ПРЕПРЕГ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к области высокопрочных композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих, которые могут быть использованы в авиационной промышленности, в машиностроении и других областях техники. Препрег включает (мас.%): эпоксидную клеевую композицию (30-60) и углеродный наполнитель (40-70), обработанный эпоксидным аппретом на основе жгутов, имеющих не более 2 круток на метр, линейную плотность 100-72000 текс и состоящих из элементарных волокон с прочностью 3000 МПа - 4500 МПа. Препрег обладает повышенной прочностью при растяжении, сжатии, сдвиге и повышенной стойкостью к ударному воздействию получаемых из него изделий. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Препрег, включающий связующее - эпоксидную клеевую композицию, содержащую эпоксидиановую смолу или ее смесь с одной или несколькими эпоксидными смолами, выбранными из группы N,N-тетраглицидиловое производное 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, отвердитель - дициандиамид и полиарилсульфон и волокнистый углеродный наполнитель при соотношении компонентов в мас.%: клеевая композиция 30-60, наполнитель 40-70, отличающийся тем, что в качестве волокнистого углеродного наполнителя он содержит обработанный эпоксидным аппретом наполнитель на основе углеродных жгутов, имеющих не более 2 круток на метр, линейную плотность 100-72000 текс и состоящих из элементарных волокон с прочностью 3000 - 4500 МПа.

2. Препрег по п.1, отличающийся тем, что наполнитель на основе углеродных жгутов выполнен в виде ленты с редким утком из органических или неорганических волокон.

3. Изделие, отличающееся тем, что оно выполнено путем формования препрега по п.1 или 2.

Изобретение относится к области высокопрочных композиционных материалов на основе волокнистых наполнителей и полимерных связующих, которые могут быть использованы в авиационной промышленности, в машиностроении и других областях техники.

Известен препрег и композиционный материал на основе эпоксидного связующего, модифицированного каучуком, и углеродного волокна в качестве наполнителя, полученные пропиткой углеродных волокон эпоксидным связующим с последующим отверждением (патент EP №0927737).

Недостатком этого материала является снижение упругопрочностных и эксплуатационных характеристик вследствие того, что препрег получают пропиткой наполнителя связующим в виде раствора в спиртоацетоновой смеси, что вызывает необходимость удаления растворителя в процессе пропитки и приводит к повышенной пористости материала.

Известен препрег, включающий связующее на основе эпокситрифенольной смолы и углеродный жгут в качестве волокнистого наполнителя, и изделие, выполненное из него (патент РФ №2263690).

Недостатком изделий, выполненных из известного препрега, является невысокая прочность при сжатии и при растяжении.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является препрег, включающий в качестве связующего эпоксидную клеевую композицию, содержащую эпоксидиановую смолу или ее смесь с одной или несколькими эпоксидными смолами, выбранными из группы N,N-тетраглицидиловое производное 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана, полиглицидил-производное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицилпроизводное парааминофенола, отвердитель - дициандиамид и полиарилсульфон, и углеродную ткань или тканую ленту в качестве волокнистого наполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:

и изделие, выполненное путем формования указанного препрега (патент РФ №2230764).

В качестве волокнистого наполнителя в прототипе использована углеродная лента ЭЛУР-0,1П, выполненная из углеродных нитей с круткой 50 кр/м и линейной плотностью 10 текс, не разделяемых на элементарные волокна.

Недостатками препрега-прототипа и изделий из него являются недостаточная прочность при растяжении, сжатии и межслоевом сдвиге, а также невысокая стойкость к ударному воздействию. Кроме того, лента типа ЭЛУР не позволяет варьировать толщину монослоя получаемого полимерного композиционного материала и соответственно толщину изделия.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание препрега на основе эпоксидной клеевой композиции и волокнистого углеродного наполнителя с повышенной прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, с повышенной стойкостью к ударному воздействию получаемых из него изделий.

Для решения поставленной технической задачи предложен препрег, включающий эпоксидную клеевую композицию, содержащую эпоксидиановую смолу или ее смесь с одной или несколькими эпоксидными смолами, выбранными из группы N,N-тетраглицидиловое производное 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, триглицилпроизводное парааминофенола, отвердитель - дициандиамид и полиарилсульфон, и волокнистый углеродный наполнитель при соотношении компонентов в мас.%: клеевая композиция 30-60, наполнитель 40-70, который в качестве волокнистого углеродного наполнителя содержит обработанный эпоксидным аппретом наполнитель на основе углеродных жгутов, имеющих не более 2 круток на метр, линейную плотность 100-72000 текс и состоящих из элементарных волокон с прочностью 3000 МПа - 4500 МПа.

Наполнитель на основе углеродных жгутов может быть выполнен в виде ленты с редким утком из органических или неорганических волокон.

