PL169609B1

PL169609B1 - Sposób i urzadzenie do wytwarzania wyrobu z materialu kompozytowego PL PL

Info

Publication number: PL169609B1
Application number: PL91298240A
Authority: PL
Inventors: Torben Lindgaard; David M Thomas
Original assignee: Obtec As
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1991-09-13
Publication date: 1996-08-30
Also published as: ATE134332T1; WO1992005023A1; CZ40993A3; US5888645A; BR9106847A; DE69117298T2; ES2082992T3; DK0548176T3; HUT67391A; CA2091334A1; EP0548176A1; JPH06500745A; GR3019838T3; DK220990D0; DE69117298D1; EP0548176B1; AU8528791A; AU654675B2

Abstract

1 . Sposób wytwarzania wyrobu z m aterialu kompozy- towego polegajacy n a tym, ze sporzadza sie material zlozony bedacy mieszanina sieciowalnego srodka wiazacego, co naj- mniej jednego m aterialu rozdrobnionego oraz ewentualnie in- nych dodatków, wytwarza sie w stepna forme przez formowanie i prasowanie m aterialu zlozonego do zadanej postaci sprasowa- nej przykladajac cisnienie, wytwarza sie wyrób przez utwardze- nie sieciowalnego srodka wiazacego w wymienionym wstepnym wyrobie, stosujac energie ultradzwiekowa oraz ewentualnie poddaje sie siec wiazan w w y t w o r z o n y m wyrobie utwardzaniu koncowemu, znam ienny tym, ze ilosc sieciowanego srodka wiazacego wynosi od 5 do 50%, a najlepiej od 15 do 45%, a w szczególnosci od 20 do 35% objetosciowych sprasowanego m a- terialu zlozonego w formie wstepnej, oraz w ram ach procesu prasowania i utwardzania prasuje sie i ogrzewa m aterial zlozony poddajac go d zialan iu cisn ien ia i ro zp raszan iu energii ultradzwiekowej, przy czym stosuje sie cisnienie wyzsze od wewnetrznego cisnienia par w materiale, oraz amplitude drgan ultradzwiekowych przylozonych do m aterialu mieszczaca sie w zakresie pozwalajacym n a pokonanie sil wewnetrznego tarcia, nastepnie wstepnie utwardza sie m aterial poprzez jednoczesne przykladanie cisnienia i energii ultradzwiekowej, z utwardze- niem srodka wiazacego w zadanym stopniu i ewentualnie pod- czas relaksacji i konsolidacji stosuje sie wylacznie cisnienie z utwardzeniem srodka wiazacego i wyrobu wstepnego w zada- nym stopniu 13 Urzadzenie do wytwarzania wyrobu z materialu kompozytowego skladajace sie z oscylatora elektrycznego, gen- eratora ultradzwieków; zestrojonego ukladu przenoszenia ener- gii zlozonego ze wzmacniacza amplitudy dzwieku i sonotrody, zamknietej przestrzeni wewnatrz formy, oraz urzadzenia wytwa- rzajacego cisnienie, znam ienne tym, ze wzmacniacz amplitudy (121) jest odwróconym wzmacniaczem amplitudy dzwieku F i g . 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego.

Wyroby z materiałów kompozytowych według niniejszego wynalazku są przydatne w najróżniejszych zastosowaniach, szczególnie tam, gdzie wyrób musi zachować kształt i właściwości w temperaturach przekraczających temperatury topnienia zwykłych substancji termoplastycznych, np. ponad 1000°C. Typowymi przykładami takich wyrobów są klocki trące, komutatory, części gumowe, osłony cieplne, izolacja elektryczna, łączniki, części maszyn oraz magnesy i łożyska.

Brytyjskie zgłoszenie patentowe nr 2012204 opisuje kompozytowy układ cierny złożony z co najmniej jednej części ciernej i części podtrzymującej, przy czym wymieniona część cierna wytwarzana jest z mieszaniny żywicy termoutwardzalnej fenolowo-aldehydowej wypełniacza przez ogrzewanie formy do temperatury w jakiej znajduje się żywica, zwykle pomiędzy około 160°C, a około 180°C i wywieranie na mieszaninę ciśnienia, zwykle pomiędzy około 20ó kPa i około 344 kPa przez 2 do 10 sekund.

Europejskie zgłoszenie patentowe nr 0352363 opisuje część trącą zawierającą tworzywo akrylowe, wytwarzaną przez sprasowanie mieszaniny złożonej z termoutwardzalnego organicznego środka wiążącego, włókiennej substancji wzmacniającej i skutecznej ilości włókien akrylowego polimeru, z utworzeniem formy wstępnej; sprasowania wstępnej formy w podwyższonych temperaturach; obróbki sprasowanego materiału w temperaturze wystarczającej do utwardzenia, oraz uformowania z utwardzonego materiału części trącej, takiej jak tarcza hamulcowa, klocek trący, wykładzina sprzęgła. Ciśnienie formowania wstępnej formy wynosi od 13700 kPa do 34300 kPa, a utwardzanie prowadzi się ogrzewając wstępną formę do

169 609 temperatury od 175°C do 315°C przez około 15 minut, po czym formę wstępną poddaje się końcowemu spiekaniu przez kilka godzin.

Wadą tych sposobów jest konieczność prasowania złożonego materiału przy użyciu ciśnień tak wysokich jaki 9600 kPa - 49000 kPa lub nawet wyższych, aby uzyskać zadawalający rozpływ i sprasowanie kształtowanego materiału, co wymaga zastosowania kosztownego sprzętu prasującego i narzędzi.

Ponadto w celu osiągnięcia opłacalnego, krótkiego czasu formowania i utwardzania, utwardzanie sieciowalnego środka wiążącego musi przebiegać w podwyższonej temperaturze, zwykle od około 135°C do około 250°C lub nawet wyższej, aby wszystkie części wyrobu osiągnęły temperaturę utwardzania, w razie zastosowania niższej temperatury konieczne są długie okresy formowania i utwardzania, co ogranicza wydajność produkcji.

Czas utwardzania zależy od rodzaju sieciowalnego środka wiążącego i od rozmiarów wyrobu. Dla dużych wyrobów, takich jak części trące klocków hamulcowych, czas utwardzania może wynosić od około 15 minut do około 75 minut, a nawet więcej zanim wyrób osiągnie mechaniczną trwałość i będzie go można usunąć z formy i przenieść do pieca końcowego spiekania.

Inną wadą omówionych sposobów jest ogrzewanie metodą przewodzenia ciepła od formy do materiału złożonego. Jednorodność takiego przepływu trudno kontrolować, co wywołuje nierównomierną polimeryzację sieciowalnego środka wiążącego. Znane są wady przenoszenia ciepła do form metodą przewodzenia. Opisano sposoby zapewnienia jednorodnego, przyspieszonego przekazywania energii do materiału złożonego.

Europejskie zgłoszenie patentowe nr 0347299 - opisuje zastosowanie pojemnościowego ogrzewania mikrofalowego przy ciśnieniach od 500 kPa do 20000 kPa do formowania zawierających szkło nienasyconych poliestrowych kompozytów, a niemieckie otwarte zgłoszenie patentowe nr 2906842 opisuje zastosowanie pojemnościowego wysokoczęstotliwościowego ogrzewania mikrofalowego, przy częstotliwości 2450 Mhz, do formowania substancji termoutwardzalnych. Oba te sposoby nie nadają się do stosowania w przypadkach materiałów kompozytowych zawierających znaczne ilości metali. Ponadto wymagają one niepraktycznych w użyciu osłon elektrycznych, a ponadto całe urządzenie jest skomplikowane.

Europejskie zgłoszenie patentowe nr 00933655 opisuje sposób wytwarzania metaloorganicznego materiału kompozytowego z mieszaniny żywicy termoutwardzalnej, proszku metalu i dodatków mających nadać końcowemu produktowi pewne właściwości, polegający na jednoczesnym zastosowaniu ogrzewania indukcyjnego i ciśnienia, przy czym ciśnienie gwarantuje dobre przewodnictwo elektryczne materiału kompozytowego. Sposób ten wymaga dużej zawartości substancji przewodzącej prąd elektryczny, o zaznaczonych stratach histeretycznych.

