Журнал "Композитный Мир" № 4 (85) 2019 / Composite World magazine # 4 (85) 2019

Колонка редактора

Дорогие друзья! Осень — традиционно «высокий сезон» в деловой жизни композитной отрасли. В конце августа стартует авиационно-космический салон МАКС, затем мы с вами встретимся на научно-промышленном Композитном форуме в Санкт-Петербурге и выставке Composites Europe в Штутгарте. В конце сентября конференция «Композиты СНГ» приглашает вас в Баку обсудить вопросы применения композитных материалов в строительстве и транспорте. В октябре запланируйте посетить уже VII Форум «Композиты без Границ». И, наконец, в ноябре мы снова встретимся на международном форуме «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии». В этом году журнал «Композитный мир» выступит соорганизатором нескольких мероприятий на Петербургском Композитном Форуме: 10 сентября. В партнерстве с ВК «Мир-Экспо» и выставкой «Композит-Экспо» 1. Круглый стол «Базальтокомпозиты: сырье, оборудование, основные виды продукции и опыт применения в различных областях».

2. Круглый стол «Древесно-полимерные композиты: сырьевая база, технологии, оборудование, основные виды продукции, свойства и области применения».

11–12 сентября. Совместно с ВО «Рестэк» и Композитным кластером Санкт-Петербурга 1. Конкурс «Парад проектов. Инвестиции в разработку и применение композитных материалов».

2. Панельная сессия «Человеческий капитал как значимая часть композитной отрасли: особенности, возможности, тенденции в обучении и повышении квалификации специалистов». Будем рады видеть вас в качестве спикеров, экспертов и слушателей. Заявки и предложения присылайте на kexpo@kompomir.ru

Читайте с пользой!

C уважением, Ольга Гладунова

Композитный мир | #4 (85) 2019

3

Содержание Научно-популярный журнал «КОМПОЗИТНЫЙ МИР» #4 (85) 2019 Дисперсно- и непрерывнонаполненные композиты: стеклокомпозиты, углекомпозиты, искусственный камень, конструкционные пластмассы, пресс-формы, матрицы, оснастка и т. д. — ТЕХНОЛОГИИ, РЕШЕНИЯ, ПРАКТИКА! Регистрационное свидетельство ПИ № ФС 77-35049 Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций от 20 января 2009 г.

ISSN — 2222-5439 Учредитель: ООО «Издательский дом «Мир Композитов» www.kompomir.ru Директор: Сергей Гладунов gladunov@kompomir.ru Главный редактор: Ольга Гладунова o.gladunova@kompomir.ru Вёрстка и дизайн: Влад Филиппов По вопросам подписки: podpiska@kompomir.ru По вопросам размещения рекламы: o.gladunova@kompomir.ru Advertising: Maria Melanich maria.melanich@kompomir.ru marketing@kompomir.ru Номер подписан в печать 15.08.2019 Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» Тираж 7500 экз. (печатная + электронная версия) Цена свободная Адрес редакции: 190000, Санкт-Петербург ул. Большая Морская, дом 49, литер А помещение 2Н, офис 2 тел.: +7 (812) 318-74-01 info@kompomir.ru * За содержание рекламных объявлений редакция ответственности не несет. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Композитный Мир» обязательна.

Новости

Мировые новости

Интервью Росизолит: По пути к качественным полностью отечественным композитным материалам

www.vk.com/club10345019 www.facebook.com/groups/1707063799531253

4

Композитный мир | #4 (85) 2019

14

Материалы Соединительный элемент для композита и стальной конструкции Стеклопластики на основе эпоксивинилэфирных смол Гидроизоляция на основе POLYVEST® HT

Оборудование

16 22 26

Смешивание и дозирование полиуретанов

28

Опыт подготовки поверхности атмосферной плазмой на производстве Roding Automobile GmbH

30

www.instagram.com/kompomir

6 12

Российские новости

Содержание

Технологии Шлифовка стеклопластиковых форм Программный комплекс Digimat

32 42

Применение

52 54

Применение структурного адгезива в судостроении Опыт внедрения отечественных материалов

Применение композитов в оборудовании для химических производств Часть 2

Наука

Экспериментальное изучение изменения свойств углерод-углеродного и углерод-карбидокремниевого композиционного материала

58

64

Композитный мир | #4 (85) 2019

5

Российские новости

Истребитель Су-57 и лёгкий транспортник Ил-112 будут представлены на МАКС-2019

Один из самых популярных в мире авиасалонов будет проводиться в подмосковном городе Жуковский. Мероприятие пройдёт с 27 августа по 1 сентября 2019 года. Командование воздушно-космических сил России заявило, что уже к концу 2019 года к ним на вооружение поступит 12 новых многофункциональных истребителей 5 поколения Су-57. Новый самолёт будет призван заменить тяжёлый истребитель Су-27, который состоит на вооружении военно-воздушных сил с 1985 года. Всего же, согласно государственному контракту,

опытно-конструкторское бюро им. П. О. Сухого обязуется поставить на вооружение ВКС РФ 76 боевых машин нового поколения для полной комплектации 3 авиационных полков. Военные эксперты отмечают огромный потенциал нового истребителя. Около 70% поверхностной обшивки фюзеляжа и крыльев Су-57 составляют композитные материалы, что позволяет ему быть практически невидимым для наземных радаров и радиолокационных систем самолётов противника. Для ещё большего снижения площади отражающей поверхности, в конструкции истребителя применена уникальная геометрия крыльев. Препятствовать обнаружению радарами будет и тот факт, что всё ракетное и бомбовое вооружение Су-57 размещено не на подвесных системах под крыльями и фюзеляжем, а спрятано в корпусе воздушной боевой машины. Истребитель может нести на себе 14 типов разного вооружения, общий вес которого составляет 10 тонн. По оценкам международных экспертов, Су-57 в настоящее время является одним из самых лучших в мире самолётом своего класса. Для замены устаревших транспортников Ан-24 и Ан26 на базе авиационного комплекса им. С. В. Ильюшина был спроектирован и разработан транспортный турбовинтовой самолёт Ил-112. Для частей военно-транспортной авиации планируется выпуск облегченной на 20–25% модификации 112В, снижение веса которого будет достигнуто за счёт оптимизации конструкции, модернизации оборудования, а также использования композиционных материалов. Самолёт может эксплуатироваться на небольших аэродромах, как с бетонными, так и с грунтовыми взлётно-посадочными полосами. Транспортник будет представлен на МАКС-2019. www.comandir.com

«Композиты России» запускают производство конструкционных тканей для изготовления спецтехники В настоящее время специалисты МИЦ «Композиты России» работают над созданием высокотехнологичного производства конструкционных тканей и сеток на основе базальтовых и стеклянных волокон для изделий, конструкций из полимерных композиционных материалов. Основной особенностью разработки материалов с повышенными техническими характеристиками и физико-механическими свойствами на основе стекловолокон и непрерывных базальтовых волокон собственного производства является использование новых рецептур замасливателей. «На сегодняшний день выполнен ряд существенных научно-исследовательских работ по оптимизации существующих и наработке новых технологий как в области производства волокон, так и в области их дальнейшего использования для создания стекло-, базальтоволокнистых и базальтокомпозиционных материалов и изделий. Новое производство пла-

6

Композитный мир | #4 (85) 2019

нируется открыть в Москве», — рассказал директор МИЦ «Композиты России» Владимир Нелюб. Конструкционные ткани будут использоваться в качестве армирующего материала при производстве корпусов, панелей, теплоизоляционных прокладок, экранов, тормозных колодок, дисков сцепления, корда для покрышек и других элементов конструкций спецтехники (коммунальной, сельскохозяйственной, дорожной и др.). «Учитывая, что отличительной особенностью такой техники является её высокая стоимость, то снижение затрат при её изготовлении ввиду применения более дешевого сырья и материалов не в ущерб прочностным свойствам и эксплуатационным характеристикам, является экономически целесообразным», — отметил Владимир Нелюб. Пресс-релиз компании

Российские новости

Защита антенн тепловозов от «Нанотехнологического центра композитов» Стеклопластиковые композитные изделия производства ООО «Нанотехнологический Центр Композитов» (НЦК) применены в конструкциях локомотивных и стационарных антенн поездной, станционной и маневровой систем радиосвязи ОАО «РЖД». Композитные элементы в конструкциях антенн тепловозов защищают их от внешних воздействий, кроме того, изделия НЦК не подвержены коррозии и не теряют своих свойств при воздействии ультрафиолета. www.nccrussia.com

На «Средне-Невском судостроительном заводе» заложен седьмой корабль противоминной обороны 12700 12 июля на «Средне-Невском судостроительном заводе» (входит в состав Объединённой судостроительной корпорации) состоялась торжественная церемония закладки корабля противоминной обороны (ПМО) проекта 12700 шифр «Александрит». Приказом Главкома ВМФ будущему морскому тральщику присвоено действующее наименование «Анатолий Шлемов» в честь заслуженного кораблестроителя, вице-адмирала Анатолия Фёдоровича Шлемова. Корабль противоминной обороны «Анатолий Шлемов» станет седьмым в линейке проекта 12700, заложенным на «Средне-Невском судостроительном заводе». Торжественная церемония прошла при участии заместителя председателя правительства Российской Федерации по вопросам оборонно-промышленного комплекса Юрия Борисова, начальника кораблестроения, вооружения и эксплуатации вооружения — заместителя главнокомандующего ВМФ по вооружения Игоря Мухаметшина, временно исполняющего обязанности губернатора Санкт-Петербурга Александра Беглова, Президента Объединённой судостроительной корпорации Алексея Рахманова, представителей Центрального морского конструкторского бюро «Алмаз», а также работников и ветеранов АО «СНСЗ». При строительстве кораблей проекта 12700 «Александрит» на Средне-Невском судостроительном за-

воде применяются инновационные технологии, не имеющие аналогов в мировом судостроении. Корабли этого проекта имеют уникальный, самый большой в мире корпус из монолитного стеклопластика, сформированного методом вакуумной инфузии. Масса такого корпуса меньше металлического, при этом значительно увеличивается его прочность. Такому корпусу совершенно не страшна коррозия, а срок службы, при соблюдении норм эксплуатации, практически неограничен. Проект 12700 «Александрит» разработан Центральным морским конструкторским бюро «Алмаз» для ВМФ РФ. Эти корабли предназначены для борьбы с современными морскими минами, обнаруживать которые они могут как в воде морских акваторий, так и в морском грунте. При этом корабль может не входить в опасную зону — поиск, идентификация и уничтожение опасных объектов осуществляется дистанционно. Для этого корабли ПМО проекта 12700 оснащены самыми современным техническими средствами, в состав которых входит безэкипажный противоминный катер, а также телеуправляемые и необитаемые автономные роботизированные подводные аппараты. www.snsz.ru

Композитный мир | #4 (85) 2019

7

Российские новости

UMATEX (Росатом) займется производством спорттоваров

UMATEX (Росатом), крупнейший в России производитель углеродного волокна, заявил о вхождении в капитал компании «ЗаряД», единственного производителя композитных хоккейных клюшек. Сделка направлена на развитие в России разных видов композитного спортинвентаря, не уступающего по качеству импортным аналогам. Согласно документу, UMATEX (Росатом) приобретает 50% доли компании «Заряд». Соглашение было подписано генеральным директором UMATEX (Росатом) Александром Тюниным и основателями компании «ЗаряД» легендарным хоккеистом Данисом Зариповым и Иваном Савиным 11 июля 2019 года.

Альянс UMATEX (Росатом) и компании «ЗаряД» направлен на формирование широкой линейки спортивных товаров с целью импортозамещения и наращивания экспортного потенциала. В настоящее время российские производители спортинвентаря занимают только 10 процентов отечественного рынка. Эксперты убеждены, что у этой индустрии в России большое будущее, в том числе в создании изделий с использованием легких и прочных композитных материалов. ООО «ЗаряД» производит 9 наименований хоккейных клюшек под торговой маркой «Заряд», представленных в 4 сериях для всех возрастов (юниорские, подростковые и взрослые) и уровней (профессиональные, полупрофессиональные, любительские). Применение углеродного волокна позволяет сочетать лучшие свойства дерева и алюминия: классическое «чувство контроля над шайбой», как у лучших деревянных клюшек, и точность производственных характеристик, как у алюминиевых клюшек. В настоящее время компания выпускает 40 тыс. клюшек в год с возможностью наращивания объемов производства до 70 тыс. За счет локализации производства в России и использования российского сырья UMATEX, стоимость для потребителя на 20–40% ниже зарубежных аналогов при равнозначных качественных характеристиках. www.umatex.com

ОЭЗ «АлмА» рассматривает новые инвестпроекты На территории особой экономической зоны «АлмА» планируется реализация новых инвестпроектов на общую сумму более 49 млрд рублей. Их реализация позволит создать более 1000 рабочих мест. Министерство экономики Республики Татарстан заключило соглашения о намерениях с потенциальными инвесторами по реализации инвестиционных проектов на территории особой экономической зоны «АлмА». Размещение новых производств планируется в Альметьевске. Так, компания ООО «Полиолефины» намеревается организовать производство полипропилена, ООО «Малеик» — производство малеинового ангидрида, ООО «Вентокс» — производство углепластиков, а ООО «СтройСервис» — изготовление изделий на основе пенополистирола для промышленного и гражданского строительства. Предполагается, что общий объем инвестиций составит более 49 млрд рублей. Реализация данных инвестпроектов позволит создать более 1000 рабочих мест. Министерство экономики Республики Татарстан продолжает принимать заявки от заинтересованных инвесторов особой экономической зоны «АлмА». mert.tatarstan.ru

Российские новости

ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» ищет альтернативу чугунным люкам С 8 по 15 июля прошли испытания стеклокомпозитных люков смотровых колодцев с участием специалистов ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга». Впервые в России для объективной оценки предлагаемых люков смотровых колодцев применили методику испытаний на соответствие с Европейским стандартом EN 124-2015 «Канализационные решетки и крышки люков для зон дорожного и пешеходного движения». Росcийского стандарта, устанавливающего требования к люкам из различных материалов, на текущий момент не существует. Действующий на территории РФ ГОСТ 3634-99 «Люки смотровых колодцев и дождеприемники ливнесточных колодцев. Технические условия» устанавливает технические требования к изделию, в том числе требования к сырью, из которого изготавливается люк, по своим свойствам не ниже свойств серого чугуна марки СЧ20. Применение других материалов (бетона, пластика, стеклокомпозита и др.) данным документом не регламентировано, при этом прочностные свойства и устойчивость при воздействии температуры наружного воздуха, воды и нефтепродуктов для вышеуказанных материалов разные. Для проверки прочностных показателей в условиях воздействия описанных факторов и был применен европейский стандарт. В связи с ростом числа хищений чугунных крышек люков ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» находится в поиске материалов для изготовления люков смотровых колодцев, альтернативных чугуну. Ранее в независимых лабораториях в присутствии технических специалистов предприятия уже проводились испытания люков смотровых колодцев из полимерно-песчаных, стеклокомпозитных, железобетонных и других материалов. Их результаты были признаны неудовлетворительными. Стеклокомпозитные люки проверяли в испытательной лаборатории «Механическая лаборатория им. проф. Н.А.Белелюбского» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. Технические специалисты лаборатории провели обмеры крышек люков, испытания на предельную, резонансную нагрузки и устойчивость к ударной нагрузке. Также прошли

испытания на сопротивление материала ползучести, водопоглощение и на стойкость к воздействию дизельного топлива. Крышки люков с запорным механизмом в состоянии «закрыто» протестировали на извлекаемость. Испытания проводили в соответствии с разработанной Методикой проведения испытаний на соответствие требованиям EN 124:1-2015 «Крышки смотровых колодцев и люков на проезжих и пешеходных частях улиц – Часть 1: Определения, классификация, общие принципы проектирования, требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний» и EN 124:5-2015 «Канализационные решетки и крышки люков для зон дорожного и пешеходного движения Часть 5: Канализационные решетки и крышки люков из композиционных материалов». Данная работа была осуществлена благодаря взаимодействию ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» с научно-исследовательскими учреждениями и испытательными лабораториями, в том числе с Петербургским государственным университетом путей сообщения Императора Александра I, специалисты которого приняли участие в разработке новых Методик испытаний. На сегодняшний день в Санкт-Петербурге имеется методическая и инструментальная база для проверки качества люков из композитных материалов. Несмотря на то, что в целом испытания люков смотровых колодцев из стеклокомпозитных материалов прошла успешно, у специалистов ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» остается ряд вопросов к их использованию на практике. www.vodokanal.spb.ru

«Росатом» и Правительство России подписали соглашения о намерениях по двум перспективным направлениям 10 июля 2019 года Госкорпорация «Росатом» и Правительство России подписали соглашения о намерениях по направлениям «Квантовые вычисления» и «Технологии создания новых материалов и веществ». Церемония обмена подписанными документами между кабмином и крупными компаниями прошла в Кремле в присутствии Президента Российской Федерации Владимира Путина. Подписи под первым документом поставили вице-премьер Максим Акимов и первый заместитель генерального директора Госкорпорации Иван Камен-

ских. Второе соглашение с представителем «Росатома» подписал вице-премьер Юрий Борисов. «Росатом» развивает у себя производство перспективных материалов на основе новейших технологий, поскольку с ними во многом связано обновление технической базы атомной отрасли. Одним из направлений деятельности в этой сфере является производство полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна. www.rosatom.ru

Композитный мир | #4 (85) 2019

9

Российские новости

ОЭЗ «Дубна» присоединилась к композитному кластеру Особая экономическая зона (ОЭЗ) «Дубна» будет участвовать в деятельности кластера «Композиты без границ». Соответствующее соглашение было подписано генеральным директором АО «ОЭЗ ТВТ «Дубна» Антоном Афанасьевым и директором Автономной некоммерческой организации «СОПК «Композиты без границ» Алексеем Лемешко. ОЭЗ «Дубна» стала третьим инфраструктурным участником межрегионального промышленного кластера «Композиты без границ» наряду с ОЭЗ «Алабуга» и Технополисом «Химград», расположенными в Республике Татарстан. Сотрудничество направлено на установление долгосрочных партнерских отношений между сторонами в сфере развития российского рынка композитных материалов, а также на привлечение в ОЭЗ новых инвесторов. «Наш резидент — предприятие «Препрег-Дубна», которое производит технические ткани на основе углеродного и стеклянного волокна, ранее уже заключило соглашение о сотрудничестве с кластером. Мы надеемся, что его участниками станут и другие компании. Например, эту возможность может рассмотреть инвестор «НПО Стеклотекс», который реализует перспективный проект по разработке и производству текстильных и композитных материалов из стеклянных, углеродных, кремнеземных, синтетических, других видов волокон и изделий из

них», — отметил Афанасьев. Несмотря на то что кластер «Композиты без границ» был создан в начале прошлого года, сегодня в него уже входят такие регионы, как Московская и Саратовская области, Республика Татарстан. По словам заместителя председателя правительства Московской области Вадима Хромова, вхождение в кластер будет активно содействовать кооперация между производителями сырья и конечных изделий, повлияет на увеличение экспорта композитных материалов и изделий из них, произведенных в Подмосковье, поможет новым и потенциальным участникам кластера найти поддержку со стороны госорганов, институтов развития и финансовых организаций. Для участников кластера доступно субсидирование до 1 миллиарда рублей затрат при реализации совместных инвестиционных проектов. Для ОЭЗ «Дубна», как инфраструктурного участника кластера, это возможность взаимодействия ее управляющей компании, резидентов с промышленными предприятиями, образовательными учреждениями, которые в него входят. Подмосковная территория может стать отличной площадкой для успешного развития предприятий, специализирующихся в сфере композитных материалов. www.mosreg.ru

200 километров на одной зарядке В этом году в Тольятти стартует производство электромобилей. Региональная инжиниринговая компания ZETTA заявила о выходе новинки на рынок уже в декабре. Предприятие работает в экономической зоне, предусматривающей для инвесторов массу преференций. Может быть, поэтому от замысла проекта электрокара до его воплощения прошло всего три года. Сейчас опытные образцы успешно испытываются. В этом году тольяттинцы сделают десять четырехместных автомобилей, в следующем — две тысячи, в 2021-м планируется выйти на полную мощность — 10 000 автомобилей в год. Потенциальных покупателей привлекает цена автомобиля — 450 тысяч рублей с учетом маржи дилера в базовой комплектации — это одноприводный автомобиль, который сможет проходить до 200 километров на полной зарядке. В люксовом варианте уже полноприводный электромобиль сможет проезжать до 580 километров на «полном баке». Максимальная скорость электромобиля 120 километров в час. Разогнаться быстрее не получится — есть контроллер. Заряжать авто можно от розетки 220 Вольт. Для зарядки на 200 километров потребуется четыре часа. Электромобиль практически полностью сделан из российских комплектующих. Импортируются только китайский аккумулятор и микросхемы. Подвеска автомобиля — это адаптированные ре-

10

Композитный мир | #4 (85) 2019

шения восьмого и десятого семейства Lada. Мотора как такового нет, его функцию играют асинхронные мотор-колеса собственной разработки компании. Именно их применение исключило трансмиссию, что повлияло на стоимость и массу авто лучшим образом. На металлический каркас навешиваются кузовные панели из экструзионного композита. Управление возьмет на себя планшет, интегрированный в панель, он же играет роль мультимедийной системы. В стадии разработки и приложение, которое можно будет использовать для управления и диагностики ZETTA. Руль в этом автомобиле — дань требованиям. Вполне можно использовать джойстик, радиосигнал или приложение смартфона. www.rg.ru

Российские новости

Новый российский скафандр предложили впервые сделать из композитов Корпус нового российского скафандра для работы человека в открытом космосе предлагается впервые изготовить из композитных материалов, сообщил в интервью РИА Новости генеральный директор главный конструктор научно-производственного предприятия «Звезда» Сергей Поздняков. «Не исключаю, что попытаемся сделать композитную кирасу (жесткий корпус скафандра). Хотя, с точки зрения радиационной защиты, нынешняя алюминиевая кираса дает дополнительную защиту жизненно важных органов», — рассказал Поздняков. Композитные материалы получили широкое применение в аэрокосмической отрасли. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Ранее из композитов предполагалось изготовить корпус российского космического корабля «Федерация», но затем от данной идеи отказались. В авиации композиты применяются при производстве отдельных деталей и крупных конструкций самолетов. В космической технике из композитов изготавливают силовые конструкции космических аппаратов. С 2017 года российские космонавты на Международной космической станции во время выходов в открытый космос используют скафандры «Орлан-МКС».

От предыдущей версии скафандров их отличает применение полиуретановой внутренней оболочки вместо резиновой и встроенный климат-контроль. РИА Новости

Мировые новости

Итальянцы испытают композитные фюзеляжи турбовинтовых самолётов

Итальянская компания Leonardo завершила проектирование двух композитных секций фюзеляжа турбовинтового регионального самолета, которые после изготовления будут проходить различные испытания. Работы проводятся в рамках общеевропейского проекта Clean Sky 2 по созданию экологичного и экономичного воздушного транспорта. Благодаря композитным материалам разработ-

чикам удается частично упростить производство авиационной техники. Кроме того, композиты, имеющие характеристики, аналогичные традиционным авиационным материалам или даже превосходящие их, позволяют несколько снизить массу летательных аппаратов. Разработанные Leonardo элементы представляют собой секции фюзеляжа позади кабины пилотов. Их планируется полностью изготовить из композиционных материалов. Оба элемента будут проходить испытания на прочность и накопление усталости. Кроме того, их проверят на устойчивость к статическим и динамическим нагрузкам. На одном из образцов специалисты будут испытывать и новые системы автоматической диагностики композитов, которые позволят выявлять возникающие повреждения на ранних этапах. После завершения всех исследований специалисты перейдут к испытаниям новых композитных конструкций — секции фюзеляжа с кабиной пилотов и центроплана. www.compositesworld.com

В Китае успешно испытали поезда метро нового поколения

По информации, полученной 19 июня от китайской компании CRRC Qingdao Sifang, успешно завершились первые испытания шести подвижных составов метро следующего поколения. В этих поездах применены новые современные технологии и материалы. По словам заместителя главного инженера компании CRRC Qingdao Sifang, главной особенностью

12

Композитный мир | #4 (85) 2019

поездов метро следующего поколения станут легкость и энергосбережение. В составах использован углепластик, что сделало составы легче на 13%. Кроме этого, в тяговой системе используется высокоэффективная и энергосберегающая технология нового типа и синхронный тяговый электродвигатель на постоянном магните. По сравнению с традиционными подвижными составами метро, объем экономии энергии новых поездов превышает 15%. Стоит также отметить, что окна в новых поездах с одной стороны представляют собой большие сенсорные экраны, напоминают планшеты. На окнах можно пользоваться интернетом, смотреть фильмы и телепередачи, читать новости и др. Новые поезда могут развивать максимальную скорость до 140 км/ч, они намного быстрее традиционных составов. Следует отметить, что движение поезда полностью автоматическое. По информации компании CRRC Qingdao Sifang, впервые применяется технология автоматической подвески, которая позволит оценивать и снижать вибрацию в вагонах, обеспечивая ровное и спокойное движение. Кроме этого, в новых поездах, благодаря использованию новых материалов и технологий, уровень шума в вагонах снижен более чем 5 дБ. По сравнению с традиционными, эти поезда метро в зависимости от пассажиропотока можно комплектовать разным количеством вагонов: от 2 до 12. Таким образом, можно снизить себестоимость и повысить эффективность работы метро. avesta.tj

Мировые новости

Последняя инновация Vollebak — футболка из углеродного волокна Британский бренд Vollebak, который ранее выпускал кевларовую толстовку и графеновую куртку, вернулся с еще одной инновацией — футболкой из углеродного волокна. Аэрокосмическая и военная отрасль подарили миру множество интересных материалов, а дизайнеры бренда просто спустили эти материалы до простых людей, превратив их в повседневную, но функциональную одежду. Углеродное волокно известно высокой прочностью на растяжение, выдерживает высокие температуры, имеет малый удельный вес. Такое волокно часто применяется при производстве автомобилей, реактивных двигателей и ракет. Ткань из этого волокна износостойка. Верхняя часть этой футболки сплетена из 120 метров углеродного волокна, которое обеспечивает прочность и стойкость к истиранию изделия, при этом сохраняя его мягкость, легкость, воздухопроницаемость, эластичность и гигроскопичность. «Спорт никогда не бывает предсказуемым, поэтому мы создали футболку, которая сможет защитить вас со всех сторон», — говорит соучредитель Vollebak Стив Тидболл. Для сведения, футболка Vollebak из углеродного волокна в цвете «металлический серый» стоит $110. www.foxtime.ru

Интервью www.rosizolit.ru

По пути к качественным полностью отечественным композитным материалам Компания «Росизолит» уже 20 лет занимается комплексным снабжением предприятий электротехническими и композитными материалами, а также производством на заказ деталей и изделий, регулярно презентуя читателям нашего журнала свои новинки. Но с чего же начиналась история компании, какие этапы развития она прошла, а также как оценивают сегодняшний рынок композитов в организации? Ответить на данные вопросы мы попросили Генерального директора ООО «Росизолит» Беседина Вадима Петровича. Расскажите нашим читателям об истории создания компании. Как всё начиналось? Начиналось всё ещё в далеком 1998 году с открытия маленькой компании, занимающейся поставкой электроизоляционных материалов. В то время рынок был поделен между крупными компаниями — поставщиками, небольших компаний практически не существовало. Но в нашей стране был недостаточно развит рынок композиционных электроизоляционных материалов. Вплотную занявшись поставками именно композитов, благодаря высокому профессионализму команды, мы смогли найти первых клиентов, расширить направление и начать развиваться. Спустя 10 лет, мы заняли прочное положение на рынке. Нашими клиентами стали такие компании, как ОАО «Силовые машины — ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт», концерн «Русэлпром». К этому времени стало понятно, что только дистрибуция материалов — это путь развития, имеющий массу ограничений. К тому же на рынке было очень мало компаний, занимающихся механической обработкой именно композитов. Поэтому закономерно, что нам пришла идея открыть небольшой производственный цех. Изначально цех состоял всего из 4 станков, и работало в нём 7 человек. Но заказы появились практически сразу, а по мере увеличения их количества и сложности в компании занялись расширением парка имеющегося оборудования. К слову, модернизацией станков мы занимаемся постоянно: следим за новинками рынка и всегда готовы предложить заказчикам реализацию их проектов на самом современном и высокотехнологичном оборудовании. В этом году, например, в планах запуск новейших станков с ЧПУ. После резкого ослабления российского рубля по

14

Композитный мир | #4 (85) 2019

отношению к иностранным валютам и последующего заметного роста цен на импортные материалы в 2015 году было принято решение о начале научно-исследовательской работы (НИР) по разработке собственных материалов. А в 2018 году мы выиграли грант от Фонда содействия инновациям (fasie.ru), что позволило по завершении данной НИР провести полноценный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), в результате которых была разработана промышленная линия для производства собственного электроизоляционного материала. Оборудование для неё сейчас закупается, а промышленный выпуск собственных электроизоляционных материалов запланирован на осень 2019 года. И в планах компании уже стоит расширение данного производства, поэтому сейчас мы приглашаем инвесторов принять участие в проекте. Всё это смогло реализоваться благодаря слаженной работе высокопрофессионального коллектива компании. Мы очень гордится своими сотрудниками, создаем комфортные условия для деятельности, поощряем их стремление к получению новых знаний и повышению квалификации. До сих пор на разных уровнях компании трудятся люди, пришедшие работать в первые годы её существования. Мы благодарны им за их профессионализм и верность. «РОСИЗОЛИТ» — одна из старейших компаний на рынке композитов. Как на Ваш взгляд, изменился рынок композитов за последние 10–15 лет? Прежде всего, рынок композитов сильно расширился. Конкуренция стала значительно сильнее, и это положительно сказывается на общей тенденции развития отрасли. Всё больше понимания, что за

Интервью

композитами будущее, особенно в сфере энергетики. Ассортимент материалов, и предлагаемых нами, и вообще представленных на рынке, значительно расширился. Например, в компанию всё чаще поступают заявки на изготовление криопластиков, предназначенных для работы в условиях сверхнизких температур, древесных пластиков, композитного крепежа, 3D-изделий. Повысилось доверие к отечественной продукции, в том числе и за рубежом. Так, например, в 2013 году мы поставляли и занимались обработкой высокотемпературных электроизоляционных материалов, предназначенных для международного экспериментального термоядерного реактора.

можность самим изготавливать предназначенные для испытаний образцы сложной формы, например, лопатки для испытаний на растяжение согласно ГОСТ 11262–2017. В лаборатории мы проводим работы по оптимизации и улучшению рецептуры собственных материалов, а также следим за качеством изготавливаемой продукции. Специалисты лаборатории оказывают помощь в патентной работе и вопросах защиты интеллектуальной собственности. Например, в 2019 году нами поданы заявки на шесть торговых знаков и одна заявка на изобретение. Таким образом, собственная лаборатория позволяет нам оставаться конкурентоспособными на столь динамичном рынке.

«РОСИЗОЛИТ» является многопрофильной компанией. Помимо продажи сырья в компании оказывают профессиональную техническую поддержку, услуги по резке материалов и производству деталей на заказ. Такой комплексный подход делает вас уникальными на рынке. Дает ли он ощутимые результаты?

Как Вы оцениваете перспективы российского рынка композитов? В каких отраслях промышленности, на ваш взгляд, следует ожидать увеличения применения композитных материалов?

Да, как уже отмечалось выше, развитие компании, занимающейся исключительно торговлей, имеет свои ограничения, а вот возможности производственной — значительно шире. Регулярно нам приходится решать комплексные задачи, предусматривающие как поставку материала, так и его изготовление и/или механическую обработку по заказу клиентов. Стоит заметить, что в настоящее время, когда вопрос импортозамещения стоит особенно остро, мы считаем необходимым развитие и собственного производства сырья. Над чем сейчас и работаем. Компания постоянно развивается, разрабатывает новые направления. На базе организации создан научно-технологический центр, имеется хорошо оснащенная лаборатория. Почти год назад в «РОСИЗОЛИТ» открыли испытательную лабораторию. Расскажите об этом направлении. Совершенно верно, мы открыли собственную лабораторию, в составе которой есть всё для проведения испытаний материалов и определения основных характеристик электроизоляционных стеклопластиков: физико-механических (прочности на растяжение, сжатие, изгиб и т.д.), электрических (тангенса угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости, объемного и поверхностного удельного сопротивления). Благодаря имеющемуся механообрабатывающему производству, у нас, в отличие от многих других лабораторий, есть воз-

Мы занимаемся больше электротехническими композитами, поэтому лучше всего знаем именно этот сегмент. У российского рынка композитов огромные возможности по расширению. Помимо обработки листовых материалов в компании «РОСИЗОЛИТ» сегодня с помощью литья производят еще и сложные изделия. Несмотря на то, что данное направление, по сравнению с остальными видами деятельности, запущено относительно недавно — около 5 лет, в нем мы уже достигли определенных успехов и заметили, что все большее число организаций стремится к замене металлических изделий на композитные. Достаточно много заказов поступает на производство различного корпусного оборудования электроизоляционного назначения, реализуются проекты, связанные с «зеленой» энергетикой. Безусловно, есть и проблемы. Одна из них — это недостаток высококачественного сырья отечественного производства. Например, отсутствует производство отечественных непрерывных стекломатов, а также совсем нет российского сырья для синтеза полиэфирных смол. Так несколько лет назад мы безуспешно искали отечественного производителя неопентилгликоля. Таким образом, качественные полностью отечественные композитные материалы пока остаются достаточно редким и дорогим уделом, доступным преимущественно только военной отрасли. Но мы не собираемся отступать и продолжаем свои работы, направленные как на развитие собственного отечественного производства, так и отрасли электротехнических композитных материалов в целом.

Композитный мир | #4 (85) 2019

15

Материалы

newcomposite.ru

Соединительный элемент для композита и стальной конструкции Традиционно судостроительная отрасль сфокусирована на стали. Тем не менее наблюдается тенденция по замене стали легковесными материалами с целью увеличения грузовой нагрузки и уменьшения потребления топлива. Но здесь существуют особые требования по технологии стыка. Центр морских технологий и SLV Mecklenburg-Vorpommern разработали новое соединение композита/стали для судостроения.

Аэронавтика прокладывает путь Легковесный дизайн подвижных структур включает в себя многочисленные преимущества: чем меньше будет масса конструкции для ускорения и перевозки, тем меньше будет потребление топлива, меньше транспортные расходы и меньший углеродный выброс. В некоторых случаях целью легковесной конструкции является улучшение эксплуатационных характеристик, таких как повышенная грузоподъёмность или больший диапазон. Кроме того, побочные эффекты снижения веса не являются незначительными. Меньший вес конструкции может привести к меньшим двигателям, что, в свою очередь, может привести к дальнейшему снижению веса. Существуют два различных подхода к снижению веса конструкции. Во-первых, применение принципов легковесного проектирования, таких как использование упрочненных кожей конструкций, и, во-вторых, замена материала, например, замена стали на композиты. Аэронавигационная отрасль лидирует в сфере

16

Композитный мир | #4 (85) 2019

замены материалов. Когда в восьмидесятых годах Airbus разработал A320, на алюминиевые сплавы приходилось около 65% веса конструкции, тогда как новый A350 состоит только из 20% алюминиевых сплавов. Доля композитов, напротив, увеличилась с 13% до 53%. Аналогичная тенденция комбинирования различных материалов и более широкого использования армированных волокном полимеров (FRP) также наблюдается в железнодорожной и автомобильной промышленности.

Судостроение Похоже, что одним из секторов, в котором так активно не учитывается тенденция к легкому проектированию и замене материалов, является гражданское судостроение. С другой стороны, на долю мирового судоходства приходится примерно 4,5% глобальных парниковых газов. По сути, контейнеровозы, танкеры и круизные лайнеры изготовлены из стали, а их конструкция сварена из более мелких стальных элементов.

Материалы Этот факт довольно удивителен, так как индустрия строительства лодок и яхт была пионером в применении композитных деталей в промышленно развитом секторе производства. Например, процесс Scrimp (разновидность вакуумной инфузии), разработанный в судостроительной промышленности, используется модифицированным образом для изготовления заднего гермошпангоута Airbus A380. Можно найти несколько примеров успешного внедрения FRP (стеклопластика), например, шведские корветы класса Visby, показывающие, что возможно и выгодно использовать новые материалы в судостроении. В настоящее время ветер перемен дует в судостроительной промышленности Европы, где производятся, прежде всего, специальные и круизные суда. Несколько верфей рассматривают возможность внедрения стеклопластика на судах разных типов. Причинами применения легковесных материалов в судостроении, помимо потребления топлива, являются лучшее соотношение полезной нагрузки к конструктивному весу или уменьшение тяги. Это может открыть новые морские пути или, в случае речных круизных судов, продлить сезон. Дополнительной причиной является повышенная стабильность благодаря более низкому центру тяжести. Несмотря на преимущества FRP, они не используются широко в судостроительной промышленности по трем причинам: 1. Суда представляют собой сложные конструкции, которые могут стоить от 400 до 800 миллионов евро, например, в случае круизных судов. Штрафные сборы за неисполнение обязательств являются стандартом в отрасли, что означает, что задержки могут означать миллионные штрафы.

2. Как правило, производимые подобные судна являются единственными в своем роде, что означает, что любое новшество должно финансироваться судном, на котором оно внедряется.

3. Правила и нормы являются строгими и консервативными, судна в международных водах должны проектироваться в соответствии с правилом ММО «Безопасность жизни на морях — Солас».

поскольку нет смысла менять всю стальную конструкцию на стеклопластик. Это связано с техническими и экономическими причинами. Таким образом, технология соединения является ключевым фактором при использовании стеклопластиковых конструкций на верфях. Обычные способы соединения металла и FRP — это склеивание или скрепление болтами. Однако их нельзя применять непосредственно в судостроительной промышленности, где предпочтительным способом соединения является сварка. Типичные допуски в судостроении усложняют создание необходимых отверстий. Кроме того, минимальная толщина в 5 мм, основанная на правилах, усложняет одновременное изготовление отверстий в стали и стеклопластике. Один из аргументов против склеивания заключается в том, что суда, как правило, изготавливаются в неконтролируемой среде, а это означает, что конструкция подвергается изменениям температуры и влажности. Кроме того, склеивание — это трудоемкий и дорогостоящий процесс одобрения в судостроительной промышленности.

Стандартный коннектор для композита и стали Целью немецкого проекта Fausst (Faser und Stahl Standard Verbindung (Стандартное соединение волокна и стали) стала разработка соединителя в соответствии с потребностями судостроительной промышленности, используя как композит, так и сталь, что соответствует правилам судостроения и не требует дополнительных специализированных этапов производства на верфи. На рисунке 1 показана технология соединения. Доработки и изменения являются стандартными процедурами на верфях: металлические детали обрезаются до конечных размеров или допусков непосредственно на верфи. Сварка — нормальный процесс соединения. В противоположность, в случае деталей из термореактивных композитов, возможны 1. Стальная структура 2. Сварной шов 3. Плоская сталь 4. Сварной шов 5. Полотно Fausst

6. Переход в структуру Fausst 7. Композитная структура

До недавнего времени единственным разрешенным конструкционным материалом из-за правил пожарной безопасности была сталь. Недавние изменения в правилах позволяют использовать стеклопластик при условии, что эквивалентная безопасность доказана. Примером, демонстрирующим потенциал стеклопластика в судостроительной отрасли, является автомобильный перевозчик Siem Cicero, произведенный хорватской верфью Uljanik. На этом корабле три верхние палубы были заменены на стеклопластиковую конструкцию, что привело к снижению веса на 25% на этом участке.

Технология стыка/соединения Поэтому, будущее судостроения — это сочетание стали и других материалов, таких как стеклопластик,

Рисунок 1. Соединение FAUSST: в незаламинированном состоянии (слева), схематически (посередине) и в заламинированном состоянии (справа).

Композитный мир | #4 (85) 2019

17

Материалы

Рисунок 2. Этапы производства Fausst.

только незначительные изменения. Однако для обеспечения рентабельности и технологичности соединительный элемент должен уметь справляться с этими стандартными процессами на верфи. Разработанный полуфабрикат отвечает всем требованиям. Fausst состоит из металлического соединительного элемента, например плоского стержня, на который приварен один или несколько гибридных тканей. Эти гибридные ткани интегрированы в производство стеклопластика методом ламинирования и инфузии. После отверждения получается стеклопластиковая деталь со стальным краем. Этот стальной край затем может быть адаптирован к конструкции судна и приварен к нему с использованием обычных технологий судостроения.

Производство полуфабриката На рисунке 2 показаны различные этапы производства, наблюдаемые при производстве полуфабриката. Первым шагом является создание текстильной части полуфабриката. В сотрудничестве с Fritz Moll Tex¬tilwerke был разработан гибридный трикотажный материал, который с одной стороны изготовлен из 100% стальных волокон, а с другой — из 100% стекловолокон.

Каждый слой состоит из пяти различных типов нити, которые удерживаются между собой с помощью прошивной нити. Этими нитями являются три нити по основе и две прошивные — по утку. Нити для укладки и основы находится в направлении ширины текстиля. Каждая прошивная и по основе нить представляют собой одиночную нить, тогда как нить по утку является непрерывной. Следовательно, для ткани длиной приблизительно 150 мм требуется 60 прошивных и 180 нитей по основе и только шесть различных нитей по утку, поскольку они не покрывают всю длину ткани и изготовлены из стальной и стеклянной пряжи. Этот эффект приводит к соединению и перекрытию стальных и стеклянных волокон, что, в свою очередь, приводит к переносу нагрузки из-за трения, а также благодаря взаимодействию в точках пересечения. Производственный процесс осуществляется с помощью вязальной машины с электронным управлением, которая обеспечивает скорость производства до 100 м/ч. В представленном случае использовалась стандартная машина Comez Decortronic 1000EL, которая обычно используется в текстильной промышленности для производства лент. В настоящее время производится плоский текстиль с одной металлической стороной. Однако конструкция является адаптивной и может также изготавливаться с использованием кругловязальной машины. Следующим этапом является проектирование металлического соединительного элемента. Необходимо учитывать четыре принципа: 1. Расстояние между частью стеклопластика и местом соединения должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить повышение температуры на участке стеклопластика выше 50°C, которая может быть при сварке ее к стальной структуре. Необходима минимальная длина.

2. Данный соединительный элемент позволяет работать с ним на последующем этапе, например, при укладке его к поверхности.

3. Любое напряжение на волокна должно быть распределено вдоль линии волокон, сводя к минимуму волнистость.

Рисунок 3. Примеры геометрии стыка: плоский коннектор различной толщины, материалов и количества слоев Fausst (a и b), профиль «коробочного» типа (с) и круглый профиль с приваренными слоями Fausst (d).

18

Композитный мир | #4 (85) 2019

Материалы A — Стальная структура B — Сварной шов C — U-профиль D — Адгезивный стык E — Композит 1 — Стальная структура 2 — Сварной шов 3 — Плоская сталь 4 — Сварной шов 5 — Полотно Fausst 6 — Переход в структуру Fausst 7 — Композитная структура

Рисунок 4. Сравнение между U-профилем и сэндвич-структурой Fausst: U-профиль схематично (слева), FAUSST-FRP схематично (посередине) и фото соединителя Fausst (справа).

4. Нагрузка и нейтральная ось должны быть совмещены. Таким образом, могут быть разработаны различные геометрии соединений, что позволяет соединять монолитные или многослойные (сэндвич) детали с металлической структурой (рисунок 3). На последнем этапе один или несколько слоев гибридного плетеного материала соединяются с соединительным элементом посредством контактной сварки. Этот процесс позволяет эффективно изготавливать соединители Fausst с несколькими слоями ткани, используя надежный и хорошо известный процесс. Идея этого проекта заключалась в попытке интегрировать детали, изготовленные специализированными производителями, такие как стеновые панели и каюты, в судно с использованием облегченной конструкции и сварки непосредственно на верфях. В других возможных случаях применения, например, в автомобильной промышленности, металлические детали могут быть первоначально соединены сваркой с гибридным текстилем, а затем может быть произведен композит на следующем этапе. Таким образом, полуфабрикат изготавливается с использованием двух разных стандартных процессов, которые могут быть автоматизированы и пригодны для массового производства.

Применение полуфабрикатов Полуфабрикат Fausst разработан для таких производственных процессов, как ручная выкладка, формование с переносом смолы (RTM) или вакуумное формование с помощью переноса смолы/инфузии (VARTM), где каждый слой Fausst перекрывается другими слоями стеклопластика для производства непосредственно стеклопластиковой структуры. Затем весь пакет пропитывается смолой. Теоретически, в качестве волокнистого материала можно использовать препрег, если для уменьшения риска пористости также используются клеевая пленка. Затем стеклопластиковая деталь с кромкой Fausst может быть присоединена к стальной детали посредством обычной сварки.

Примеры использования Как и в аэрокосмической промышленности, одобрение стеклопластиковых конструкций для военных кораблей подчиняется другим правилам, нежели гражданским. Это облегчает применение подобных структур. Например, на верфи Saab Kockums была разработана концепция, согласно которой надстройка фрегатов была заменена сэндвич-конструкцией из стеклопластика. В дополнение к вышеупомянутым преимуществам есть еще преимущество в уменьшенной радиолокационной сигнатуры. Соединение между стальным корпусом и стеклопластиком выполняется с использованием U-профиля, получившаяся суперструктура (стеклопластик-сэндвич) соединяется и затем приваривается к корпусу судна в U-профиле. Такой подход к соединению сравнивается с недавно разработанной системой соединений Fausst. Выбранный соединитель Fausst имеет симметричную двухступенчатую конструкцию с использованием в общей сложности четырех слоев Fausst. В сотрудничестве с Saertex, сэндвич-конструкция была изготовлена с помощью инфузии, рисунок 4. При проведении механических испытаний была задача измерить прочность соединяющего элемента, поэтому центр был заполнен гибридной тканью, который действовал в качестве разделителя. Рисунок 5 показывает диаграмму смещения нагрузки образца растяжения, а также геометрию образца. Из-за геометрии образца невозможно рассчитать прочность, так как поперечное сечение изменяется в сварочном шве. Следовательно, определяется линейная прочность соединения, которая составляет 217 кН/м, имея реальное перекрытие 20 мм. Следует отметить, что ширина сварного шва составляет приблизительно 3 мм. В следующей серии испытаний с использованием биаксиальной ткани между гибридными слоями Fausst были достигнуты предел прочности при растяжении 260 кН/м и предел прочности при сжатии 800 кН/м. Сравнивая эти значения с адгезивным соединением, достигаются аналогичные значения прочности на разрыв с этим перекрытием для адгезивной

Композитный мир | #4 (85) 2019

19

Материалы

Заключение

200

200 Нагрузка, кН/м

системы с прочностью на сдвиг 5 МПа. Это значение соответствует реалистичному значению адгезионного соединения сталь-FRP, если учитывать такие факторы, как старение. Преимущество соединения Fausst по сравнению со склейкой с профилем состоит в том, что используется меньше стали, что приводит к меньшему весу, исключает этап производства (склейка стеклопластика с профилем) и обеспечивает постоянное соединение посредством сварки.

Слои Fausst 150 Слои разделителя

100

50

Полуфабрикат Fausst устанавливает новую технологию соединения стальных и стеклопластиковых конструкций. Эта технология основана на гибридном текстиле. Растягивающие нагрузки свыше 200 кН/м переносятся 4 слоями сварного текстиля Fausst. Преимущества перед клеевыми или механическими соединениями заключаются в более коротком перекрытии, оптимизированном переносе нагрузки по волокнам и скорости процесса. Будущая цель команды разработчиков — стандартизация полуфабриката и одобрение в морской отрасли, чтобы дизайнеры могли работать с сертифицированными значениями материалов. Дополнительным преимуществом Fausst является то, что качество полуфабриката контролируется во время производства, а это означает, что во время внедрения необходимо проверять только качество стандартных процессов, таких как ламинирование и сварка.

Смещение, мм

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Рисунок 5. Отображение смещения нагрузки и геометрии образца конфигурации Fausst.

Первым направлением применения технологии соединения была судостроительная промышленность, однако эта технология соединения также подходит и для других секторов, таких как автомобильная, железнодорожная или строительная промышленность, где необходимо переносить высокие нагрузки, требуются короткие сроки сборки или использование предварительно оборудованных полуфабрикатов. По вопросам данной технологии просим связываться с нами: +7 (812) 748-23-98 hello@newcomposite.ru

Проверенные временем эпоксидные системы SICOMIN все также доступны в России! ООО «Новый композит» — эксклюзивный поставщик!

• Эпоксидные смолы для инфузии, горячего прессования, вспенивающиеся эпоксиды • Конструкционные материалы (угле/стекло ткани) • Полный комплекс вспомогательных материалов для различных технологий shop.newcomposite.ru

new.composite

+7 (812) 748-23-98 +7 (981) 738-00-77

Материалы

ПРОМЫШЛЕНН АЯ ХИ МИЯ

Юлия Логотская Технический специалист ГК Аттика www.attikarus.ru

Стеклопластики на основе эпоксивинилэфирных смол ATTSHIELD 41 и ATTSHIELD 47 — cовременное решение коррозионностойкого конструкционного материала.

Стеклопластики на основе эпоксивинилэфирных смол Сегодня рынок композитов активно развивается, появляются новые технологии, разрабатываются новые виды высокотехнологичного сырья. Когда требуются коррозионно-устойчивые материалы, очень важно выбирать продукты, обеспечивающие необходимые эксплуатационные показатели в заданных условиях. Важнейшим показателем является их устойчивость к агрессивным средам. Необходимо также обеспечить максимальную температуру, при которой будет эффективно использоваться рабочий ламинат. Существует ряд основных требований к конструкционному материалу химстойкого изделия: • коррозионная стойкость и непроницаемость; • прочностные характеристики; • биостойкость; • огнестойкость; • антистатика; • срок службы и другие. Все эти требования многие годы достигались благодаря применению металлов. Одним из основных преимуществ коррозионностойкого стеклопластика является его удельный вес, который составляет около 1,8–2,0 г/ cм3 (для сравнения: плотность стали составляет 7,7–7,9 г/cм3), что облегчает монтажные

22

Композитный мир | #4 (85) 2019

работы и, поэтому не требует дополнительных затрат. Химостойкие композиты с каждым годом все увереннее занимают свою нишу и находят широкое применение в различных отраслях строительства. Многие изделия: газоходы, емкости и трубы и другое оборудование, работающие в условиях постоянного, либо периодического воздействия агрессивных сред, высоких температур и механических нагрузок, сегодня производятся из коррозионностойкого стеклопластика. Благодаря своим отличным коррозионностойким, солестойким и прочностным характеристикам широкое применение данный материал нашел в судостроении. Основное назначение любого коррозионностойкого стеклопластика — обеспечение длительной работоспособности и физико-механической устойчивости, что напрямую зависит в большей степени от технологии производства изделия. Поэтому при выборе способа изготовления и материалов учитывают условия заданной рабочей среды: кислые, щелочные, нейтральные, органические, пищевые, растворители и др. Немаловажны также показатели рабочих и максимально допустимых показателей температуры и давления. Производители смол специального назначения дают полную информацию о стойкости

Материалы той или иной смолы в заданных условиях, рекомендации по изготовлению барьерного слоя (подбора материалов и системы отверждения).

Эпоксивинилэфирные смолы ATTSHIELD 41 и ATTSHIELD 47 Эпоксивинилэфирные (ЭВЭС) смолы ATTSHIELD 41 и ATTSHIELD 47 являются аналогами химстойких смол ведущих фирм-производителей. Эти смолы обеспечивают требуемую химическую стойкость и механическую прочность для заданного применения. Эпоксидная основа эпоксивинилэфирной смолы обеспечивает хорошую температурную стабильность и высокую химическую стойкость ламината. Смолы обеспечивают оптимальное соотношение прочности, низкого веса и низкого водопоглащения. Они содержат мономер стирола и отверждаются за счет введения в них инициатора. Механизм отверждения схож с таковым обычной ненасыщенной полиэфирной смолы. Благодаря хорошей адгезии ЭВЭ смол со стекло-, органическими и углеродными волокнами, слоистый пластик имеет высокую прочность, превосходные показатели жесткости и модуля сдвига. АTTSHIELD 41 — ЭВЭ смола на основе Бисфенол А обеспечивает превосходную химическую стойкость в широком диапазоне кислых и щелочных сред и имеет отличные механические характеристики, в сочетании с хорошим смачиванием стекло- и углеволокон. Эта смола может использоваться в производстве армированного слоистого пластика с хорошей ударопрочностью и сопротивлением износу. Смола идеально подходит для ручного контактного формования и намотки. Благодаря очень низкому водопоглощению и высокой водостойкости — эта смола является оптимальным выбором для применения в качестве барьерного покрытия в судостроении и производстве плавательных бассейнов.

ATTSHIELD 47 — ЭВЭ смола на основе Новолака, обладает превосходной термостойкостью и химической стойкостью к действию растворителей, кислот и окислителей (таких как хлор и другие) Высокопрочные свойства отвержденной смолы обеспечивают длительный срок службы рабочей поверхности при повышенных температурах. Смолу можно использовать в любых технологиях изготовления, таких как непрерывная намотка, центробежное литье, ручное формование и напыление. Современному материалу свойственна многокомпонентность, которая требует глубоких знаний технологии производства и химически-стойких свойств сырья. Производителям коррозионностойкого стеклопластика важно осуществлять должный контроль на всех этапах технологического процесса: • подбор сырья; • подготовка и хранение сырья; • подготовка оборудования и оcнастки; • подготовка и контроль связующего; • процесс изготовления изделия; • испытание готового полуфабриката и конечного изделия;

• приемка готовых изделий и полуфабрикатов ОТК; • маркировка, упаковка и хранение готового изделия. Выбор метода изготовления изделия зависит от его конструкции, габаритов и технических требований. Основным критерием при подборе метода производства является качество готовой продукции, объем производства, низкая трудоемкость и хорошие условия труда. Коррозионностойкий стеклопластик изготавливается различными методами: • контактным формованием; • напылением; • прессованием; • центробежным формованием; • непрерывной намоткой. Контактное формование обеспечивает получение точных размеров изделия, качество изделия напрямую зависит от рабочего и его квалификации. Условия труда при данном методе производства довольно тяжелые, так как процесс формования изделия и отверждения смол идет с выделением токсичных веществ. Рабочие места должны быть грамотно оборудованы, обеспечивать правильную вентиляцию, формовщики должны использовать при работе защитные фильтры воздуха, спецодежду, перчатки и очки. При изготовлении труб, газоходов, емкостей до 90% используется метод непрерывной намотки. Изготовление и сборка коррозионностойких изделий осуществляются как в цехах производителей, так и на промышленной площадке заказчика, из-за сложности транспортировки изделия, размеры которых превышают допустимые нормы. Основные ЭВЭ смолы — это неускоренные смолы, требующие введения ускорителей. Регулированием количества ускорителей и, ингибиторов и пероксида можно варьировать время гелеобразования. ЭВЭ смолы не содержат в себе парафинов и восков, поэтому склонны к снижению реактивности на воздухе. Для обеспечения полного отверждения поверхности изделия, а также с целью защитить внешний слой композита от климатических воздействий и случайного повреждения коррозионными агентами, к смоле, используемой в слое топкоута можно добавить около 0,1-0,2% воска. Правильно отвержденное покрытие не станет липким после протирки ацетоном.

Физико-механические свойства ЭВЭ смол Для химически стойких композитов главным фактором, определяющим их предельное состояние, является образование трещин защитных слоев, которые со временем приводят к разгерметизации изделия. Наряду с традиционными направлениями исследований химического сопротивления материалов по определению проницаемости и потери прочности в

Композитный мир | #4 (85) 2019

23

Материалы Типовые физико-механические свойства ламината толщиной 5 мм Наименование показателя, единицы измерения

ЭВЭ смола на основе Бисфенол А

ЭВЭ на основе Новолака

Предел прочности, МПа

120

120

Модуль растяжения, МПа

8000

10100

Относительное удлинение, %

2,1

2,5

Прочность на изгиб, МПа

190

210

Модуль изгиба, МПа

7500

9800

Система отверждения: 0,3% ускоритель NL-51 P, 1,0% Promox P 200 TX Постотверждение: 24 ч при 20°С, 3 ч при 100°С и 1 ч при 150°С

условиях воздействия агрессивных сред и температур, выполняются исследования трещинообразования и физико-химических процессов на границе раздела фаз композитов с использованием методов звуковой эмиссии и электронной микроскопии. В таблице представлены типовые физико-механические свойства ламината толщиной 5 мм, изготовленных на основе эпоксивинилэфирных смол. Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что современные технологии и материалы помогают решить задачу химстойкости конструкционных материалов и упрощают пути ее достижения. Мы являемся компанией,

которая активно изучает потребности сегодняшнего рынка, предлагает проверенное и качественное сырье, обеспечивает хорошую техническую поддержку на всех этапах производственного процесса (от подбора сырья, его подготовки к работе, подбора системы отверждения до консультаций о методах определения качества конечной продукции). Мы рады пригласить вас в наш научно-технический центр, расположенный в Ленинградской области для совместного сотрудничества

Материалы Константин Дорогов konstantin.dorogov@evonik.com

Гидроизоляция на основе POLYVEST® HT: Жидкий гидрофобный полиол для применения в гидроизоляционных полиуретановых системах POLYVEST® HT — жидкий полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB). Широко применяется в области герметиков и адгезивов. Двухкомпонентный PUR

I

Компонент А

POLYVEST® HT

Компонент B

II

III

POLYVEST® HT

4

POLYVEST® HT/ co-связующее

Полиэфирполиол (на основе полипропиленгликоля)

POLYVEST® HT/ co-связующее

5

Модифицированный MDI

Соотношение OH/ NCO (моль/моль)

1 : 1.15

>40

Полиэфирполиол 0

10

20

30

40

Толщина пленки WVTR/(г/м2/д): 1 мм

Рисунок 1. Уровни паропроницаемости для ненасыщенных двухкомпонентных PUR.

Уникальные свойства POLYVEST® HT • низкая температура стеклования (−80°C); • высокая гидрофобность и низкое водопоглощение; • хорошая совместимость с битумом и углеводородным маслом; • позволяет получать системы продукты с высоким содержанием неорганических наполнителей. Состав Компонент А Битум (160/220)

28

Минеральное масло

10

POLYVEST® HT

29

Карбонат кальция

32 Компонент B

Модифицированный MDI

100

Соотношение OH/NCО (моль/моль)

1 : 1.2

Свойства Вязкость компонента А Твердость по Шору A через 4 дня

19.0 Па/с (20°C) 33

Прочность на разрыв

1,4 МПа

Удлинение на разрыв

1010%

Рисунок 2. Модифицированные битумом PUR для гидроизоляции: состав и свойства.

26

Композитный мир | #4 (85) 2019

Благодаря неполярному гидрофобному полимерному каркасу и низкой температуре стеклования (−80°C) POLYVEST® HT может применяться в качестве смолы в полиуретанах (PUR) для герметизации и гидроизоляции в строительстве. Он используется в заливочных компаундах, изолирующих стеклянных герметиках, заполнителях трещин, компенсационных соединениях, покрытиях для резервуаров и в некоторых самовыравнивающихся гидроизоляционных покрытиях.

PUR-герметики на основе POLYVEST® HT обеспечивают превосходную гидролитическую устойчивость, непревзойденное водопоглощение и низкий уровень водопаропроницаемости (WVTR) в сочетании с высокой эластичностью при низких температурах. В этом отношении они превосходят обычные PUR на основе полиэфирполиолов. Даже в кипящей в автоклаве воде при 120°С водопоглощение составов на основе POLYVEST® HT через сутки составляет менее 0,5 % масс., при этом продукт сохраняет свою высокую эластичность. Pис. 1 наглядно демонстрирует водопаропроницаемость WVTR PUR-пленки на основе POLYVEST®HT по сравнению с обычными полиэфирполиолами. При использовании POLYVEST® HT в качестве основного связующего компонента в комбинации с другими совместными связующими материалами (например, удлинителями цепей и низкомолекулярными полиолами), уровень паропроницаемости значительно снижается по сравнению с обычными PUR.

Материалы

Модифицированные битумом полиуретаны

Двухкомпонентные PUR герметики Состав

II

III

Компонент А

Благодаря неполярному полибутадиеновому каркасу жидкие полибутадиеновые смолы имеют хорошую совместимость с углеводородным маслом и битумом. С ними можно использовать множество неорганических наполнителей. Это упрощает производство двухкомпонентных PUR с битумом для гидроизолирующих герметиков и покрытий. В отличие от обычных однокомпонентных SBS-модифици рованных битумных систем, которые перед применением необходимо нагревать до высокой температуры, наполнен ные битумом PUR можно применять в жидком виде при комнатной температуре. Рабочая вязкость и физико-механические свойства отвержденных соединений варьируются в широких пределах за счет изменения состава (количество и тип битума, минерального масла, POLYVEST® HT, неорганического наполнителя и изоцианатного отвердителя). На Pис. 2 представлен примерный состав и свойства двухкомпонентного модифицированного битумом PUR с высокой прочностью при удлинении более 1000 %. Полностью отвержденные герметики демонстрируют свойства эластомера с высоким упругим восстановлением и хорошей гибкостью даже при температурах ниже −30°C.

POLYVEST® HT

Форполимеры на основе POLYVEST® HT

POLYVEST® HT/ co-связующее

POLYVEST® HT

99,99

Полиэфирполиол Катализатор (DBTL)

99,99

99,99

0,01

0,01

0,05

100

100

Компонент B Форполимер POLYVEST® HT (NCO = 7,1 ГЭВ-%) Форполимер полиэфирполиола (NCO = 6,5 ГЭВ-%)

100

Соотношение смешивания A: B (м/м) Свойства A : B

2:1

2,5 : 1

1,5 : 1

I

II

III

Твердость по Шору А

42

12

22

Прочность на разрыв, МПа

0,9

0,4

0,5

Удлинение на разрыв, %

160

340

350

I — P OLYVEST® HT, отвержденный форполимером на основе POLYVEST® HT II — П олиэфирполиол, отвержденный форполимером на основе POLYVEST® HT III — П олиэфирполиол, отвержденный форполимером на основе полиэфирполиола Погружение в воду при температуре 80°C на срок в 7 дней 0,5 2,6 3,7

Полиэфирполиол 1

0

2 3 4 Водопоглощение % масс.

5

Pисунок 4

компонентные PUR герметики с большим количеством полибутадиена и малым водопоглощением. На Pис. 4 продемонстрированно, что водопоглощение базового двухкомпонентного PUR на основе полибутадиеновых компонентов значительно ниже по сравнению с герметиком на основе полиэфирполиола (0,2 против 3,7% масс. после погружения в воду на 7 дней при температуре 80°C). Форполимеры на основе POLYVEST® HT также могут использоваться совместно с битумом в рецептурах гидрофобных и эластичных однокомпонентных PUR. Руководство по составлению рецептур для однои двухкомпонентных PUR доступно по запросу. Содержание NCO форполимера/ГЭВ-%

14 12

250

10

200

8

150

6

100

4

50

2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

0

Вязкость при 20°C/Па

POLYVEST® HT также может взаимодействовать с диизоцианатами с образованием изоцианат-модифицированных форполимеров, что позволяет расширить возможную область применения. Такие форполимеры обеспечивают хорошую эластичность при низких температурах и исключительную гидрофобность. Они могут применяться в качестве отвердителя в двухкомпонентных PUR в сочетании с аминными отвердителями в полиуретановых соединениях, а также в отверждаемых влагой однокомпонентных PUR. Форполимеры с содержанием NCO в диапазоне 5–10% масс. можно получить реакцией POLYVEST® HT с избытком диизоцианатов, таких как MDI или IPDI. Для получения MDI-форполимеров с подходящей низкой вязкостью рекомендуется соотношение NCO/OH > 2,8. Применение нереакционноспособных пластификаторов и алифатических диизоцианатов с различной реакционной способностью двух изоцианатных фрагментов (например, IPDI) позволяет дополнительно снизить вязкость полученных форполиме ров. На Pис. 3 представлена корреляция содержания NCO и вязкости MDI-модифицированных форполимеров на основе POLYVEST® HT. Модифицированные изоцианатом форполимеры обеспечивают улучшенную совместимость с полярными полиолами (например, полиэфирами и сложными полиэфирами) и способствуют сочетанию полиольных компонентов в двухкомпонентных PUR. Комбинация POLYVEST® HT как полиольного компонента с модифицированными изоцианатом форполимерами в качестве отвердителя позволяет производить двух-

I

Pисунок 3. MDI-модифицированные форполимеры на основе POLYVEST® HT: Корреляция вязкости и содержания NCO (POLYVEST® HT по отношению к 1,4’-MDI).

Композитный мир | #4 (85) 2019

27

Оборудование

www.nordsonefd.com

Смешивание и дозирование полиуретанов Компания Nordson EFD, основанная в США в 1963 году, уже более 10 лет успешно развивает российский рынок оборудования и упаковки для двухкомпонентных материалов. Высочайшее качество, уникальные разработки и широкий ассортимент продукции от картриджей и статических смесителей до роботов и дозирующих клапанов — отвечают самым требовательным запросам клиентов по всему миру. Так, например, пневматический клапан для полиуретанов серии 450 XT имеет уникальные технические характеристики. Поскольку полиуретаны чувствительны к влаге, любой контакт с воздухом может отвердить материал. В случае его затвердевания внутри распределительной системы или трубопровода дальнейшая работа будет невозможна, что приведет к большим издержкам производства. Во избежание подобных случаев в клапанах серии 450 XT предусмотрена дополнительная герметизация с помощью уплотнительных колец и минимальных

28

Композитный мир | #4 (85) 2019

допусков при подгонке стыкующихся деталей друг к другу. Таким образом возможность контакта материала с воздухом полностью исключается. Из преимуществ также можно выделить: • Упрощена процедура очистки: при перекрестном загрязнении распределительный блок можно снять и очистить, не прибегая к разборке корпуса клапана; • Клапан из нержавеющей стали (опционально): рекомендуется при использовании агрессивных акриловых и эпоксидных материалов; • Возможность отдельной очистки сопла: для очистки с помощью воздуха или растворителя ввинчивается обратный клапан в боковую часть распределительного блока; • Автосмазка: предусматривает смазывание механизмов для улучшения стойкости к абразивным материалам;

Оборудование

• Уплотнения Polytuff, Teflon®, Viton® и EP (опционально): позволяют использовать клапан с различными веществами; • Рабочее давление 3500 psi (240 Бар): гарантирует высокое качество и надежность. Помимо отдельных дозирующих узлов и компонентов, благодаря расширению партнерской сети, в 2019 году компания Nordson EFD Russia начала локально предоставлять законченные автоматизированные решения для различных задач с использованием оборудования российских производителей. Теперь специалисты Nordson EFD готовы предложить российским клиентам решения под ключ: • Установки по смешиванию и дозированию силиконов, полиуретанов и других многокомпонентных компаундов различной вязкости; • 3-х координатные роботы для нанесения двухкомпонентных материалов, в том числе уплотнителей из вспененного полиуретана; • Техническое зрение для автоматизации нанесения; • Особой популярностью пользуются установки по заполнению двухкомпонентных материалов в картриджи, в том числе в уникальные двухкомпонентные картриджи u-TAH, которые подходят для обычных строительных пистолетов. Это и многое другое оборудование теперь можно заказать в России просто обратившись к специалистам Nordson EFD.

Оборудование

www.relyonplasma.partitech.ru

Опыт подготовки поверхности атмосферной плазмой на производстве Roding Automobile GmbH Roding Automobile GmbH — международная компания, специализирующаяся на разработке современных легковесных конструкций на основе армированных углеродных волокон (CFRP) и пластиков для автомобильной и авиационной промышленности. Ключевая компетенция компании — применение передовых технологий и работа с современными композитными материалами, такими как CFRP. Важную роль для получения клеевого соединения высокого качества, а также в процессах ламинирования играет чистота поверхности и уровень поверхностной энергии. Именно он определяет насколько хорошо клей, лак, краска и другие материалы будут растекаться по поверхности, образовывая прочную связь. Портативная установка Plasmatool, производства компании Relyon Plasma GmbH (www.relyonplasma. partitech.ru) — эффективное решение для ручной обработки материалов атмосферной плазмой, применяемое Roding Automobile GmbH. Плазма очи-

30

Композитный мир | #4 (85) 2019

щает поверхность от органических загрязнений и увеличивает её смачиваемость за счет химической модификации поверхности. После плазменной обработки поверхностная энергия многослойного композиционного материала достигает 72 мН/м. Это позволяет успешно объединить его с другими материалами, которые значительно улучшат механические свойства всей структуры. Также теперь возможно эффективно обрабатывать термопласты, изначально имеющие низкую поверхностную энергию. Таким образом, поверхность после обработки генератором Plasmatool становится оптимально подготовлена для получения надежных и долговечных соединений. За более подробной информацией по оборудованию и технологии атмосферной плазмы обращайтесь в Партитек, эксклюзивному дилеру Relyon Plasma GmbH: e-mail: info@partitech.ru тел.: 8 (499) 3-722-522, 8 (800) 2-009-522

Технологии Косенков Андрей Владимирович мастерфорум.композиты.рф

Шлифовка стеклопластиковых форм Основным этапом подготовки форм для отливки/формовки в них изделий является механическая обработка поверхности, в частности шлифовка. Различные физико-химические аспекты данного подготовительного этапа, важные для качественного изготовления форм, подробно описаны во многих статьях. В этой прикладной статье хочу подробно остановиться именно на технике шлифовки, как наименее освещенной в подобных материалах. Как известно, стеклопластиковая форма копирует поверхность модели. А готовое изделие копирует поверхность формы. Работа с формообразующей поверхностью начинается еще на этапе создания физической модели. После вытачивания ее на станке с ЧПУ производится ручная обработка формообразующей поверхности, включающая покрытие отделочными слоями при помощи пульверизатора и шпателя и выравнивание поверхности шлифованием. Для шлифовки применяется наждачная бумага. На этом этапе обычно используют наждачные бумаги самой грубой зернистости: Р40, Р60, Р100, Р240, Р400. В зависимости от качества фрезеровки на станках с ЧПУ первые номера можно и пропустить, вплоть до Р400. Исходя из опыта, бумагу Р40–60 следует применять для выравнивания и удаления неровностей (ступенек, бугорков) размерами 1–5 мм и более. Бумагу Р100 используют для удаления неровностей размерами до 1 мм, а бумага Р240 отлично справится с 0,5 мм. А Р400 применяется для более мелких неровностей, в СРАВНИТЕЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ АБРАЗИВА

Р40 — 500 мкм = 0.5 мм

Р100 — 160 мкм Р60 — 300 мкм Р2000 — 7 мкм Р1500 — 10 мкм Р1000 — 20 мкм Р400 — 40 мкм Р240 — 60 мкм Рисунок 1

32

Композитный мир | #4 (85) 2019

случае если фрезеровка станком ЧПУ выполнена в очень хорошем качестве, и материал модели — модельные плиты из полиуретана/эпоксидов плотностью 700 и выше. На рисунке 1 показаны сравнительные размеры зерен абразива, которые используются на наждачной бумаге. Первая, начинающая шлифовку наждачная бумага выступает как ПЛАНИРОВЩИК ПОВЕРХНОСТИ. Первая обработка поверхности наждачной бумагой называется выравнивающей обработкой, для которой немаловажным является правильный выбор зернистости бумаги, исходя из принципа, описанного выше. Если пытаться удалить неровности слишком мелкозернистой наждачной бумагой, то получим эффект «ЗАЛИЗЫВАНИЯ», когда бугорок не удаляется, а лишь скругляется, а вокруг на плоскости вытачиваются углубления. На рисунке 2 показана поверхность формы после выравнивания бугорка бумагой слишком мелкой зернистости. Происходит это потому, что между зернами абразива, закрепленными на наждачной бумаге, имеются промежутки, которые забиваются продуктами шлифовки. Чем меньше размер зерен в сравнении с неровностью, которую ими нужно удалить, тем сильнее закрываются режущие грани зерен сносимым материалом. Получается, нам нужно все сильнее давить на шлифок, обернутый наждачной бумагой, чтобы режущие грани доставали до обрабатываемой поверхности. При этом шлифок сильнее деформируется и начинает копировать, а не планировать неровности поверхности. Это определенный физический закон. С ним связан и еще один закон, препятствующий качественной шлифовке: чем мельче абразивные зерна, тем мельче частицы они снимают с обрабатываемой поверхности и, тем труднее самоочищение промежутков между зернами абразива от продуктов шлифовки. Практически это выглядит так: наждачная бумага Р40–Р100 самоочищается от сухих продуктов шлифовки самостоятельно, непосредственно при работе. Бумага Р240–Р400 может работать как в воздушной среде (насухую), так и с водой. При работе насухую эту бумагу нужно периодически очищать щеткой или сжатым воздухом. При работе в водной среде наждачная бумага этой зернистости самоочи-

Технологии

Рисунок 2

щается без проблем. Начиная с зернистости Р1000 и до Р2000, наждачная бумага самоочищается только в водной среде. Эти и некоторые другие физические законы диктуют нам правила применения наждачной бумаги: 1. соблюдать правильный выбор зернистости, как рассмотрено выше; 2. наждачная бумага с зернистостью Р240 и выше обязательно должна быть влагостойкой; 3. для планировки поверхности нужно использовать как можно более жесткие шлифки из резины или влагостойкой фанеры. Шлифки из мягкой резины применяются только для отделки уже спланированной поверхности; 4. размеры шлифка для устранения одиночной неровности должны быть, как минимум, в 2 раза больше этой неровности. При сплошной планировке поверхности размер шлифка должен быть как можно ближе к размеру этой поверхности. Если работе шлифка ничего не мешает, удобнее всего иметь его размеры (длину + ширину) на ½ больше размеров поверхности, которую нужно обработать. Если поверхность ограничена препятствиями, размер шлифка удобнее всего иметь ½ от размера поверхности. Конечно, это лишь рекомендации. Размеры поверхностей слишком разнообразны, а нам нужно иметь разумно ограниченное количество шлифков. Просто большую поверхность более качественно можно выровнять большим шлифком, чем меньшим. Подробно это будет рассмотрено далее.

Итак, для выравнивания обрабатываемой поверхности первой наждачной бумагой, чем крупнее зерно, тем лучше выравнивание. Но и тем труднее удалить борозды от этой наждачной бумаги впоследствии. Дальнейшая механическая обработка — это ОТДЕЛКА (доводка) поверхности, призванная устранить грубые борозды от первой выравнивающей обработки более мелкими. И здесь очень важную роль начинает играть СЕЛЕКТИВНОСТЬ АБРАЗИВНОГО ЗЕРНА наждачной бумаги. На практике наждачные бумаги с зерном Р40, 60, 100, 240 не требуют высокой селективности. Главное, чтобы зерно хорошо держалось на прочной основе. Поэтому для работы годятся наждачные бумаги многих производителей, в том числе и не очень дорогие бренды. А уже бумаги зернистости Р400, 1000, 1500, 2000 я рекомендую использовать от производителя «3М». Несмотря на дороговизну, этот бренд обладает непревзойденным качеством, что, в конечном итоге, экономит средства и время при работе. Чтобы было понятно, что такое селективность зерна, и почему очень важно, чтобы она была высокой у наждачной бумаги, с которой мы работаем, взгляните на рисунок 3. Для наждачной бумаги Р1000 заявлены критерии размеров частиц от 14 до 20 мкм. Основные производители относительно качественной наждачной бумаги их придерживаются. А более дешевая бумага обладает еще более «разнообразным» зерном. Теперь представьте, какие борозды на обрабатываемой поверхности будет оставлять бумага с абразивными частицами, представленными вверху рисунка, и какие — внизу. Есть разница, не правда ли?

