Введение
Композитный материал. Препрег – это композитный материал, изготовленный из "предварительно пропитанных" волокон и частично отвержденной полимерной матрицы, такой как эпоксидная или фенольная смола, или даже термопластик, смешанный с жидкими каучуками или смолами. Волокна часто имеют вид плетения, а матрица используется для их соединения друг с другом и с другими компонентами в процессе производства. Термореактивная матрица отверждается лишь частично для облегчения обработки; этот материал стадии B требует хранения в условиях холода для предотвращения полного отверждения. Препрег стадии B всегда хранится в охлаждаемых помещениях, поскольку тепло ускоряет полную полимеризацию. Следовательно, композитные конструкции, изготовленные из препрегов, как правило, требуют печи или автоклава для отверждения. Основная идея применения препрега заключается в использовании анизотропных механических свойств вдоль волокон, в то время как полимерная матрица обеспечивает заполняющие свойства, удерживая волокна в единой системе. Препрег позволяет пропитывать волокна на плоской рабочей поверхности или, точнее, в промышленном процессе, а затем придавать пропитанным волокнам форму, которая может оказаться сложной для реализации методом горячей формовки. Препрег также позволяет пропитывать большое количество волокна и затем хранить его в охлаждаемом помещении (ниже 20 °C) в течение длительного времени для последующего отверждения. Этот процесс может быть более трудоемким по сравнению с горячей формовкой, а добавленная стоимость подготовки препрега достигается на этапе поставщика материала.
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.
Области применения
Этот метод может быть использован в авиационной промышленности. В принципе, препрег позволяет обрабатывать материал партиями. Несмотря на то, что стекловолокно широко применяется в авиастроении, особенно в двигателях малой авиации, углеродное волокно используется в этой отрасли в большем объеме, и спрос на него растет. Например, характеристики Airbus A380 определяются долей массы, составляющей около 20%, а Airbus A350XWB – долей массы около 50%, приходящейся на препреги из углеродного волокна. Препреги из углеродного волокна используются в аэродинамических поверхностях самолетов Airbus уже более 20 лет. Применение препрега в автомобильной промышленности ограничено по сравнению с другими технологиями, такими как автоматическое наложение ленты и автоматическое размещение волокна. Основная причина этого – относительно высокая стоимость препрег-волокна и компаундов, используемых в пресс-формах. Примерами таких материалов являются объемные формовочные компаунды (BMC) и листовые формовочные компаунды (SMC).
Матрица
Матричные системы различают по температуре отверждения и типу смолы. Температура отверждения существенно влияет на температуру стеклования и, следовательно, на рабочую температуру. В военных самолетах преимущественно используются системы, отверждаемые при 180 °C.
Состав
Препрег-матрица состоит из смеси смолы и отвердителя, в некоторых случаях с добавлением ускорителя. Замораживание при температуре 20 °C предотвращает реакцию между смолой и отвердителем. При нарушении температурного режима хранения реакция запускается, и препрег становится непригодным для использования. Существуют также высокотемпературные препреги, которые можно хранить в течение определенного времени при комнатной температуре. Эти препреги затем могут быть отверждены только в автоклаве при повышенной температуре.
Типы смол
В основном используются смолы на основе эпоксидных смол. Также доступны препреги на основе винилэфирных смол. Поскольку винилэфирные смолы требуют предварительного ускорения аминовым ускорителем или кобальтом, время их отверждения при комнатной температуре меньше, чем у препрегов на основе эпоксидных смол. В качестве катализаторов (также называемых отвердителями) используются пероксиды, такие как пероксид метилэтилкетона (MEKP), пероксид ацетилацетона (AAP) или пероксид циклогексанона (CHP). Винилэфирные смолы применяются при высоких ударных нагрузках.
Свойства смолы
Свойства смолы и волокон влияют на эволюцию микроструктуры препрега VBO (только вакуумная упаковка) в процессе отверждения. Как правило, свойства волокон и структура волокнистого полотна стандартизированы, в то время как свойства матрицы определяют разработку как препрега, так и технологического процесса. Зависимость эволюции микроструктуры от свойств смолы, следовательно, критически важна для понимания и была исследована многими авторами. Наличие сухих участков препрега может указывать на необходимость использования смол с низкой вязкостью. Однако, как объясняет Ридгард, системы препрега VBO разработаны таким образом, чтобы оставаться относительно вязкими на ранних стадиях отверждения, чтобы препятствовать пропитке и обеспечить сохранение достаточного количества сухих участков для эвакуации воздуха. Поскольку время выдержки при комнатной температуре под вакуумом, используемое для удаления воздуха из систем VBO, иногда измеряется часами или днями, для смолы критически важно подавлять холодное течение, которое может преждевременно перекрыть каналы эвакуации воздуха. Однако общий профиль вязкости также должен обеспечивать достаточный поток при температуре отверждения для полной пропитки препрега, чтобы избежать образования обширных сухих участков в готовой детали. Более того, Бойд и Маскелл утверждают, что для подавления образования и роста пузырей при низком давлении консолидации необходимо настроить как вязкие, так и упругие характеристики препрега в соответствии с конкретными параметрами обработки, возникающими в процессе отверждения, и в конечном итоге обеспечить передачу большей части приложенного давления на смолу. В целом, реологическая эволюция смол VBO должна обеспечивать баланс между уменьшением пустот, вызванных захваченными газами, и пустот, вызванных недостаточной текучестью.
Обработка
При комнатной температуре смола реагирует очень медленно, а в замороженном состоянии остаётся стабильной на протяжении многих лет. Таким образом, препреги можно отверждать только при высоких температурах. Их можно обрабатывать методом горячего прессования или методом автоклавирования. В обеих технологиях давление увеличивает фракцию волокон. Наилучшие характеристики достигаются при использовании автоклавирования. Сочетание давления и вакуума обеспечивает получение деталей с минимальным содержанием воздуха. После отверждения может быть проведен процесс термообработки, служащий для завершения сшивания.
Материальные авансы
Недавние достижения в процессах формования без автоклава (OOA) открывают перспективы для повышения характеристик и снижения стоимости композитных конструкций. Используя только вакуумную упаковку (VBO) при атмосферном давлении, новые процессы OOA позволяют достичь уровня пористости менее 1%, необходимого для основных конструкций авиационной техники. Разработка, возглавляемая материаловедами из Исследовательской лаборатории ВВС, позволит сэкономить на строительстве и установке крупных автоклавов (100 миллионов долларов сэкономлено в NASA) и сделать экономически целесообразным производство небольших партий в 100 самолетов.