Brytyjskie zgłoszenia patentowe nr 2106823 i 2135412 opisują sposób ogrzewania opornościowego i spiekania metalicznych materiałów ciernych, wraz ze sposobem wytwarzania układu trącego z materiału ciernego dla elementu podtrzymującego metodą ogrzewania odpornościowego. Sposób ten wymaga dostatecznie dużej zawartości substancji wykazujących przewodnictwo elektryczne.

Poza wspomnianymi wadami stosując te sposoby uzyskuje się produkty z pęcherzami i nierównomiernym rozkładem składników materiału, szczególnie wtedy, gdy materiał zawiera rozdrobnione składniki o różnych rozmiarach i gęstościach i/lub zawiera jeden lub więcej składników w niewielkich stężeniach.

Poniższe opisy patentowe ujawniają alternatywne sposoby ogrzewania przez zastosowanie energii ultradźwięków.

Zgłoszenie patentowe Stanów Zjednoczonych nr 4487728 opisuje wytwarzania wyprasek ze specyficznej substancji termoplastycznej w wielokomorowej formie z zastosowaniem drgań ultradźwiękowych. Otrzymuje się materiał nieformowany, który można następnie poddać formowaniu termicznemu do żądanego kształtu.

Zgłoszenie patentowe Stanów Zjednoczonych nr 5458771 opisuje sposób wulkanizowania zwykłych kauczuków zawierających 75% objętościowych podstawowego elastomeru, z natury elastomerycznego i mniej niż 25% wagowych wypełniacza, wstępnie podając energię ultradźwiękową z maksymalną intensywnością 31 W/cm² i zmniejszając asymptotycznie to

169 609 natężenie do 40-45% początkowej wartości w ciągu 3-5 minut, unikając w ten sposób degradacji elastomeru wskutek przegrzania, Nie podano ani nie zasugerowano tam niczego odnośnie utwardzania materiałów kompozytowych zawierających mniej niż 5% do 50% objętościowych sieciowalnego środka wiążącego.

Opisano sposoby wytwarzania produktów ciernych w procesie dwuetapowym polegającym na wstępnym ogrzaniu materiału ciernego drganiami ultradźwiękowymi i poddaniu go następnie działaniu ciśnienia.

Japońskie zgłoszenie patentowe nr 38020413 (australijskie zgłoszenie patentowe nr 86289-82) ujawnia sposób formowania materiału ciernego polegający na nałożeniu warstwy metalu na podłoże podtrzymujące, umieszczeniu cząstek materiału ciernego w przestrzeni pomiędzy podłożem a formą, stopieniu cząstek metodą ogrzewania ultradźwiękowegp, przeniesieniu formy i podłoża, cząstek oraz warstwy metalu do urządzenia prasującego, gdzie cząstki są formowane tak, że materiał cierny stapia się z metalem podłoża.

Wspomniano tu również o metodzie formowania materiałów ciernych polegającej na jednoczesnym stosowaniu drgań ultradźwiękowych i formowania ciśnieniowego. Jednak opis ten unika sposobu wytwarzania wyrobu w jednoetapowym procesie jednoczesnego ogrzewania ultradźwiękowego i stosowania ciśnienia, ponieważ zwiększanie ciśnienia prowadzi rzekomo do zmniejszenia prędkości drgań ultradźwiękowych.

Japońskie zgłoszenie patentowe nr 59023804 opisuje sposób wytwarzania produktu ciernego do hamulców polegający na wstępnym ogrzaniu proszku ciernego zawierającego nieorganiczne, organiczne i/lub metalowe włókna, środek wpływający na tarcie, filtr i wiążący środek organiczny, a następnie ciśnieniowym formowaniu na gorąco.