Рисунок 3

Композитный мир | #4 (85) 2019

33

Технологии

Рисунок 4

Рисунок 5

Шлифуя поверхность наждачной бумагой с низкой селективностью зерна, наряду с преимущественным сносом материала в одном уровне, мы создаем и гораздо более глубокие борозды. И потом удивляемся, почему невозможно удалить царапины при полировке? Да потому, что мы их постоянно наносим. Низкой селективностью абразивного зерна на массово используемых брендах наждачной бумаги вызвана и необходимость вводить в обработку промежуточные номера зернистости: Р350, Р500, Р600, Р800, Р1200, Р1800. Этим мы только усложняем механическую обработку поверхности и удорожаем

стоимость работ. В действительности, если пользоваться качественной наждачной бумагой высокой селективности, для полной и максимально качественной обработки поверхности достаточно следующего набора зернистостей: Р40, Р100, Р240, Р400, Р1000, Р1500, Р2000. Никаких «неудалимых» царапин на финишной поверхности не будет. Для удобства работы и экономии дорогостоящей наждачной бумаги большую роль играет и то, как мы применяем этот материал. Для применения наждачной бумаги с зернистостями Р100–Р2000 удобнее всего листовой формат. Стандартные размеры листа 230×280 мм, а для бумаги «3М» Р1500 и Р2000 — 138×230 мм. Для экономного использования нам нужно отделять от листа необходимые по размерам части. Лучше, если это будут части, получаемые обычным делением «пополам» листа и его производных. На рисунке 4 представлены части, на которые рекомендуется делить стандартный лист наждачной бумаги. Рекомендуется намечать линии сгибанием, потом разрезать ножницами. Ни в коем случае не нужно рвать лист не по этим линиям и сминать его при использовании. Лист наждачной бумаги, удерживаемый рукой или оборачивающий шлифок, всегда должен быть расправлен и направлен абразивной стороной к обрабатываемой поверхности. При сминании бумаги зерна абразива обсыпаются, режущие грани тупят друг друга, бумажная основа переламывается: наждачная бумага портит сама себя и используется крайне неэффективно. Из размеров частей, на которые можно разделить стандартный лист, следуют стандартные размеры шлифков, представленные на рисунке 5. Они подобраны таким образом, чтобы максимально экономно использовать наждачную бумагу при работе. При шлифовке зерна абразива постепенно разрушаются и сносятся с поверхности наждачной бумаги. Объективно это ощущается, как заметное снижение сопротивления при возвратно-поступательных движениях шлифка с наждачной бумагой по обрабатываемой поверхности. Правильно отрезанный листок наждачной бумаги мы можем не выкидывать, а передвинуть на шлифке и продолжить использовать. На рисунке 6 показано, как можно передвигать бумагу по шлифку для рационального ее расходования. При работе наждачной бумаги на шлифке

Рисунок 6

34

Композитный мир | #4 (85) 2019

Материалы для производства композитных изделий: Смолы и отвердители

Разделительные составы

• Полиэфирные и винилэфирные смолы • Эпоксидные смолы • Гелькоуты • Трудногорючие решения • Наполнители и пигменты • Отвердители

• Грунты для форм • Очистители для форм • Полупостоянные разделители

Армирующие материалы

• Смолы и гелькоуты • Скинкоуты • Модельные пасты • Закладные элементы и расходники

• Ровинги • Стекломаты и вуали • Стеклоткани • Углеткани • Мультиаксиальные ткани • Препреги

Оборудование для RTM и инфузии

ООО Банг и Бонсомер, Москва

Материалы для производства оснастки

Адгезивы и клеи • Полиэфирные пасты • ММА клеи • Крепёжные элементы

ЧАО Банг и Бонсомер, Киев

ООО Банг и Бонсомер, Москва Отдел композиционных материалов Отдел композиционных материалов Отдел композиционныхТелефон: материалов Телефон: +7 (495) 258 40 40 доб. 116 +380 44 461 92 64 Факс: +7 (495) 258 40 39 Факс: +380116 44 492 79 90 Телефон: +7 (495) 258 40 40 доб. e-mail: rus-composites@bangbonsomer.com e-mail: composites@bangbonsomer.com e-mail: rus-composites@bangbonsomer.com

Технологии

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

износ происходит неравномерно, как представлено на рисунке 7. При перемещении бумаги по шлифку он изнашивается гораздо равномернее, и наждачная бумага может эффективно обработать гораздо большую площадь поверхности. На рисунках 8, 9 показано, как распределяется износ при перемещении бруска вдоль и поперек листа. На рисунке 10 показана полностью изношенная наждачная бумага после перемещения по всем возможным положениям. Итак, стандартные части, на которые делится лист 230×280 мм — 230×140, 70×230, 70×115, 57×70, 35×57 мм. Мельче делить не имеет смысла, будет неудобно пользоваться. Исходя из этого, имеем 4 стандартных размера шлифков: 170×70×30 мм, 70×50×10 мм, 57×30×10 мм, 35×20×10 мм (рисунок 5). Первый шлифок рекомендую изготовить из влагостойкой фанеры по размерам, указанным на рисунке 11. Низ шлифка лучше всего подклеить плотным войлоком (толщиной 3–5 мм) или резиной такой же толщины. Наждачная бумага (размером 70×230 мм) на этом шлифке удерживается специальными металлическими зажимами. Их можно позаимствовать с недорогого китайского пластмассового шлифка размером 160×85 мм, смотрите рисунок 12. Шлифки №2, 5, 6 изготавливаются из жесткой резины. Их можно сделать грубой обрезкой листовой резины с последующей шлифовкой на листах наждачной бумаги Р40, Р100, Р400. Шлифки 5 и 6 имеют выпуклые скругления радиусом 25 и 5 мм. Они применяются при шлифовке вогнутых поверхностей. Шлифок №3 изготавливается из мягкой резины типа канцелярского ластика. Не следует применять пенорезину, она легко деформируется при нажатии и потом не восстанавливает первоначальную форму. Шлифок №4 (самый маленький) изготавливают из влагостойкой фанеры. Его применяют как для выравнивающей обработки в труднодоступных местах, так и для шлифовки локально подлитых гелькоутом участков формы при ремонте. Шлифки №1, 2, 4, 5, 6 служат для планировки поверхности первой наждачной бумагой. При отделке

Рисунок 11

Рисунок 10

поверхностей последующими номерами наждачной бумаги ее удерживают просто рукой или оборачивают вокруг шлифка №3. На шлифках №2–6 наждачная бумага удерживается руками. Для того чтобы рабочая сторона наждачной бумаги слишком активно не удаляла защитный слой кожи с рук, нужно обернутый ею шлифок при работе удерживать надежно. В этом случае она действует не более чем скраб, и кожа успевает обновляться. Если бумага «ерзает» под пальцами при работе, она может удалить защитный слой до живой ткани, что не очень приятно. При повышенной чувствительности рук применяйте резиновые перчатки. Перчатки в районе пальцев должны быть толстыми и хорошо облегать руку, иначе работать будет неудобно. Это минимальный набор шлифков, достаточный для работы с формами. Для планировки больших поверхностей на моделях используются самодельные шлифки длиной 0,5–1 м, как показано на рисунке 13. На них обычно крепят ленточную наждачную бумагу приклеиванием. После изнашивания бумагу срывают и клеят новую. Для экономии времени при замене, если Вы часто используете такой шлифок, можно прикрепить в основании липучку и использовать специальную ленточную бумагу для нее. Шлифки длиннее 1 м не применяют, так как ими неудобно пользоваться. Обычно на подобных шлифках используют бумагу с зернистостью Р40–Р100.

Техники обработки поверхностей Далее рассмотрим, как пользоваться шлифками для обработки различных по конфигурации поверхностей форм. Общие требования к шлифовке Для удобства повествования поверхности, ограниченные вогнутыми гранями, будем называть внутренними, а поверхности, ограниченные выпуклыми гранями — внешними.

Рисунок 12

Рисунок 13

Композитный мир | #4 (85) 2019

37

Технологии

Рисунок 14

Рисунок 19

Рисунок 15

Рисунок 16

Рисунок 17

Рисунок 18

38

Композитный мир | #4 (85) 2019

При шлифовке внутренних поверхностей усилие на шлифок следует прилагать, как показано на рисунке 14 справа: на две стороны шлифка, ближние к вогнутой грани. Если прикладывать давление неправильно, середина обработанной поверхности будет «вырытая»: если приложить линейку, края будут ниже середины — это ошибка шлифования. Шлифок всегда должен двигаться, как показано на правой части рисунка, возвратно-поступательно под углом к вогнутой грани. Никогда не следует шлифовать вдоль вогнутой грани, как показано слева. На рисунках 15 и 16 показано, как при правильной шлифовке мы получаем ровную обработанную поверхность, а при неправильной — «вырытые» шлифком неровности. При шлифовке внутренних поверхностей всегда обрабатываем часть вогнутой грани, то есть подводим шлифок вплотную, заходя краем на вогнутое скругление, как показано на рисунке 17. При этом как поверхность, так и вогнутое скругление обрабатываются максимально равномерно. При шлифовке внешних поверхностей в конце возвратно-поступательного движения шлифок должен иметь «вылет» за выпуклую грань примерно на 1/3 своей длины. При этом давление прикладывается на сторону шлифка, дальнюю от выпуклой грани. При несоблюдении правильного приложения давления края внешней поверхности получатся «заваленные»: если приложить линейку к такой поверхности, то середина будет выше краев — это ошибка шлифования. Траектория движения шлифка имеет вид «гребенки». Смотрите рисунок 18. При шлифовке любых поверхностей сначала «отрабатываем» грань и ближайшую к ней часть поверхности, потом следующую грань и прилегающую к ней часть поверхности. В середине поверхности траектории движения шлифка частично накладываются друг на друга. Как показано на рисунке 19. Никогда не следует шлифовать поверхность сразу от одной грани до другой, это приводит к дефектам. Расстояния между проходами шлифка примерно 1–5 мм, на рисунке 19 движения шлифка показаны стрелками схематически, чтобы продемонстрировать наложение обработанных зон друг на друга. При работе шлифок подводим к выпуклой грани под углом от 90° до 20°. Вогнутые грани и внутренние поверхности обрабатываем, подводя шлифок под углом от 70° до 20°. Под углами 90° и 70° удобно шлифовать

Технологии

Рисунок 20

Рисунок 22

Рисунок 21

Рисунок 23

большие поверхности, где нужен большой размах. Под острым углом шлифуем, когда для размаха мало места. Смотрите рисунок 20. Порядок шлифовки формы Рассмотрим порядок на примере рабочей формы кухонной мойки. После изготовления и снятия формы с модели, начинаем выравнивающую шлифовку наждачной бумагой зернистости Р400 или Р1000. Последнюю применяем, если после съема формы с модели, состояние ее поверхности близко к идеальному, то есть имеются лишь небольшие «потяжки» (искривления) на поверхности, незначительные царапины. Вначале шлифуем самые большие внешние поверхности каким-нибудь из больших шлифков, рисунок 21. Затем проходим места стыковки этих поверхностей с внутренними поверхностями, рисунок 22. Если поверхность слишком большая, и не удается достигнуть перекрытия обработанных областей за эти 2 прохода, нужно прошлифовать еще середину поверхности. Теперь прорабатываем поверхности поменьше маленькими шлифками, рисунки 23 и 24. Изогнутые поверхности удобно обрабатывать более мягким шлифком с плотностью резины, как у канцелярского ластика, рисунки 25 и 26. На рисунке 27 показано, как шлифовать самые узкие поверхности торцом шлифка. При этом применяется шлифок из жесткой резины. Внутреннюю поверхность, прилегающую к вогнутым граням, сходящимся друг с другом под углом, обрабатываем, как показано на рисунках 28, 29, 30. Выпуклые скругления выравниваем шлифком в

Рисунок 24

Рисунок 25

Рисунок 26

Композитный мир | #4 (85) 2019

39

Технологии

Рисунок 27

Рисунок 28

Рисунок 29

Рисунок 30

последнюю очередь. При возвратно-поступательном движении шлифка перемещаем область приложения давления, как показано на рисунке 31, добиваясь качественной обработки, без образования нежелательных граней. Отделочная шлифовка

Рисунок 31

Производится без шлифков наждачными бумагами Р1000, Р1500, Р2000, которые просто прижимаем руками. Если это Вам неудобно, допускается использовать шлифок мягкий, как канцелярский ластик. На рисунках 32, 33, 34 показано, как перемещается наждачная бумага, удерживаемая рукой. При отделочной шлифовке Ваши пальцы служат прижимающей поверхностью вместо шлифка, это облегчает и ускоряет обработку. Однако для обеспечения равномерности обработки нужно следить за тем, чтобы прижимающая сила постоянно перемещалась по плоскости шлифования. Если давить все время в одно место, Вы неизбежно «выроете» яму на поверхности, что является ошибкой шлифовки.

Шлифовка сложных поверхностей

Рисунок 32

40

Композитный мир | #4 (85) 2019

Сложными для шлифовки являются поверхности с макротекстурой (рисунком), а также вогнутые в одной и двух плоскостях. Поверхности, вогнутые в одной плоскости, можно обрабатывать выпуклым радиусным шлифком. При

Технологии

Рисунок 33

Рисунок 34

Рисунок 35

Рисунок 36

этом радиус шлифка должен быть меньше радиуса вогнутой поверхности. При работе таким шлифком перемещаем область давления, как показано на рисунке 35, добиваясь равномерной обработки. Использование вогнутых шлифков разных радиусов не имеет смысла, так как выпуклые поверхности, которые предполагается обрабатывать ими, прекрасно могут быть обработаны плоским шлифком. Использование выпуклых шлифков разных радиусов также бессмысленно, так как техника правильного равномерного шлифования не предполагает совпадение радиуса шлифка с радиусом скругления обрабатываемой поверхности. Достаточно всего одного шлифка, радиус скругления которого просто меньше радиусов обрабатываемых поверхностей. Сферические (выпуклые и вогнутые) шлифки для данных целей бесполезны, так как лист наждачной бумаги не может изгибаться сразу в двух плоскостях. Вогнутая в двух плоскостях поверхность и ее частный случай — сферическая обрабатываются только листом наждачной бумаги, удерживаемым руками. При этом удаление нежелательных неровностей весьма проблематично. Поэтому следует позаботиться о выравнивании такой поверхности еще на этапе, когда она является не вогнутостью, а выпуклостью (на этапе модели). Шлифовки наждачными бумагами всех зернистостей на таких поверхностях проводятся как отделочные (прижимая руками), смотрите рисунки 36, 37. Точно так производим и обработку поверхностей с макротекстурой, как на рисунке 38.

Рисунок 37

Рисунок 38

На этом заканчиваю. Надеюсь, мои практические советы окажутся для Вас полезными. Приглашаю посетить мой авторский форум: www.мастерфорум.композиты.рф

Композитный мир | #4 (85) 2019

41

Технологии

Гонтюк А. П. ООО MSC Software RUS (подразделение MSC Software Corporation в России и странах СНГ) Старший технический эксперт

Программный комплекс Digimat от разработки композиционных материалов и виртуальных испытаний образцов до моделирования изготовления и расчета композитных деталей Первая версия статьи была опубликована в журнале Compositebook №2 2018 42

Композитный мир | #4 (85) 2019

Технологии Мировой рынок предъявляет высокие требования к новым изделиям по прочности, скорости, весу, экономичности, безопасности, маневренности, коррозионной стойкости и т.д. Кроме этого, разрабатываемое изделие также должно оказывать минимальное вредное воздействие на окружающую среду и при этом оставаться экономически выгодным для производства. В качестве одного из решений для обеспечения этих жестких и часто противоречивых требований к конструкции, во всех отраслях промышленности широкое применение находят композиционные материалы (КМ). Использование композиционных материаловчасто обусловлено тем фактом, что они позволяют создавать более легкие конструкции, отвечающие таким же требованиям по жесткости и прочности, которые предъявляются к изделиям из металла. Еще одним неоспоримым преимуществом КМ является возможность управлять свойствами готового изделия за счет варьирования состава (фаз) материала и его микроструктуры путем выбора оптимальных технологических параметров изготовления. Это позволяет создавать высоко конкурентные изделия с требуемыми характеристиками по жесткости, прочности, теплопроводности, электропроводности и т.д. В настоящее время наблюдается активное использование композиционных материалов. Во всех отраслях промышленности можно отметить большое разнообразие применяемых типов композиционных материалов и конструкций из них. Например, в аэрокосмической отрасли — это в основном применение сендвич-панелей, а также слоистых, тканых или плетеных КМ с полимерной матрицей, используемых для изготовления адаптеров, головных обтекателей, шпангоутов, отсеков, консолей крыла, элементов механизации, панелей фюзеляжа, хвостовой части и других силовых элементов конструкций. В автомобилестроении наблюдается широкое применение уже другого типа композиционных материалов армированных рубленым волокном пластиков (КМ материал с полимерной матрицей) для изготовления кронштейнов крепления, системы впуска двигателя, элементов обвеса, радиаторов охлаждения, опор двигателя, защитных накладок и многих других автокомпонентов. Двигателестроительная отрасль активно ведет разработку деталей с использованием слоистых и 3D тканых композиционных материалов с полимерной матрицей, а также КМ с металлической и керамической матрицей. Несмотря на множество явных преимуществ использования композиционных материалов, проектирование конструкций из них связано с рядом особенностей. В первую очередь — это сложность с получением реальных характеристик (механических, тепловых, электрических и др.) таких материалов: 1. Композиционные материалы являются гетерогенными (неоднородными) материалами, поэтому свойства каждой фазы и микроструктура материала оказывают существенное влияние на его характеристики; 2. Как правило, одна из фаз (обычно это матрица) имеет нелинейные свойства, которые приводят к

нелинейным характеристикам всего композиционного материала; 3. Сложный механизм и мгновенный характер разрушения таких материалов; 4. Анизотропия свойств, которая определяется неравномерной ориентацией включений в композиционном материале (неоднородной микроструктурой); 5. Сильная зависимость микроструктуры материала в каждой точке конструкции от выбранной технологии и параметров изготовления детали. Кроме этого, при создании композитной конструкции перед инженером стоит комплексная задача подбора композиционного материала, максимально удовлетворяющего заявленным требованиям, проектирования оптимальной конструкции и разработки технологии ее изготовления. Для помощи в разработке композиционных материалов и проектировании конструкций из них, корпорация MSC Software предлагает программный комплекс для многоуровневого моделирования многофазных материалов — Digimat.

Digimat (Digimal Materials) разработан и поддерживается бельгийской компанией e-Xstream engineering, которая была основана в 2003 году, а в сентябре 2012 вошла в состав корпорации MSC Software. В 2017 году MSC Software стала частью международной компании Hexagon. В настоящее время команда e-Xstream engineering состоит из более чем 50 высококвалифицированных специалистов, деятельность которых полностью сфокусирована на работе с композиционными материалами. Это разработка, поставка и поддержка программного комплекса Digimat, а также проведение консультативных и сервисных работ для ведущих мировых предприятий. Следует отметить, что на рынке коммерческого программного обеспечения есть много программ, работающих с композиционными материалами на макроуровне, т.е. на уровне его интегральных характеристик (свойства слоя, свойства пакета, осредненные свойства КМ и т.д.). К такому программному обеспечению относятся, например, и решения корпорации MSC Software: MSC Nastran, Marc, Dytran, Apex. Программный комплекс Digimat — это практически единственное в мире программное обеспечение, которое использует микроуровневый подход для определения характеристик композиционных материалов. В качестве исходных данных для Digimat выступают свойства, топология и объемное/массовое содержание каждой фазы, а также микроструктура композиционного материала. По этим данным строится математическая модель материала на микроуровне, которая чувствительна к свойствам каждой фазы и микроструктуре, и определяются требуемые механические, тепловые или электрические характеристики композиционного материала (рисунок 1). Программный комплекс обеспечивает возможность моделирования широкого спектра многофазных материалов и позволяет применить комплексный подход в проектировании композитных конструкций: от разработки материалов и проведения виртуальных

Композитный мир | #4 (85) 2019

43

Технологии входные данные

модель материала на микроуровне

характеристики КМ на макроуровне

Рисунок 1. Микроуровневый подход для определения характеристик композиционных материалов.

44

Идея многоуровневого моделирования для гетерогенных материалов заключается в определении влияния свойств отдельных фаз и микроструктуры материала на микроуровне на характеристики композиционного материала на макроуровне. Для решения этой задачи используется подход представительного элемента объема или сокращенно — ПЭО, который представляет собой связь между микро- и макроуровнем. По-сути, ПЭО — это некоторая элементарная ячейка композиционного материала, описывающая его характеристики (рисунок 3): • на микроуровне ПЭО достаточно большой, чтобы содержать в себе требуемое количество включений всех фаз материала для точного описания свойств гетерогенной микроструктуры; • на макроуровне ПЭО намного меньше значимой части исследуемой конструкции (например, конечного элемента (КЭ)), чтобы его можно было рассматривать как однородную материальную точку.

испытаний образцов, до моделирования технологии изготовления и получения конечных характеристик конструкции. Реализованный в Digimat микроуровневый подход делает его востребованным всеми специалистами, связанными с КМ или композитными конструкциями. Это могут быть разработчики композиционных материалов, специалисты по статической или динамической прочности конструкций, материаловеды, занимающиеся испытаниями слоистых КМ или сендвич-панелей, или технологи, отвечающие за изготовление композитных деталей методом литья под давлением или методом 3D-печати. Это позволяет активно применять Digimat в наукоемких отраслях промышленности: авиационной, ракетно-космической, электронной и др., а в ряде отраслей, он де-факто является стандартом. Например, в автомобилестроении или материаловедении, связанном с разработкой композиционных материалов.

