Препрег — это композитный материал, изготовленный из «предварительно пропитанных» волокон и частично отвержденной полимерной матрицы , такой как эпоксидная или фенольная смола, или даже термопластик, смешанный с жидкими каучуками или смолами . [1] Волокна часто принимают форму переплетения , а матрица используется для их соединения друг с другом и с другими компонентами во время производства. Термореактивная матрица отверждается только частично, что обеспечивает простоту обращения; этот материал B-Stage требует хранения в холодильнике, чтобы предотвратить полное отверждение. Препрег B-Stage всегда хранится в охлажденных помещениях, поскольку тепло ускоряет полную полимеризацию. Следовательно, композитные структуры, построенные из препрегов, в основном потребуют печи или автоклава для отверждения. Основная идея материала препрега заключается в использовании анизотропных механических свойств вдоль волокон, в то время как полимерная матрица обеспечивает заполняющие свойства, удерживая волокна в единой системе.
Pre-preg позволяет пропитывать волокна на плоской рабочей поверхности или, скорее, в промышленном процессе, а затем формировать пропитанные волокна в форму, которая может оказаться проблематичной для процесса горячего впрыска. Pre-preg также позволяет пропитывать большое количество волокна, а затем хранить его в охлажденном помещении (ниже 20 °C) в течение длительного периода времени для последующего отверждения. Процесс также может быть трудоемким по сравнению с процессом горячего впрыска, а добавленная стоимость для подготовки pre-preg находится на этапе поставщика материала.
Эта технология может быть использована в авиационной промышленности. В принципе, препрег имеет потенциал для обработки партиями. Несмотря на то, что стекловолокно имеет высокую применимость в самолетах, особенно в двигателях небольших самолетов, углеродное волокно используется в этой отрасли в более высоких объемах, и спрос на него растет. Например, характеристика Airbus A380 обрабатывается с помощью массовой доли. Эта массовая доля составляет около 20%, а Airbus A350XWB — с помощью массовой доли около 50% препрегов из углеродного волокна. Препреги из углеродного волокна используются в аэродинамических профилях флота Airbus уже более 20 лет.
Использование препрега в автомобильной промышленности осуществляется в относительно ограниченных количествах по сравнению с другими методами, такими как автоматизированная укладка ленты и автоматизированная укладка волокна. Основной причиной этого является относительно высокая стоимость волокон препрега, а также соединений, используемых в формах. Примерами таких материалов являются объемные формовочные смеси (BMC) или листовые формовочные смеси (SMC).
Этот материал используется для изготовления дверей кабины пилотов Airbus A320 . Этот материал обеспечивает пуленепробиваемость. [2]
Существует множество продуктов, использующих концепцию препрега, среди которых следующие.
Существует много типов волокон, которые могут быть отличными кандидатами для приготовления предварительно пропитанных волокон. [3] Наиболее распространенными волокнами среди этих кандидатов являются следующие волокна.
Матричные системы различаются по температуре отверждения и типу смолы. Температура отверждения сильно влияет на температуру стеклования и, следовательно, на рабочую температуру. Военные самолеты в основном используют системы 180 °C
Матрица препрега состоит из смеси смолы и отвердителя, в некоторых случаях ускорителя. [4] Замораживание при -20 °C предотвращает реакцию смолы с отвердителем. Если холодовая цепь прерывается, реакция начинается, и препрег становится непригодным к использованию. Существуют также высокотемпературные препреги, которые можно хранить в течение определенного времени при комнатной температуре. Затем эти препреги можно отверждать только в автоклаве при повышенной температуре.
В основном используются смолы на основе эпоксидной смолы. Также доступны препреги на основе винилового эфира. Поскольку виниловые эфирные смолы должны быть предварительно ускорены аминным ускорителем или кобальтом, время их обработки при комнатной температуре короче, чем у препрегов на основе эпоксидной смолы. Катализаторы (также называемые отвердителями) включают пероксиды, такие как пероксид метилэтилкетона (MEKP), пероксид ацетилацетона (AAP) или пероксид циклогексанона (CHP). Виниловая эфирная смола используется при высоких ударных нагрузках.
Свойства компонентов смолы и волокна влияют на эволюцию микроструктур препрега VBO (только вакуумный мешок) во время отверждения. Однако, как правило, свойства волокон и архитектура волоконного слоя стандартизированы, тогда как свойства матрицы управляют как препрегом, так и разработкой процесса. [5] Поэтому зависимость микроструктурной эволюции от свойств смолы имеет решающее значение для понимания и была исследована многочисленными авторами. Наличие сухих областей препрега может указывать на необходимость использования смол с низкой вязкостью. Однако Ридгард объясняет, что системы препрега VBO разработаны так, чтобы оставаться относительно вязкими на ранних стадиях отверждения, чтобы препятствовать инфильтрации и обеспечивать достаточное количество сухих областей для откачки воздуха. Поскольку вакуумные удержания при комнатной температуре, используемые для откачки воздуха из систем VBO, иногда измеряются часами или днями, критически важно, чтобы вязкость смолы подавляла холодную текучесть , что может преждевременно запечатать пути откачки воздуха. [6] Однако общий профиль вязкости также должен обеспечивать достаточный поток при температуре отверждения для полной пропитки препрега, чтобы в конечной части не оставались всепроникающие сухие области. [7] Кроме того, Бойд и Маскелл [8] утверждают, что для подавления образования и роста пузырьков при низких давлениях консолидации как вязкостные, так и эластичные характеристики препрега должны быть настроены на конкретные параметры обработки, встречающиеся во время отверждения, и в конечном итоге гарантировать, что большая часть приложенного давления передается смоле. В целом реологическая эволюция смол VBO должна уравновешивать уменьшение как пустот, вызванных захваченными газами, так и пустот, вызванных недостаточным потоком.
При комнатной температуре смола реагирует очень медленно, а при замораживании остается стабильной в течение многих лет. Таким образом, препреги могут быть отверждены только при высоких температурах. [9] Их можно обрабатывать методом горячего прессования или методом автоклавирования. Под давлением объемная доля волокна увеличивается в обоих методах.
Наилучшее качество может быть получено с помощью автоклавной техники. Сочетание давления и вакуума приводит к получению компонентов с очень низким содержанием воздушных включений. [10]
После отверждения может последовать процесс отпуска, который служит для полного сшивания.
Недавние достижения в процессах вне автоклава (OOA) [11] обещают улучшить производительность и снизить затраты на композитные конструкции. Используя только вакуумный мешок (VBO) для атмосферного давления, новые процессы OOA обещают обеспечить содержание пустот менее 1 процента, необходимое для основных аэрокосмических конструкций. Под руководством материаловедов из Исследовательской лаборатории ВВС , эта технология сэкономит затраты на строительство и установку больших автоклавов (сэкономит 100 миллионов долларов в NASA) и сделает небольшие производственные партии в 100 самолетов экономически выгодными. [12]
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )