Зульфия Сафина - Технология склеивания изделий из композиционных материалов

• Название: Технология склеивания изделий из композиционных материалов
• Автор: Зульфия Сафина
• Жанр: Химия
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-7882-1614-0

Дана краткая характеристика клеев различной природы, приведены наиболее часто встречающиеся типы клеевых и комбинированных соединений и технология склеивания материалов. Рассмотрены методы оценки работоспособности клеевых соединений.

---

Развитие авиации и космической техники невозможно представить без применения синтетических клеев. Клееные сотовые и слоистые конструкции получили применение в самолетостроении и в ракетно-космических системах. К применяемым клеям предъявляют высокие требования, так как они должны обеспечить достаточную прочность при температурах от –185 до +260 °C. Самолет состоит более чем наполовину из клееных конструкций; это позволяет уменьшить его массу за счет исключения большого числа крепежных элементов. Наилучшими для этой области техники оказались модифицированные эпоксидные и кремнийорганические клеи.

Применение склеивания в машиностроении и приборостроении позволяет в ряде случаев повысить производительность труда, сэкономить дорогостоящие материалы и добиться повышения надежности изделий. При изготовлении инструментов из твердых сплавов или синтетических сверхтвердых материалов применение склеивания модифицированными эпоксидными и фенольными клеями вместо пайки и сварки на 30–40 % снижает расход твердых сплавов и на 50–60 % – расход быстрорежущих сталей. Кроме того, склеивание повышает стойкость инструмента в 1,5–4 раза и улучшает качество обработанной поверхности.

Для заделки дефектов металлического литья, ремонта различных машин и оборудования применяют эпоксидные клеевые композиции холодного и горящего отверждения. В производстве приборов для крепления узлов и деталей применяют клеи типа БФ или Циакрин. Токопроводящие клеи могут быть использованы вместо пайки и сварки для соединения элементов электрических цепей.

Некоторым областям техники требуются клеевые материалы, способные отверждаться в неблагоприятных погодных условиях, например, в дождь, под водой. Они нужны для ремонта металлических, деревянных и пластмассовых изделий в полевых условиях или находящихся в плавании судов. Для этого выпускаются специальные эпоксидные клеи холодного отверждения. Применение этих клеев для ремонта конструкций корпусов судов, настилов палуб, надстроек и систем трубопроводов позволяет получить экономический эффект около 160 тыс. рублей в год. Одним из крупнотоннажных потребителей клеев является строительство. Разнообразные клеевые композиции используют для создания клееных конструкций из дерева, металла, пластмасс, что позволяет ускорить процесс строительства. В настоящее время построено около сотни мостов через реки, элементы конструкций которых склеены с помощью синтетических клеев.

Таким образом, преимущества склеивания очевидны и основные из них приведены ниже.

1. Способность соединять самые разнообразные металлы, которые могут существенно отличаться по свойствам, модулю упругости и толщине. Склеиванием можно соединять тонколистовые детали, тогда как другие способы соединения обычно неприемлемы.

2. Более равномерное распределение напряжений в склеиваемых элементах, чем при сварке, клепке, резьбовых соединениях. Это обусловлено значительной концентрацией напряжений, возникающих при сварке, а также отсутствием отверстий под заклепки и болты.

3. Возможность экономичной и быстрой сборки, замены нескольких видов сборки единым способом склеивания, одновременной сборки многих элементов конструкции.

4. Многообразие адгезивных материалов по форме и способам нанесения позволяет приспособить их ко многим производственным процессам.

5. Прочность клееной конструкции часто выше, а стоимость ниже, чем прочность и стоимость той же конструкции, выполненной альтернативными методами сборки. Применение клееных соединений вместо заклепочных и болтовых может привести к значительному снижению веса конструкции.

6. Деформационная способность многих адгезивных материалов обеспечивает возможность поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому.

7. Возможность соединять чувствительные к нагреву материалы, деформирующиеся или разрушающиеся от сварки или пайки.

8. Клеи могут служить герметизирующим средством, предотвращающим воздействие влаги и химических реагентов. Во многих случаях клеевой шов является тепло-, звуко- и электроизолятором, а также может существенно уменьшить электролитическую коррозию между разнородными материалами.

9. Специальные клеи позволяют выполнять работы по склеиванию в различных климатических условиях без применения сложного оборудования и подвода тепла.

4 . Недостатки склеивания

Однако, синтетические клеи имеют недостатки, которые влияют на оценку надежности клееных изделий и конструкций и не позволяют применять их для многих конструкций.

Так, соединения на синтетических клеях обладают низкой прочностью при неравномерном отрывающем усилии, что ограничивает применение их в силовых узлах.

Технология склеивания требует большой точности в выполнении операций, поэтому необходим поэтапный или пооперационный контроль качества исходных материалов, параметров режима и т. п. Проверка готовых изделий не всегда позволяет выявить дефекты склеивания. Кроме того, в большинстве случаев качество готовых изделий часто нельзя проверить без их разрушения. Поэтому практическая оценка каждого нового вида клея обычно производится при помощи контрольных (ускоренных) испытаний, включающих жесткий режим термовлажной обработки образцов (выдерживание в холодной или горячей воде, замораживание, кипячение, высушивание), а затем сопоставление результатов испытаний с аналогичными данными ранее апробированных клеев, характеристики долговечности которых известны.

Для получения удовлетворительной прочности многие конструкционные клеи необходимо отверждать горячим способом, что не всегда возможно, например, при крупных габаритах конструкций.

Существенным недостатком синтетических клеев, и особенно мастик, является склонность их к старению, которое тем интенсивнее, чем более высокая температура действует на клеевое соединение. Некоторые клеи и мастики токсичны.

Из-за этого применение таких эффективных клеев, как, например, полиуретановые, ограничено. Многие клеи хрупки при низких температурах или имеют ограниченную теплостойкость.

Недостатки склеивания:

1. Процесс склеивания может оказаться сложным из-за необходимости осуществлять тщательную подготовку поверхности склеиваемых элементов и сохранять их в чистоте, приготавливать и наносить клей на склеиваемую поверхность, поддерживать определенную температуру, давление и влажность в процессе склеивания, а также вследствие длительного времени отверждения (иногда с обеспечением длительного нагрева и приложения нагрузки) и применения различных приспособлений.

2. Необходимо весьма тщательно проектировать клеевое соединение, устранять воздействие на него отслаивающих и растягивающих нагрузок, а также напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах термического расширения склеиваемых элементов и клеевого шва.

3. Недостаточная теплостойкость клеевого шва ограничивает применение клеевых конструкций до определенных температур, в то время как клепанные, сварные и паянные соединения удовлетворительно работают при более высоких температурах. Некоторые клеи недостаточно стойки к тепловому и механическому удару.

4. Невозможно сразу получить оптимальную прочность соединения, как это, например, можно сделать при сварке. Часто очень трудно обеспечить требуемый уровень контроля качества клеевых соединений.

5. Возможное ухудшение прочностных характеристик соединения при действии тепла, холода, биосреды, химических реагентов, пластификаторов, радиационного облучения и других эксплуатационных факторов, несовместимость клея с материалом склеиваемых элементов и, как следствие, возможность появления коррозии.

6. Трудность демонтажа соединения при необходимости полной разборки или ремонта конструкции.

7. Тенденция к ползучести под постоянной нагрузкой, характерная для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто неизвестная величина долговечности клеевых соединений в условиях воздействия жестких эксплуатационных факторов.

8. Некоторые конструкции более экономично изготавливать, используя другие методы сборки, особенно в тех случаях, когда для этих целей имеется необходимое оборудование [5].

5 . Общие требования к клеям

В зависимости от вида склеиваемых материалов и условий эксплуатации к клеям предъявляются различные требования, но некоторые требования общие для всех клеев.

Ко всем клеевым соединениям предъявляются требования равнопрочности (равенства прочности клеевой прослойки и склеиваемых материалов), монолитности (соединенные клеем элементы должны быть единым монолитным элементом), долговечности и надежности. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея и его качества, качества обработки склеиваемых поверхностей, технологии склеивания, условий эксплуатации.