При выборе материалов для стеклопластика много внимания уделяют марке смолы, типу армирования и схеме укладки.
Но даже если эти параметры заданы, свойства готового изделия ещё не определены окончательно.
Один и тот же набор компонентов можно сформовать разными способами — и получить ламинаты с разной толщиной, количеством дефектов и механическими характеристиками.
Это хорошо видно в исследовании Krzysztof Piernik, Irena Chatys и Rafał Chatys, где сравнивались стеклопластиковые ламинаты, изготовленные ручным контактным формованием и вакуумным мешком.
Целью авторов было определить, насколько технология производства влияет на качество и прочностные свойства материала.
Что сравнивали
В исследовании использовали стеклянное армирование и ненасыщенную полиэфирную смолу BÜFA Firestop 8170-W1.
Ламинаты имели симметричную структуру [0/90/0/90].
Для обеих технологий были заданы режимы формования и последующей выдержки.
Различался прежде всего способ формирования ламината.
Ручное контактное формование
Армирование пропитывалось смолой вручную. Качество структуры в значительной степени зависело от равномерности пропитки, распределения смолы, удаления воздуха, соблюдения толщины и выполнения операций оператором.
Вакуумный мешок
После ручной пропитки ламинат закрывали гибким мешком, герметизировали и подключали к вакуумному насосу. Разрежение способствовало удалению воздуха и уплотнению структуры.
После изготовления образцы испытывали на статическое растяжение.
Что получилось
Разница появилась не только в абсолютной прочности.
Одним из наиболее важных результатов стала повторяемость характеристик.
Авторы отмечают, что результаты образцов, изготовленных ручным способом, имели существенно больший разброс, чем результаты вакуумного формования.
Средние значения прочности:
| Направление испытания | Ручное формование | Вакуумный мешок |
|---|---|---|
| 0° | 117,57 МПа | 131,35 МПа |
| 90° | 125,83 МПа | 144,95 МПа |
Средние значения модуля, приведённые авторами (ГПа):
| Направление испытания | Ручное формование | Вакуумный мешок |
|---|---|---|
| 0° | 9,70 | 11,65 |
| 90° | 11,55 | 14,11 |
Прочность ламинатов при разных способах формования. По данным Piernik, Chatys, Chatys, 2015.
Для направления 90° разница средней прочности — около 15% в пользу вакуумного метода. Это значение относится к конкретному направлению и конкретному эксперименту, а не к технологии формования в целом.
- выше средняя прочность;
- меньше разброс результатов;
- примерно на 20% меньшая толщина;
- более контролируемое формирование структуры.
Эти значения относятся только к конкретным материалам, схеме армирования и условиям эксперимента и не являются универсальной характеристикой всех ручных и вакуумных технологий.
Более высокая прочность — только половина результата
В выводах исследования авторы выделяют два эффекта вакуумного формования одновременно: более высокую среднюю прочность и меньший разброс прочностных характеристик.
Второй показатель для производства принципиально важен.
Если технология даёт высокую среднюю прочность, но при этом характеристики отдельных изделий сильно различаются, возникает проблема воспроизводимости.
Поэтому вопрос качества композита — это не только «какую максимальную прочность мы получили?», но и «насколько стабильно мы можем получать этот результат от изделия к изделию?»
В исследовании ручное контактное формование показало более заметную изменчивость характеристик, тогда как вакуумный способ обеспечил более стабильные результаты.
Откуда берётся разница
Причина не в том, что вакуум делает саму полиэфирную смолу прочнее.
Меняется структура сформированного композита.
При изготовлении ламината могут возникать: неравномерное расположение волокон, локальная прерывистость армирования, нарушения адгезии на границе волокно–матрица, пустоты, микрополости, микротрещины, локальный недостаток или избыток смолы.
Авторы подчёркивают, что такие дефекты являются одной из причин, по которой свойства готового композита нельзя надёжно определить только по характеристикам исходных компонентов — тот же принцип мы разбирали в статье «Из чего состоит стеклопластик».
Свойства готового композита зависят от того, какую структуру реально сформировал производственный процесс.
Толщина тоже изменилась
В исследовании ламинат, полученный с использованием вакуумного мешка, оказался примерно на 20% тоньше, чем ламинат ручного формования.
При этом его средние прочностные характеристики были выше.
Это хороший пример того, почему в композитах нельзя автоматически рассуждать: «толще = прочнее».
Толщина сама по себе не показывает качество структуры. Важно: сколько в ламинате армирования, насколько оно равномерно расположено, как выполнена пропитка, сколько воздуха и пустот осталось внутри, насколько стабильно сформирована структура.
Почему ручное формование даёт больший разброс
При ручном формовании значительная часть результата зависит от выполнения операций человеком.
Даже при одинаковой рецептуре материала могут различаться: количество внесённой смолы, степень пропитки, давление прикатки, удаление пузырьков, локальная толщина, фактическая доля армирования.
Вакуум добавляет к процессу механизм уплотнения и удаления воздуха.
В рассматриваемой работе авторы связывают его с удалением пузырьков и возможностью повысить долю армирования примерно до 55%.
Это не означает, что любой вакуумный ламинат автоматически будет качественным.
Ошибки возможны и здесь: негерметичность мешка, недостаточная пропитка, неправильный режим вакуума, нарушение отверждения, технологические ошибки оператора.
Поэтому правильный вывод: чем лучше технология контролирует формирование структуры композита, тем выше вероятность получить требуемые и воспроизводимые свойства.
Дефект начинается раньше, чем становится виден
Авторы отдельно рассматривают нарушение связи между волокном и матрицей.
Такие повреждения могут возникать на ранних стадиях деградации структуры.
На начальном этапе они могут ещё не оказывать сильного влияния на макроскопические характеристики, но становятся первым звеном дальнейшего разрушения материала.
Это важно для практики: внешне нормальный ламинат ещё не гарантирует, что его внутренняя структура сформирована одинаково хорошо по всему объёму.
Что это означает на практике
Если в техническом задании указано только «полиэфирная смола + стеклянное армирование [0/90/0/90]», этого недостаточно, чтобы предсказать свойства готового изделия.
- Способ формования
- Долю армирования
- Качество пропитки
- Наличие пустот
- Стабильность толщины
- Качество межфазной связи
- Воспроизводимость технологического процесса
В конечном счёте испытывается не смола и не стекловолокно по отдельности. Испытывается структура, которую из них сформировало производство.
Главное
В рассмотренном исследовании вакуумное формование дало более высокие средние прочностные характеристики и меньший разброс результатов по сравнению с ручным контактным формованием.
Для направления 90° разница средней прочности составила около 15%, а сам вакуумный ламинат был примерно на 20% тоньше.
Но главный вывод работы шире этих цифр: технология производства является одним из факторов, формирующих свойства самого композита.
Поэтому два изделия из одинаковой смолы и одинакового стеклянного армирования ещё не обязательно являются одинаковым материалом.
В статье используются экспериментальные данные авторов по сравнению ручного контактного формования и вакуумного мешка для конкретного стеклопластикового ламината. Графики и схемы на странице — собственная визуализация Академии по данным публикации.
- Krzysztof Piernik, Irena Chatys, Rafał Chatys. The Impact of Methods of Forming on the Mechanical Properties of Fiber-reinforced Polymer-matrix Composite Materials. Transport and Aerospace Engineering, 2015.
Консультация Академии по технологии производства
Эксперты Академии могут помочь оценить конструкцию и технологический процесс, выявить причины дефектов и разброса характеристик, подобрать материалы и способ формования под конкретные требования к изделию.
Получить консультацию →