+7 499 113 71 60
Сертификат
качества
Бесплатная
консультация
Лидер
в области
Связаться

Соединения и доработка композиционных материалов

Полимеры обладают многими преимущественными характеристиками, за счет высоких свойств в сочетании с невысокой стоимостью зачастую именно им отдается предпочтение в разных сферах деятельности человека. Однако один из их плюсов — хорошая стойкость к химическим веществам — усложняет их соединение между собой или с другими материалами. Наиболее надежны механическое соединение и сварка пластмасс, но они не всегда могут быть применимы. В таких случаях используют другие методы сборки: склейка, посадка с натягом, разъемные соединения и т.д.

Сборка – операция, в результате которой образуются разъемные и неразъемные соединения составных частей изделия. Сборка должна обеспечивать точное взаимное расположение, для неразъемных соединений – также достаточно прочную связь частей изделия, в необходимых случаях – и герметичность.

Выполнение сборочных операций для частей изделий из КМ, как правило, связано с нарушениями сплошности материала, разрушением армирующих элементов структуры (например, волокон), отклонением их от оптимального расположения, с усложнением конструкции изделий. Сборочные операции увеличивают трудоемкость изготовления изделий. По этим причинам соединения изделий из КМ нежелательны, а создание интегральных конструкций, выполняющих несколько функций, в традиционном исполнении требующих несколько различных составных частей, является одним из основных принципов эффективного применения КМ.

Склеивание.

Клеевыми называют неразъемные соединения, образуемые с помощью вещества, имеющего адгезионную связь с обеими соединяемыми поверхностями. Клеящее вещество (клеевую композицию, или просто клей) называют адгезивом, а материал склеиваемого изделия – основным, субстратом или подложкой.

Для ремонта и соединения пластиковых частей могут быть выбраны различные клеевые составы. Склейка пластмасс как метод соединения весьма эффективен, он способен соединить полимерные изделия друг с другом либо с иными материалами.

Виды и составы клеев многообразны, они могут использоваться как для соединения индивидуальных, единичных видов пластмасс, так и в качестве универсальных средств. Основа последних видов — эпоксидные полимеры, полиуретаны, полиарилаты, каучук и т.д.

Клеевое соединение будет надежным, если будут учтены особенности материала и геометрической формы пластика, адгезивные свойства, условия дальнейшей эксплуатации. Перед склеиванием должна быть проведена предварительная обработка поверхности: очищение и обезжиривание. Ряд материалов требует шлифовки, зачистки, а также обработки газовым пламенем, плазмой или химическими веществами.

Важную роль при создании устойчивого клеевого соединения играет температурный режим. Для термопластичных полимеров использование клея при нагревании, как правило, более эффективно.

Используемый клей не повреждает и не деформирует склеиваемые изделия, он позволяет одномоментно соединить различные комбинации деталей.

Для обеспечения прочности клеевого соединения необходимо подобрать подходящие клеевые составы. Влияние различных факторов на условия формирования и прочность клеевых соединений объясняют существующие теории адгезии – молекулярная, диффузионная, химическая, электрическая и механическая. Термореактивные клеи характеризуются высокой адгезией к материалам различной природы. Они могут быть одно- или многокомпонентными. Однокомпонентные клеи готовы к употреблению с момента изготовления на предприятии. Термопластичные клеи (полиакриловые, полиамидные, на основе поливинилхлорида, полиизобутилена и др.) применяют в виде раствора (в органических растворителях), мономера, олигомера, лент и пленок (клей-расплав).

Прочность клеевого соединения оценивают по прочности адгезионной связи на границе «адгезив – субстрат». На распределение напряжений в клевом соединении, а следовательно, и характеристики прочности соединения влияет жесткость клеевой прослойки. Чем выше модуль упругости клея, тем меньше эффективная длина соединения, но более неоднородно напряженное состояние прослойки. Поэтому для склеивания частей изделия, работающего в условиях динамического нагружения, применяют эластичные клеи.

Химическая сварка — соединение частей из пространственно-сшитых полимеров за счет химически активных агентов (присадок), вводимых в сшиваемые термопласты и способствующих образованию переходного слоя при контактировании поверхностей, или за счет функциональных групп, непрореагировавших в процессе отверждения термореактивных полимеров.

