Реологические аспекты термопрессования изделий из консолидированных пластин на основе термореактивных связующих

Одним из перспективных технологических процессов изготовления изделий из полимерных композиционных материалов является процесс термопрессования из консолидированных пластин. Горячее прессование позволяет автоматизировать получение композитных изделий небольшого размера, что особенно актуально для крупносерийного производства. Рассмотрена технология горячего прессования консолидированных пластин на основе углеродной ткани и порошковых связующих. Оптимизация технологических режимов термопрессования проведена на основании обеспечения вязкости связующего в интервале 75…350 Па?с. Приведены возможные пути регулирования вязкости порошковых термореактивных связующих, наполненных дисперсным наполнителем и модифицированных термопластом. Регулирование вязкости ненаполненных термореактивных порошковых связующих выполнено на основе реокинетических исследований на примере эпоксидно-бензоксазиновых композиций. Предложены составы порошковых связующих для получения композиционных материалов с гомогенным и функционально-градиентным составом матрицы по сечению изделия. Проанализированы основные проблемы прессования консолидированных пластин с градиентом состава связующего, предложены пути их решения.
EDN: EZUSWQ, https://elibrary/ezuswq

Литература

[1] Lunetto V., Galati M., Settineri L. et al. Sustainability in the manufacturing of composite materials: a literature review and directions for future research. J. Manuf. Process., 2023, vol. 85, pp. 858–874, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.12.020

[2] Yadav N., Schledjewski R. Review of in-process defect monitoring for automated tape laying. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2023, art. 107654, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107654

[3] Sherwood J.A., Fetfatsidis K.A., Gorczyca J.L. et al. Fabric thermostamping in polymer matrix composites. In: Manufacturing techniques for polymer matrix composites (PMCs). Woodhead Publ., 2012, pp. 139–181, doi: https://doi.org/10.1533/9780857096258.2.139

[4] Brooks R.A., Wang H., Ding Z. et al. A review on stamp forming of continuous fibre-reinforced thermoplastics. Int. J. Lightweight Mater. Manuf., 2022, vol. 5, no. 3, pp. 411–430, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2022.05.001

[5] Chen H., Li S., Wang J. et al. A focused review on the thermo-stamping process and simulation progresses of continuous fibre reinforced thermoplastic composites. Compos. B. Eng., 2021, vol. 224, art. 109196, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109196

[6] Gong Y., Song Z., Ning H. et al. A comprehensive review of characterization and simulation methods for thermo-stamping of 2D woven fabric reinforced thermoplastics. Compos. B. Eng., 2020, vol. 203, art. 108462, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108462

[7] Соловьев Р.И., Балькаев Д.А., Амирова Л.М. Термоформование изделий из консолидированных листовых заготовок на основе армированного стеклотканью полипропилена. Известия вузов. Авиационная техника, 2024, № 1, с. 164–171, EDN: KORRDN

[8] Соловьев Р.И., Амирова Л.М. и др. Определение формообразующего поведения термопластичных композиционных материалов для моделирования термоформования. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2023, т. 89, № 7, с. 61–70, doi: https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-7-61-70

[9] Амиров Р.Р., Антипин И.С., Балькаев Д.А. и др. Углепластик на основе полифениленсульфидного связующего и способ его получения (варианты). Патент РФ 2816084. Заявл. 15.09.2023, опубл. 26.03.2024.

[10] Yanagimoto J., Ikeuchi K. Sheet forming process of carbon fiber reinforced plastics for lightweight parts. CIRP Annals, 2012, vol. 61, no. 1, pp. 247–250, doi: https://doi.org/10.1016/j.cirp.2012.03.129

[11] Uriya Y., Yanagimoto J. Suitable structure of thermosetting CFRP sheet for cold/warm forming. Int. J. Mater. Form., 2016, vol. 9, pp. 243–252, doi: https://doi.org/10.1007/s12289-015-1227-x

[12] Uriya Y., Yanagimoto J. Erichsen cupping test on thermosetting CFRP sheets. Int. J. Mater. Form., 2017, vol. 10, pp. 527–534, doi: https://doi.org/10.1007/s12289-016-1298-3

[13] Nishino A., Oya T. Multiscale analysis of the formability of CFRP sheets subjected to warm forming with a temperature-dependent epoxy model. Int. J. Mater. Form., 2019, vol. 12, pp. 793–800, doi: https://doi.org/10.1007/s12289-018-1449-9

[14] Oya T., Nishino A. Formability mechanism of CFRP sheets using multiscale model based on microscopic characteristics of thermosetting resin. Multiscale and Multidiscip. Model. Exp. and Des., 2021, vol. 4, no. 2, pp. 65–76, doi: https://doi.org/10.1007/s41939-020-00082-2

[15] Мельников Д.А., Хасков М.А., Гусева М.А. и др. К вопросу о разработке режимов прессования слоистых ПКМ на основе препрегов. Труды ВИАМ, 2018, № 2, doi: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2018-0-2-9-9

[16] Hallander P., Sjölander J., Petersson M. et al. Fast forming of multistacked UD prepreg using a high?pressure process. Polym. Compos., 2019, vol. 40, no. 9, pp. 3550–3561, doi: https://doi.org/10.1002/pc.25217

[17] Janzen J.P., May D. Solid epoxy prepregs with patterned resin distribution: Influence of pattern and process parameters on part quality in vacuum?bag?only processing. Polym. Compos., 2023, vol. 44, no. 11, pp. 8153–8167, doi: https://doi.org/10.1002/pc.27696

[18] Амирова Л.М., Антипин И.С., Балькаев Д.А. и др. Способ получения армированного углекомпозита на основе порошкового связующего, содержащего твердую эпоксидную смолу и бифункциональный бензоксазин (варианты). Патент РФ 2813113. Заявл. 07.06.2023, опубл. 06.02.2024.

[19] Хамидуллин О.Л., Мадиярова Г.М., Амирова Л.М. и др. Порошковое связующее на основе циановой композиции и способ получения армированного углекомпозита на его основе (варианты). Патент РФ 2813882. Заявл. 23.08.2023, опубл. 19.02.2024.

[20] Хамидуллин О.Л., Мадиярова Г.М., Амирова Л.М. и др. Токопроводящее порошковое связующее на основе эпоксидной композиции и способ получения препрега и армированного углекомпозита на его основе (варианты). Патент РФ 2820925. Заявл. 07.08.2023, опубл.11.06.2024.

[21] Rashidi A., Montazerian H., Milani A.S. Slip-bias extension test: a characterization tool for understanding and modeling the effect of clamping conditions in forming of woven fabrics. Compos. Struct., 2021, vol. 260, art. 113529, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113529

[22] Qi J., Li L., Wang Y. et al. A mechanics analysis of carbon fiber plain-woven thermoset prepreg during forming process considering temperature effect. Polymers, 2022, vol. 14, no. 13, art. 2618, doi: https://doi.org/10.3390/polym14132618

[23] Khan M.A., Pasco C., Reynolds N. et al. On the validity of bias-extension test method for the characterisation of in-plane shear properties of rapid-cure prepregs. Compos. Struct., 2020, vol. 246, art. 112399, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112399

[24] Le A., Nimbalkar S., Zobeiry N. et al. An efficient multi-scale approach for viscoelastic analysis of woven composites under bending. Compos. Struct., 2022, vol. 292, art. 115698, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115698

[25] Ten Thije R.H.W. et al. A lubrication approach to friction in thermoplastic composites forming processes. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2011, vol. 42, no. 8, pp. 950–960, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.03.023

[26] Erland S., Dodwell T.J., Butler R. Characterisation of inter-ply shear in uncured carbon fibre prepreg. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2015, vol. 77, pp. 210–218, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.07.008

[27] Rashidi A. et al. Experimental characterization of the inter-ply shear behavior of dry and prepreg woven fabrics: significance of mixed lubrication mode during thermoset composites processing. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2020, vol. 129, art. 105725, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105725

[28] Osterberger J., Maier F., Hinterhölzl R.M. Application of the abaqus fabric model to approximate the draping behavior of UD prepregs based on suited mechanical characterization. Front. Mater., 2022, vol. 9, art. 865477, doi: https://doi.org/10.3389/fmats.2022.865477

[29] Bai R., Chen B., Colmars J. et al. Physics-based evaluation of the drapability of textile composite reinforcements. Compos. B. Eng., 2022, vol. 242, art. 110089, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110089

[30] Rashidi A., Crawford B., Olfatbakhsh T. et al. A mixed lubrication model for inter-ply friction behaviour of uncured fabric prepregs. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 149, art. 106571, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106571

[31] Yuan H., Khan M., Qian C. et al. Experimental and numerical investigation of the intra-ply shear behaviour of unidirectional prepreg forming through picture-frame test. Compos. B. Eng., 2023, vol. 266, art. 111036, doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111036

