Материалы и методы, применяемые при изготовлении стеклопластика

Источник: The Elements of Boat Strength, 2000
Автор: Dave Gerr
Перевод Сергея Баркалова

Данный материал представляет собой отрывки из трех разных глав книги, поэтому мне не удалось придать ему гладкую логическую структуру. С.Б.

Производство современных корпусов из стеклопластика основано на принципе, известном с античных времен - добавка в глину или гипс всего двух процентов волокнистой массы резко повышает их прочность, снижает образование трещин при ударах и изгибах. Чем больше волокна вы кладете в пропорции к связующему, тем прочнее получается их комбинация. Поэтому применение композитных материалов насчитывает уже несколько тысячелетий.

Другим примером композита, который сопровождает нас на протяжении более трех тысяч лет, является папье-маше. Древние египтяне пользовались этим методом для изготовления саркофагов - ламинированных гробниц. В восемнадцатом веке в Европе таким способом делали шкатулки и мебель. А во время Второй Мировой, верите или нет, этот метод использовался для производства авиационных топливных баков. У папье-маше есть свои недостатки - низкая прочность, горючесть, и что хуже всего - нестойкость к влаге. Пока изделие находится под слоем лака или краски в сухой атмосфере - все обстоит прекрасно, однако стоит ему только намокнуть - это и будет его концом.

Как ни странно, но главным толчком к разработке современных композитов оказалось развитие электротехнической индустрии. Старые изоляционные материалы -гуттаперча, вощеная бумага, шеллак и керамика, которые годились для применения в телеграфных линиях, уже не справлялись со своими задачами, когда речь зашла о высоких токах. Бельгийский химик Лео Бакеланд в 1906 году открыл реакцию, в результате которой взаимодействием фенола с формальдегидом получалась прочная и водостойкая смола. Но только много месяцев спустя он понял, что если добавить в хрупкую смолу волокно (в молотом виде), это значительно повышает ее прочность. Таким образом и появился бакелит - первый "современный" композит, ознаменовавший собой начало пластмассовой революции. В промежутке между двумя мировыми войнами домашняя утварь и электрооборудование - все имели бакелитовые ручки, кнопки, корпуса и изоляцию.

С того момента начался непрерывный рост прочности, жесткости и атмосферостойкости этих смол. Были перепробованы все возможные варианты композиций со всеми видами волокон - от целлюлозы до асбеста. Да-да, составы на основе фенольных смол и асбеста были популярны в конце Второй Мировой Войны. Известный под названием Durestos, этот материал обладал очень высокими характеристиками, в некоторых отношениях не уступая современным пластикам. Тогда никто не задумывался о связанном с этим риском для здоровья, поэтому всем нам повезло, что этот материал не получил распространения.

В конце концов мы пришли к тому, что самым удобным и экономичным методом для постройки корпуса судна оказалось применение стеклянных волокон и полиэфирной смолы. Процесс, который при этом используется, в точности повторяет древний способ изготовления папье-маше. При постройке саркофага древние египтяне изготавливали матрицу из гипса или глины, которую затем покрывали изнутри разделительным составом - льняным маслом или мылом.

Следом в эту матрицу укладывались чередующиеся слои клеящей пасты и бумаги и плотно прижимались. Процесс продолжался до достижения необходимой толщины. Большинство современных серийных стеклопластиковых лодок делается по точно такой же методике. При постройке корпуса первым делом изготавливается матрица, которая покрывается изнутри разделительным составом (сегодня это воск). Затем в нее до достижения нужной толщины кладутся чередующиеся слои стекломатериалов разных типов и полиэфирной смолы. Так что, возможно, "современная" технология не так уж и современна, как мы об этом думаем.

Ручное формование, вакуумное прессование и напыление рубленого волокна. То, что было описано выше, известно как ручной способ формовки стеклопластика. Он имеет самое широкое распространение и являет собой наиболее успешный метод, каким можно получить корпус. Существуют также еще два альтернативных метода. Один из них представляет тот же ручной способ, но немного усовершенствованный. Весь технологический процесс протекает как обычно, однако после укладки всех слоев, пока смола еще не полимеризовалась, на матрицу с корпусом накидывается вакуумный мешок (на практике - большой лист пленки) и герметизируется лентой. Воздух частично откачивается вакуумным насосом, что приводит к тому, что воздух снаружи пленки оказывает высокое равномерное давление на нее, а следовательно, на весь ламинат в целом. При этом получается необыкновенно плотный, прочный и ровный пластик, который по прочности значительно превышает стеклопластик ручной формовки. Это происходит благодаря тому, что стеклопластик, получаемый методом вакуумного формования, содержит больше стекла в пропорции к смоле. А чем больше волокна содержит ламинат (при соблюдении технологии) - тем он прочнее. Атмосферное давление равно примерно 101 кПа. Если при формовании корпуса уменьшить давление под пленкой всего на четверть - до 76 кПа, в результате мы получим давление на нее снаружи в 25 кПа. Надеюсь, вы поняли, что это означает? 25 кПа - это 2 600 кг/м2. Если мы возьмем для примера 28-футовый корпус с площадью поверхности в 45 кв.м, суммарное давление будет равным 116 тонн! На практике давление обычно бывает в диапазоне 48-62 кПа.