Диффузионная сварка. Различают сварку нагретым газом, контактную тепловую (нагретым инструментом, присадочным материалом, трением), ультразвуковую, высокочастотную (ТВЧ), лазерную, с нагревом ИК-излучением. Температурные деформации в зоне шва при нагреве и охлаждении приводят к короблению изделия, образованию начальных напряжений и даже трещин. Свободное закрепление с предварительно заданным смещением, обратным смещению при охлаждении, медленное охлаждение в ограничивающей оснастке способствуют устранению этих дефектов. Швы после сварки срезают и зачищают только при необходимости.

Сварка с нагревом от трения основана на превращении в теплоту механической энергии, затрачиваемой на преодоления сил трения, возникающих при относительном перемещении соединяемых поверхностей. Ввиду низкой теплопроводности полимерных материалов теплота, выделяющаяся в зоне трения, приводит к достаточно быстрому разогреву по-верхностных слоев контактирующих элементов и к плавлению полимера. После накопления определенного количества расплава соединяемые части сжимают (осаживают), образуя после выдержки и охлаждения соединение в зоне контакта.

Ультразвуковая сварка производится за счет нагрева материала в результате диссипации механической энергии колебательного движения с ультразвуковой частотой. При этом используют магнитострикционный эффект, заключающийся в том, что при пропускании через обмотку стержня, выполненного из ферромагнитного материала, переменного тока высокой частоты размеры стержня изменяются с частотой тока. Возбуждаемые колебания стержня передаются на свариваемые элементы.

Высокочастотная (ТВЧ) сварка основана на выделении тепла в диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле, в связи с сопротивлением звеньев молекул дипольной поляризации.

Индукционная сварка, основанная на выделении за счет вихревых токов тепла в проводниках, находящихся в высокочастотном электромагнитном поле, возможна при наличии в зоне сварки изделия или введении в нее магнитных элементов – металлических проводов или порошка, в частности, в составе экструдируемого профиля.

Сварка с нагревом от источника излучения основана на способности материалов поглощать лучистую энергию. При этом способе нагрева отсутствует непосредственный контакт изделия с источником тепла, поэтому исключено повреждение поверхности источником. Однако для обеспечения взаимной диффузии молекул свариваемых поверхностей требуются их плотный контакт и давление.

В зависимости от источника излучения различают нагрев ИК-излучением, лазером, светом видимого диапазона.

Лазерная сварка ввиду высокой интенсивности и высокой концентрации лазерного излучения предпочтительна для соединения непрерывных изделий или протяженных частей. Она осуществляется при режимах, обеспечивающих нагрев поверхности до температуры выше температуры плавления, но не вызывающей интенсивную деструкцию матричного полимера.

Механические неразъемные соединения – заклепками, иглами, скобами, сшиванием, некоторые типы захватных – применяют при сборке изделий из разнородных материалов при невысоких требованиях к прочности и герметичности мест сопряжения или в комбинации с клеевыми, сварными соединениями или другими типами механических соединений для повышения прочности при сдвиге, обеспечения плотного прилегания поверхностей или противодействия отрыву.

Развальцовка или опрессовка – создание неразъемных соединений путем в деформирования КМ с термопластичной матрицей в нагретом состоянии как в процессе формообразования, так и при окончательной сборке предварительно отформованных частей изделия.

Механические разъемные соединения (резьбовые, болтовые, винтовые, штифтоболтовые и штифтошпилечные, захватные, прессовые) обычно применяют для сборки частей из разнородных материалов, трудно подающихся склеиванию и сварке, или при необходимости неоднократной разборки соединения.

Прессовые соединения изделий из КМ, несмотря на их простоту и удобство монтажа, используют редко. Причины тому – зависимость удерживающего усилия от точности изготовления сопрягаемых элементов, повреждения материала при монтаже изделия, релаксация напряжений и ослабление связи в процессе эксплуатации.

Размерная обработка

Обработка резанием КМ крайне нежелательна и ее назначают только в исключительных случаях. К таким случаям относятся:

  • разрезка листовых препрегов для получения заготовок;
  • разделение длинномерных (непрерывных) профилей, труб и т.п. на мерные отрезки;
  • удаление литников, облоя, припусков после формования;
  • выполнение отверстий, пазов, других элементов, которые невозможно или нецелесообразно получать при формовании изделия;
  • дополнительная, как правило, местная обработка поверхности при повышенных требованиях к точности и шероховатости, которые не могут быть удовлетворены при формообразовании (например, посадочных мест, склеиваемых поверхностей после контактного формования, намотки).