Digimat имеет модульную структуру и в настоящее время состоит из девяти модулей: Digimat-MF, -FE, -MX, -MAP, -CAE, -RP, -HC, -VA, -AM. Все модули взаимосвязаны и логически дополняют друг друга, позволяя решать широкий спектр задач при работе с композиционными материалами (рисунок 2). Перед рассмотрением назначения и функциональных возможностей модулей Digimat познакомимся более подробно с концепцией многоуровневого моделирования, которая лежит в основе этого программного комплекса.

Определение влияния микроструктуры в ПЭО на отклик материала на макроуровне производится с помощью методов гомогенизации. Основная задача этих методов состоит в том, что бы найти эквивалентный гомогенный (однородный) материал, который имеет такие же эффективные характеристики на макроуровне, как и гетерогенный материал на микроуровне. В настоящее время существуют различные матема-

Рисунок 2. Структура программного комплекса Digimat.

Рисунок 3. Подход многоуровневого моделирования с использованием ПЭО (RVE).

Композитный мир | #4 (85) 2019

Технологии

Рисунок 4. Графическое окно модуля Digimat-MF.

тические методы для решения этой задачи. Digimat предоставляет пользователям возможность проводить гомогенизацию двумя методами: методом срединного поля или с помощью метода конечных элементов (МКЭ). В качестве исходных данных для обоих методов выступают свойства каждой фазы материала, их объемное или массовое содержание, топология включений (форма и размеры) и микроструктура КМ (тензор ориентации включений каждой фазы). При гомогенизации методом срединного поля создается математическая модель композиционного материала, чувствительная к микроструктуре и свойствам отдельных фаз. После этого с помощью полуаналитических методов происходит гомогенизация и получение характеристик КМ. Данный метод позволяет быстро построить точную математическую модель материала и определить его характеристики на макроуровне. При использовании метода гомогенизации с помощью МКЭ, строится полная КЭ модель ПЭО и проводится ее расчет для определения требуемых характеристик материала. Данный метод имеет расширенные возможности по моделированию различных типов композиционных материалов, но и требует намного больше времени для решения, чем метод срединного поля. Знакомство с Digimat начнем с модулей Digimat-MF и Digimat-FE, которые предназначены для определения механических, тепловых и электрических характеристик композиционных материалов с использованием методов гомогенизации. В основе работы Digimat-MF лежит гомогенизация методом срединного поля. Создание математической модели материала производится в дружественном интерфейсе, следуя по дереву модели и последовательно вводя требуемые данные (свойства фаз, микроструктура, теория разрушения и т.д.). Пользователю предоставляются широкие возможности для моделирования различных типов композиционных материалов: • большой спектр моделей материалов для

каждой фазы: упругая, упругопластическая, гиперупругая, вязкоупругая, упруговязкопластическая, модели тепло- и электропроводимости, модели ползучести и др.; • учет зависимости фаз материала от температуры и/или скорости деформирования; • параметры микроструктуры: эллипсоидная форма включений (короткие, длинные и непрерывные волокна) с возможностью учета покрытия, задание неограниченного количество фаз в материале, однослойные и многослойные материалы, слоистые, тканые и плетеные (2D, 2.5D и 3D плетение) материалы, различные варианты ориентации включений (однонаправленная, случайная, описываемая тензором ориентации), учет пор и др.; • выбор методов и схем гомогенизации: MoriTanaka или двойного включения, гомогенизация первого или второго порядка; • различные виды нагружений: по типу (механические, температурные, термомеханические, электрические), по истории (монотонные, циклические, задаваемые пользователем), по направлению (одноосные, многоосные); • критерии разрушения: максимальных напряжений/деформаций, Цая-Хилла 2D&3D, Цая-Ву 2D&3D, Хашина-Ротема 2D, Хашина 2D&3D и др.; • выбор уровня применения критериев разрушения: микроуровень, макроуровень, уровень псевдозерен. Благодаря хорошо зарекомендовавшим себя математическим методам гомогенизации и отработанным программным процедурам, Digimat-MF не требует значительных вычислительных ресурсов и может эффективно использоваться для связанного КЭ расчета конструкции с нелинейной анизотропной моделью материала (рисунок 4).

Digimat-FE предназначен для более детально-

Композитный мир | #4 (85) 2019

45

Технологии

Рисунок 5. Варианты ПЭО с разной микроструктурой, cозданные в Digimat-FE.

го исследования композиционного материала и использует метод гомогенизации с помощью МКЭ. Модуль позволяет создать реалистичный ПЭО для большего разнообразия микроструктур многофазных материалов: композиционные материалы с полимерной, резиновой, керамической или металлической матрицей, графит, металлокерамика, ферробетон, нанокомпозиты и т.д. (рисунок 5) Кроме всех возможностей модуля Digimat-MF по определению характеристик композиционного материала, пользователям в Digimat-FE дополнительно доступен: • широкий выбор форм включений (9 стандартных форм включений (эллипсоид, цилиндр, тромбоцит, икосаэдр, криволинейная балка и др.), а также возможность импорта геометрии включения, созданной в CAD-системе); • полный контроль и управление микроструктурой материала: размер и форма включений, ориентация, учет покрытия фаз, моделирование взаимного проникновения включений и/или их покрытий между собой, адгезивная связь «волокно-матрица», моделирование кластеризации, эффекта перколяции и другие возможности.

Digimat-FE хорошо дополняет по функциональным возможностям модуль Digimat-MF и полностью совместим с ним. Следующий модуль — Digimat-MX представляет собой базу данных для хранения, защиты, поиска, верификации и безопасного обмена данными о композиционных материалах. Пользователь может внести свои данные или воспользоваться уже существующей в базе информацией от 20-ти ведущих разработчиков и поставщиков композиционных материалов (Solvay, Stratasys, DuPont, DSM и др.). В настоящее время база содержит данные о более чем 290 композиционных материалах, которые включают в себя около 17 400 файлов с различными моделями материалов и более 230 экспериментальных данных для них. Компания e-Xstream engineering постоянно ведет работу по улучшению и наполнению базы новыми данными по композиционным материалам. Еще одной важной возможностью модуля является проведение обратного инжиниринга, когда математическая модель материала может быть быстро откалибрована по результатам натурных испытаний.

46

Композитный мир | #4 (85) 2019

Исходными данными для обратного инжиниринга являются модель материала на микроуровне и результаты натурных испытаний материала. Пользователь загружает в Digimat-MХ эти данные, выбирает варьируемые параметры, задает возможный диапазон их изменения и запускает процесс. Модуль автоматически решает оптимизационную задачу и определяет параметры модели материала, которые дают минимальное отклонение от результатов натурных испытаний (рисунок 6). Как уже упоминалось выше, свойства композиционного материала сильно зависят от его микроструктуры, поэтому для точного определения нелинейных анизотропных свойств КМ необходимо знать его микроструктуру в каждой точке конструкции. Для этого в специализированных программах производится моделирование технологического процесса изготовления композитной детали. Как правило, КЭ сетка при моделирования технологического процесса изготовления не совпадает с КЭ сеткой для структурного анализа ни по размерности, ни по топологии конечных элементов, поэтому необходим инструмент передачи информации с одной КЭ сетки на другую. Модуль Digimat-MAP предназначен для переноса данных о микроструктуре (тензор ориентации волокон, остаточные напряжения, линии спая, пористость, траектория движения экструдера и т.д.) с технологической КЭ сетки на КЭ сетку для структурного анализа (рисунок 7). В настоящее время модуль поддерживает передачу данных о микроструктуре из широкого спектра программного обеспечения, которое моделирует изготовления композитных конструкций различными технологиями: литье армированных пластиков под давлением (Moldex 3D, Moldflow, REM3D и др.), объемное формование (Moldex 3D, Moldflow), ручная или автоматическая выкладка слоистого композиционного материала (Simulayt, AniForm и др.), 3D печать (Digimat-AM). При переносе информации о микроструктуре пользователю доступны широкие возможности обработки и визуализации: контурные и векторные диаграммы, схема ориентации волокон в направлении толщины для оболочек, одновременное отображение КЭ сеток и наложение их друг на друга, выборочное отображение групп элементов и т.д. Следующий модуль — Digimat-CAE является в первую

Технологии

Рисунок 6. Обратный инжиниринг для математической модели материала в Digimat-MX.

очередь инструментом специалиста по прочности/ жесткости композитных конструкций. Модуль позволяет провести связанный КЭ расчет конструкции с нелинейной анизотропной моделью материала, которая учитывает микроструктуру в конструкции после ее изготовления. Характеристики композиционного материала сильно зависят от свойств его фаз и микроструктуры, которая в свою очередь характеризуется локальной ориентацией включений и технологическими дефектами (например — пористостью, линиями спая и т.д.). Микроструктура композиционного материала может быть определена в специализированном программном обеспечении для моделирования технологических процессов изготовления и с помощью Digimat-MAP передана с технологической КЭ сетки на КЭ сетку для структурного анализа.

Digimat-CAE объединяет вместе: 1. модель материала на микроуровне; 2. микроструктуру (например, из программы для моделирования технологического процесса изготовления детали); 3. КЭ модель для структурного анализа. При связанном анализе с использованием DigimatCAE стандартная модель материала из КЭ решателя заменяется моделью материала Digimat, которая учитывает уникальную микроструктуру в каждой точке конструкции. В ходе решения задачи, КЭ решатель запрашивает информацию о характеристиках материала. Digimat для каждого конечного элемента вычисляет жесткостные характеристики материала,

определяет степень его разрушения и возвращает эту информацию обратно в решатель. Такой постоянный обмен данными между Digimat-САЕ и КЭ решателем происходит на каждом шаге интегрирования для каждого конечного элемента. Обработка и визуализация результатов расчета выполняются с помощью стандартных инструментов пост- процессорной обработки для используемого в расчете КЭ решателя. Применение связанного КЭ анализа позволяет точно промоделировать композитную конструкцию, так как учитываются реальные параметры локальной микроструктуры композиционного материала (ориентация волокон, дефекты, остаточные напряжения и т.д.), полученные в результате моделирования тех-

Рисунок 7. Совмещение в Digimat-МАР технологической КЭ сетки и КЭ сетки для структурного анализа.

Композитный мир | #4 (85) 2019

47

Технологии

Рисунок 8. Результаты связанного КЭ расчета конструкции (Marc + Digimat) с нелинейной анизотропной моделью материала.

нологического процесса изготовления (рисунок 8).

Digimat-CAE позволяет провести расчет не только с КЭ решателями корпорации MSC Software: Marc, MSC Nastran SOL1XX, SOL400, SOL700, но и со сторонними решателями (LS-DYNA, SAMCEF, nCode DesignLife, Abaqus, Ansys, и т.д.). Модуль Digimat-RP представляет собой интегрированное решение для проектирования и расчета конструкций из армированных пластиков, которое объединяет в единой графической оболочке возможности модулей Digimat-MF, Digimat-MAP и Digimat-CAE. Более чем десятилетний опыт компании e-Xstream Engineering по работе с армированными пластиками реализован в этом простом для использования решении. Дружественный графический интерфейс Digimat-RP позволяет: загрузить КЭ модель, выбрать или создать

композиционный материал и задать параметры разрушения для него, импортировать данные о микроструктуре с технологической КЭ сетки на КЭ сетку для структурного анализа, сделать настройки для решателя, автоматически запустить КЭ модель на расчет и провести постпроцессорную обработку результатов расчета. Дальнейшее развитие возможностей Digimat-RP для быстрого и точного расчета на прочность и/или жесткость изделий из армированных пластиков реализовано в модуле Digimat-RP/Moldex3D, который включает в себя инструмент для оценки ориентации армирующих волокон в конструкции при изготовлении ее методом литья под давлением. Встроенное в модуль решение на основе Moldex3D (разработка компании CoreTech System), имеет упрощенный ввод данных (выбор материала, температуры

Рисунок 9. Полученная в модуле Digimat-RP/Moldex3D и переданная на КЭ сетку для структурного анализа микроструктура материала.

48

Композитный мир | #4 (85) 2019

Технологии

Рисунок 10. Результаты виртуальных испытания образца из сэндвич-панели на трехточечный изгиб в Digimat-НС.

расплава и заливочной формы, задание времени впрыска расплава, положения и диаметра отверстий впрыска) и не требует от пользователя опыта в моделировании процесса литья под давлением (рисунок 9).

Digimat-RP/Moldex3D позволяет уже на ранней стадии разработки конструкции провести серию расчетов для выбора оптимальной формы будущего изделия и технологических параметров изготовления (композиционный материал, количество и места расположения точек впрыска расплава и т.д.). Модуль Digimat-HC является одним из интегрированных в Digimat решений и предназначен для простого, быстрого и эффективного проектирования и проведения виртуальных испытаний образцов из сэндвич-панелей. Графический интерфейс модуля ориентирован на максимальную простоту использования. Заполнитель сэндвич-панели задается как материал с изотропными свойствами (например — вспененный пенопласт) или как сотовый наполнитель, свойства которого автоматически вычисляются на основе заданной геометрии ячейки. Обшивка определяется как укладка слоистого композиционного материала с заданной ориентацией и толщиной каждого слоя. Материал для слоев в укладке может быть выбран как однонаправленный, тканый или как материал с равновероятностной ориентацией рубленных волокон в плоскости. В модуле доступны различные критерии разрушения: максимальных напряжений/ деформаций, Цая-Ву, Цая-Хилла, Аззи-Цая-Хилла для материала обшивки и критерий максимальных напряжений для заполнителя панели. Пользователь выбирает один из трех наиболее распространенных вариантов испытания сотовой панели (трехточечный изгиб, четырехточечный изгиб или сдвиг в плоскости) и задает нагружение (расположение опор, место приложения нагрузки и ее величина). Digimat-HC автоматически создает КЭ модель, проводит расчет с помощью встроенного в модуль решателя, отображает результаты расчета (перемещения, напряжения, деформации, индексы разрушения) и автоматически формирует отчет (рисунок 10).

Перед знакомством с назначением и функциональными возможностями следующего модуля, надо немного обсудить особенности проектирования конструкций из слоистых КМ. Для обоснования статической прочности изделий из слоистых КМ, армированных непрерывным волокном, композиционный материал проходит через «блочную» программу испытаний, которая в различных отраслях промышленности (например, авиационной) является обязательной для сертификации изделий (рисунок 11).

Рисунок 11. «Блочная» программа испытаний для сертификации изделия из слоистых КМ.

Композитный мир | #4 (85) 2019

49

Технологии

Рисунок 12. Рабочий процесс «виртуальных испытаний» в Digimat-VA.

Испытания начинаются с блока испытаний на уровне «Образцов» и двигаются вверх по пирамиде, постепенно увеличиваясь в размерах образцов и сложности конструкции для испытаний, пока не достигнут уровня «Сборки» для проведения натурных испытаний конструкции. Самый объемный (затратный по времени и стоимости испытаний) уровень испытаний КМ — это уровень «Образцов». Здесь происходит работа по выбору композиционного материала и его поставщика (так называемый скрининг материала). В России этот уровень обычно разделяют на общую квалификацию (получение характеристик монослоя) и специальную квалификацию (испытания различных типов образцов для уточнения характеристик конкретных укладок с учетом технологии их изготовления на предприятии). Надо отметить, что общее количество испытаний образцов за последние 20–30 лет выросло в несколько раз. Если в 80-х годах прошлого столетия количество испытаний было порядка нескольких тысяч, то уже в 2000-х годах, их количество приблизилось к сотням тысяч! Можно констатировать, что первый шаг для обязательной сертификации КМ уже на уровне “Образцов” требует огромных финансовых и временных затрат, т.к. на этом этапе необходимо провести испытания серии образцов для всех КМ и основных укладок, используемых в конструкции, и при всех условиях окружающей среды, в которой она будет функционировать. Сокращение сроков, стоимости и количества натурных испытаний, а также повышение

50

Композитный мир | #4 (85) 2019

их эффективности может быть достигнуто путем частичной замены натурных испытаний на виртуальные. За решение этой задачи отвечает специализированный модуль — Digimat-VA, позволяющий провести «виртуальные испытания» требуемой серии образцов из слоистого композиционного материала и автоматически получить его расчетные характеристики с учетом разброса свойств материала в зависимости от партии поставки, разброса характеристик панелей при изготовлении и разброса параметров образцов при испытаниях. Высокоэффективное решение на основе Digimat-VA сочетает в себе интуитивно понятный дружественный интерфейс, встроенный высокоэффективный нелинейный конечно-элементный решатель на основе системы Marc, многоуровневое моделирование композиционных материалов (включая расчет прогрессирующего разрушения), автоматическую калибровку модели материала по результатам натурных испытаний монослоя, встроенные алгоритмы статистической обработки результатов (получение средних значений, значений по А- и В-базису) и инструменты создания отчетов (рисунок 12). Применение Digimat-VA обеспечивает получение требуемых расчетных характеристик слоистого КМ как до начала, так и параллельно с программой длительных натурных испытаний образцов. В настоящее время производство деталей из пластиков (включая армированные пластики) с помощью аддитивных технологий активно переходит от

Технологии

Рисунок 13. Коробление детали после моделирования её изготовления методом 3D-печати в Digimat-AM.

стадии прототипирования к стадии производства ответственных нагруженных деталей. Несмотря на большой интерес в мире к технологиям 3D-печати, использование этих технологий в производстве композитных конструкций связано с рядом трудностей. В первую очередь — это коробление детали после изготовления, возможные дефекты (отрыв от рабочего стола, расслоение и др.) и долгое время изготовления детали. Как результат, цена ошибки при изготовлении — это не только финансовые потери, но и потраченное время. Поэтому, напрашивается идея — провести виртуальное моделирование 3D-печати, подобрать оптимальные технологические параметры изготовления, получить скомпенсированную геометрию для печати на 3D принтере и после этого изготовить реальную деталь с первого раза. Для помощи в решении этой задачи служит модуль Digimat-AM, который позволяет пользователю промоделировать процесс 3D-печати, определить коробление и остаточные напряжения, возникающие в детали в зависимости от технологических параметров процесса, стратегии печати и выбранного материала.

Digimat-AM поддерживает моделирование полного цикла изготовления детали (3D-печать, удаление опоры, охлаждение детали) из однородных и армированных пластиков с помощью SLS-технологии (спекание порошковых компонентов лазером) или FFF/FDM-технологии (метод наплавления нити/метод послойного наплавления). Виртуальное моделирование 3D-печати детали выполняется в дружественном интерфейсе и включает в себя: задание параметров рабочего процесса изготовления, послойное КЭ моделирование изготовления детали с помощью встроенного в модуль нелинейного решателя Marc и анализ результатов: искаженная геометрия детали, остаточные напря-

жения и деформации (рисунок 13). Полученные остаточные напряжения могут быть переданы в КЭ модель детали для расчета ее на прочность и/или жесткость с учетом микроструктуры в ней после изготовления. Искаженная геометрия детали используется в Digimat-AM для нахождения скомпенсированной геометрии (геометрии, которая после 3D-печати займет теоретическое положение) и последующего применения ее при реальном изготовлении. В заключение, следует отметить, что программный комплекс Digimat может быть использован всеми специалистам, связанным с композиционными материалами (материаловеды, технологи, конструкторы, расчетчики, испытатели и др.), а уникальный функционал доступной в настоящее время версии Digimat 2019.0 (дата выхода — февраль 2019 г.) предоставляет пользователям практически неограниченные возможности для эффективной разработки, расчета и виртуальных испытаний композиционных материалов и конструкций из них. Дополнительную информацию о программном комплексе Digimat и его возможностях можно получить в ООО MSC Software RUS или на сайтах корпорации: www.e-xstream.com сайт разработчика Digimat — компании e-Xstream engineering www.mscsoftware.com корпоративный сайт MSC Software www.mscsoftware.ru российский сайт MSC Software

Композитный мир | #4 (85) 2019

51

Применение

igc-market.ru

Применение структурного адгезива в судостроении Сегодня мы подробно расскажем о структурном адгезиве Crestomer 1152 от мирового производителя композитных материалов Scott Bader, а также коснемся опыта использования этого материала среди российских и зарубежных производителей.