[32] Martin C.J., Seferis J.C., Wilhelm M.A. Frictional resistance of thermoset prepregs and its influence on honeycomb composite processing. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 1996, vol. 27, no. 10, pp. 943–951, doi: https://doi.org/10.1016/1359-835X(96)00037-1

[33] Rashidi A., Keegan C., Milani A.S. Analysis of inter-ply friction in consolidation process of thermoset woven prepregs. AIP Conf. Proc., 2019, vol. 2113, no. 1, art. 020023, doi: https://doi.org/10.1063/1.5112528

[34] Kruse M., Werner H.O., Chen H. et al. Investigation of the friction behavior between dry/infiltrated glass fiber fabric and metal sheet during deep drawing of fiber metal laminates. Prod. Eng. Res. Devel., 2023, vol. 17, no. 1, pp. 37–46, doi: https://doi.org/10.1007/s11740-022-01141-y

[35] Ghatage P.S., Kar V.R., Sudhagar P.E. On the numerical modelling and analysis of multi-directional functionally graded composite structures: a review. Compos. Struct., 2020, vol. 236, art. 111837, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111837

[36] Sidorov I.N., Andrianova K., Gaifutdinov A. et al. Modeling and experimental investigations of mechanical properties of hybrid composite rods with gradient composition. Mater. Today Commun., 2024, vol. 39, art. 108738, doi: https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4740647

[37] Андрианова К.А., Халиков А.А., Беззаметнов О.Н. и др. Функционально-градиентный углепластик на основе эпоксидной матрицы, модифицированной термоэластопластом. Вопросы материаловедения, 2023, № 3, с. 170–177, doi: https://doi.org/10.22349/1994-6716-2023-115-3-170-177

[38] Zhang J., Taylor T., Shukla L. et al. Rapid fabrication of 3D CFRP parts by hot forming of pre-cured CFRP sheets. Compos. Struct., 2021, vol. 268, art. 113942, doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113942

[39] Halley P.J., Mackay M.E. Chemorheology of thermosets — an overview. Polym. Eng. Sci., 1996, vol. 36, no. 5, pp. 593–609, doi: https://doi.org/10.1002/pen.10447

[40] Domínguez J.C. Rheology and curing process of thermosets. In: Thermosets. Elsevier, 2018, pp. 115–146, doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101021-1.00004-6

[41] Müller-Pabel M., Agudo J.A.R., Gude M. Measuring and understanding cure-dependent viscoelastic properties of epoxy resin: a review. Polym. Test., 2022, vol. 114, art. 107701, doi: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2022.107701

[42] Malkin A.Y., Kulichikhin S.G. Rheokinetics. Wiley, 2008. 236 p.

[43] Vyazovkin S., Achilias D., Fernandez-Francos X. et al. ICTAC Kinetics Committee recommendations for analysis of thermal polymerization kinetics. Thermochim. Acta, 2022, vol. 714, art. 179243, doi: https://doi.org/10.1016/j.tca.2022.179243

[44] Dittrich B., Wartig K-A., Mülhaupt R. et al. Flame-retardancy properties of intumes-cent ammonium poly(phosphate) and mineral filler magnesium hydroxide in combination with graphene. Polymers, 2014, vol. 6, no. 11, pp. 2875–2895, doi: https://doi.org/10.3390/polym6112875

[45] Domínguez J.C., Alonso M.V., Oliet M. et al. Chemorheological study of the curing kinetics of a phenolic resol resin gelled. Eur. Polym. J., 2010, vol. 46, no. 1, pp. 50–57, doi: https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2009.09.004

[46] Peng W., Riedl B. The chemorheology of phenol-formaldehyde thermoset resin and mixtures of the resin with lignin fillers. Polymer, 1994, vol. 35, no. 6, pp. 1280–1286, doi: https://doi.org/10.1016/0032-3861(94)90024-8

[47] Domínguez J.C., Oliet M., Alonso M.V. et al. Rheokinetic of a gelled resol resin curing by dynamic?temperature rheometry based on rectangular torsion strain. J. Appl. Polym. Sci., 2012, vol. 124, no. 6, pp. 5122–5129, doi: https://doi.org/10.1002/app.35663

[48] Yang Z., Peng H., Wang W. et al. Crystallization behavior of poly(?-caprolactone)/layered double hydroxide nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci., 2010, vol. 116, no. 5, pp. 2658–2667, doi: https://doi.org/10.1002/app.31787

[49] Roller M.B. Rheology of curing thermosets: a review. Polym. Eng. Sci., 1986, vol. 26, no. 6, pp. 432–440, doi: https://doi.org/10.1002/pen.760260610