттайды. Сондықтан микроқұрылымның қалыптасуы шайыр қасиеттеріне қаншалықты тәуелді екенін түсіну өте маңызды, және көптеген авторлар осыны зерттеген. Препрегтің құрғақ аймақтары төмен тұтқырлықты шайырлардың қажеттігін көрсетеді. Алайда, Ридгард түсіндіреді, VBO препрег жүйелері инфильтрацияны тежеу үшін және ауа эвакуациясына жеткілікті құрғақ аймақтарды сақтау үшін қатудың бастапқы кезеңдерінде салыстырмалы түрде тұтқыр болып қалуға арналған. VBO жүйелерінен ауаны шығару үшін қолданылатын бөлме температурасындағы вакуум ұстағыштары кейде сағаттармен немесе күндермен өлшенетіндіктен, шайырдың тұтқырлығы суық ағынды тежеу үшін маңызды, себебі ол ауа эвакуациясының жолдарын ерте жауып тастауы мүмкін. Бірақ, жалпы тұтқырлық профилі препрегті толыққанды сіңдіру үшін қату температурасында жеткілікті ағынды қамтамасыз етуі керек, әйтпесе соңғы өнімде құрғақ аймақтар қалады. Сонымен қатар, Бойд пен Маскелл төмен консолидациялық қысымда көпіршіктердің пайда болуын және өсуін тежеу үшін препрегтің тұтқыр және серпімділік сипаттамалары қату кезінде кездесетін нақты өңдеу параметрлеріне сәйкес келуі керек, және соңында қолданылған қысымның көп бөлігі шайырға берілуін қамтамасыз етуі керек деп санайды. Барлығын ескерсек, VBO шайырларының реологиялық қалыптасуы, тұтқынға алынған газдардан және жеткіліксіз ағыннан туындаған қуыстардың азаюын теңестіруі керек.
Өңдеу
Бөлме температурасында шайыр өте баяу реакцияға түседі, ал қатырылған жағдайда жылдар бойы тұрақты болады. Сондықтан, препрегтерді жоғары температурада ғана қатайтуға болады. Оларды ыстық престеу немесе автоклавта өңдеуге болады. Екі техникада да қысым арқылы талшық көлемінің үлесі артады. Ең жақсы сапалы өнімдерді автоклав техникасымен жасауға болады. Қысым мен вакуумның үйлесімі нәтижесінде ауа қоспалары өте аз компоненттер шығады. Қатайтудан кейін толық байланыс үшін қатайту процесі жүргізілуі мүмкін.
Материалдық аванстар
Автоклавтан тыс (OOA) процестердегі соңғы жетістіктер композиттік құрылымдардың өнімділігін жақсартуға және құнын төмендетуге мүмкіндік береді. Тек вакуумдық қаптарды (VBO) пайдалану арқылы, атмосфералық қысымда жұмыс ілейтін жаңа OOA процестері, әуе-ғарыш саласының негізгі құрылымдары үшін қажетті 1%-дан кем бос кеңістік мөлшерін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Әуе күштері зерттеу зертханасының материал ғалымдары басшылығымен жүзеге асырылатын бұл технология, үлкен құрылымдық автоклавтарды салу және орнату шығындарын азайтады (NASA-да 100 миллион доллар үнемделді) және 100 ұшақтың шағын партияларын экономикалық тұрғыдан тиімді етеді.