Анализ развития науки и технологии за рубежом показывает, что в мире активно развиваются интеллектуальные материалы, интерметаллиды, нанокристаллические и аморфные металлы, полимерные и полиматричные композиты, высокотемпературные металлические материалы, сплавы с памятью формы, долговечная керамика, слоистые материалы и др. Эти материалы с улучшенными служебными характеристиками необходимы, в том числе, для создания изделий авиационной техники следующего поколения [1]. Новый уровень развития авиации в будущем могут обеспечить только принципиально новые материалы и технологии, так как традиционные уже исчерпали себя, дальнейшее их использование дает незначительные результаты при существенных затратах.

В этой связи конструкторы проявляют большой интерес к современным полимерным композиционным материалам (ПКМ) и технологиям изготовления из них конструкционных элементов. Производственные процессы изготовления изделий из ПКМ на протяжении всего этапа их развития подверглись значительным изменениям. Резкий рост применения композиционных материалов в авиационной технике (до 15% от массы самолета) и увеличение объемов производства конструкций из них требуют значительного повышения автоматизации технологических процессов [2], что позволит снизить их трудоемкость, энергоемкость, а также увеличить пропускную способность дорогостоящего технологического оборудования.

Разработанные технологии изготовления изделий из ПКМ, учитывающие специфику применения, а также требования при серийном производстве на предприятии представлены на классификационной схеме (рис. 1). Наибольшее применение в авиационной промышленности нашли технологии термовакуумного и автоклавного формования.

Длительное время в авиационной технологии изготовления конструкционных ПКМ преобладал препрегово-автоклавный способ [3], обеспечивающий высокий уровень физико-механических свойств и низкую пористость получаемых пластиков, но характеризующийся повышенными энергоемкостью и стоимостью процесса из-за использования дорогостоящих автоклава, оснастки и вспомогательных технологических материалов, которые должны быть работоспособны при температурах до 180°С и давлениях до 0,7 МПа [4].

Термовакуумная технология применялась в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из ПКМ как планера, так и интерьера [5–7]. В середине XX века в производстве ПКМ достаточно широко использовались технологии формования конструкций обтекателей головной части ракет, оболочечных конструкций (рис. 2) газотурбинных двигателей (ГТД) методом пропитки под вакуумом или вакуумом и давлением. Для этой технологии в ВИАМ было разработано эпоксидное связующее ЭДТ-10 с длительной жизнеспособностью при температуре 70°С и с достаточно низкой вязкостью, которая обеспечивала высокую степень пропитки технологических слоев сухого наполнителя (стекло- и углетканей). Данная технология была реализована при изготовлении колец компрессора газотурбинного двигателя.

Для ее реализации была спроектирована и изготовлена форма (рис. 2, а), отработана технология получения и пропитки пакета наполнителя и технология отверждения конструкции в целом (рис. 2, б) [8].

 Рисунок 1. Общая классификация технологий изготовления изделий из ПКМ

Рисунок 2. Форма для изготовления колец пропиткой под давлением (а) и готовое изделие (б): 

1 – пакет наполнителя; 2 – вкладыш; 3 – цулага; 4 – внешняя обойма; 5 – внутренняя обойма;
6, 7 – фланцы; 8 – пропиточная канавка; 9 – канавка для герметизирующего шнура

Пакет наполнителя подготовлялся до установки в форму в соответствии с заданной структурой армирования. После укладывания пакета наполнителя в форму она помещалась в электропечь, к ней присоединялась вакуумная арматура и система для подвода связующего (рис. 3) от специально разработанной пропиточной установки (рис. 4).

Форма с заготовкой в виде слоев армирующих наполнителей и связующее нагревались до 60°С. На подводящей и отводящей линиях открывали краны, включался вакуумный насос. При достижении в полости формы давления 50 мм рт. ст. в бачок со связующим через редуктор из баллона под давлением 0,15–0,2 МПа подавался инертный газ. Под действием давления связующее из бачка поступало в форму. Вакуум и давление поддерживались в течение всей пропитки. После того как связующее начинало выходить из формы без пузырьков воздуха, пропитка прекращалась. Отверждение проводилось в печи по режимам, предусмотренным технической документацией на данное связующее. Готовое изделие извлекали из формы и отправляли на отделочные операции.

Рисунок 3. Схема изготовления деталей пропиткой под вакуумом и давлением:

1 – пресс-форма; 2, 3 – крышки; 4 – уплотнения; 5 – винтовые зажимы; 6 – бачок-ловушка;

7 – бачок со связующим

Рисунок 4. Установка для пропитки изделий из ПКМ в замкнутой форме под вакуумом и давлением [9]: 1 – прижимы; 2, 20 – открывающаяся дверца; 3 – пирометр; 4, 7, 10 – вакуумные краны; 5 – вакуумная арматура; 6 – вакуумметр; 8 – бачок-ловушка; 9 – смотровая улитка;

11 – манометр; 12 – манометр низкого давления; 13 – манометр высокого давления; 14 – редукционный клапан; 15 – кран, регулирующий подачу связующего в форму; 16, 17 – арматура, работающая под давлением; 18 – бачок для связующего; 19 – баллон с инертным газом;

21 – направляющие ролики

Следующим этапом развития безавтоклавных методов формования был метод пропитки пакета наполнителя под вакуумом и внешним давлением жидкого теплоносителя (глицерина) на формуемое изделие из ПКМ (рис. 5) [10]. Давление глицерина в камере зависело от требуемой толщины изделия и регулировалось по индикатору толщиномера, установленному в пресс-форме. Пресс-форма присоединялась к пропиточной установке с помощью переходников, и в ней проводили пропитку предварительно отвакуумированного пакета. Затем пресс-форму отсоединяли от пропиточной системы и проводили термообработку пакета в печи при постоянном давлении глицерина по требуемому режиму. Применение данной технологии формования позволяло получать изделия с минимальными разбросами по толщине и стабильными физико-механическими свойствами (плотность, пористость, прочность и др.).

Рисунок 5. Схема приспособления для получения деталей двойной кривизны заданной толщины из ПКМ: 1 – редуктор; 2 – переходники; 3, 4 – гайки; 5 – оформляющая поверхность;

6 – штуцер; 7 – толщиномер; 8 – резиновая диафрагма; 9 – гибкая формующая цулага;

10 – пакет непропитанной стеклоткани; 11 – рама; 12 – пропиточная установка; 13 – плита

Создание новых вспомогательных материалов (вакуумные пленки, жертвенные и дренажные ткани и др.), устройств для пропитки армирующих материалов и контроля процесса пропитки, а также новых полимерных связующих обеспечило безавтоклавным способам формования изделий из ПКМ новые перспективы развития. К числу таких передовых безавтоклавных технологий относятся препрегово-вакуумный способ формования, пропитка под давлением RTM (Resin Transfer Molding), вакуумно-инфузионный VАRTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) и пропитка с использованием пленочного связующего RFI (Resin Film Infusion).

Общий принцип всех этих методов заключается в следующем: в матрицу, покрытую разделителем и гелиевым слоем, помещают полный комплект слоев сухой арматуры, включая трехслойные заполнители, и накрывают жестким или гибким пуансоном, герметизируемым по периметру. Затем в данном пакете создается вакуумное разрежение и приготовленное во внешнем резервуаре связующее под действием атмосферного давления (либо под принудительным давлением насоса) устремляется в матрицу и пропитывает армирующие слои. Состав связующего подбирается таким образом, чтобы отверждение прошло в минимальные сроки и без саморазогрева, вызывающего дефекты и деформацию изделия. Основная сложность состоит в том, чтобы добиться правильного заполнения пространства формы связующим и избежать непропитки или перенасыщения смолой отдельных участков изделия.

Особенности технологии RTM заключаются в том, что армирующий наполнитель в необходимом количестве укладывается в форму, которая далее герметизируется, и через дренажную систему под давлением в нее подается связующее. Процесс пропитки идет до тех пор, пока связующее не заполнит все свободное пространство формы [11]. После пропитки форму помещают в печь или пресс, где происходит отверждение детали [12]. В случае использования в качестве связующего композиций холодного отверждения процесс формования проходит при комнатной температуре (рис. 6).

Рисунок 6. Схема пропитки под давлением (технология RTM)

Преимущества этого способа заключаются в отсутствии необходимости использования дорогостоящего оборудования, в хороших условиях труда (отсутствует непосредственный контакт человека со связующим), в возможности изготовления деталей сложной формы и использования трехосно-армированных наполнителей, а также в относительно невысокой стоимости процесса.

Наряду с преимуществами у процесса пропитки под давлением есть недостатки, основными из которых являются длительность процесса и зависимость качества детали от правильности расположения трубок дренажной системы, а также, в отдельных случаях, конструктивная сложность и высокая стоимость оснастки.

Однако, несмотря на это, способ пропитки под давлением широко применяется в различных отраслях промышленности для изготовления таких деталей, как лопасти винто-вентиляторных двигателей, лопатки турбореактивных двигателей, монолитные обтекатели, элементы механизации крыла, различные детали сложной формы, крыши автомобилей (рис. 7) и т. д.

Технология инфузионного формования VARTM (Vacuum Assisted RTM) заключается в пропитке сухого наполнителя с использованием вакуумного давления, создаваемого в полости оснастки [13]. Под действием перепада давлений между полостью оснастки и емкостью со связующим последнее движется от емкости к точке подсоединения вакуумной линии с полостью оснастки, пропитывая наполнитель (рис. 8). Перепад давления не превышает 0,095 МПа, а значит снижаются требования к жесткости оснастки. Поэтому возможно создание упрощенной оснастки, состоящей из жесткой половины с формообразующей поверхностью и верхней гибкой мембраны, герметично закрепляемой на жесткой части. Стоимость и сложность оснастки по сравнению с методом RTM существенно снижается.

 Рисунок 7. Форма для изготовления крыши автомобиля (а) и готовое изделие (б)

Рисунок 8. Технологическая схема изготовления детали VARTM методом

К основным недостаткам данного метода относятся: трудности воспроизводимости процесса, так как требуется тщательная отработка технологии, которая позволила бы получать детали со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками [11]. Это связано с тем, что формование происходит не в закрытой форме (как в случае использования технологии RTM), а под вакуумным мешком. Таким образом, на толщину детали будет влиять объем связующего, закачанного под вакуумный мешок, а также равномерность давления по площади формуемой детали. Контролировать и задавать количество связующего, поступающего в заготовку, довольно затруднительно, так как в настоящее время механизмы влияния на процесс пропитки наполнителя связующим при технологии вакуумной инфузии мало изучены. Несмотря на это метод вакуумной инфузии является главной альтернативой контактного формования при изготовлении товаров народного потребления, деталей автомобилей; данная технология также активно развивается в авиационной отрасли. Ведущие мировые авиастроительные компании ведут научно-исследовательские работы, направленные на изучение возможности изготовления по технологии вакуумной инфузии силовых и особо ответственных конструкций самолетов, таких как крыло, детали хвостового оперения и т. д.

Технология получения композиционных деталей методом RFI (Resin Film Infusion) заключается в выкладывании связующего в виде пленки на оснастку совместно с пакетом сухого наполнителя [14]. После изготовления вакуумного мешка оснастка помещается в термопечь, в которой происходит расплавление пленочного связующего и пропитка слоев армирующего наполнителя (рис. 9). Избыточное давление через вакуумный мешок воздействует на пакет наполнителя и вдавливает его в расплавленное связующее [15–18]. Толщину пленочного связующего (поверхностная масса, г/см²) [19] выбирают из условия заданного объемного содержания наполнителя в пластике. Для толстых пакетов слои связующего чередуют с заданным количеством слоев наполнителя. Связующее при пропитке может находиться в весьма вязком состоянии, но путь, по которому происходит его распространение, на несколько порядков меньше, чем при методах RTM и VARTM, и составляет от 0,2 до 1,0 мм.

Рисунок 9. Схема изготовления детали RFI методом

На процесс пропитки армирующего наполнителя влияет большое количество характеристик связующего и самого наполнителя. Так, структура армирующего наполнителя, тип используемого волокна, применяемое в ходе технологического процесса давление влияют на скорость и качество пропитки. Также на процесс пропитки влияют реологические свойства связующего (уровень и изменение вязкости во времени, жизнеспособность при температуре пропитки) и его химический состав.

Одним из основных недостатков RFI технологии являются достаточно жесткие требования к применяемому связующему, которое должно обладать низкой вязкостью в процессе пропитки и высокой – при комнатной температуре для обеспечения возможности его существования в виде пленки в период хранения и выкладки.

Одним из несомненных преимуществ данного способа является возможность изготовления деталей с заданным объемным содержанием наполнителя и связующего в пластике и, как следствие, с заданными геометрическими и физико-механическими характеристиками. При этом для получения ПКМ с требуемыми характеристиками нет необходимости в использовании дорогостоящей формы закрытого типа (как в случае использования технологии RTM), обеспечивающей необходимуютолщину и геометрию детали. Для технологии RFIвполне подходят оснастки открытого типа, аналогичные применяемым для изготовления изделий из ПКМ способом вакуумной инфузии.

Данная технология использовалась [20] при получении листов металлополимерного композиционного материала (МПКМ) Алор Д16/41 (рис. 10). В качестве связующего применялся пленочный клей ВК-41. Процесс пропитки и формования листов МПКМ осуществлялся  при температуре 125°С.

При безавтоклавных технологиях формования деталей из ПКМ используются обычно тепловые методы отверждения полимерной матрицы (от 20 до 200°С). Обычно это процессы, длящиеся по времени до нескольких часов. В настоящее время активно развивается метод ультрафиолетового (УФ) отверждения конструкций из композиционных материалов (рис. 11). Он относится к «холодным» способам полимеризации, когда введенный в полимер инициатор способен перевести материал в твердое и не растворимое состояние под воздействием УФ-облучения [21]. В данном процессе полимеризация связующего происходит в течение 1–2 мин на один миллиметр толщины детали, при степени отверждения связующего 97–99%. Температура стеклования связующих, используемых в данном процессе, зависит от режима постотверждения ПКМ, при этом ее величина может увеличиваться в 1,5 раза по сравнению с исходным заполимеризованным состоянием. Отверждение материалов может происходить при температуре окружающей среды от +5°С. В качестве исходного сырья для получения композиционных материалов могут быть использованы как препреги, так и однокомпонентные полимерные массы. Кроме того, данный процесс является экологически безопасным. Для опытно-промышленного применения этой технологии разработаны специальные устройства, включающие светодиодные ультрафиолетовые источники с длительностью работы до 100000 ч.

Рисунок 10. Технологическая схема получения листов Алора с помощью RFI метода:

1 – выклеечная оснастка; 2 – полипропиленовая пленка; 3 – металлические слои; 4 – ткань СВМ; 5 – клей ВК-41; 6 – дренажная ткань; 7 – пленка ППнТ (вакуумный мешок); 8 – герметизирующий жгут; 9 – трубы вакуумной системы

Рисунок 11. Схема и оборудование для УФ-формования

Данный метод получения полимерных композиционных конструкций имеет следующие преимущества: снижается количество оснастки при формовании деталей, уменьшается трудоемкость благодаря использованию вакуумной диафрагмы при формовании деталей и УФ-отверждения, энергоемкость процесса и занимаемая оборудованием площадь. Чем выше серийность и эксплуатационные требования к производимому изделию, тем выше экономическая эффективность.

Однако на данном этапе развития технологии УФ-отверждения имеются ограничения по ее применению, так как необходимо использовать дорогостоящие связующие, специальные УФ-препреги и филлеры, а также УФ-оборудование.

Рассмотренные технологические процессы имеют свои особенности, преимущества и недостатки [22], но каждый возможно применять в зависимости от технологических возможностей предприятий, геометрических размеров и формы изделия, его прочностных показателей. Промышленное развитие безавтоклавных методов формования и материалов для их осуществления всегда определялось их экономической целесообразностью и готовностью предприятий к их реализации в промышленных масштабах.