Другой крайностью является изготовление стеклопластика при помощи напыления рубленого волокна. Используя специальный пистолет, на поверхность матрицы выдувается поток мелко нарубленного стекловолокна в смеси с жидкой смолой. То, что получилось, затем прикатывается вручную валиком.

Поскольку волокна короткие, хаотично ориентированные и контроль за толщиной наносимого слоя отсутствует, такой стеклопластик получается менее плотным и прочным, чем при ручном формовании, и гораздо менее прочным, чем при вакуумном формовании. Однако данный способ изготовления корпуса самый быстрый и дешевый. Означает ли это, что он плох? Нет, не означает, просто покупатель всегда получает то, за что он заплатил. Понятно, что получаемый таким методом корпус должен обладать увеличенной толщиной обшивки, а стало быть и весом для достижения той же самой прочности. Однако даже в этом случае запас его прочности и долговечность будут куда меньше, чем у качественно отформованного ручным методом корпуса. Поэтому, если не ставить цель достижения высоких скоростей и хранить лодку на берегу - правильно спроектированный корпус такой конструкции может вполне устроить.

Достоинства и недостатки трех методов. Ознакомившись с этими тремя способами формования, мы можем оценить их плюсы и минусы. Ручной способ является фактически промышленным стандартом. Правильно изготовленный им корпус имеет гладкую ровную поверхность снаружи и внутри и равномерную толщину на каждом отдельном его участке. Механические свойства такого корпуса более чем достаточны для большинства обычных судов. Вакуумно-формованный ламинат более плотный, содержит меньшее количество смолы в пропорции к армирующему стекловолокну. При той же толщине прочность такого стеклопластика выше. Хотя в большинстве случаев это и ни к чему, однако конструктор и изготовитель могут снизить вес или повысить скорость (или то и другое одновременно), применив вакуум. Эта технология повышает стоимость работ (обычно меньше, чем ожидается), а толщина оболочек сэндвичевых конструкций может оказаться слишком тонкой, чем это ьребуется для малых и быстроходных судов.

Стеклопластик, получаемый напылением - самый дешевый, а из-за повышенного весового содержания смолы - самый непрочный. Этот метод годится для серийного производства корпусов, для которых вес и скорость не являются главными приоритетами. Таким способом можно успешно изготавливать внутренние и второстепенные компоненты для корпуса, отформованного ручным методом. Естественно, те же самые компоненты будут иметь меньший вес, если их изготовить вручную или применить вакуум, однако при серийном производстве получаемая таким образом экономия вполне оправдывает этот шаг.


Компоненты стандартного стеклопластика

С той поры как стеклопластик впервые начал применяться как материал для постройки корпусов лодок на рубеже 40-50-х годов, существует всего три стандартных материала, обычно изготовленных из стекловолокна категории Е (обыкновенное, электротехническое или строительное).


Стекломат

Стекломат, он же просто мат, представляет собой стекловолокна, нарубленные мелкими кусками длиной от 12 до 50 мм и склеенные друг с другом временным связующим - эмульсией. Из-за того, что волокна короткие и ориентированы хаотично, мат не отличается прочностью. Однако он легко пропитывается смолой, так как является мягким, толстым и рыхлым, похожим на губку при пропитывании. Мат хорошо использовать для клеевого соединения слоев из других видов стекломатериалов и заполнителей. Поэтому самый популярный способ формования корпуса - это укладка чередующихся между собой слоев ровинга и мата.

Тканый ровинг

Тканый ровинг - тяжелая грубая ткань, состоящая из прядей стекловолокна. Благодаря тому, что волокна имеют большую длину и ориентированы в перпендикулярных направлениях, ровинг представляет собой очень прочное армирование. При равном весе, отформованный из одного только ровинга стеклопластик обладает в два раза большей прочностью, чем стандартный стеклопластик из ровинга и мата. Однако, чтобы изготовить качественный ламинат из чистого ровинга, требуется высокая квалификация и внимание. Без мягкого рыхлого материала, каким является мат, сложно добиться, чтобы сравнительно твердые и плоские слои ровинга надежно склеились друг с другом. Поскольку стеклопластик из ровинга с матом на практике обладает достаточными качествами для обычных лодок, мало кто из производителей идет на дополнительные расходы.


Стеклоткань

Настоящая стеклоткань представляет собой очень прочный материал. Из-за своей дороговизны она применяется практически исключительно в конструкциях небольших лодок и для отделочных работ. В отличие от ровинга ткань имеет очень мелкую текстуру и часто используется при формовании как наружный слой для укрытия грубой поверхности ровинга и мата. К примеру, один-единственный слой стеклоткани изнутри корпуса позволяет получить красивую гладкую поверхность. Как следствие, тонкую стеклоткань часто именуют отделочной.

Стандартная полиэфирная смола

Самой распространенной смолой для изготовления стеклопластика является полиэфирная. Смола в жидком виде смешивается с катализатором и акселератором, при этом происходит реакция полимеризации. Это означает, что молекулы пластика образуют друг с другом связи, превращаясь в жесткую структуру. В идеале весь корпус представляет собой одну молекулярную цепь.

Катализатор

При всем разнообразии катализаторов, самым распространенным из них является продукт реакции метилэтилкетона с перекисью водорода, или пероксид (MEKP=methyl ethyl ketone peroxide). Это очень опасное вещество - оно вызывает сильную коррозию и при попадании на кожу его необходимо смыть как можно скорее. Что еще интереснее - это агрессивное вещество может привести к взрыву. Когда акселератор, применяемый для ускорения процесса полимеризации, вступает в прямой контакт с пероксидом - если не взрыв, то как минимум пожар вам обеспечены. Как следствие, большинство смол, применяемых в судостроении, поставляются с уже введенным акселератором.

Стандартный процесс формования стеклопластика. В течение последних сорока лет стандартным и самым простым способом формования корпуса является укладка чередующихся слоев тканого ровинга и стекломата. Как и в случае с заполнителем, мат между слоями ровинга улучшает их адгезию друг к другу. Однако в остальных случаях мат не должен содержать смолы более, чем это необходимо.

Чаще всего производители приобретают мат и ровинг в виде уже пристеганых или приклееных друг к другу слоев того и другого, называя это комби-матом или фаб-матом. Такие материалы снижают трудозатраты, позволяя за одну операцию укладывать сразу два слоя.

Соотношение стекловолокна и смолы, или, как его еще называют - содержание стекла, для стандартного метода с использованием ровинга и стекломата, составляет около 35% по весу. Стеклопластик на базе одного только стекломата содержит около 28% стекла, для стеклопластика из одного ровинга эта цифра составляет 40%. Еще раз нелишним будет напомнить, что чем выше содержание стекла (в пропорции к смоле), тем выше будут механические свойства ламината (прочность).


Особенности конструкции стеклопластикового корпуса

Места концентрации напряжений. Из-за того что стеклопластик довольно гибкий материал и в большинстве случаев толщина его небольшая, он может испытывать многократные изгибы в местах концентрации напряжений, резких углов, установки оборудования, болтов и другого крепежа. Поэтому крайне важно иметь в таких местах подкладочные пластины, помогающие распределить нагрузку; для вклеивания стрингеров, переборок и прочих элементов мокрый угольник должен обладать большой площадью; все переходы от одной толщины к другой должны быть плавными.

Все углы стеклопластиковой конструкции и ее вторичных клеевых соединений должны иметь радиус или галтель - стеклопластик не терпит острых углов. При выполнении внутренних углов следует использовать галтель из пенопласта, бальзы или шпатлевки. В равной степени это относится к углам транца, форштевню, вклеиванию переборок, стрингеров, оборудования и встроенных баков.

Переходы толщин заполнителя. Из-за того что толщина стеклопластика в сэндвиче меньше чем у сплошного, распределение нагрузок и устранение мест их концентрации здесь особенно важны. Согласно требованиям Береговой Охраны США и Американского Бюро Судоходства, переход от области, содержащей заполнитель к сплошному стеклопластику должен иметь плавную клинообразную форму.

Вторичные клеевые соединения. При правильном процессе изготовления стеклопластикового корпуса он формуется одним непрерывным процессом, где перерывы между укладкой слоев не должны превышать 16 часов (чем меньше, тем лучше).

Еще лучшее правило: время до укладки следующего слоя не должно превышать удвоенного времени желатинизации смолы. В таком случае смола этого слоя образует химические связи с предыдущим.

