При формовании с эластичной диафрагмой (мембраной) полу­чают композиционные материалы и клееные композиции, которые представляют собой армированную волокном органическую мат­рицу. Эти материалы должны соответствовать различным стан­дартам качества и критериям воспроизводимости. Диапазон при­менения композиционных материалов очень широк: от украшений и декоративных архитектурных панелей до высококачественных несущих конструкций сложной формы. Усовершенствование тех­нологии и определение оптимальной конструкции изделия очень часто позволяет получать методом формования с эластичной диаф­рагмой такие композиты, которые по эксплуатационным харак­теристикам оказываются конкурентоспособными по сравнению с другими типами конструкционных материалов.

Конструкция композитов и возможность использования ме­тода формования с эластичной диафрагмой (мембраной) взаимо­связаны и определяются как производственными задачами и не­обходимостью минимизировать заводскую себестоимость, так и требованиями к изделию в процессе эксплуатации. Перечень требований, удовлетворение которых распределяется между из­готовителями и конструкторами изделия, состоит из следующих основных пунктов:

Воспроизводимость, доступность и наличие необходимых тех­нологических свойств у рекомендуемых материалов;

Требования к оборудованию и оснастке;

Обеспечение устройствами для монтажа, осмотра и контроля качества изделий.

Наиболее существенным из введенных к настоящему времени усовершенствований процесса формования с эластичной диафраг­мой является создание унифицированной единичной конструкции на основе волокнонаполненных композиционных материалов (В КМ).

Методы формования с эластичной диафрагмой

К этим методам относятся вакуумное формование (рис. 14.1), формование под давлением (рис. 14.2 и 14.3) и автоклавное фор­мование (рис. 14.4). Диафрагмы, т. е. тонкие эластичные мембраны

1 — штуцер для подсоединения вакуума; 2 — плита формы; 3 — коллектор для отсоса воздуха; 4 — уплотнение диафрагмы; 5 — боковое выпускное отверстие; 6 — слон с вен­тиляционными отверстиями; 7— диафрагма; 8— перфорированные слон; 9— впиты­вающие слои; 10 — разделительная ткань; 11 — слонстый пластик; 12 — внешний слой; 13 — промежуточная плнта; 14 — эластичная перегородка; 15 — выбрасываемый слой; Р — атмосферное давление

Или формы из силоксанового каучука, отделяют стеклопластик от находящихся под давлением газов в процессе отверждения мате­риала. Из герметичной полости, образующейся между стеклопла­стиком и диафрагмой, откачивают воздух, чтобы давление там было ниже, чем приложенное к диафрагме. Благодаря образую­щемуся перепаду давлений с разных сторон диафрагмы происхо­дят придание изделию необходимой формы и уплотнение матери­ала. Затвердевание наблюдается при соединении вместе отдель­ных слоев препрегов и подложек (если они имеются) стеклопла­стика. Уплотнение композиции происходит в результате устра­нения пустот и удаления избытка смолы. При отверждении изде­лий, получаемых формованием с эластичной диафрагмой, необ­ходимо избегать образования пузырей в композите, а также тща­тельно контролировать давление, температуру и массовое соотно­шение между волокном и смолой.

Уплотнение материала при вакуумном формовании с эластич­ной диафрагмой может быть достигнуто с использованием атмо­сферного давления путем вакуумирования слоев стеклопластика в процессе его отверждения. При формовании под давлением и ав­токлавном формовании сжатие композитов во время отверждения производится горячими газами. Вентиляционные отверстия, свя­занные с атмосферой или вакуумом, предназначены для вывода летучих побочных продуктов реакции и захваченного воздуха из отверждающегося стеклопластика. Из трех перечисленных выше методов формования с эластичной диафрагмой вакуумный способ менее других лимитируется размерами получаемого изделия. В некоторых случаях отверждение композитов при вакуумном формовании с эластичной диафрагмой происходит при комнатной температуре. Однако для улучшения свойств изделия отвержде­ние, как правило, проводится при нагревании. При этом лучше всего использовать воздушные сушилки, но применяются также сушильные установки с инфракрасными нагревателями, а также конвекционные сушилки пассивного типа.