Предложено также изделие, выполненное путем формования указанного препрега.

Углеродный волокнистый наполнитель в виде жгутов применяется в виде нетканых форм, т.е. углеродные жгуты предварительно не подвергаются текстильной переработке (не ткутся). Жгуты также могут быть зафиксированы в виде ленты с редким утком, при этом нити утка могут быть изготовлены из волокон различного состава и природы - органических и неорганических. Используемые в заявляемом изобретении углеродные жгуты с минимальной круткой обеспечивают лучшую смачиваемость наполнителя связующим по сравнению с прототипом. Кроме того, в отличие от углеродных лент прототипа углеродные жгуты предварительно аппретируются, и наличие аппрета также способствует улучшению смачиваемости наполнителя связующим на границе раздела. Вследствие этого в препреге минимизируется количество макро- и микродефектов, что приводит к повышению уровня прочностных свойств и их стабильности, а также к снижению разброса по свойствам. Наполнитель в виде углеродных жгутов с заданными характеристиками в сочетании с высоковязким клеевым связующим обеспечивает упорядоченность структуры и, как следствие, повышение прочности при сдвиге полученного материала и изделия. Использование жгутового наполнителя также дает возможность варьировать толщину получаемого препрега в зависимости от предъявляемых требований к конечному изделию. Сочетание в препреге по заявляемому изобретению уникального клеевого связующего и предлагаемого жгутового наполнителя позволяет получить материалы и изделия с повышенной прочностью при растяжении и сжатии как вдоль, так и поперек волокна, а также с повышенной прочностью при изгибе, при сдвиге и остаточной прочностью после низкоскоростного удара при сохранении трещиностойкости, усталостной и длительной прочности на уровне прототипа.

В качестве связующего в заявляемом изобретении используются клеевые композиции марок ВСК-14-3, ВСК-14-4, ВСК-14-4 м и др. по ТУ 1-595-14-1034-2008.

Примеры осуществления

Пример 1

Аппретированные углеродные жгуты (ТУ 1916-002-75969440) (крутка 1 кр/м) с линейной плотностью 72000 текс и прочностью элементарного волокна 3000 МПа пропитывали расплавом связующего, представляющего собой клеевую композицию ВСК-14-4 м, при температуре 140°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 30 мас.%, углеродный наполнитель - 70 мас.%. Путем формования препрега при температуре 180°C и давлении 0,8-1,2 кгс/см² в течение 3 ч получали высоконагруженную панель центроплана.

Пример 2

Аппретированные углеродные жгуты (ТУ 1916-146-05763346) (крутка 1 кр/м) с линейной плотностью 800 текс и прочностью элементарного волокна 4500 МПа пропитывали расплавом клеевой композиции ВСК-14-3 при температуре 120°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 60 мас.%, углеродный наполнитель - 40 мас.%. Путем формования препрега по режиму примера 1 получали оребренную панель крыла.

Пример 3

На углеродную жгутовую ленту (ТУ 1916-167-05763346), изготовленную из аппретированных углеродных жгутов (нити основы) с линейной плотностью 100 текс, прочностью элементарного волокна 4000 МПа, круткой 2 кр/м и стеклянной уточной нити, наносили расплав связующего, представляющего собой клеевую композицию ВСК-14-4. Пропитку осуществляли при температуре 100°C при соотношении компонентов: связующее - 37 мас.%, углеродный наполнитель - 63 мас.%. Путем вакуум-автоклавного формования при температуре 180°C и давлении 5-6 кгс/см² в течение 3 ч получали лонжерон.

Пример 4 - прототип

Углеродную ленту ЭЛУР-П, изготовленную на основе углеродной нити с круткой 50 кр/м и линейной плотностью 10 текс, пропитывали расплавом связующего при температуре 100°C с получением препрега при соотношении компонентов: связующее - 30 мас.%, углеродный наполнитель - 70 мас.%. Путем формования препрега по примеру 2 получали обшивку трехслойной панели.

В таблице 1 приведены составы препрегов, в таблице 2- свойства материалов и изделий.

Из данных таблицы 2 следует, что материалы и изделия, получаемые на основе заявляемого препрега, имеют по сравнению с прототипом повышенную на 45-50% прочность при растяжении вдоль волокна, на 25% поперек волокна, повышенную на 30% прочность при сжатии вдоль волокна и в 2 раза поперек волокна, а также повышенную на 20% прочность при изгибе, прочность при сдвиге и на 25% остаточную прочность после удара, что позволит оптимизировать схему армирования изготавливаемой конструкции, уменьшить на 10-20%) вес изделия по сравнению с прототипом и снизить на 10-15% трудоемкость изготовления изделия.