При соблюдении данного условия все слои (в той или иной степени) будут полимеризоваться одновременно, образуя единое целое посредством первичных связей. Естественно, переборки, элементы жесткости и внутренняя обстройка будут установлены позже - после полного отверждения корпуса. Мокрый угольник, при помощи которого будут устанавливаться эти элементы, будет являть собой вторичные связи, по прочности не идущие ни в какое сравнение с первичными. Образование химических связей в этом случае незначительно.

Хотя эта проблема и неизбежна, большой опасности она не представляет - для образования качественного соединениянеобходимо только выполнить определенные требования. Поверхность должна быть слегка зачищена ( быть грубой, чтобы дать смоле возможность "зацепиться"), а пыль удалена при помощи пылесоса. Затем ее следует протереть и обезжирить тряпкой, смоченной в ацетоне или стироле. Если ламинату больше трех месяцев, стирол предпочтительней - он размягчает старую смолу, тем самым улучшая адгезию. Только тогда можно пропитывать материал угольника, прикатывать его и прижимать. Большинство производителей применяют одну и ту же полиэфирную смолу как для формования корпуса, так и для установки компонентов. Если это делается со всей тщательностью, претензий нет, однако лучшие фирмы для всех конструктивных соединений применяют винилэфирную смолу. Соединения при этом получаются более прочные и долговечные.

Что бывает, когда эти шаги не соблюдаются, можно наблюдать на фото корпуса, поступившего в ремонт. Попав в шторм, он буквально начал разваливаться на части. Переборка (элемент жесткости) была выдернута из корпуса одной рукой. Фирма-изготовитель не только не потрудилась обеспечить качество соединений, но и не применила пенопластовые прокладки (или хотя бы галтели) для придания радиуса угольнику.

Недопустимость незащищенной древесины. В стеклопластиковых корпусах часто в качестве заполнителя применяется фанера или древесина. Внутри практически всегда присутствуют деревянные подкладки и панели - для крепления оборудования и интерьера. Если древесина играет роль коструктива (в отличие от обстройки), она не должна оставаться незащищенной. Каждый деревянный элемент должен иметь покрытие. Если этого не будет, древесина не только может загнить, но что гораздо хуже - она будет многократно разбухать и высыхать вместе с регулярными изменениями влажности. В конце концов (а иногда и довольно скоро) дерево растрескивается и отделяется от самой стеклопластиковой конструкции, что очень плохо. Как правило, деревянные элементы, находящиеся в контакте со стеклопластиковой конструкцией, обильно покрываются смолой и затем гелькоутом из распылителя. Нужно иметь очень наметанный глаз, чтобы обнаружить элементы, замаскированные таким образом. Если дерево не имеет местного ламинированного или иного конструктивного крепления к стеклопластику, достаточно посадить его на морской герметик и обработать антисептиком или покрасить - одним словом, покрыть чем-нибудь со всех сторон, и сделать это на совесть.

Гелькоут и борьба с проявлением текстуры. Обычно процесс формования стеклопластикового корпуса начинается с нанесения разделительного воска на внутреннюю поверхность матрицы и затем покрытия ее поверхности гелькоутом из распылителя - толщиной 0.5-0.76 мм. При большей толщине гелькоут склонен к образованию трещин, при меньшей страдает качество поверхности. Гелькоут представляет собой смолу высокого качества с введенным цветным пигментом. Затем ему дают частично полимеризоваться (три-четыре часа, в зависимости от смолы). Следующим шагом на частично вставший гелькоут кладется слой мата. Для большинства малых судов длиной 7.5-9 м вес этого мата составляет 300-450 г/м2. Для лодок меньшего размера вес мата как правило 230-300 г/м2. Этому слою дают полимеризоваться (обычно до утра ), после чего укладывается оставшийся конструкционный пластик. Опять же, если длина корпуса превышает 9 м, следующим слоем идет мат весом 300-450 г/м2, а для лодок менее 7.5 м - 230 г/м2. Назначение стекломата - избежать проявления грубой текстуры нижележащего конструкционного материала, каким обычно выступает ровинг. Мат эту задачу выполняет, потому что он мягкий, рыхлый и содержит большое количество смолы (или мало стекла, что одно и то же).

Большинство производителей лодок длиной менее 7.5 м старается укладывать 600 и более г/м2 стекломата между гелькоутом и конструкционным ламинатом. Такова, к сожалению, необходимость и в большинстве случаев приходится с этим мириться ( при малой прочности мат добавляет значительный вес ). Еще надо иметь в виду, что чем более мелкую текстуру имеет конструктивный материал, тем меньше его тенденция проявлять ее на гелькоуте. Поэтому некоторые из легких стеганых матов могут помочь снизить количество стекломата в наружном слое.

Как вариант - если основную часть ламината будет составлять стандартный комби-мат 24-15 (813 г/м2 ровинга + 450 г/м2 стекломата), его можно укладывать непосредственно на внешний слой мата весом 470 г/м2. Это также позволит снизить эффект проявления текстуры.

При отверждении смолы выделяется тепло - естественный продукт химической экзотермической реакции. Чем выше температура этой реакции при полимеризации, тем большую усадку получит ламинат после охлаждения. Усадка способствует проявлению текстуры. Как из этого следует, ее можно снизить:

- путем применения самых медленных смол, какие только допустимы на практике
- путем снижения толщины внутренних оболочек
- путем поддержания низкой температуры в рабочем помещении.

Это весьма деликатный вопрос и лучше всего проконсультироваться по у производителя смолы - какой процесс и композиция более всего годится для конкретной смолы.


Смола: хранение и смешивание. При том, что стекломатералы для формования стеклопластика не имеют срока хранения, сами смолы представляют собой довольно летучие соединения. Я часто поражаюсь тому, как безответственно некоторые производители относятся к хранению и смешиванию смолы. Всегда следите за сроком годности смолы и не пытайтесь ее использовать после его истечения, иначе вам придется об этом пожалеть. Смола должна храниться в прохладном помещении, куда не попадает прямой солнечный свет. Емкости должны быть закрыты так, чтобы в них не могли проникнуть воздух и влага и даже в частично использованных бочках надо стараться свести количество конденсата к минимуму. Крайне важно, чтобы смола перед розливом и использованием была тщательно перетерта в емкости хранения. Многие необъяснимые случаи брака при формовании явились результатом игнорирования этих простых правил.

Современные ламинаты: волокна и смолы. За последние пятнадцать лет в обиход вошло большое количество новых тканей и волокон. Их применение позволяет конструктору и строителю создавать крепкие, жесткие и легкие корпуса. Как правило, такие ламинаты обходятся дороже, а временами значительно дороже.

Ранее уже говорилось, что обычный стеклопластик являет собой стекломат, стеклоровинг и стеклоткань. Все эти материалы изготовлены из стекловолокна категории Е (E = Electrical =электротехническое), являющегося стандартом в судостроении и при изготовлении конструкций. Стекловолокно категории S или S2 (S = Structural = конструкционное) по своему химическому составу идентично категории Е, однако это авиационное волокно. Отдельные волокна имеют меньший размер, содержат меньше примесей и меньше дефектов. Это значительно повышает прочность отдельных волокон и в конечном итоге всего ламината в целом.

Вместо электротехнического стекловолокна аналогичным образом могут быть использованы кевлар, спектра и углеволокно. Они обладают в 3-10 раз более высокой прочностью и жесткостью, позволяя получить намного более прочные ламинаты. Жесткость измеряется величиной, известной как модуль упругости, поэтому эти современные материалы часто именуются высокомодульными.


Современные типы стекломатериалов: однонаправленные, биаксиальные и стеганые.

Однонаправленные материалы (Uni-Di, UD).

У однонаправленных тканей все пряди плотно уложены в одном направлении. Изгибы волокон отсутствуют, а мест концентрирации смолы мало.

Еще один способ повысить механические свойства ламината состоит в том, чтобы избавиться от изгибов вверх-вниз отдельных волокон и выровнять их в том направлении, где необходима прочность. С этой целью производится укладка волокон только в этом направлении. Материал имеет форму рулона, в котором отдельные волокна связаны друг с другом либо прошивкой, либо какой-либо эмульсией. Такой тип материала называется однонаправленным.


У однонаправленных тканей все пряди плотно уложены в одном направлении. Изгибы волокон отсутствуют, а мест концентрирации смолы мало.

Поскольку в этом случае волокна не изгибаются вверх-вниз, переплетаясь с поперечными, данный материал обладает более высокой прочностью, чем даже ровинг (состоящий из тканых пучков волокон). Все волокна ориентированы одинаково, поэтому максимальная прочность также будет только в этом направлении. Плюс ко всему отдельные волокна лежат близко друг от друга и легко пропитываются смолой. Это означает, что весовое отношение волокна к смоле будет очень высоким - вакуумированный ламинат из однонаправленного стекловолокна содержит 55-60% стекла, а в лучших случаях - 65-70%.

Биаксиальные ткани.

К сожалению, на практическом пути применения чистых однонаправленных материалов лежат два препятствия. Первое и наиболее явное - прочность только в одном направлении. Чтобы его обойти, приходится укладывать однонаправленный материал в виде множества слоев под разными углами. Первый слой укладывается, к примеру, под углом 45 градусов к продольной оси корпуса, второй укладывается под противоположным углом, как в случае диагональной обшивки. Это именуется ±45, +45/-45 или просто 45/45. Как вариант, слои могут лежать вдоль и поперек продольной оси, что именуется 0/90. Как и в случае с комби-матом (стекломатом, к которому пристеган тканый ровинг), производители стекломатериалов предлагают варианты, совмещающие в себе однонаправленные слои. Это позволяет уложить два слоя за одну операцию. Такой тип тканей называется биаксиальным (даже если он имеет конструкцию 0/90). Существуют также триаксиальные и квадроаксиальные ткани. Триаксиальные могут иметь конструкцию +45/-45/0, где все три слоя простеганы воедино и имеют вид рулона. Комбинируя биаксиальные ткани конструкции 45/45 с тканью конструкции 0/90, можно получить равную прочность во всех направлениях. Хотя это будет и прочнее, чем тканый ровинг, чистый однонаправленный ламинат в направлении укладки все равно обладает более высокими характеристиками.

Стеганые маты. Второй проблемой применения однонаправленных материалов является отсутствие мата между слоями, обеспечивающего их надежную связь. При тщательном подходе, с применением вакуумирования и эластичной, заполняющей пустоты смолы, такой вариант годится. Тем не менее для большинства случаев все-таки желательно некоторое количество стекломата. Его количество - очень деликатный вопрос. Во-первых, мат - это непрочный тяжелый материал, поэтому его надо использовать по минимуму. Во-вторых, большинство стекломатов несовместимы с высокопрочными смолами. Чтобы разрешить это противоречие, производители предлагают материал, представляющий биаксиальную ткань с пристеганным к ней тонким слоем мата, называя это стеганым матом (stitch-mat).

Типичным стеганым матом является Hexel Knytex DBM 1708. Это биаксиальный материал 45/45 (что означают буквы "DB") из двух однонаправленных слоев весом по 8.5 унций (что в сумме дает "17") с одним слоем пристеганого мата весом 0.75 унц. (округлено - "08"). Если перевести в метрические единицы, получим два слоя по 288 г/м2 со слоем мата весом 25 г/м2. Мат специально не имеет какой-либо связующей эмульсии либо замасливателя, которые могут оказаться несовместимыми с прочными смолами.

Стеганые маты существуют самых разных видов - 0/90, 45/45, с матом разной толщины и веса, что дает возможность максимально использовать свойства современных материалов и смол без лишних трудозатрат. Укладка такого материала эквивалентна сразу трем слоям - двум однонаправленным и одному мата.

Даже применяя обычное электротехническое волокно в виде стеганого мата, можно добиться значительного повышения прочности. Прочность на изгиб, к примеру, вышеупомянутого DBM 1708 составляет 434 МПа, в то время как стандартный ламинат из мата и ровинга демонстрирует всего 206 МПа.


Применяемые типы смол

Полиэфирная смола. Нет никакого смысла в применении современных видов тканей и высокомодульных материалов со стандартной полиэфирной смолой. Это универсальная смола, которая является стандартом в промышленности на протяжении уже многих лет. Ее недостаток состоит в том, что она довольно хрупкая - при повышенных нагрузках она покрывается трещинами, вместо того чтобы растягиваться и затем принимать свою первоначальную форму. Прежде чем треснуть, ортофталевая полиэфирная смола удлиняется примерно на 2 % при прочности на разрыв в 65 МПа. Это говорит о том, что когда тонкие высокомодульные волокна и современные ткани будут еще тянуться, достигая своего рабочего диапазона, сама смола уже растрескается.

Другим видом полиэфирной смолы является изофталевая. Она немного эластичней и обладает повышенной химической стойкостью, т.е. менее чувствительна к осмотическим явлениям и химическим веществам, содержащимся в воде. Изофталевая смола тянется на 2.5% прежде чем растрескаться и обладает примерно такой же прочностью, как и ортофталевая. Стеклопластик на изофталевой полиэфирнрй смоле, отформованный при помощи вакуума с использованием биаксиального материала со стекломатом (Е) позволяет получить достаточно прочный корпус, который прочнее, чем стандартный ламинат из мата и ровинга. Увеличение стоимости по сравнению с вариантом мат-ровинг-ортофталевая смола довольно незначительное.