Получили распространение и другие методы отверждения: индукционный, диэлектрический, токами сверхвысокой частоты, под действием ксеноновой вспышки, ультрафиолетового света, пучка электронов и гамма-излучения. Из методов отверждения под действием света наибольшее промышленное применение имеют ультрафиолетовое и ксеноновое излучение. Эти способы отверждения достаточно успешно используются для тонких не­симметрично уложенных неокрашенных стеклопластиков, которые сильно деформируются при отверждении нагреванием. Техноло­гия отверждения диэлектрическим методом и токами сверхвысокой частоты в настоящее время продолжает развиваться. Отверждение пучком электронов, как было установлено, эффективно только для тонких пленок. Отверждение ускоренными частицами пока еще находится на стадии лабораторных разработок.

Стоимость оснастки при вакуумном и автоклавном формова­нии с эластичной диафрагмой ниже, чем при формовании на мат­рице. Формы и плиты при этих методах не деформируются и не разрушаются под действием нагрузок, возникающих при отвер­ждении материала, а также во время манипуляций, обусловленных технологическим процессом. Они не подвергаются и несбаланси­рованным давлениям.

Более высокая стоимость оборудования для автоклавного фор­мования может компенсироваться его более широкими воз­можностями для формования изделий сложной формы. Стекло­пластики, которые обычно требуют повторного склеивания, часто экономически целесообразно соотверждать в автоклавах, так как амортизационные расходы на дорогостоящее оборудование сни­жаются при одновременном отверждении сразу многих изделий.

Методы формования с эластичной диафрагмой под давлением эффективны при получении как глубоких, так и мелких (неглубо­ких) изделий. К первым относятся обтекатели гидролокаторов (сонаров), обтекатели и кожухи антенн радиолокаторов. Во вто­рую группу входят архитектурные панели, филенки дверей/об­текатели самолетов.

Для изготовления глубоких изделий делают тяжелые формы. Каждую форму, предназначенную для конкретного изделия, кон­струируют таким образом, чтобы она выдерживала необходимые 82 при отверждении повышенные температуры и высокие давления. Иногда большие формы можно использовать в качестве автокла­вов для изделий меньшего размера, получаемых формованием с эластичной диафрагмой.

Неглубокие детали часто можно формовать в модифицирован­ных прессах для прямого прессования. При этом в нижних плитах пресса устраивают воздушники и вакуумные магистрали. Верх­ние плиты пресса делают полыми для установки внутри них формы вместе с пресс-компаундом. Для повышения универсальности установки к ней часто подводят линию для нагретого сжатого газа. Над формой, установленной на нижних плитах пресса, по­мещают защитные слои из силоксанового каучука или обычные, работающие под давлением диафрагмы. После смыкания плит пресса образуются герметичные камеры, в которых создается давление при одновременном нагревании, т. е. воспроизводят условия формования, аналогичные автоклавным. В отличие от специализированных форм для формования с эластичной диаф­рагмой (под давлением), пресс-камерный метод используется для отверждения многих различных конструкций из слоистых пла­стиков.

При формовании с эластичной диафрагмой в автоклаве и под давлением температура обычно составляет 177 °С, а давление 1380 кПа. В новых автоклавах, изготовленных по специальным требованиям, можно создавать более жесткие условия отвержде­ния: температуру свыше 260 °С и давление более 3450 кПа. Все же размер большинства специальных автоклавов ограничен, что затрудняет их использование для некоторых изделий. Оборудова­ние, предназначенное для эксплуатации при более высоких тем­пературах и давлениях, сейчас модифицируют, с тем чтобы на нем можно было перерабатывать композиты на полиимидной смоле, из которых изготовляют наиболее теплостойкие конструкции.

При повышенных температурах и давлениях значительно воз­растает опасность загорания автоклавов. Она может быть сведена к минимуму при переработке огнестойких материалов, а также при использовании сжатых инертных газов. Меры по снижению пожарной опасности включают в себя применение диафрагм из силоксанового каучука, найлона или «Тедлара». Перед началом отверждения все полости автоклава продувают. Когда термоот­верждение заканчивается, автоклав и все, что в нем находится, охлаждают до 68 °С и лишь после этого снижают давление и от­крывают автоклав (или форму с эластичной диафрагмой).