Следующие общие закономерности и особенности должны учитываться при обработке КМ резанием:

  • низкая теплопроводность материала, затрудненный отвод тепла из зоны резания;
  • ограничение допустимой температуры в зоне резания структурными превращениями в компонентах, в частности плавлением и деструкцией матричного полимера;
  • выделение газов и пыли при интенсивном воздействии;
  • неоднородность структуры, различие температурных коэффициентов линейного расширения компонентов и обусловленные этим напряжения в элементах структуры;
  • высокая твердость и прочность армирующих волокон, обусловленные этим обрывы волокон в глубинных слоях, повышенная шероховатость обрабатываемой поверхности, повышенный износ обрабатывающего инструмента и ограниченные возможности применения смазочно-охлаждающих жидкостей.

Режимы резания. Обрабатываемость КМ резанием оценивается по удельной мощности резания, по ее отношению к максимально допустимой глубине резания, по удельному износу задней грани инструмента (по отношению к пути перемещения) и по среднему отклонению высоты неровностей получаемой поверхности.

Обработка лазерным лучом. Применение лазерного луча для обработки материалов обусловлено возможностью высокой концентрации тепловой энергии на малом участке поверхности. Под действием такого концентрированного источника тепла материал нагревается, плавится и испаряется, при этом практически отсутствуют потери, связанные с отводом тепла в глубь заготовки. Обработка лазерным лучом имеет следующие достоинства:

  • малая ширина повреждаемого слоя;
  • отсутствие силового воздействия на заготовку;
  • высокое качество обработанной поверхности;
  • малая ширина зоны действия теплового потока;
  • низкие потери энергии;
  • температурные деформации изделия очень малы;
  • высокая производительность процесса обработки;
  • высокая точность позиционирования заготовки.

Лазерным лучом разрезают листовые заготовки и ткани – стеклянные, синтетические, хлопчатобумажные, удаляют облой, прошивают отверстия малого диаметра.

Обработка водной струей. Метод основан на использовании кинетической энергии и, соответственно, разрушающей способности водной струи высокого давления. В зависимости от состава струи различают водоструйную, водно-суспензионную, водно-абразивную, водно-капельную технологии.

К достоинствам данного метода обработки относятся: доступность и дешевизна основного рабочего тела – воды; возможность обработки практически любых материалов; низкая температура в зоне обработки; экологическая чистота – отсутствие пыли и газа; малые потери материала при небольшой толщине водной струи; возможность управления струей и перемещением изделия в процессе обработки. К недостаткам метода следует отнести повышенный шум (80–90 дБ и выше), дорогостоящее и громоздкое оборудование, ограничения при обработке изделий сложной геометрии, повышенную поврежденность обработанной поверхности и поступление воды в микротрещины.

Модификация структуры и поверхности

Термическая обработка – дополнительное тепловое воздействие на изделия, осуществляемое после операции формообразования. Целями термообработки могут быть:

  • достижение более полной степени отверждения термореактивных матричных полимеров, если на стадии формообразования это нецеле-сообразно;
  • стабилизация размеров изделий, длительно эксплуатируемых при повышенной температуре;
  • улучшение физико-механических свойств материала;
  • удаление избыточной влаги и летучих веществ;
  • снижение уровня остаточных напряжений или, напротив, формирование начальных напряжений в изделиях.

Покрытия. Поверхностный слой изделий из КМ обычно обогащен матричным полимером, который обеспечивает защиту основного материала от внешних воздействий, обладает необходимыми декоративными и иными свойствами. В то же время, если какие-либо требования к свойствам поверхностного слоя не могут быть выполнены матричным полимером, на поверхность изделия наносят покрытия.

Покрытия – относительно тонкие (по сравнению с толщиной изделия) слои материала иной природы или структуры, придающие поверхности изделия особые свойства. Покрытия классифицируют по выполняемым ими функциям, по типу материала, по способу нанесения и иным признакам.

В зависимости от придаваемых покрытиями свойств поверхности различают декоративные, защитные (атмосферостойкие, водостойкие, масло- и бензостойкие, химически стойкие, термостойкие, электроизоляционные), герметизирующие, антифрикционные, электропроводящие, светоотражающие и иные типы покрытий /1/.

Leave a Reply