Капиллярная пропитка пакета семипрегов при изготовлении композитных элементов летательных аппаратов

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Федяев В. Л.1*, Халиулин В. И.2**, Сидоров И. Н.2***, Катаев Ю. П.2****

1. Институт механики и машиностроения Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук», ул. Лобачевского, 2/31, Казань, 20111, Россия
2. Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ, ул. Карла Маркса, 10, Казань, 420111, Россия

*e-mail: vlfed2020@gmail.com
**e-mail: pla.kai@mail.ru
***e-mail: insidorov1955@mail.ru
****e-mail: YuPKataev@kai.ru

Аннотация

Разработаны математические модели капиллярной пропитки связующим тканого наполнителя пакета семипрегов. Технологическая схема на основе семипрегов и вакуумного формования имеет большой потенциал применения при изготовлении перспективных конструкций ракетной и авиационной техники. Исследование процессов капиллярной пропитки в дополнение к фильтрации делает картину совмещения армирующего материала со связующим более полной. В перспективе это дает возможность вакуумным формованием получить характеристики пористости в композите, сопоставимые с получаемыми автоклавным методом. Открывается возможность с меньшими затратами и циклом производства изготавливать крупногабаритные элементы летательных аппаратов. При построении модели капиллярной пропитки предполагается, что волокна армирующего наполнителя состоят из пучка монолитных моноволокон, в качестве основного выделено продольное движение связующего в трубках капилляров и поперечное – в капиллярных щелях. После принятия ряда упрощений получены соотношения для расчета времени заполнения капилляров связующим, зависящего от их длины, радиуса, поверхностного натяжения, вязкости связующего и других факторов. Показано, что закономерности, наблюдаемые при перемещении связующего в трубчатых капиллярах, в общем случае имеют место и при его движении в щелевых капиллярах. В результате анализа полученных данных предложены способы интенсификации пропитки пористых материалов.

Ключевые слова:

композиционные материалы, семипреги, вакуумное формование, капиллярная пропитка, пористость, проницаемость, моделирование пропитки семипрегов, расчет времени пропитки

Библиографический список

  1. Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 224 с.

  2. Скардино Ф., Хирл Дж., Кавабата С. и др. Тканые конструкционные композиты / Под ред. Т.-В. Чу, Ф. Ко; Пер. с англ. Н.П. Жмудя, В.Л. Кулакова под ред. Ю.М. Тарнопольского. – М.: Мир, 1991. – 430 с.

  3. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. № 1. С. 36–39.

  4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5. С. 7–17.

  5. Воробей В.В., Логинов В.Е. Современный подход к разработке конструкций из композиционных материалов // Вестник Московского авиационного института. 2002. Т. 9. № 1. С. 66–72.

  6. Белов О.А., Бердникова Н.А., Бабкин А.В., Козлов М.В., Белов Д.А. Композитная формообразующая оснастка // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 2. С. 115–122.

  7. Бухаров С.В., Лебедев А.К., Зинин А.В. Пространственное армирование прошивкой высокоплотных толстостенных заготовок слоистых композиционных материалов // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей XII Международной научно-технической конференции (27 мая–01 июня 2019; Иркутск). – Иркутск: Изд-во ИНИТУ, 2019. С. 107–115.

  8. Насонов Ф.А., Алексашин В.М., Мельников Д.А., Бухаров С.В. Исследование влияния модифицирования эпоксидной матрицы и углепластика на ее основе стеаратом цинка на основные технологические свойства композиции // Вопросы материаловедения. 2018. № 3(95). С. 146–156. DOI: 10.22349/1994-6716-2018-95-3-146-156

  9. Донецкий К.И., Душин М.И., Мищун М.И., Севастьянов Д.В. Некоторые особенности применения семипрегов для вакуумного формования ПКМ (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 12(60). С. 81–93.

  10. Душин М.И., Донецкий К.И., Тимошков П.Н., Караваев Р.Ю. Исследование процесса безавтоклавного формования семипрегов на основе углеродных наполнителей (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 9(69). С. 21–31.

  11. Furukawa Y., Furuta T., Chiba T. et al. Semipreg, prepreg, resin composite materials, and production methods thereof. Patent US 2020/0148846 A1, 14.03.2020.

  12. Кузнецова П.А., Ткачук А.И., Караваев Р.Ю., Донецкий К.И. Применение семипрегов для изготовления методом вакуумного формования панелей корпусных конструкций из ПКМ // Труды ВИАМ. 2023. № 8(126). С. 74–84. DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-8-74-84

  13. Arafath A.R.A., Fernlund G., Poursartip A. Gas transport in prepregs: Model and permeability experiments // 17th International Conference on Composite Materials (27-31 July 2009; Edinburgh, UK).

  14. Душин М.И., Чурсова Л.В., Хрульков А.В., Коган Д.И. Особенности изготовления ПКМ методом вакуумной инфузии // Вопросы материаловедения. 2013. № 3(75). С. 33–40.

  15. Hindersmann A. Confusion about infusion: An overview of infusion processes // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2019. Vol. 126. No. 6: 105583. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.105583

  16. Tanaka T., Nakamura T., Hiraishi Y. et al. Resin integrated fiber sheet for vacuum forming, and formed body production method using same. Patent WO/2021/095626, 16.07.2021.

  17. Préau M. Defect management in vacuum bag only semipreg processing of co-bonded composite repairs. A thesis submitted to McGill University in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy. - Montréal, Québec, Canada, 2016. – 226 p.

  18. Джоган О.М., Костенко О.П. Методы изготовления деталей из композиционных материалов пропиткой в оснастке. Часть 1. Методы пропитки под давлением // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. 2011. № 4. С. 111–125.

  19. Джоган О.М., Костенко О.П. Методы изготовления деталей из композиционных материалов пропиткой в оснастке. Часть 2. Методы вакуумной пропитки // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. 2012. № 1. С. 80–92.

  20. Федяев В.Л., Халиулин В.И., Сидоров И.Н., Гимадиев Р.Ш. Особенности пропитки семипрегов в производстве авиационных конструкций // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 69–77.

  21. Бодунов Н.М., Халиулин В.И., Сидоров И.Н., Костин В.А. К вопросу о моделировании процесса пропитки преформы при трансферном формовании композитных изделий // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 1. С. 233–245. DOI: 10.34759/vst-2020-1-233-245

  22. Алифанов О.М., Черепанов В.В. Идентификация физических свойств высокопористых волокнистых материалов методом статистического моделирования // Вестник Московского авиационного института. 2008. Т. 15. № 5. С. 109–117.

  23. Centea T., Hubert P. Modelling the effect of material properties and process parameters on tow impregnation in out-of-autoclave prepregs // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2012. Vol. 43. No. 9, pp. 1505-1513. DOI: 10.1016/j.compositesa.2012.03.028

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024