| Тип пористости | Механизм образования | Характерные размеры | Влияние на эксплуатационные свойства |
|---|---|---|---|
| Газовая | Захват воздуха при пропитке, выделение летучих компонентов связующего | От 0,01 до 5 мм | Концентраторы напряжений, снижение межслоевой прочности |
| Усадочная | Объемная усадка при отверждении, недостаточное уплотнение | От 0,001 до 0,5 мм | Инициирование микротрещин, снижение влагостойкости |
| Открытая | Неполная пропитка волокнистого наполнителя | Переменная | Капиллярное поглощение влаги, ускоренная деградация |
| Закрытая | Изолированные газовые включения в полимерной матрице | От 0,01 до 1 мм | Снижение сопротивления усталости при циклическом нагружении |
| Метод контроля | Принцип действия | Область применения | Нормативный документ |
|---|---|---|---|
| Ультразвуковой контроль | Отражение упругих волн от дефектов структуры | Многослойные ламинаты, толщина до 200 мм | ГОСТ Р 56814-2015 |
| Рентгенография | Регистрация проникающего излучения | Изделия сложной геометрии, многослойные конструкции | ГОСТ Р 56811-2015 |
| Оптическая микроскопия | Визуализация шлифов в проходящем и отраженном свете | Лабораторные исследования структуры | ГОСТ Р 56813-2015 |
| Растровая электронная микроскопия | Сканирование электронным пучком | Детальный анализ межфазных границ и пористости | ГОСТ Р 56787-2015 |
| Газовая пикнометрия | Измерение истинной плотности методом вытеснения | Определение общей объемной доли пор | ASTM D792 |
| Содержание пор, об.% | Изменение прочности на растяжение | Изменение прочности на изгиб | Изменение межслоевой прочности |
|---|---|---|---|
| До 0,5 | Снижение до 5% | Снижение до 7% | Снижение до 8% |
| 0,5-1 | Снижение 5-10% | Снижение 7-12% | Снижение 8-15% |
| 1-2 | Снижение 10-15% | Снижение 12-18% | Снижение 15-25% |
| 2-3 | Снижение 15-25% | Снижение 18-28% | Снижение 25-35% |
| Более 3 | Снижение более 25% | Снижение более 28% | Снижение более 35% |
Содержание статьи
- Механизмы формирования пористости в композитных материалах
- Классификация дефектов пористой структуры
- Технологические методы снижения пористости
- Вакуумная инфузия для минимизации воздушных включений
- Автоклавное формование и контроль отверждения
- Критерии допустимости пористости в конструкционных изделиях
Механизмы формирования пористости в композитных материалах
Образование пористых структур в полимерных композитах представляет собой сложный многофакторный процесс, связанный с особенностями технологии изготовления изделий. Основными источниками газовой фазы выступают воздушные включения при механическом смешивании компонентов, летучие продукты реакции полимеризации эпоксидных и полиэфирных систем, влага на поверхности армирующих волокон.
При контактном формовании критическим этапом становится пропитка волокнистого наполнителя связующим. Недостаточная текучесть смолы или высокая скорость укладки слоев препятствуют полному смачиванию волокон, создавая межфазные полости размером от микрометров до миллиметров. Данный механизм особенно характерен для материалов с высокой объемной долей армирования более пятидесяти пяти процентов.
Температурный режим отверждения оказывает существенное влияние на кинетику газовыделения. При ускоренной полимеризации термореактивных связующих происходит интенсивное выделение низкомолекулярных соединений, которые не успевают диффундировать к поверхности и формируют замкнутые поры в объеме полимерной матрицы.
Усадочные процессы связаны с различием коэффициентов термического расширения матрицы и волокон. В процессе охлаждения после отверждения возникают локальные зоны растяжения, приводящие к образованию микропустот на межфазной границе. Величина усадки эпоксидных систем составляет от двух до восьми процентов по объему в зависимости от типа отвердителя.
↑ К оглавлениюКлассификация дефектов пористой структуры
Морфологический анализ позволяет выделить несколько категорий дефектов в зависимости от размера, формы и расположения в структуре композита. Газовые включения макромасштаба характеризуются сферической геометрией с размером от одной десятой до пяти миллиметров. Такие дефекты формируются в зонах с затрудненным выходом газов.
Микропористость матрицы представлена совокупностью мелкодисперсных пор размером менее ста микрометров, распределенных по объему связующего. Данный тип дефектов типичен для систем с недостаточной дегазацией компонентов или повышенным газовыделением при полимеризации.
Особенности открытой и закрытой пористости
Открытая пористость формирует систему взаимосвязанных каналов, обеспечивающих капиллярный транспорт жидкостей. Такие дефекты критичны для изделий, работающих в условиях контакта с агрессивными средами, поскольку способствуют диффузии влаги к армирующим волокнам. Закрытые поры изолированы от внешней среды и представляют меньшую угрозу с точки зрения химической стойкости, однако служат концентраторами напряжений.
Содержание открытых пор более двух процентов недопустимо для деталей, эксплуатируемых под давлением или в морской воде. Требуется контроль водопоглощения согласно ASTM D570 перед приемкой изделий.
Технологические методы снижения пористости
Современные производственные процессы предусматривают комплекс мероприятий по минимизации газовых включений на всех стадиях изготовления. Предварительная дегазация компонентов связующего проводится в вакуумной камере при остаточном давлении не более ста паскалей в течение тридцати-шестидесяти минут. Данная операция позволяет удалить растворенные газы.
Контроль влажности армирующих материалов достигается термической обработкой при температуре от ста двадцати до ста пятидесяти градусов Цельсия. Остаточная влажность после сушки не должна превышать нуля целых двух десятых процента по массе для углеродных волокон согласно требованиям ГОСТ 32794-2014.
Оптимизация режимов отверждения
Ступенчатый температурный цикл с выдержками при промежуточных температурах обеспечивает контролируемое выделение летучих продуктов. Типовой режим для эпоксидных систем включает стадию при восьмидесяти градусах продолжительностью два часа, с последующим подъемом до ста двадцати - ста восьмидесяти градусов. Скорость нагрева ограничивается значением от одного до трех градусов в минуту.
↑ К оглавлениюВакуумная инфузия для минимизации воздушных включений
Технология вакуумной инфузии представляет собой прогрессивный метод формования, обеспечивающий минимальный уровень пористости готовых изделий. Процесс основан на пропитке армирующего материала жидким связующим за счет перепада давления. Достижимое значение остаточного содержания пор составляет от пяти десятых до одного процента.
Критическими параметрами выступают глубина вакуума, вязкость связующего и проницаемость преформы. Рабочее разрежение поддерживается на уровне от девятисот до девятисот девяноста паскалей. Вязкость инфузионных смол при температуре пропитки не должна превышать пятисот миллипаскаль-секунд.
Вакуумная инфузия позволяет изготавливать крупногабаритные детали без дорогостоящих автоклавов. Содержание армирующего наполнителя достигает от пятидесяти пяти до шестидесяти пяти процентов по массе, что соответствует уровню препреговых технологий.
Система распределения смолы
Конструкция каналов подвода связующего определяет характер фронта пропитки и равномерность заполнения. Применение распределительных сеток обеспечивает создание зон повышенной проницаемости. Расстояние между точками инжекции составляет от пятисот до двух тысяч миллиметров для типовых стеклотканей.
↑ К оглавлениюАвтоклавное формование и контроль отверждения
Автоклавная технология остается эталонным методом производства высококачественных композитных конструкций. Избыточное давление от четырех до семи атмосфер в сочетании с вакуумированием создает условия для полного вытеснения газовых включений. Финальная пористость изделий не превышает нуля целых трех десятых процента.
Цикл автоклавного формования включает стадию предварительной консолидации при комнатной температуре и давлении от нуля целых восьми десятых до нуля целых девяти десятых атмосферы продолжительностью от пятнадцати до тридцати минут. Данный этап необходим для уплотнения пакета препрега до начала желатинизации.
Синхронизация температуры и давления
Приложение избыточного давления осуществляется после достижения температуры от пятидесяти до семидесяти градусов Цельсия. Преждевременное повышение давления может привести к выдавливанию смолы из зон армирования. Контроль осуществляется термопарами, заложенными в толщу ламината.
↑ К оглавлениюКритерии допустимости пористости в конструкционных изделиях
Нормирование допустимого содержания пор осуществляется на основании требований к механическим характеристикам и условиям эксплуатации. Для ответственных авиационных конструкций максимально допустимый уровень пористости ограничивается одним процентом. Превышение данного порога приводит к снижению усталостной долговечности.
Для изделий неответственного назначения допускается пористость до трех процентов при обеспечении требуемых показателей прочности. Судовые конструкции, контактирующие с морской водой, требуют контроля открытой пористости с ограничением на уровне нуля целых пяти десятых процента.
Особое внимание следует уделять контролю пористости в зонах концентрации напряжений: вырезах, отверстиях, резких изменениях толщины. Локальное повышение содержания пор в этих областях может стать причиной преждевременного разрушения при эксплуатационных нагрузках.
Методика определения количественных показателей
Объемная доля пор рассчитывается на основании измерения фактической и теоретической плотности образцов. Теоретическая плотность определяется как средневзвешенное значение плотностей компонентов. Фактическая плотность измеряется методом гидростатического взвешивания согласно ASTM D792 или газовой пикнометрией.
↑ К оглавлению