Что такое композитные материалы

Что такое композитные материалы

Как и из чего строят яхты, какие технологии используют, что такое композит, чем отличается эпоксидная смола от полиэфирной, и как в этом задействован карбон? Мы решили разом ответить на все вопросы о технологии производства и написали большой лонгрид о том, как строят суда из стеклопластика — какие бывают материалы и методы. А в конце статьи подробно рассказали, что из этого используем мы на верфи Pacifico.

imgonline-com-ua-Resize-DXD91uDafC.jpg

Что такое композит

Композиты — группа материалов, состоящих из нескольких компонентов, один из которых выполняет армирующую функцию, а второй связующую.

Например, железобетон — это вид композита. В этом соединении железо выполняет армирующую функцию, а бетон — связующую. Композит, который используют в судостроении, называется стеклопластиком или углепластиком. Базово он состоит из стеклоткани или углеткани и смолы.

Особенность композитов, что готовый материал обладает гораздо большей прочностью и жесткостью, чем его ингредиенты по отдельности. А значит готовое изделие весит меньше. В судостроении важно сделать корпус максимально легким — чем он легче, тем более мореходная, быстрая и экономичная получается лодка. Поэтому композитные материалы как нельзя лучше подходят для этой задачи.

imgonline-com-ua-Resize-ry9xkqsKuZNqHL2w.jpg

Из чего состоит композит

Композит, из которого строят суда, базово состоит из 4-х типов материалов:
  • связующее вещество (смола)
  • армирующее вещество (ткань)
  • средний слой (наполнитель для сэндвича: пена или сотовый материал)
  • поверхностный слой (краска/гелькоут)

Если объяснять упрощенно, то композит производят следующим образом — ткань пропитывается жидкой смолой с отвердителем, высыхает и отвердевает. Самые простые композитные конструкции состоят просто из нескольких слоев ткани и смолы. Например, так строят корпуса детских парусных яхт Оптимист.

Для более сложных и больших конструкций, например, прогулочных катеров, используют композитный сэндвич. В композитном сэндвиче появляется средний слой — пена. Она закладывается между двумя армирующими слоями ткани, все вместе пропитывается смолой и в результате получается монолитный материал обладающий еще большей поверхностной прочностью, но при этом все еще достаточно легкий.

Разберем отдельно каждый тип материалов.

Смола

Смола — связующую вещество, которое пропитывает все слои композита и превращает их в готовую монолитную деталь. В судостроении используется 3 типа смолы:
  • эпоксидная
  • эпоксивинилэфирная
  • полиэфирная

Эпоксидная смола — самая прочная и дорогая. За счет повышенной прочности для изготовления детали ее требуется меньше, чем полиэфирной смолы, а значит сама деталь получается легче. Не содержит ядовитого вещества — стирола. Корпус лодки из эпоксидной смолы может эксплуатироваться без ремонта до 30 лет подряд.

Эпоксивинилэфирная — это соединение на основе эпоксидной смолы. В отличие от эпоксидной смолы оно уже содержит стирол, но в меньших количествах, чем полиэфирная смола. По цене и прочности это промежуточный вариант между эпоксидной и полиэфирной смолой.

Полиэфирная — дешевая и наименее прочная, содержит стирол. Изделия из нее получается тяжелее и со временем начинают впитывать воду. Полиэфирная смола более хрупкая, поэтому корпуса из нее со временем нуждаются в ремонте. Корпус из полиэфирной смолы в среднем служит до 20 лет.

Ткань

Ткань в судостроении выполняет роль армирующего вещества — с помощью нее изделию задается форма, она берет на себя нагрузку на скручивание. Ткань дает конструкции прочность на растяжение или сжатие.

В судостроении используется три типа ткани:
  • стекломат
  • стеклоткань
  • углеткань

Стекломат — рубленные спресованные волокна стекловолокна. Стекломат максимально гибкий и подвижный, ему можно задать любую форму или изгиб. Но при этом это наименее прочный вид ткани, у него нет устойчивости к скручиванием и разрывам — если потянуть сухую ткань в разные стороны она просто расползется.

Стеклоткань — стекловолокна, которые сплетено таким образом, что у ткани есть конкретное направление. Виды плетения бывают разными и от них зависит под каким углом ткань абсолютно устойчива на растяжение. Грамотный проект яхты учитывает особенности направления ткани и четко регламентирует какой тип плетения надо использовать на конкретных участках конструкции. Благодаря сочетанию разных типов плетения получаются максимально прочные детали, устойчивые к любым видам нагрузок.

