Динамичное развитие рынка изделий из композитов в последние несколько лет значительно изменило подход к изготовлению изделий и, как результат, – к качеству продукции [1, 2].

Предприятия по изготовлению ПКМ в настоящее время – это не только однотипное, серийное и отлаженное производство. Современное предприятие должно быть готово к выполнению новых сложных задач, оптимально подбирая материалы и технологии в соответствии с поставленными задачами [3, 4].

Для того чтобы оставаться конкурентоспособным, предприятие должно разрабатывать технологии более низкозатратного производства, которое менее трудоемкое и капиталоемкое, а также более компьютеризированое, чем традиционные методы [5, 6].

Для повышения ликвидности заказчики все чаще переходят на материал, произведенный с помощью безавтоклавных технологий, в том числе изготовленный методом вакуумной инфузии.

Среди основных преимуществ технологии пропитки под вакуумом (инфузия) можно выделить следующие:

– экономичность (небольшие затраты на организацию производства; отсутствие сложного технологического оборудования; гораздо меньший расход смолы, чем при использовании контактного формования);

– экологичность (система закрытая, поэтому снижается выброс мономера и других вредных летучих веществ в воздух рабочей зоны);

– неограниченная продолжительность укладки (возможность изготовления габаритных изделий).

В процессе инфузии воздух с помощью насоса удаляется из изделия практически полностью, что обеспечивает низкую пористость и благоприятно влияет на прочность изделия [7]. В настоящее время с помощью этой технологии можно изготовлять различные изделия для таких секторов промышленности, как кораблестроение и судостроение, энергетика, авиация, автомобилестроение и других (рис. 1).

Рисунок 1. Готовые изделия, произведенные методом вакуумной инфузии: спортивный катер (а) и автомобиль Pagani Zonda (б, в)

Для российских предприятий остро стоит проблема выбора наполнителя, так как отечественные заводы по производству тканых наполнителей пока не способны выполнить две главные задачи – уменьшение стоимости и повышение прочностных характеристик, поэтому приходится налаживать контакты с иностранными производителями. За последнее время для разработки ПКМ в ВИАМ синтезированы новые маловязкие смолы [8–10], а также использованы высокопрочные зарубежные наполнители – Porcher артикулов 3673, 3101 и т. д.).

Рисунок 2. Технологический пакет для пропитки

Технологический процесс вакуумной инфузии достаточно прост, также как и сборка пакета. Создание вакуума происходит пока наполнитель еще сухой. Затем смола всасывается за счет вакуумного давления. В отличие от традиционных способов нанесения смолы, процесс вакуумной инфузии исключает необходимость откачивания лишнего связующего. В итоге вводится требуемое количество смолы, необходимое для пропитки материала. Это в какой-то степени уменьшает затраты на производство изделия, снижает массу, повышает прочность и улучшает объемное соотношение волокна к смоле. Регулирование содержания связующего в наполнителе играет немаловажную роль для готового изделия. Это возможно и в данной технологии путем вариации вакуумного давления. Для равномерного распределения смолы по поверхности армирующего материала применяют различные варианты укладки распределительной ленты, зависящие от площади и формы пропитываемого изделия. Широко используется также спиральная трубка, которая располагается по периметру пакета – приблизительно на расстоянии 5 см от кромки ткани (рис. 2).

Толщина изделия пропорциональна величине вакуума, что помогает, основываясь на множестве экспериментов, построить кривую зависимости, с помощью которой можно определить (до пропитки) толщину монослоя уже готового пластика [11, 12].

Одним из главных факторов достижения низкой пористости является технология сборки пакета для вакуумной пропитки, при которой дегазация связующего играет не последнюю роль в конечном результате. Без этого невозможно получить пластик, удовлетворяющий требованиям заказчика, одним из которых является низкая стоимость, поэтому необходимо развивать безавтоклавные технологии.

Рисунок 3. Схема сборки пакета с применением воздухопроницаемой мембраны

Исследования по разработке материала, изготовленного методом пропитки под вакуумом и обладающего низкой пористостью, в ВИАМ ведутся давно. Проведено множество экспериментов по технологии сборки вакуумного пакета, что позволило выявить оптимальный набор вспомогательных материалов, с помощью которых остатки воздуха в смоле (после дегазации) удаляются практически полностью. Это помогает добиться низкого содержания пор в пластике (˂2%), что сопоставимо с пористостью материала, полученного автоклавным методом. Для этого применяется технология, в которой укладка материалов образует две вакуумные полости. Первая, где смола заполняет капилляры материала. Вторая, через которую осуществляется вакуумирование, отделена от первой воздухопроницаемой мембраной, которая, в свою очередь, пропускает газы и не пропускает смолу. При этой технологии вероятность брака ниже, так как вследствие равномерного распределения вакуумного давления по поверхности пропитываемого материала из-за применения системы двух вакуумных полостей, разнотолщинность готового изделия будет минимальной (рис. 3). Тем не менее применение мембраны ограничивает видимость пропитки, что усложняет весь процесс. Для этого желательно контролировать количество связующего, поступающего в пакет. С этой целью возможно использование во время пропитки обычных промышленных весов с точностью, зависящей от массы пропитываемого изделия. Основным недостатком воздухопроницаемой мембраны является ее цена, что ограничивает область ее применения.

Часто главной проблемой, возникающей при пропитке крупногабаритного изделия, является фактор нехватки времени. Многие смолы имеют жизнеспособность ~30 мин, хотя возможно применение связующих с жизнеспособностью ˃2 ч, например, такие как синтезированное в ВИАМ эпоксидное связующее [13]. Тем не менее это не может гарантировать нужного количества времени для какого-либо крупного объекта, так как дегазация связующего играет важную роль в качестве конечного изделия – время, затраченное на вакуумирование связующего, может составлять ˃1 ч. Как правило, связующие, имеющие низкую вязкость, легче проникают в наполнитель, но это не ограничивает разработчиков в выборе смол, имеющих вязкость ˃1 Па·с. Потребуется более тщательный анализ, большее количество входов смолы в пропитываемый пакет наполнителя, больше линий для быстрого распределения смолы.

В таблице приведен пример, как можно получить низкопористый пластик, изготовленный методом вакуумной инфузии на основе двухкомпонентного эпоксидного связующего и французской ткани Porcher арт. 3673. При этом данный материал способен выдержать высокие нагрузки при температуре ˃100°С.

Физико-механические свойства материала на основе разработанного эпоксидного

связующего, полученного методом вакуумной инфузии

В авиастроении каждая деталь авиалайнера имеет различные прочностные характеристики. Достоинством пропитки под вакуумом является получение ПКМ с наилучшим соотношением волокна к смоле, что играет немаловажную роль для решения этих проблем. В мировой практике ставилось много экспериментов, которые показали, что применение автоклавной технологии не дает больших преимуществ по сравнению с вакуумным формованием. Единственное преимущество, выявленное в ходе этих экспериментов, – это увеличение модуля упругости на 2%. Прочность и пористость остались на одном и том же уровне.

На основании зарубежных и отечественных экспериментов можно сделать выводы, что будущее за применением безавтоклавных технологий, в том числе и за комбинированием различных методов пропитки.