Винилэфирная смола. Чтобы максимально использовать прочностные свойства современных волокон, необходима смола, обладающая высокой прочностью и при этом способная тянуться. В судостроении такими смолами чаще всего выступают винилэфирная и эпоксидная. Винилэфирная обладает гораздо большей эластичностью, чем любая из полиэфирных - в среднем она тянется на 5%, прежде чем треснуть и обладает прочностью на разрыв в 82 МПа. Это означает, что стеклопластик на основе такой смолы будет много прочнее полиэфирного и прочность соединения оболочки с заполнителем будет выше. Винилэфирная смола обладает куда более высокой химической и осмотической стойкостью, чем любая из полиэфирных смол.

Еще одним достоинством винилэфирных смол является их совместимость с материалами, которыми обработаны стандартные стекломаты и с оборудованием и технологиями, применяемыми при работе с полиэфирными смолами. Те, кто привык работать с полиэфирной смолой, не испытывают каких-либо трудностей при переходе на винилэфирные и обратно. Что более ценно - винилэфирные обладают уникальным свойством образования хороших клеевых соединений с полиэфирной смолой, равно как и наоборот. Все это позволяет очень гибко организовать процесс производства. В большинстве случаев стеклопластик на винилэфирной смоле с использованием биаксиального материала со стекломатом (Е) либо высокомодульных тканей обладает такой прочностью, которая только может потребоваться на практике.

Эпоксидные смолы. Смолы, обладающие еще более высокой прочностью - эпоксидные. Они тянутся как правило более чем на 5%, а прочность на разрыв составляет 86 МПа. Химическая стойкость у них еще выше, чем у винилэфирных. Благодаря своей способности заполнять мелкие пустоты и высокой эластичности, эпоксидные смолы обладают самой высокой прочностью на отрыв из всех стандартных смол. Как следствие, стеклопластик на основе эпоксидной смолы может с успехом формоваться без использования стекломата вообще (хотя для образования соединения сэндвичевого заполнителя с оболочкой и требуется предназначенный для эпоксидной смолы мат либо специальная шпатлевка ). Если из ламината убрать стекломат, это позволит добиться наивысшего содержания в нем стекла или иного волокна, получив в итоге стеклопластик с самыми высокими механическими характеристиками.

Качественно отформованный вакуумом ламинат из конструкционного стекловолокна (S) обладает прочностью на изгиб в 586 МПа. Это равноценно прочности нержавеющей стали при в пять раз меньшем весе и отсутствии коррозии. Стеклопластик такого рода весьма недешев - как по стоимости материалов, так и по квалификации работников и проектировщиков. Применяемое при этом оборудование плохо совместимо с полиэфирным техпроцессом.

Поэтому на практике эпоксидные смолы более всего находят применение в области достижения предельных скоростей, в военной и спасательной технике.


Высокомодульные ламинаты

Ранее мы говорили толко о стандартных промышленных стеклопластиках - стекловолокно подразумевалось электротехническое (Е), а смола - полиэфирная. В третьей главе были рассмотрены преимущества высокомодульных волокон в комбинации с винилэфирной и эпоксидной смолой. При применении этих материалов с одной стороны поверхности корпуса увеличение прочности будет весьма незначительным: только в сэндвичевой конструкции они показывают то, на что способны. При большей прочности и меньшей толщине (а стало быть массе), они имеют вид легких тканей, позволяющих гибко организовать процесс формования. Для расчета толщины корпуса и палубы с применением этих волокон можно воспользоваться следующими правилами.

Толщина стеклопластиковой оболочки при переходе на конструкционное (S) волокно и винилэфирную смолу. Используется конструкционное (авиационное) стекловолокно в виде однонаправленных, би- и три-аксиальных матов. Толщина расчитывается согласно стандартной сэндвичевой методике, затем толщина оболочек (но не заполнителя) уменьшается на 10 процентов. Вакуумирование оболочек и заполнителя желательно, однако приемлемо и качественное ручное формование. Смола - винилэфирная или эпоксидная.

Внутренняя кевларовая оболочка. Кевлар используется только для внутренних оболочек сэндвича. Он обладает очень высокой стойкостью к истиранию, поэтому имеется тенденция располагать его и снаружи. К сожалению, при высокой прочности на разрыв кевлар обладает весьма посредственной прочностью на сжатие. А так как при ударе именно наружный слой испытывает сжатие, там ему не место. Возможен вариант использования кевлара снаружи в качестве дополнения к обычному ламинату, и только с целью повышения износостойкости. При использовании кевлара изнутри (внутренняя оболочка работает на растяжение, а это и есть его сильная сторона ) расчитывайте толщину внутренней оболочки согласно стандартной методике и уменьшите ее (но не заполнитель) на 15 процентов. Опять же - вакуумирование оболочек и заполнителя и винилэфирная или эпоксидная смола.

