| Параметр процесса | Стандартные эпоксидные системы | Высокотемпературные системы |
|---|---|---|
| Температура отверждения | 120–180 °C | 177–250 °C |
| Давление в автоклаве | 0,5–0,8 МПа | 1,0–2,0 МПа |
| Вакуум в мешке | 85–95 кПа | 85–95 кПа |
| Скорость нагрева | 1–3 °C/мин | 1–2 °C/мин |
| Время выдержки при температуре | 2–4 часа | 4–6 часов |
| Целевая пористость | <2% | <1% |
| Скорость охлаждения | 2–5 °C/мин | 1–3 °C/мин |
Таблица 1. Технологические параметры автоклавного формования по ASTM D3171 и данным производителей оборудования.
| Критерий | Автоклавное формование | Вакуумное формование | Прессование |
|---|---|---|---|
| Давление уплотнения | 0,5–2,0 МПа | 0,08–0,1 МПа | 0,5–10 МПа |
| Пористость ламината | <1% | 1–3% | <1% |
| Геометрическая сложность | Высокая | Высокая | Ограниченная |
| Габариты изделий | До 10–12 м | Не ограничены | До 3 м |
| Капитальные затраты | Высокие | Низкие | Средние |
| Производительность | Средняя | Низкая | Высокая |
| Применение | Авиакосмос, ответственные конструкции | Серийное производство средней сложности | Массовое производство простых деталей |
Таблица 2. Сравнительный анализ технологий формования полимерных композитов согласно ГОСТ 32794-2014 и опубликованным данным исследований.
| Метод контроля | Выявляемые дефекты | Применимость |
|---|---|---|
| Ультразвуковой контроль (C-scan) | Расслоения, пористость, непропиты, включения | Основной метод для ответственных конструкций |
| Активная термография | Поверхностные и подповерхностные дефекты, отслоения | Экспресс-контроль больших поверхностей |
| Рентгенографический контроль | Пористость, включения, неравномерное распределение волокон | Анализ внутренней структуры |
| Вихретоковый контроль | Дефекты в гибридных композитах с металлом | Контроль углепластиков с металлическими вставками |
| Акустико-эмиссионный контроль | Развивающиеся трещины, расслоения под нагрузкой | Испытания под эксплуатационными нагрузками |
| Визуально-оптический контроль | Поверхностные дефекты, царапины, вмятины | Первичная приемка деталей |
| Метод определения объемного содержания пор | Количественная оценка пористости | Лабораторный анализ образцов по ASTM D2734 |
Таблица 3. Методы неразрушающего контроля качества композитных конструкций согласно ASTM E2533 и ГОСТ Р 56814-2015.
Основы автоклавной технологии производства композитов
Автоклавное формование представляет собой высокотехнологичный метод получения полимерных композиционных материалов, при котором отверждение препрегов происходит в условиях одновременного воздействия повышенных температуры и давления. Технология нашла широкое применение в аэрокосмической промышленности благодаря способности обеспечивать минимальную пористость готовых изделий и максимальные показатели механических свойств.
Автоклав представляет собой герметичную емкость с системами нагрева и подачи сжатого газа, позволяющую создавать избыточное давление до 3,0 МПа и температуру до 300 градусов. Типовые промышленные установки имеют рабочий объем диаметром до 3 метров и длиной 10–12 метров, что позволяет формовать крупногабаритные элементы авиационных конструкций.
Ключевое преимущество метода заключается в равномерном распределении давления по всей поверхности формуемой детали независимо от ее геометрической сложности. Использование вакуумного мешка в сочетании с избыточным давлением в автоклаве создает градиент давления, обеспечивающий эффективное уплотнение композита и удаление летучих продуктов реакции.
Препреги для аэрокосмических применений
Препреги представляют собой армирующие волокнистые материалы, предварительно пропитанные матричным связующим. Для авиакосмических конструкций применяют углеродные препреги на основе эпоксидных систем с латентными отвердителями, обеспечивающими стабильность материала при хранении.
Характеристики углеродных волокон
Наиболее распространенными типами углеродных волокон для аэрокосмических применений являются высокопрочные волокна стандартного модуля упругости T300 и T700 производства корпорации Toray, а также среднемодульные волокна серии IM компании Hexcel. Волокно T300 обладает модулем упругости около 230 ГПа и прочностью при растяжении 3,5 ГПа. Волокно T700 при том же модуле упругости имеет повышенную прочность до 4,9 ГПа. Среднемодульное волокно IM7 характеризуется модулем упругости 276 ГПа и прочностью 5,5 ГПа.