Crestomer 1152 — это предускоренный, высокотиксотропный адгезив на уретан-акрилатной основе.

• Применяется для производства ударопрочных стеклопластиковых конструкций типа Т в судостроении; для придания формы швам или для склеивания поврежденных участков; • Подходит для крупногабаритных корпусов, что делает его идеальным для судостроения; • Способствует погашению вибрации; • Позволяет скреплять различные субстраты и имеет высокую адгезию к стеклопластику и металлу, например, соединение стеклопластик + алюминий получается прочнее, чем крепеж; • Совместим с отвержденными полиэфирными, винилэфирными, эпоксидными смолами. Богатый опыт использования адгезива 1152 позволяет привести примеры, в которых продукт показал исключительные адгезионные свойства и прочность скрепления. Например, компания Fortis Marine в Санкт-Петербурге столкнулась с ситуацией, когда склеенные с помощью Crestomer 1152 швы вообще не представлялось возможным разделить. А известные зарубежные производители используют этот материал там, где качество скрепления должно отвечать самым высоким требованиям, например, компания CTruk (Великобритания).

52

Композитный мир | #4 (85) 2019

Рабочие катера компании CTruk, изготовленные в соответствии с требованиями морских стандартов DNV и BV, созданы с помощью структурного адгезива Crestomer 1152PA Scott Bader. Компания CTruk Boats Ltd., (Великобритания, Брайтлингси, Эссекс) проектирует и производит многоцелевые композитные морские суда, используемые в качестве рабочих катеров для поддержки морских ветровых электростанций, а также специализированные суда для военных, охранных, аварийных и коммерческих применений. Основанная в 2010 году, компания имеет четкую деловую миссию — предоставлять безопасные, быстрые, маневренные и очень гибкие рабочие суда, используя инновационный подход к проектированию. Запатентованная модульная система палуб, созданная для удовлетворения сложных требований, связанных с работами по поддержке ветра в море, является примером конструктивного подхода CTruk к решению проблем; «подвижные» палубы из стеклопластика позволяют оператору изменять функциональные возможности судна всего за несколько часов. Вместо производства из алюминия, для минимизации веса ламината и повышения производительности, наряду с передовыми композитными материалами CTruk использует технологии вакуумной инфузии смолы. Чтобы соответствовать строгим стандартам для морских судов, в производстве используются только материалы и процессы, которые были полностью одобрены Det Norske Veritas AS (DNV) и Bureau Veritas (BV). В их список входит уретан-акрилатный структурный адгезив от Scott Bader Crystic — Crestomer 1152PA, который технологи CTruk используют для всех

Применение

Небольшие крепления при помощи Crestomer® картриджи Advantage 10/30/60

уретан-акрилатные структурные адгезивы

Соединение палубы с корпусом Crestomer® 1152PA Crestomer® 1153PA

Склеивание сердечника Crestomer® 1196PA

стеклопластиковых скреплений.

Преимущества соединений стеклопластика Чтобы еще больше снизить вес, повысить производительность и сократить трудозатраты, компания использует структурный адгезив на стыках стеклопластик-стеклопластик в своих конструкциях. Crystic Crestomer 1152PA от Scott Bader используется во всех композитных морских кораблях CTruk в таких элементах как стрингеры и переборки корпуса, секции транца, опоры двигателя, а также секции палубы и стыки корпуса к палубе. Опубликованные значения физических свойств отвержденного Crestomer 1152 дают показатели:

Склеивание переборок Crestomer® 1150PA Crestomer® 1151PA

Ребра жесткости/ стрингеры Crestomer® 1152PA Crestomer® 1186PA

относительное удлинение при разрыве 100% и максимальная прочность на растяжение 26 МПа; иными словами, скорее повредится одна из склеенных частей из стеклопластика, чем скрепляющий шов структурного адгезива (что, кстати, доказал опыт Fortis Marine).

Crestomer 1152PA отверждается катализатором MEKP, не требует добавления ускорителя (предускорен) и наносится вручную. Он обеспечивает хороший уровень гибкости нанесения в цехе на этапе сборки соединения, поскольку имеет рабочее время в открытом состоянии до 50 минут и подходит для заполнения зазоров до 25 мм. Структурный адгезив Crestomer 1152 наряду с другими продуктами линейки Crestomer от Scott Bader — в наличии на московском складе и доступен к заказу!

Применение

compositeproducts.ru

Опыт внедрения отечественных материалов Технический специалист ООО КОМПОЗИТ-ИЗДЕЛИЯ провёл обучение рабочих Кумертауского авиационного производственного предприятия по нанесению антиадгезионной фторопластовой самоклеящейся пленки ЛипЛент ТТ01 ТУ 2245-015-30189225-2016.

В апреле 2019 года на Кумертауском авиационнопроизводственном предприятии выпустили первый экземпляр водяного бака СП-32. Этот бак является основной частью системы пожаротушения по программе модернизации семейства вертолетов Ка-32, которую впервые представил Холдинг «Вертолеты России» (входит в Госкорпорацию Ростех) на XII Международной выставке вертолетной индустрии HeliRussia 2019. Новый водяной бак СП-32 отечественного производства отличается от иностранных аналогов более выгодной ценой, вмещает 4 тонны воды, имеет цифровое управление и улучшенную эргономику при заборе и сливе воды. Кроме того, он может эксплуатироваться в зимних условиях. Водяной бак СП-32 представляет собой крупно-

54

Композитный мир | #4 (85) 2019

габаритное сложносоставное изделие из углепластика, основной частью которого является емкость для воды объемом 4 м3. Длина изделия составляет порядка 4,5 м, ширина — около 2 м, высота — около 1,5 м. Бак устанавливается в нижней части вертолета, частично входя внутрь фюзеляжа вертолета, поэтому его форма довольно сложная, и на поверхности изделия есть множество углублений для обхода элементов конструкции. Для производства этого изделия была спроектирована и произведена алюминиевая составная форма с выталкивателями. Изначально предполагалось, что потребуется разбор формы для извлечения изделия. Перед технологом, отвечающим за это изделие, стояла задача получить гарантированный съем изделия

Применение с необычно большой формы. Ввиду сжатых сроков и большой площади оснастки, составляющей порядка 20 м2, не было возможности отшлифовать поверхность формы до уровня, пригодного для применения стандартных полупостоянных разделительных составов. Так же была задача добиться герметичности формы в местах примыкания составных частей. Герметизация стыков с обратной стороны герметиками не давала достаточного уровня герметичности. Удобным решением обеих задач является нанесение самоклеящейся фторопластовой пленки на поверхность формы. Фторопласт обеспечивает высокие антиадгезионные свойства — легкий, надежный и многократный съем изделий. А монолитная структура пленки в сочетании с силиконовым клеем обеспечивает герметичность рабочей поверхности. Плюс пленочный силиконовый клей позволяет наносить пленку даже на поверхности с глубокими рисками. Подобные материалы производятся несколькими компаниями, но технолог выбрала материал ЛипЛент ТТ 01 от компании «Композит-Изделия». Так как производитель подтвердил возможность приезда технического специалиста на завод в город Кумертау для оказания технической поддержки — консультирование по применению материала и обучение рабочих методам нанесения этой пленки. Работа по этому проекту началась с предоставления образца ЛипЛент ТТ01, который был отправлен курьером на завод для проведения теста и подтверждения рабочих характеристик. Тесты прошли успешно — препрег, из которого будет изготавливаться водяной бак, отлично снимался с пленки, и она хорошо наносится на формы, изготовленные на заводе. После успешных тестов завод закупил промышленную партию ЛипЛент ТТ01 в объеме, достаточном для нанесения на всю поверхность формы водяного бака несколько раз. Когда оснастка водяного бака была готова, на завод прибыл технический представитель производителя. Визит на завод длился три полных дня. Была определена общая концепция нанесения пленки. Изначально предполагалось, что для съема готового изделия форма будет размыкаться и выниматься частями. Поэтому первоначальный проект нанесения пленки предполагал отдельное нанесение ленты из пленки на стык частей формы, которые должны были разъединяться при съеме. Идея заключается в том, чтобы при размыкании оснастки

Липкая лента ЛипЛент-ТТ01

Пленка фторопластовая с липким слоем на основе силиконового адгезива ЛипЛент-ТТ01 ТУ 2245-015-30189225-2016 может использоваться для герметизации мастер- моделей и пористых поверхностей оснастки. Пленка обеспечивает длительные антиадгезионные свойства, предотвращает загрязнение, обеспечивает многократные съёмы изделий сложных конфигураций.

Гражданский всепогодный вертолет соосной схемы несущих винтов Ка-32А11ВС разработан конструкторским бюро «Камов», входящим в состав холдинга «Вертолеты России». Серийное производство Ка-32А11ВС налажено на АО «Кумертауское авиационное производственное предприятие». В настоящее время построено свыше 140 машин, которые эксплуатируются более чем в 30 странах мира. Соосная схема вертолета обладает рядом серьезных преимуществ в стабилизации и маневренности, особенно при пожаротушении. «страдала» только эта лента, а большая часть пленки на плоскостях формы оставалась на месте и могла быть использована повторно. Забегая вперед, надо сказать, что съем готовой детали, несмотря на большую толщину, сложную форму и большую площадь изделия, оказался таким легким, что разбор формы не потребовался. Готовый ламинат буквально отщелкнулся от формы в нужное время. Тестовое нанесение ленты на стык частей формы показало, что лента не будет препятствовать размыканию оснастки. Дальше была определена схема нанесения пленки — большие плоские области формы накрываются максимально большими кусками. Ширина ЛипЛент ТТ01 составляет один метр. Это позволяет ускорить нанесение и сохранить пленку на большее количество съемов, так как в этих местах на нее действуют меньшие нагрузки при извлечении детали. Сложные места формы: углы, выпуклости и выемки — закрываются отдельными небольшими кусками пленки, которые могут быть заменены в случае повреждения. Такие куски можно кроить по месту или заранее с использованием бумажного шаблона. Важный момент в нанесении пленки на сложные формы — ее нельзя растягивать! Сама фторопластовая пленка имеет относительно большое удлинение, но силиконовый клей, нанесенный на обратную сторону, не может растягиваться вместе с пленкой. Он рвется и на пленке образуются области без клея, поэтому при растягивании пленка теряет возможность прикле-

Композитный мир | #4 (85) 2019

55

Применение

Мы сделали запрос нескольким производителям. Для нас самым важным было проведение обучения по нанесению такой пленки для наших рабочих, нужно было чтобы представитель производителя приехал и научил ее клеить. Ирина Веремко, технолог отд. №48 иться к форме. В случае если при нанесении пленки, например, на внутренний угол она растянулась, эту область стоит вырезать и поставить сверху заплатку из новой пленки. Для обеспечения герметичности куски пленки рекомендуется клеить с нахлестом 5–10 мм. Для ускорения процесса нанесения пленки на сложные места эти куски раскраивали на плоттере по лекалам, подготовленным для раскроя препрега. Такой раскрой также позволяет минимизировать расход пленки на обрезы. Обучение рабочих проходило в форме мастер-класса непосредственно на форме бака. Сначала на плоских областях формы технический специалист ООО «Композит-Изделия» продемонстрировал основные приемы работы с пленкой — защитный слой с клейкой стороны нужно снимать постепенно, пленку к поверхности приглаживать мягким ракелем из центра к краям, тщательно выгоняя воздух. При необходимости пленку можно отклеить от поверхности резким движением. Самое главное — поддерживать максимальную чистоту поверхности формы и рук, так как пыль или любое другое загрязнение полностью

56

Композитный мир | #4 (85) 2019

нейтрализуют адгезионные свойства клеевого слоя, и восстановить адгезию невозможно. После демонстрации основных приемов рабочие начали подключаться к процессу нанесения пленки. После отработки навыков на плоских участках перешли к сложным участкам. При нанесении пленки на элементы двойной кривизны основные сложности возникают на внутренних углах. Если пытаться втянуть пленку в угол, то она растягивается, теряет адгезию и провисает в этом месте. Для избежания такого эффекта и появления пузырей воздуха под пленкой ее нужно прикатывать постепенно, тщательно выгоняя воздух из центра к краям. При этом может быть полезен такой прием — если разрезать защитный лайнер, прикрывающий клеевой слой вдоль выкроенного куска пленки, то можно начать прикатывать пленку из центра, а не с края. Эти приемы были отработаны при нанесении ЛипЛент ТТ01 на форму бака. Все рабочие попрактиковались и достигли значительного мастерства в работе с фторопластовой пленкой. Легкий съем первого изделия стал лучшим доказательством полученных навыков. На середину июля 2019 года уже произведено три композитные емкости для бака МП-32. Получив такой положительный опыт с ЛипЛент ТТ01 ТУ 2245-015-30189225-2016, технологи КумАППа продолжили внедрение и других вакуумных расходных материалов производства компании ООО «Композит-Изделия» в технологические процессы на серийные изделия. Отечественные материалы этого производителя проходят не только по программе импортозамещения, но и как снижение себестоимости, так как зачастую дешевле зарубежных аналогов.

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ АСД-ТЕХНИКА В АВИАСТРОЕНИИ Оборудование АСД-ТЕХНИКА® позволяет приготовить по различным рецептурам клеевые составы и полимерные композитные связующие, наполненные целевыми добавками, в том числе металлическими, керамическими, абразивными, теплопроводящими, радиопоглощающими, рассеивающими для придания требуемых свойств изделиям из полимерных композиционных материалов. Специалистами «АСД-техника» разработана линейка оборудования, специально предназначенная для производства сферопластиков (синтактных пен) на основе полимерных составов, наполненных алюмосиликатными, углеродными или полимерными микросферами размером 0,01-400 мкм и более. Оборудование АСД-ТЕХНИКА® позволяет автоматизировать основные технологические операции приготовления реакционноспособных, полиэфирных связующих пропитки, клеевых систем и герметиков из полиуретановых, силиконовых, эпоксидных составов, а также изготовление крупногабаритных композитных изделий инфузионным методом, пропиткой под давлением (RTM): ПРОИЗВОДСТВО ЛОПАСТЕЙ винтов, несущих и внутренних конструкций фюзеляжа летательных аппаратов, вертолетов, БПЛ аппаратов и квадрокоптеров ГЕРМЕТИЗАЦИЯ агрегатов и отсеков самолетов, вертолетов, беспилотных летательных аппаратов ПРОИЗВОДСТВО СВЕТОСИГНАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ в том числе для взлетно-посадочных полос аэродромов, вертодромов и посадочных площадок. LED-технологии ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ, технической оснастки, моделирование с использованием наполненных модельных паст ИЗГОТОВЛЕНИЕ бесшовной, крупногабаритной формообразующей оснастки, пуансонов и мастер-моделей при производстве элементов самолетов, вертолетов, БПЛА, судов ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАТРИЦ для вакуумформования изделий из термопластов АВИАЦИОННОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ: склеивание, герметизация, уплотнение, изоляция АВИАЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ: склейка фильтров, нанесение уплотнений, формование концевого диска круглого фильтра НАНЕСЕНИЕ защитных полимерных покрытий и напыление двухкомпонентных красок на поверхность элементов летательных аппаратов ПРОИЗВОДСТВО СОТОСФЕРОПЛАСТИКОВ - сот, заполненных сферопластиками ПРОИЗВОДСТВО СФЕРОПЛАСТИКОВ (СИНТАКТНЫХ ПЕН)

ОБОРУДОВАНИЕ АСД-ТЕХНИКА®

Обеспечивает 100% автоматизацию точного дозирования, смешивания, перекачивания и нанесения полимерных материалов

СФЕРОПЛАСТ ДСС

НАНЕСЕНИЕ МОДЕЛЬНОЙ ПАСТЫ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ СУБКОНСТРУКЦИЮ

Минимизирует участие человека при изготовлении изделий из полимеров и выполнении технологических операций (склеивание, герметизация, заливка, нанесение защитных покрытий, уплотнений) Предусматривает строгое соблюдение технологического процесса, обусловленного жизнеспособностью смеси компонентов и требуемой производительностью оборудования Гарантирует получение высококачественных конечных изделий, экономию средств, сокращение времени выполнения технологических операций 220017, Республика Беларусь г. Минск, ул. Притыцкого, 156, офис 15 +375 29 627-26-22, +375 17 342-01-21 www.asdteh.com info@asdteh.com

ЗАПОЛНЕННАЯ СФЕРОПЛАСТИКОМ СОТОВАЯ ПАНЕЛЬ

Официальные дистрибьюторы в России: ООО «АСД-инжиниринг» 8 800 700-40-67 www.asdeng.ru ООО «ФОЛИПЛАСТ» 8 800 100-13-88 www.foliplast.ru

Применение Холодников Ю. В. Альшиц Л. И. Дербышев А. С. ООО СКБ «Мысль», г. Екатеринбург

Применение композитов в оборудовании для химических производств Часть 2. Химстойкость в щелочной среде

58

Композитный мир | #4 (85) 2019

Применение К щелочам относятся гидроокиси щелочноземельных металлов, которые в водных растворах диссоциируют на ионы гидроксила ОНˉ и металла Ме⁺. При возрастании концентрации щелочи в растворе степень диссоциации уменьшается. По степени диссоциации в растворах различают щелочи сильные и слабые. Наиболее сильными щелочами являются едкий калий (КОН), едкий натрий (NаОН), едкий литий (LiОН∙Н₂O) и другие. Щелочные растворы относятся к агрессивным средам, разрушающим многие материалы. Скорость коррозии при высоких значениях рН (в растворах щелочей) характеризуется растворимостью продуктов коррозии. Если гидраты алюминия, цинка и свинца в едких щелочах достаточно легко растворяются и металл теряет защитную пленку, то железо, никель, кадмий и магний в средах с высоким рН не дают растворимых комплексных соединений, в связи с чем последние являются более коррозионностойкими. Вследствие этого коррозия стали с увеличением рН уменьшается, и при рН = 13 скорость коррозии практически равна нулю независимо от концентрации растворенного кислорода в жидкой среде. Однако при высоких температурах и высоких концентрациях щелочей коррозия стали активизируется за счет возникновения растворимых комплексных соединений (ферратов).

Стойкость образцов композитов, изготовленных на основе смол Derakane 470, Asplit 846, Asplit Vel, Dion 6694, Dion 9100, Dion 9400, Dion 9700, в растворах солей Были проведены лабораторные исследования стойкости образцов композитов, изготовленных с помощью смол Derakane 470, Asplit 846, Dion 6694, Dion 9100, Dion 9400, Dion 9700, в растворе солей с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ — 5 г/л при температуре +90°С, а образцов композитов, изготовленных с применением смол Derakane 470, Asplit 846, Asplit Vel, — в растворе NaClO (гипохлорида натрия) с концентрацией 150 г/л при температуре +60°С. Растворы солей указанных выше составов для испытаний образцов композитов были приготовлены с использованием реактивов марки «х.ч.» (химически чистые, прим. ред.). Испытания, продолжительностью 100 часов, проводились в статических условиях во фторопластовых стаканах при температурах растворов 90°С и 60°С соответственно. В таблицах 1 и 2 приведены результаты данных испытаний.

Таблица 1. Результаты исследования химической стойкости образцов композитов к воздействию солевого раствора с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ — 5 г/л. Марка использованной для изготовления образцов смолы

Изменение массы, %

Оценка стойкости по ГОСТ 12020—72

Derakane 470

+0,462

Хорошая

без изменений

Asplit 846

−4,834

Хорошая

изменение цвета композита

Dion 6694

−1,774

Хорошая

без изменений

Dion 9100

−1,036

Хорошая

без изменений

Dion 9400

−1,149

Хорошая

без изменений

Dion 9700

−0,331

Хорошая

растрескивание, изменение цвета композита

Внешний вид покрытия после испытания

Примечания: 1. Продолжительность испытаний — 100 ч.; 2. Температура раствора составляла 90°С.

Таблица 2. Результаты исследования химической стойкости образцов композитов на основе смол Derakane 470, Asplit 846, Asplit Vel в растворе NaClO с концентрацией 50 г/л. Изменение массы спустя 48 часов после начала опыта, %

Оценка стойкости по ГОСТ 12020—72

Derakane 470

+ 0,120

Хорошая

без изменений

Asplit 846

- 4,994

Хорошая

изменение цвета композита

Asplit Vel

- 0,273

Хорошая

без изменений

Asplit Vel со стальным вкладышем

- 0,0615

Хорошая

без изменений

Марка использованной для изготовления образцов смолы

Внешний вид покрытия после испытания

Примечания: 1. Продолжительность испытаний — 100 ч.; 2. Температура раствора составляла 60°С.

Композитный мир | #4 (85) 2019

59

Применение

1

2 1

2

3 3

Рисунок 1. Внешний вид образцов композитов на основе смол Dion 9700 (1), Dion 9400 (2), Dion 9100 (3) после испытаний на стойкость в растворе с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ – 5 г/л при температуре 90°С.

1

2

Рисунок 3. Внешний вид образцов композита на основе Asplit Vel после испытаний на стойкость в растворе NaClO с концентрацией 150 г/л при температуре раствора 60°С: 1 — внутри образца композита помещен стальной вкладыш размером 40×20×2 мм, 2 — образец композита без вкладыша.

1

2

Рисунок 4. Внешний вид образцов композитов на основе смол Derakane 470 (1) и Asplit 846 (2) после испытаний на стойкость в растворе NaClO с концентрацией 50 г/л при температуре раствора 60°С.

60

Композитный мир | #4 (85) 2019

Рисунок 2. Внешний вид образцов композитов на основе смол Dion 6694 (1), Asplit 846 (2), Derakane 470 (3) после испытаний на стойкость в растворе с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ — 5 г/л при температуре 90.

Из данных, приведённых в таблице 1, и на рисунке 1 видно, что хотя изменение массы при испытаниях в растворе у образца композита на основе смолы Dion 9700 было минимальным и составляло всего — 0,331%, но образец в процессе испытаний подвергся растрескиванию и изменил цвет. Максимальное изменение массы при этих испытаниях, равное — 4,834%, наблюдалось у образца композита из Asplit 846, который к тому же в ходе исследования изменил цвет. У остальных образцов композитов, исследованных в растворе с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ — 5 г/л при температуре 90°С, после испытаний не было отмечено изменений во внешнем виде. А их стойкость на основании изменения массы образцов до и после испытаний можно оценить как хорошую, в соответствии с требованиями ГОСТ 12020. Из данных, приведенных в таблице 2, и рисунков 2–4 следует, что наибольшее изменение массы после испытаний, равное — 4,994%, имел образец композита из Asplit 846, и к тому же данный образец в процессе испытаний изменил цвет. У образцов композитов, изготовленных из Derakane 470 и Asplit Vel (композит и композит со стальным вкладышем) и исследованных в растворе NaClO с концентрацией 150 г/л при температуре 60°С, после испытаний не было отмечено изменений во внешнем виде. А их стойкость на основании изменения массы образцов до и после испытаний можно оценить как хорошую, в соответствии с требованиями ГОСТ 12020. Таким образом, испытания показали, что в растворе с концентрацией NaOH — 50 г/л, Na₂CO₃ — 50 г/л, Na₃PO₄ — 40 г/л, Na₂SiO₃ – 5 г/л при температуре 90°С стойкими являлись композиты на основе винилэфирных смол Derakane 470, Dion 6694, Dion 9100, Dion 9400. В растворе гипохлорида натрия NaClO с концентрацией 150 г/л и температурой 60°С стойкими были композиты на основе смол Derakane 470 и Asplit Vel.

Применение Таблица 3. Результаты исследования химической стойкости материалов в имитате насыщенного раствора с твердой фазой при температуре 35°С на установке при кипении под вакуумом. Марка использованной для изготовления образцов смолы

Изменение массы, %

Состояние поверхности образца и цвет после испытаний

Оценка стойкости по ГОСТ 12020–72

Dion 9400

+0,15

Без изменений

Хорошая

Asplit

+0,18

Без изменений

Хорошая

Примечания: 1. Состав раствора, содержащего 25 % твердой фазы (кристаллов солей), имитирует состав раствора в 3-м вакуум-кристаллизаторе ВКУ и приведен выше; 2. Продолжительность испытаний при температуре 35°С составляла 170 часов; 3. Кипение раствора под вакуумом при температуре 35 °С осуществлялось при разряжении 0,90 кгс/см².

Рисунок 5. Образцы материалов, собранные на подставке, до испытаний.

Стойкость композитов применительно к условиям работы вакуум- кристаллизационной установки Применительно к условиям работы вакуум-кристаллизационной установки (ВКУ), перерабатывающей насыщенные хлоридные растворы, была оценена химическая стойкость ряда неметаллов на установке при кипении под вакуумом в нижеследующих условиях. Исследования проводились при температурах 35°С и 85°С в растворах, содержащих 25% твердой фазы (кристаллов солей). Состав растворов имитировал возможные технологические среды, воздействующие на оборудование ВКУ во время его эксплуатации: 1. при температуре 35 °С:

• KCl — 234,25 г/л • NaCl — 119,0 г/л • MgCl₂∙6 H₂O — 240,22 г/л 2. при температуре 85 °С: • KCl — 277,75 г/л • NaCl — 135,0 г/л • MgCl₂∙6 H₂O — 205,0 г/л Растворы для коррозионных испытаний были приготовлены из реактивов марок «ч.д.а.» (чистый для анализа, прим. ред.) и «х.ч.». В работе была изучена химическая стойкость следующих композитов: образцы на основе смол Dion 9400 и Asplit. Результаты исследований стойкости композитов, осуществленных на установке при кипении содержащего твердую фазу раствора под вакуумом и при температуре 35°С, приведены в таблице 3, а при температуре 85°С даны в таблице 4. Визуальные результаты этих испытаний представлены на рисунке 5. Результаты исследования химической стойкости композиционных материалов на установке при кипении насыщенного хлоридного раствора с твердой фазой при температуре 35°С и разряжении 0,90 кгс/см², приведенные в таблице 3, показали, что образцы всех исследованных материалов не изменили цвет, твердость, линейные размеры и имели изменения массы в результате испытаний, позволяющие отнести их к материалам и покрытиям, имеющим высокую химическую стойкость в растворах проектируемой ВКУ при температуре 35°С. По результатам испытаний, представленным в таблице 4 и на рисунках 6 и 7, видно, что покрытия на основе смол Dion 9400 и Asplit в исследованных условиях имели хорошую химическую стойкость без

Таблица 4. Результаты исследования химической стойкости композиционных материалов в имитате насыщенного раствора с твердой фазой при температуре 85 °С на установке при кипении под вакуумом. Марка использованной для изготовления образцов смолы

Изменение массы, %

Состояние поверхности образца и цвет после испытаний

Dion 9400

−0,26

Без изменений

Asplit

+0,23

Без изменений

Примечания: 1. Состав раствора, содержащего 25 % твердой фазы (кристаллов солей), имитирует состав раствора в 1-м вакуум-кристаллизаторе ВКУ и приведен выше; 2. Продолжительность испытаний при температуре 85 °С – 330 часов; 3. Кипение раствора под вакуумом при температуре 85 °С осуществлялось при разряжении 0,65 кгс/см².

Композитный мир | #4 (85) 2019

61

Применение

а

б

а

б

Рисунок 6. Внешний вид образцов с покрытием на основе смолы Dion 9400 после испытаний на установке при кипении под вакуумом в насыщенных хлоридных растворах с твердой фазой при температуре 35°С и продолжительности 170 часов (а) и при температуре 85°С и продолжительности 330 часов (б).

Рисунок 7. Внешний вид образцов с покрытием на основе смолы Asplit после испытаний на установке при кипении под вакуумом в насыщенных хлоридных растворах с твердой фазой при температуре 35°С и продолжительности 170 часов (а) и при температуре 85°С и продолжительности 330 часов (б).

изменений цвета, размера, твердости, а изменения массы при температуре кипения раствора 35°С составляли соответственно +0,15 % и +0,18 %, а при температуре 85°С не превышали соответственно −0,2 % и +0,18%. Таким образом, результаты вышеприведенных исследований применительно к условиям работы оборудования ВКУ свидетельствуют, что при кипении насыщенного хлоридного раствора при температурах 35°С и 85°С и соответствующих разряжениях 0,90 кгс/см² и 0,65 кгс/см² покрытия на основе смол Dion 9400 и Asplit имели хорошую химическую стойкость без изменений цвета, размера, твердости.

Рассматривая совокупность признаков, определяющих целесообразность применения того или иного вида защитного материала, для изделий, эксплуатируемых в особо опасных производственных условиях, следует констатировать, что на данный момент времени защита композиционными материалами является наиболее предпочтительным видом защиты ввиду своей универсальности, отличной химстойкости, технологичности и наличия явных эксплуатационных преимуществ. Опыт работы с защитными покрытиями из композитов показывает, что гарантированный срок службы таких систем составляет не менее 10 лет.

Наука Корчинский Н. А. Меламед А. Л. Колесников С. А., д.т.н. АО «НИИграфит» АО «Наука и инновации» Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» nakorchinsky@rosatom.ru

Экспериментальное изучение изменения свойств углерод-углеродного и углерод-карбидокремниевого композиционного материала после испытаний в высокоэнтальпийном газовом потоке В данной работе рассмотрены изменения физикомеханических и теплофизических свойств УУКМ и УККМ после воздействия высокоэнтальпийного газового потока на плазмотроне в ИПМех РАН и на стенде ЦИАМ им. П. И. Баранова.

Литература

1. Бояринцев В. И., Звягин Ю. В. Исследование разрушения углеграфитовых материалов при высоких температурах // Техника высоких температур. – 1975. – Т. 13. – № 5. – С. 1045 – 1051.

2. Горский В. В., Ватолина Е. Г., Реш В. Г. Методические вопросы проектирования гиперзвуковых летательных аппаратов, связанные с исследованием абляции углеродных материалов в струях жидкостных ракетных двигателей.// Инженерный журнал: наука и инновации. – 2013. – № 7. www.engiornal.ru/catalog/matmodel/aero/839.html

64

Композитный мир | #3 (84) 2019

Наука Углеродные конструкционные материалы (УКМ), в том числе углерод – углеродные композиционные (УУКМ), востребованы в современных высокотемпературных агрегатах. При экстремальных температурах и постепенном окислении поверхности, сопровождаемым образованием газообразных продуктов, механические характеристики в объёме материала снижаются, но остаются достаточными для эксплуатации изделия в течение необходимого времени. Методика прогнозирования уноса [1] используется для расчётных оценок скорости окисления углеродных деталей. Расчётные полуэмпирические методы [1, 2] основаны на учёте интенсивности потока газа — коэффициент массопередачи в кг/(м²∙с), окислительного потенциала рабочего газа – мольная концентрация окислителя, средней молекулярной массы окислителя (в форме её отношения к молекулярной массе углерода), давления газа (МПа) и описания атомно-молекулярных процессов на поверхности согласно Аррениусу. Для оценки влияния различия структуры углеродных материалов на скорость окисления вводят подгоночные константы, которые определяют решением обратной задачи. Однако базовыми данными для уточнения расчётных констант остаются экспериментальные исследования. В настоящее время объём таких данных для практики созданий конструкций с применением современных УУКМ и УККМ ещё недостаточен.

Целью данной работы является экспериментальное исследование изменений физико-механических и теплофизических свойств углерод-углеродных (УУКМ) и углерод-карбидокремниевых (УККМ) композиционных материалов после испытаний в высокоэнтальпийном газовом потоке. Для исследования изменения свойств после испытаний при температурах до 1500 °С на плазмотроне были выбраны следующие образцы: 1. УККМ 4Д-Л (m₀= 226,76 г); 2. УУКМ 4Д-Л (m₀= 209,84 г). Испытания проводились в высокоэнтальпийном потоке воздуха примерного состава 78% N₂ + 21% О₂ + 1% СО₂ и инертных газов (мас. %), при давлении 0,1 атм. и мощности плазмотрона ВГУ-3 до 30 кВт, длительностью до 600 с. Температура поверхности образцов достигала 1450°С (рисунок 1). Наименьший линейный унос показал образец УККМ с наполнителем из ВМН-4 и структурой армирования 4Д-Л. После испытаний на плазмотроне были вырезаны цилиндрические образцы (h = 20 мм, D = 15 мм) для дальнейшего определения физико-механических и теплофизических показателей свойств на базе испытательного центра АО «НИИграфит» Госкорпорации Росатом, а именно:

1450

°С

850

0

550

0

300

1450

°С

850

Рисунок 1. Испытание образца 1 на ВГУ-3 в ИПМех РАН.

Композитный мир | #4 (85) 2019

65

Наука Таблица 1. Изменение массы и плотности образцов после испытаний на плазмотроне. m0, г

m1, г

Δm, г

ρ0, г/см³

ρ1, г/см³

Δρ, г/см³

УККМ-4D-Л

226,8

224,4

2,3 (1,0%)

2,03

2,02

0,01 (0,5%)

УУКМ-4D-Л

209,8

193,3

16,6 (7,9%)

1,92

1,88

0,04 (2,1%)

Таблица 2. Изменение теплопроводности и прочности образцов после испытаний на плазмотроне. λ0, Вт/(м∙К)

λ1, Вт/(м∙К)

Δλ, Вт/(м∙К)

σ₀, МПа

σ₁, МПа

Δσ, МПа

УККМ-4D-Л

45,0

49,7

−4,7 (10,4%)

165,0

162,4

2,5 (1,5%)

УУКМ-4D-Л

47,2

60,0

−12,8 (27,2%)

122,1

115,3

6,8 (5,5%)

Рисунок 2. Схема сборки из 32 пластин для испытаний на стенде Ц-16.

1. Определение кажущейся плотности гидростатическим методом; 2. Определение среднего коэффициента теплопроводности при температуре от 293 К до 303 К; 3. Определение предела прочности при сжатии. Полученные результаты приведены в таблицах 1, 2. Повышение среднего коэффициента теплопроводности от 10 до 27% в настоящий момент не поддаётся объяснению. До проведения испытаний углеродная основа неоднократно подвергалась высокотемпературной

обработке в электровакуумных печах при 2000°С с выдержкой более часа. Окисленное волокно имеет теплопроводность в 10–20 раз ниже, чем графитированное, поэтому увеличение теплопроводности после испытаний не может быть вызвано физико-химическими изменениями в УУКМ. Частичное окисление карбидной матрицы УККМ с образованием диоксида кремния также не может привести к росту теплопроводности, так как коэффициент теплопроводности SiO₂ примерно в 4 раза ниже, чем SiC. Для изучения влияния высокоэнтальпийного газоПлотность, гр/см3

T, K

Температура на внутренней поверхности Температура на внутренней поверхности

ρ1, ср = 1.90 г/см3

№ ячейки

t, сек Рисунок 3. Изменение температуры УУКМ в ходе испытания.

66

Композитный мир | #4 (85) 2019

Рисунок 4. Распределение плотности по длине цилиндра после испытаний.

Наука вого потока, имеющего температуру 2400°С, на теплофизические и физико-механические характеристики углерод-углеродного композиционного материала разработана конструкция, представляющая собой полый цилиндр квадратного сечения, собранный из 32 пластин, соединённых между собой посредством клея на основе фенольной смолы (рисунок 2). Огневые стендовые испытания проводились на комплексе стендов Ц-16 НИЦ ЦИАМ в соответствии с режимами: давление – 0,4 МПа, температура — 2500 К, длительность — 100 с. Максимальный линейный унос составил 2,2 мм. После испытаний цилиндр разобрали на составные пластины и определили их плотность гидростатическим методом. Максимальные потери плотности наблюдаются в средней рабочей зоне цилиндра (рисунок 4). Средний ряд пластин (ячейка № 4) имеет минимальный показатель плотности ρ₁= 1,88 г/см³, средний же показатель плотности по всем пластинам равен: ρ1, ср = 1,90 г/см³. Потери плотности возникают в связи с тем, что в процессе испытания наибольшему выгоранию подвержены филаменты углеродных жгутов, выходящих торцами на рабочую поверхность, так как начальная плотность элементарных нитей ниже средней по материалу — около 1,8 г/см³ (УКН/5000, ГОСТ 28008-88). После проведения гидростатики из каждой пластины вырезали образцы для определения предела прочности при сжатии, предела прочности при растяжении и коэффициента теплопроводности. Сопоставление значений пределов прочности и коэффициента теплопроводности проводили с показателями свойств материала той же заготовки, из которой вырезали пластины. Прочность при сжатии незначительно снизилась: со 133,0 МПа до 111,0 МПа. Разница значений предела прочности при сжатии равна: Δσс = 21,3 МПа, что составляет 16% от σ0,с (рисунок 5). Предел прочности при растяжении снизился со 151,0 МПа до 140,0 МПа, разница равна: Δσр = 11,5 МПа, что составляет 7,6% от σ0,р (рисунок 6). Изменения значений пределов прочности при сжатии и растяжении пропорциональны потере плотности. Рост среднего коэффициента теплопроводности с 50,4 Вт/(м∙К) до 54,0 Вт/(м∙К) – Δλср = −3,6 Вт/(м∙К) = 7,2% от λ0,р, то есть меньше ошибки измерения (рисунок 7).

Выводы 1. Наблюдаемая потеря прочности УУКМ и УККМ незначительна и пропорциональна потере плотности. УУКМ сохраняет работоспособность в течение всего времени испытания, в том числе благодаря характерному для всех углеродных материалов росту прочностных показателей при увеличении температуры вплоть до 2500°С (в среднем в 2,5 раза).

2. Повышение среднего коэффициента теплопроводности в настоящий момент требует последующих исследований.

140

σс , МПа 132.74

120

Δσсж = 21,29 МПа (16,0%)

100 111.45

80 60 40 20 σ0,c

σ1,c

0 Рисунок 5. Предел прочности при сжатии σ0с, σ1с — до и после проведения испытаний соответственно.

160

σp, МПа 151.21

140

Δσр = 11,54 МПа (7,6%) 139,675

120 100 80 60 40 20

σ0,p

σ1,p

0 Рисунок 6. Предел прочности при растяжении σ0р, σ1р — до и после проведения испытаний соответственно 70

λ, Вт/(м∙К) Δλ = −3,6 Вт/(м∙К) (7,1%)

60 50 50.4

54

λ0

λ1

40 30 20 10 0 Рисунок 7. Коэффициент теплопроводности λ₀, λ₁ — до и после проведения ОСИ соответственно.

Композитный мир | #4 (85) 2019

67