Материалы и методы , применяемые при изготовлении  стеклопластика.

Источник : The Elements of Boat Strength , 2000
Автор : Dave Gerr
Перевод С.Б.

(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 забухать 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 . 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 .