Условия хранения препрегов
Препреги на основе термореактивных связующих требуют контролируемых условий хранения для предотвращения преждевременной полимеризации матрицы. При температуре минус 18 градусов срок годности составляет 6–12 месяцев в зависимости от типа связующего. При температуре от минус 5 до 0 градусов срок хранения сокращается до 3 месяцев. При комнатной температуре 25 градусов материал сохраняет технологические свойства не более 1 месяца.
Перед использованием препреги подвергают размораживанию при контролируемых условиях для активации технологической вязкости связующего. Процесс размораживания занимает от 8 до 24 часов в зависимости от толщины рулона материала.
Технологический процесс автоклавного формования
Технологический цикл автоклавного формования включает несколько последовательных этапов, каждый из которых оказывает влияние на качество готового изделия.
Подготовка формообразующей оснастки
Оснастку очищают и покрывают разделительным составом для предотвращения адгезии композита к поверхности формы. Для высокотемпературных процессов применяют металлические формы из алюминиевых сплавов или композитные формы, выдерживающие многократные циклы нагрева.
Раскрой и выкладка препрега
Препрег раскраивают на заготовки требуемой геометрии с учетом ориентации волокон согласно расчетной схеме армирования. Слои препрега последовательно укладывают на оснастку с прикаткой каждого слоя для удаления воздушных включений. При выкладке сложнопрофильных деталей применяют автоматизированные системы раскладки с числовым программным управлением.
Сборка вакуумного мешка
Поверх выложенного пакета препрега устанавливают разделительную пленку, дренажные слои и вакуумный мешок. Герметизацию обеспечивают с помощью уплотнительного жгута по периметру детали. К вакуумному мешку подключают линию откачки с вакуумметром для контроля уровня разрежения.
Загрузка в автоклав и процесс отверждения
Подготовленную сборку помещают в автоклав и подключают систему вакуумирования. Далее следует реализация температурно-временного цикла отверждения с одновременным нагревом и повышением давления в автоклаве. Процесс ведут в среде инертного газа для обеспечения пожарной безопасности.
Циклы температуры и давления
Для различных типов связующих разработаны специфические температурно-временные режимы отверждения, обеспечивающие оптимальное протекание реакции полимеризации без образования дефектов.
Одноступенчатый режим
Наиболее распространенные эпоксидные системы отверждаются по одноступенчатому режиму с нагревом до температуры 120–180 градусов и выдержкой при этой температуре в течение 2–4 часов. Давление в автоклаве поддерживают на уровне 0,5–0,8 МПа. Скорость нагрева составляет 1–3 градуса в минуту для предотвращения термических напряжений в материале.
Двухступенчатый режим
Для некоторых связующих применяют двухступенчатое отверждение с промежуточной выдержкой при температуре 100–120 градусов для частичной полимеризации и последующим нагревом до финальной температуры 150–180 градусов. Такой режим позволяет снизить экзотермический эффект реакции в толстостенных деталях.
Режимы для высокотемпературных систем
Высокотемпературные полиимидные и бисмалеимидные связующие требуют отверждения при температурах 177–250 градусов с выдержкой 4–6 часов и давлением 1,0–2,0 МПа. Скорость нагрева ограничивают до 1–2 градусов в минуту из-за более высокой вязкости расплава связующего.
Охлаждение под давлением
После завершения выдержки при температуре отверждения проводят контролируемое охлаждение до температуры не выше 60 градусов при сохранении давления в автоклаве. Это позволяет минимизировать остаточные напряжения и предотвратить образование микротрещин при снятии нагрузки.
Контроль технологического процесса
Обеспечение качества композитных конструкций требует систематического контроля на всех этапах производства с применением методов неразрушающего контроля.
Входной контроль материалов
Входной контроль препрегов включает проверку температурных регистраторов при транспортировке, определение технологической вязкости и содержания летучих компонентов. Оценивают остаточный срок годности материала для планирования производственного графика.
Контроль процесса формования
В процессе отверждения ведут непрерывную регистрацию температуры в нескольких точках изделия и давления в автоклаве с помощью автоматизированных систем. Допустимые отклонения температуры составляют не более 5 градусов, давления не более 0,05 МПа от заданных значений согласно технологическому регламенту.
Неразрушающий контроль готовых деталей
Основным методом контроля ответственных конструкций является ультразвуковая дефектоскопия в режиме C-scan, позволяющая выявлять расслоения, непропиты и области повышенной пористости с высокой разрешающей способностью. Активную термографию применяют для экспресс-контроля больших поверхностей при обнаружении поверхностных и подповерхностных дефектов.
Определение пористости
Количественную оценку пористости проводят на образцах-свидетелях методом гравиметрического анализа согласно стандарту ASTM D2734 или методом цифровой обработки микрофотографий шлифов. Для аэрокосмических конструкций нормируется пористость не более 1–2 процентов по объему.
Дефекты и методы их предотвращения
Понимание механизмов образования дефектов позволяет разработать эффективные методы их предотвращения на стадии технологической подготовки производства.
Пористость
Пористость формируется вследствие захвата воздуха при выкладке препрега, выделения летучих продуктов при отверждении и недостаточного уплотнения. Предотвращение обеспечивается тщательной прикаткой слоев, применением вакуумного мешка с дренажными слоями и оптимизацией скорости нагрева для обеспечения времени на удаление летучих до гелеобразования связующего.
Расслоения
Расслоения между слоями препрега возникают при недостаточной адгезии связующего, неравномерном распределении давления или термических напряжениях. Применение промежуточных разделительных слоев из перфорированной пленки улучшает отвод летучих компонентов и снижает риск расслоений.
Непропиты
Зоны непропита армирующих волокон связующим образуются при недостаточном содержании матрицы в препреге или ее неравномерном распределении. Контроль содержания смолы в препреге и соблюдение режимов хранения предотвращают данный дефект.
Складки и морщины
Складки волокон формируются при выкладке препрега на оснастку сложной формы вследствие несоответствия геометрии раскроенных заготовок кривизне поверхности. Применение автоматизированной выкладки с оптимизацией траекторий раскладки минимизирует образование складок.
Термические повреждения
Превышение допустимой температуры отверждения приводит к термодеструкции связующего и снижению механических свойств. Использование многозонных систем нагрева автоклава с независимым регулированием температуры обеспечивает равномерный прогрев изделия.
Часто задаваемые вопросы
Основное отличие заключается в уровне давления уплотнения композита. При вакуумном формовании используется только атмосферное давление за счет создания разрежения под вакуумным мешком, что составляет около 0,1 МПа. Автоклавное формование дополнительно применяет избыточное давление сжатого газа до 2,0 МПа, что обеспечивает более эффективное уплотнение материала и снижение пористости до уровня менее 1 процента. Это критически важно для аэрокосмических конструкций, где требуются максимальные механические характеристики.
Для стандартных эпоксидных систем с температурой отверждения до 180 градусов применяют вакуумные мешки из нейлоновой пленки толщиной 50–100 микрометров. Для высокотемпературных процессов используют мешки из силиконового каучука, выдерживающие температуры до 300 градусов и пригодные для многократного применения. Перспективным направлением является разработка долговечных эластичных диафрагм, снижающих трудоемкость и стоимость процесса.
Промышленные автоклавы рассчитаны на срок эксплуатации не менее 20 лет при соблюдении регламентов технического обслуживания. Критическими элементами, требующими периодической замены, являются уплотнения загрузочных люков, нагревательные элементы и системы циркуляции газа. Проведение ежегодных гидравлических испытаний сосуда под давлением обеспечивает безопасность эксплуатации. Стоимость автоклава составляет значительную долю капитальных затрат производства, что обуславливает необходимость максимальной загрузки оборудования для обеспечения экономической эффективности.
Автоклавное формование применимо для консолидации термопластичных композитов, при этом температура процесса соответствует температуре плавления матрицы плюс 20–40 градусов. Для полиэфирэфиркетона это составляет 360–400 градусов, что требует специализированного высокотемпературного оборудования. Преимуществом термопластов является отсутствие химической реакции отверждения и возможность повторного формования при нагреве. Однако более высокая вязкость расплава термопластичных матриц требует применения повышенного давления до 3,0 МПа для качественной консолидации.
Скорость охлаждения после отверждения оказывает существенное влияние на уровень остаточных напряжений в композите вследствие различия коэффициентов термического расширения волокон и матрицы. Чрезмерно высокая скорость охлаждения может привести к образованию микротрещин в матрице. Контролируемое охлаждение со скоростью 2–5 градусов в минуту при сохранении давления в автоклаве позволяет минимизировать термомеханические напряжения. Для толстостенных деталей применяют еще более медленное охлаждение для обеспечения равномерного температурного поля по сечению изделия.