Следует добавить, что кевлар не только дорогой, но и сложный в работе материал. Он требует иных методов и инструментов для резки, его труднее равномерно пропитать смолой, чем большинство других видов тканей.

Стекло снаружи, кевлар внутри. Самая высокая прочность при наименьшем весе достигается путем применения ваккумным методом конструкционного стекловолокна для наружной оболочки сэндвича и кевлара - для внутренней.

Применение стеганых матов при вакуумном формовании с винилэфирной смолой
Конструкционное стекловолокно и кевлар стОят гораздо дороже, чем электротехническое. Для большинства же обычных судов (и даже очень крепких) применение стандартных стеганых однонаправленных материалов из электротехнического волокна с винилэфирной смолой позволяет получить легкий, прочный и ремонтопригодный корпус (в особенности с применением вакуумного формования). При расчетах толщины стеклопластика используется стандартная для сэндвича методика и удельный вес стекла определяется по ней. При вакуумном формовании реальная толщина оболочки будет несколько меньше - пластик будет плотнее и содержать меньше излишков смолы. Как результат, он будет более легким и прочным.

Ориентация волокон стеганых матов. Стандартный ламинат, состоящий из мата с ровингом, имеет примерно равную прочность во всех направлениях. Вне зависимости от вида применяемых смол, биаксиальные ткани типа 45/45 или 0/90 имеют максимальную прочность только в двух направлениях. Прочность по диагонали у них низкая. Следовательно, при формовании требуется чередовать между собой материалы типов 45/45 и 0/90. Получившийся ламинат будет обладать практически равной во всех напрвлениях прочностью.

Графитовое и угольное волокно. Эти правила не распространяются на графитовые и угольные волокна (в принципе, это один и тот же материал, однако графит содержит меньше примесей и более прочный ). Хотя углепластик и обладает очень высокой жесткостью, он крайне мало растяжим (т.е. перед тем как разрушиться, тянется совсем немного). Это делает ламинаты на его основе хрупкими и склонными к внезапному и обширному разрушению. Их применение имеет реальный смысл при проектировании экстремальных конструкций. Расчеты должны быть очень тщательными и в данной книге они не рассматриваются.

Испытание сэндвича на прокол. Все сэндвичевые ламинаты, как стандартные на базе полиэфирной смолы и электротехнического волокна, так и на базе винилэфирной смолы и конструкционного волокна или кевлара, имеют одну одинаковую проблему: их тонкие наружные слои можно проткнуть насквозь. Некоторые закрывают на это глаза и идут на риск с такой оболочкой, которая в прочих ситуациях выглядят достаточно прочной. Однако так поступать не следует - всегда надо учитывать сопротивление точечным нагрузкам. Когда речь идет о легком прогулочном катере или быстроходном гоночном судне, можно и переступить границу безопасности, при условии что конструктор, строитель и будущий экипаж в курсе этих слабых мест. Для всех прочих лодок днищевой ламинат должен выдерживать следующий тест. И если он его не выдерживает, толщину оболочки следует увеличить.

Изготовьте образец с характеристиками ламината днища. Возьмите обычный плотницкий молоток с загнутым концом весом 600-700 г включая вес рукоятки и длиной 300-330 мм. Человек средней комплекции (66-82 кг) должен с силой многократно наносить удары закругленной стороной молотка по наружной стороне панели, при этом не должно быть проникновения внутрь, разрушения материала заполнителя или расслоения. Поверхностные повреждения/вмятины и разрушение наружных слоев стеклопластика считаются нормой и допускаются. Затем острым концом молотка ("лапой") наносится удар средней силы по незатронутому предыдущим тестом участку. "Лапа" не должна проникнуть внутрь заполнителя более чем на 1.6 мм. Вокруг места удара не должно возникнуть расслоения с заполнителем. Внутренняя оболочка и заполнитель под местом прокола не должны пострадать. Ламинаты для рабочих лодок и серьезных круизных судов не должны допускать проникновения в заполнитель вообще.

Примечание. У малых судов с характеристикой Sn=1 и менее (упрощенно - длиной менее восьми метров - С.Б.) толщина наружной оболочки сэндвича обычно составляет 2.5 мм или менее. При много меньшей толщине оболочка не сможет пройти такой тест - мы находимся у предела возможностей сэндвича. В данной ситуации вам необходимо будет самим принять решение в зависимости от типа лодки и режима ее эксплуатации - либо малая прочность наружной оболочки не сильно повлияет на безопасность, либо вам придется все же пойти на утяжеление и удорожание, увеличив толщину наружного пластика на днище.