Углеткань — тоже самое, что стеклоткань, только из углеволокна. У нее тоже есть разные типы плетения и направления. Углеволокно примерно в 2 раза прочнее, чем стекловолокно — точное соотношение зависит от типа плетения. Но стоит в 20 раз дороже.

Если упрощенно, то благодаря повышенной прочности на одну и ту же деталь углеволокна уходит в 2 раза меньше, чем стекловолокна. В результате деталь из углеволокна получается примерно в 2 раза легче. Готовый материал изделия из углепластика называется карбон. Полностью из карбона строят самые дорогие и быстрые гоночные яхты в мире.

Средний слой

Средний слой нужен, чтобы добавить расстояния между несколькими армирующими слоями ткани, и тем самым повысить поверхностную плотность изделия. Дело в том, что сама по себе ткань дает нужную прочность только на скручивание или сжатие, но не дает необходимой поверхностной прочности — деталь получается слишком тонкой.

В теории, увеличить толщину и соответственно поверхностную прочность можно просто наложив больше слоев стеклоткани, но тогда мы получим слишком большой вес, и при этом избыточную прочность к скручивающим нагрузкам.

Поэтому, чтобы соблюсти баланс между весом, поверхностной прочностью и устойчивостью к скручиванию, используют принцип сэндвича и прокладывают армирующие слои легким наполнителем. Чаще всего в производстве используют следующие типы наполнителя:
  • ПХВ
  • Coremat

ПХВ — пенополивинилхлорид. Очень легкое, но при этом достаточно прочное соединение. В цифрах плотность этого материала — от 80 до 120 кг на 1 кубический метр. Еще один важный фактор — эта пена не впитывает в себя смолу, а значит не набирает лишний вес. В ней делают специальная перфорация, чтобы смола пропитала все слои и соединила их в одну монолитное изделие.

Coremat — состав, сделанный на основе тех же соединений, что и стекловолокно. Стоит значительно дешевле, чем ПХВ, но итоговое изделие получается тяжелее. По своему принципу он похож на стекломат, но весит меньше и впитывает меньше смолы. Поэтому если сравнивать, что лучше — просто накатать больше ткани или использовать coremat, выгоднее выбрать coremat.

Если нужен максимально легкий и быстрый корпус, лучше использовать ПХВ. Если нужно получить дешевую, но тихоходную лодку — выгоднее использовать coremat.

Поверхностный слой

Поверхностный слой — внешний слой корпуса, который дает цвет и защищает от поверхностных повреждений. Обычно его делают из гелькоута или полиуретановой краски.

Гелькоут — соединение по составу очень похожее на смолу, оно тоже может быть на полиэфирной, эпоксидной или эпоксивинилэфирной основе. Если упрощенно, это густая смола с конкретным цветом. Гелькоут достаточно устойчив к поверхностным воздействиям. Закладывается в матрицу, как один из слоев монолитного корпуса.

Полиуретановая краска — тип краски, который хорошо защищает от внешних воздействий. Краска предлагает большой выбор цветов и стоит дороже. Наносится сверху на готовое изделие.

imgonline-com-ua-Resize-KfFmjKzpUaq3SLgt.jpg

Как строят корпус

Чтобы построить яхту из композита, нужна матрица — форма, в которую будут выкладываться слои ткани и смолы, чтобы в итоге получился корпус. Можно сделать одну матрицу для всей нижней части корпуса — тогда он будет полностью монолитный. Можно сделать несколько маленьких матриц и производить детали по отдельности, а потом вручную собирать их в одно целое — такой метод используют при производстве больших корпусов длинной от 20 метров.

В любом варианте укладывать слои и добиваться отвердевания можно разными способами. Вот основные методики изготовления готового корпуса:
  • ручная формовка
  • ручная формовка + вакуумное обжатие
  • вакуумная инфузия
  • запекание (prepeg)

Ручная формовка — самый трудоемкий и наименее технологичный метод. Рабочие вручную выкладывают ткань в матрицу и пропитывают ее смолой с помощью валика. Для упрощения работы есть специальный инструмент — чоппер. В него загружают смолу и рубленный стекломат, он соединяет внутри эти два компонента и распыляет их как бы из пистолета. Этот метод обычно используют для полиэфирной или эпоксивинилэфирной смолы. Вручную невозможно изготовить композитный сэндвич.

Минусы:
— итоговые изделия получаются тяжелыми из-за избытка смолы
— вручную трудно сделать весь корпус равномерным
Плюсы:
— дешево, просто, не требует специальных знаний и оборудования

Ручная формовка + вакуумное обжатие — в этом случае слои ткани и смолы также наносятся вручную, потом на них надевается специальный мешок, который откачивает лишний воздух и избыток смолы. Воздух — это пузырьки в смоле, которые так или иначе там появляются при методе ручной формовки. Эти пузырьки нарушают однородность корпуса и снижают его прочность. При откачке воздуха финальное изделие получается практически таким же прочным, как при методе вакуумной инфузии. Откачивать воздух можно после укладки каждого слоя по отдельности или после формовки всех слоев. Используется в основном в работе с эпоксидной смолой.

