Препрег — это композиционный материал, изготовленный из «предварительно пропитанных» волокон и частично отвержденной полимерной матрицы, такой как эпоксидная или фенольная смола, или даже термопласт, смешанный с жидкими каучуками или смолами . [1] Волокна часто имеют форму переплетения , а матрица используется для соединения их друг с другом и с другими компонентами во время производства. Термореактивная матрица отверждена лишь частично , что упрощает обращение; этот материал B-стадии требует хранения в холодильнике во избежание полного отверждения. Препрег B-этапа всегда хранится в охлаждаемых помещениях, поскольку тепло ускоряет полную полимеризацию. Следовательно, для отверждения композитных конструкций, изготовленных из препрегов, в большинстве случаев потребуется печь или автоклав . Основная идея материала препрега – использование анизотропных механических свойств вдоль волокон, при этом полимерная матрица обеспечивает наполняющие свойства, сохраняя волокна в единой системе.
Препрег позволяет пропитать волокна на плоской обрабатываемой поверхности или, скорее, в промышленном процессе, а затем придать пропитанным волокнам форму, которая может оказаться проблематичной для процесса горячего впрыска. Препрег также позволяет пропитать большое количество волокна, а затем хранить его в охлажденном помещении (ниже 20 ° C) в течение длительного периода времени для последующего отверждения. Этот процесс также может быть трудоемким по сравнению с процессом горячего впрыска, а добавленная стоимость приготовления препрега возникает на этапе поставщика материала.
Эту технологию можно использовать в авиационной промышленности. Как и в принципе, препрег может обрабатываться партиями. Несмотря на то, что стекловолокно широко применяется в самолетах, особенно в небольших авиационных двигателях, углеродное волокно используется в этом виде промышленности более высокими темпами, и спрос на него растет. Например, характеристика Airbus A380 осуществляется с помощью массовой доли. Эта массовая доля составляет около 20%, а у Airbus A350XWB массовая доля около 50% углеволоконных препрегов. Препреги из углеродного волокна используются в крыльях самолетов Airbus уже более 20 лет.
Использование препрега в автомобильной промышленности используется в относительно ограниченных количествах по сравнению с другими методами, такими как автоматическая укладка ленты и автоматическое размещение волокон. Основной причиной этого является относительная высокая стоимость волокон препрега, а также соединений, используемых в формах. Примером таких материалов является объемная формовочная масса (ВМС) или листовая формовочная масса (SMC).
Существует множество продуктов, в которых используется концепция препрега, среди которых следующие.
Существует множество типов волокон, которые могут быть отличными кандидатами для изготовления предварительно пропитанных волокон. [2] Наиболее распространенными волокнами среди этих кандидатов являются следующие волокна.
Матричные системы различают по температуре затвердевания и типу смолы. Температура отверждения сильно влияет на температуру стеклования и, следовательно, на рабочую температуру. Военные самолеты в основном используют системы с температурой 180 °C.
Матрица препрега состоит из смеси смолы и отвердителя, в некоторых случаях ускорителя. [3] Замораживание при температуре -20 °C предотвращает реакцию смолы с отвердителем. Если холодовая цепь прерывается, начинается реакция и препрег становится непригодным для использования. Существуют также высокотемпературные препреги, которые можно хранить определенное время при комнатной температуре. Эти препреги затем можно отверждать только в автоклаве при повышенной температуре.
В основном используются смолы на основе эпоксидной смолы. Также доступны препреги на основе виниловых эфиров. Поскольку винилэфирные смолы необходимо предварительно ускорять 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). Винилэфирная смола используется при высоких ударных нагрузках.
Свойства компонентов смолы и волокна влияют на развитие микроструктуры препрега VBO (только для вакуумного мешка) во время отверждения. Однако в целом свойства волокон и архитектура волоконного слоя стандартизированы, тогда как свойства матрицы стимулируют как препрег, так и разработку процессов. [4] Поэтому очень важно понять зависимость микроструктурной эволюции от свойств смолы, и она исследовалась многими авторами. Наличие сухих участков препрега может указывать на необходимость использования смол с низкой вязкостью. Однако Ридгард объясняет, что системы препрегов VBO спроектированы таким образом, чтобы оставаться относительно вязкими на ранних стадиях отверждения, чтобы препятствовать проникновению и сохранять достаточное количество сухих участков для эвакуации воздуха. Поскольку время вакуума при комнатной температуре, используемое для откачки воздуха из систем VBO, иногда измеряется часами или днями, крайне важно, чтобы вязкость смолы препятствовала хладотекучеству , что может преждевременно закупорить пути эвакуации воздуха. [5] Однако общий профиль вязкости должен также обеспечивать достаточную текучесть при температуре отверждения для полной пропитки препрега, чтобы в конечной детали не оставались всепроникающие сухие участки. [6] Кроме того, Бойд и Маскелл [7] утверждают, что для предотвращения образования и роста пузырьков при низком давлении консолидации как вязкие, так и эластичные характеристики препрега должны быть адаптированы к конкретным параметрам обработки, возникающим во время отверждения, и в конечном итоге гарантировать, что большая часть приложенного давления передается смоле. В целом, реологическая эволюция смол VBO должна сбалансировать уменьшение как пустот, вызванных захваченными газами, так и пустот, вызванных недостаточным потоком.
При комнатной температуре смола реагирует очень медленно и в замороженном виде остается стабильной в течение многих лет. Таким образом, препреги можно отверждать только при высоких температурах. [8] Их можно обрабатывать методом горячего прессования или в автоклаве. В обоих методах за счет давления объемная доля волокна увеличивается.
Наилучшие качества можно получить с помощью автоклавной техники. Сочетание давления и вакуума приводит к получению компонентов с очень низким содержанием воздушных включений. [9]
За отверждением может последовать процесс отпуска, который служит для полной сшивки.
Недавние достижения в области внеавтоклавных процессов (OOA) [10] обещают улучшить производительность и снизить затраты на композитные конструкции. Используя только вакуумные пакеты (VBO) для атмосферного давления, новые процессы OOA обещают обеспечить содержание пустот менее 1 процента, необходимое для первичных конструкций аэрокосмической отрасли. Этот метод , разработанный учеными-материаловедами из Исследовательской лаборатории ВВС , позволит сэкономить затраты на строительство и установку крупных структурных автоклавов (100 миллионов долларов сэкономлено в НАСА) и сделать небольшие производственные партии в 100 самолетов экономически жизнеспособными. [11]
{{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )