Способ изготовления трубчатых элементов из композиционных материалов с металлическим покрытием внутренней поверхности

 

Изобретение относится к области радиопромышленности и авиакосмической техники. Может использоваться для производства слоистых изделий из композиционных материалов, например волноводов. Предложен способ изготовления изделия из композиционного материала. При этом проводят металлизацию внутренней поверхности путем напыления металла в воздушной среде электродуговым методом на дорн. Собирают пакет путем намотки на дорн слоев армирующего материала, пропитанных термореактивным связующим. Проводят отверждение связующего. Техническим результатом является изготовление трубчатых элементов из КМ с металлизированной внутренней поверхностью больших и малых габаритов, увеличение адгезионной прочности покрытия, упрощение технологического процесса. 2 з. п. ф-лы.

Предлагаемое изобретение относится к области радиопромышленности и авиакосмической техники, в частности к производству трубчатых элементов с металлизированным покрытием внутренней поверхности, и может быть использовано при разработке и изготовлении слоистых изделий из композиционных материалов, например волноводов.

Известен способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы, заключающийся в том, что внутри трубы, установленной в вакуумной камере, натягивают проволоку и нагревают, пропуская через нее электрический ток, до температуры испарения, в результате чего на внутренней поверхности трубы осаждается металл, из которого состоит указанная проволока /1/.

Существенными недостатками данного способа являются низкая адгезия напыляемого металла и то, что данный способ не гарантирует исключение деформации и приваривания проволоки к внутренней поверхности трубы. Габариты изделия ограничены габаритами вакуумной камеры, установки для нанесения покрытия.

Кроме того, данный способ подразумевает два этапа изготовления: формование трубы и последующее напыление на ее внутреннюю поверхность покрытия, что увеличивает длительность технологического процесса и требует наличия дополнительного спецоборудования (вакуумной камеры, электрической установки с электродами), что значительно повышает себестоимость изделия.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является способ изготовления труб из слоистого пластика, заключающийся в том, что на цилиндрический дорн, выполненный из материала с высоким коэффициентом теплового расширения и хорошими антиадгезионными свойствами, наматывают листовой препрег; нагревают, осуществляя отверждение и одновременно с этим за счет теплового расширения дорна увеличение внутреннего диаметра трубной заготовки, охлаждают, образуя зазор с наружной поверхности дорна, после чего удаляют дорн /2/.

Данный способ позволяет упростить технологию изготовления изделий за счет упрощения операции съема изделия с дорна, исключить применение специального оборудования при съеме изделия, что сокращает время изготовления труб из слоистого пластика и, следовательно, снижает производственные расходы.

Однако данный способ не предусматривает изготовления трубчатых элементов с металлическим покрытием внутренней поверхности, кроме того, не позволяет производить изготовление изделий из материала на связующем холодного отверждения.

Задача предлагаемого изобретения - изготовление трубчатых элементов из КМ с металлическим покрытием внутренней поверхности больших и малых габаритов, например волноводов, увеличение адгезионной прочности покрытия, упрощение технологического процесса и уменьшение себестоимости изделия.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления трубчатых элементов из композиционных материалов, включающем сборку пакета путем намотки на дорн слоев армирующего материала, пропитанного термореактивным связующим, отверждение связующего и металлизацию, металлизация проводится путем напыления в воздушной среде электродуговым методом на предварительно обработанный антиадгезивом дорн, с последующей намоткой пакета на напыленную поверхность, отверждением связующего и съемом изделия с дорна.

Для облегчения съема и предотвращения повреждения покрытия изделия при использовании связующего “холодного отверждения” (отверждение при нормальной температуре) дорн изготавливается из материала с высоким коэффициентом линейного термического расширения и внутренней полостью для помещения в нее жидкого азота для охлаждения дорна и создания тем самым зазора с внутренней поверхностью трубы.

Новыми существенными признаками заявляемого способа являются принцип изготовления трубчатого элемента из КМ с металлическим покрытием внутренней поверхности за один цикл, включающий в себя напыление слоя металла электродуговым методом в воздушной среде на дорн, покрытый антиадгезивом, с последующей намоткой пакета на напыленную поверхность и отверждением связующего.

Доказательством возможности получения положительного эффекта является экспериментальное изготовление опытных образцов изделий из композиционных материалов с металлизированным покрытием внутренней поверхности и сопоставление их с прототипом.

Описание технологии изготовления образца, значение отдельных параметров будут приведены ниже. Здесь лишь отметим, что изготовление образцов заявляемым способом в сравнении с прототипом отличается технологической простотой, операции производства более рентабельны и могут быть автоматизированы для серийного и массового производства. Кроме того, этот способ позволяет получать образцы любых габаритов с повышенной адгезионной прочностью покрытия.

Пример. Изготовление из углепластика изделия типа “Фрагмент волновода круглого сечения с металлическим покрытием внутренней поверхности” заявляемым способом.

Сборку пакета осуществляют путем намотки пропитанного связующим армирующего материала на металлизированный слой, нанесенный на предварительно отполированный и покрытый антиадгезивом дорн.

В качестве армирующего материала применена углеродная лента ЛУ-П/0,2 ГОСТ 28006-88, стеклоткань Э2-62 ГОСТ 19907-83 (1-й слой на металлизированное покрытие).

Применяемое связующее - ЭНФБ ТУ 1-596-36-98, объемная доля которого в препреге (36-42)%.

Изготовление изделия осуществляется в следующей последовательности.

На предварительно отполированную поверхность цилиндрического дорна наносят тонкий слой антиадгезионной смазки (MODELLACK MCP/TAGA).

На подготовленную таким образом поверхность дорна равномерно наносят слой металла толщиной 0,08-0,09 мм, например цинка. Слои металла наносят при помощи установки электродугового напыления ARC SPRAY 8830 в воздухе.

Далее на металлизированной поверхности дорна собирают пакет, состоящий из препрега ткани Э2-62 (первый слой) и слоев препрега углеленты, стянутых между собой через определенное количество слоев стеклонитью, собранных по схеме армирования: 5 слоев углеленты 0°, слой стеклонити 90°. После сборки пакет стягивается стеклонитью под определенным натяжением, тем самым создавая давление при формовании.

Далее осуществляется формование изделия в термошкафе (печи полимеризации) при температуре (+165±5)°С в течение 7 часов.

Изготовленное заявленным способом изделие характеризуется следующими показателями:

- адгезионная прочность покрытия не менее 90 МПа;

- точность изготовления внутренней поверхности волновода ограничивается точностью изготовления оправки; ровная гладкая поверхность образца, являющаяся слепком с оправки.

Изделие, изготовленное заявленным способом, не требует дополнительной механической обработки металлизированной поверхности, так как она является слепком с отполированной поверхности дорна. Адгезионная прочность покрытия значительно выше известных способов, так как напыленный на дорн металл имеет однородную развитую шероховатую структуру поверхности, которая повышает сцепление нанесенного покрытия со слоями пропитанного связующим армирующего материала.

Предлагаемый в заявке способ экономичнее по сравнению с известным, так как одна из самых сложных операций - металлизация внутренней поверхности изделия упрощена (покрытие наносится электродуговым методом в воздухе с помощью известной высокопроизводительной установки) и не требует применения специального дорогостоящего оборудования, а изготовление изделия (формование и нанесение покрытия) производится за один цикл. Кроме того, заявленный способ позволяет изготавливать изделия с применением связующих “холодного” отверждения.

Себестоимость изделий, изготовленных указанным способом, ниже известных. Габариты изделия при напылении и сборке определяются только габаритами оправки и при этом по сравнению с известными способами технология изготовления таких изделий проще.

Источники информации

1. Патент JP 5842267, С 23 С 13/02, 19.09.1983 - аналог.

2. Патент JP 58160124, В 29 D 23/12, 22.09.1983 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия из композиционного материала, включающий сборку пакета путем намотки на дорн слоев армирующего материала, пропитанных термореактивным связующим, и формование отверждением связующего, отличающийся тем, что проводят металлизацию внутренней поверхности путем напыления металла в воздушной среде электродуговым методом на дорн с последующей намоткой пакета на напыленную поверхность и отверждением связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность дорна перед напылением металла наносят слой антиадгезива.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют дорн из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, имеющий внутреннюю полость для заполнения жидким азотом.