Композитный сэндвич можно изготовить только с помощью метода вакуумного обжатия или вакуумной инфузии.

Минусы:
— трудозатратно, долго и дорого
— нужно специальное оборудование
Плюсы:
— метод дает гарантированный результат, трудно что-то испортить в процессе

Вакуумная инфузия — в этом случае все сухие компоненты сэндвича (кроме смолы) выкладываются в форму-матрицу. Потом матрицу накрывают специальным вакуумным мешком, который откачивает весь воздух и сжимает компоненты. Затем вместо вакуума в деталь подается смола. Благодаря вакууму удается максимально точно контролировать количество смолы, а значит производить детали минимального веса. Метод требует высококвалифицированных специалистов и сложного оборудования. Если в производственном процессе допустить ошибку, есть риск испортить весь корпус и все задействованные материалы.

Минусы:
— нужно специальное оборудование
— требует строителей высокой квалификации
Плюсы:
— безупречное качество корпуса при соблюдении технологии
— при работе с большими объектами выгоднее с точки зрения трудозатрат

Запекание (prepeg) — самый высокотехнологичный метод, используется исключительно при работе с углеволокном. Для него необходим специально оборудованный цех-печь, где можно четко контролировать температуру и влажность.

Корпус яхты изготавливают из особого вида углеткани, сразу пропитанной смолой. Такая ткань перевозится в холодильниках и имеет короткий срок хранения. Из нее вручную формуют корпус яхты при температуре около 18 градусов и влажности не больше 60%. Потом конструкция обжимается вакуумным мешком и целиком запекается при температуре около 100 градусов.

Этот метод позволяет создать максимально легкий и прочный корпус. Например, вес яхты длиной 72 фута без оснастки, оборудования и киля получается около 2700 кг. Запекание используют в строительстве самых быстрых в мире гоночных яхт.

Плюсы:
— минимальный вес корпуса при нужной прочности
Минусы:
— очень дорогие материалы
— сложный и трудоемкий технологический процесс

imgonline-com-ua-Resize-2HTA3TxEUMOl.jpg

Какие материалы и технологии используют на верфи Pacifico

Создание корпуса на верфи Pacifico Yachts состоит из нескольких этапов. Для каждой модели есть своя матрица и свои особенности производственного процесса в зависимости от технического проекта и итоговых характеристик яхты.

Поэтому разбирать этапы будем на конкретном примере — строительстве корпуса Pacifico Voyager 99. Нижняя часть корпуса этого проекта полностью монолитна, поэтому формуется в одной большой матрице.

Этап 1. Работа начинается с подготовки и полировки внутренней поверхности матрицы.

Этап 2. После подготовительных работ, наносят внешний слой — гелькоут. Мы используем гелькоут на полиэфирной основе и наносим его пистолетом.

Этап 3. После этого вручную формуется «корка» из стекломата и эпоксивинилэфирной смолы. «Корка» нужна для того, чтобы основной слой корпуса из эпоксидной смолы крепко соединился с полиэфирным гелькоутом.

Этап 4. После того, как сформирована «корка», начинается формовка основного слоя — вручную укладывается сухая основа композитного сэндвича: стеклоткань + ПХВ + углеткань. Плетение и направление ткани выкладывается строго в соответствии с техническим проектом.

Этап 5. Корпус формуется методом вакуумной инфузии: конструкция обтягивается вакуумный мешком, из детали откачивается воздух, затем подается эпоксидная смола.

Этап 6. Смола отвердевает в течение 24 часов, затем корпус извлекается из матрицы и на нем начинаются технические работы.

В результате мы получаем эпоксидный корпус из стеклопластика, армированный углеволокном. Композитный сэндвич с ПВХ добавляет поверхностной прочности — корпус легко выдерживает удар кувалдой или столкновение с камнем, но все еще остается достаточно легким. Сочетание этих технологий и материалов позволяет нам строить быстрые и относительно экономичные катамараны, но при этом сохранять адекватную стоимость конечного продукта.

В этой статье мы разобрали большинство материалов и технологий производства. От них во многом зависят качество и технические характеристики готовой лодки: скорость, экономичность, долговечность и, конечно, цена. Но важно понимать, что в этом деле нет черного и белого, нет однозначно правильных или неправильных подходов к производству — каждый из них отвечает определенной задаче.
25.10.2019

Возврат к списку