Japońskie zgłoszenie patentowe nr 60004536 ujawnia sposób formowania elementu ciernego polegający na umieszczeniu na dnie formy podkładu metalowego ze środkiem wiążącym, umieszczeniu sproszkowanego materiału ciernego na podkładzie metalowym wstępnym ogrzaniu materiału ciernego metodą drgań ultradźwiękowych i poddaniu materiału ciernego wysokiemu ciśnieniu przy pomocy elementu wibracyjnego wibratora ultradźwiękowego lub gorącej prasy, dzięki czemu w czasie wstępnego ogrzewania usunięciu ulegają woda i gazy. Nie jest potrzebne odpowietrzanie w następującym etapie formowania, polegającym na przyłożeniu wysokiego ciśnienia do materiału ciernego, a samo formowanie może trwać krótko.

Japońskie zgłoszenie patentowe nr 61181360 ujawnia zastosowanie energii ultradźwięków do ogrzewania przez tarcie stapialnych proszków. Materiały poddaje się drganiom aż do osiągnięcia ich temperatury topnienia, gdy to stapiają się w miejscach zetknięcia. Sposób ten jest w szczególności przeznaczony do otrzymywania materiałów porowatych nie zawierających polimerycznego środka wiążącego.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego i urządzenia do wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego.

Sposób wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że ilość sieciowalnego środka wiążącego wynosi od 5 do 50%, a najlepiej od 15 do 45%, a w szczególności od 20 do 35% objętościowych sprasowanego materiału złożonego w formie wstępnej, oraz w ramach procesu prasowania i utwardzania prasuje się i ogrzewa materiał złożony poddając go działaniu ciśnienia i rozpraszaniu energii ultradźwiękowej, przy czym stosuje się ciśnienie wyższe od wewnętrznego ciśnienia par w materiale, oraz amplitudę drgań ultradźwiękowych przyłożonych do materiału mieszczącą się w zakresie pozwalającym na pokonanie sił wewnętrznych tarcia, następnie wstępnie utwardza się materiał poprzez jednoczesne przykładanie ciśnienia i energii ultradźwiękowej, z utwardzeniem środka wiążącego w żądanym stopniu i ewentualnie podczas relaksacji i konsolidacji stosuje się wyłącznie ciśnienie z utwardzeniem środka wiążącego i wyrobu wstępnego w żądanym stopniu.

Korzystnie przykłada się ciśnienie stałe o wartości od 980 kPa do 19600 kPa, najlepiej od 5880 kPa do 1176θ kPa, a w szczególności od 6860 kPa, do 9800 kPa.

Korzystnie stosuje się gęstość energii ultradźwięków w stosunku do masy materiału kompozytowego pod ciśnieniem od 33 do 16500 KJ/kg, najlepiej od 50 do 5000 KJ/kg, a w szczególności od 100 do 800 KJ/kg.

169 609

Korzystnie stosuje się rozpraszanie ilości energii ultradźwięków w stosunku do masy materiału wynoszące od 33 do 660 KW/kg, najlepiej od 50 do 400 KW/kg, a w szczególności od 66 do 165 KW/kg

Korzystnie stosuje się ultradźwięki o częstotliwości przekraczającej zwykle 18 kHz, najlepiej od 18 do 40 kHz, a w szczególności około 20 kHz.

Korzystnie wyrób poddaje się utwardzaniu końcowemu metodą ogrzewania, korzystnie w zakresie temperatur od 150°C do 180°C.

Korzystnie formuje się wstępnie materiał złożony i sprasowuje się materiał złożony z elementem nośnym przez jednoczesne przyłożenie ciśnienia i energii ultradźwiękowej.

Korzystnie w materiale rozdrabnianym stosuje się materiał wzmacniający wybrany z grupy składającej się z: cząstek mineralnych zawierających węglan wapnia, tlenki metali, baryt, krzemionkę (piasek), glinę, kulki szklane, grafit, sadzę lub proszek węglowy; odporne na ogrzewanie syntetyczne włókna wyłącznie z włóknami mineralnymi, aromatycznymi włóknami poliamidowymi oraz nowolakowymi, włóknami szklanymi, wełną żużlową, włóknami węglowymi, żelazem gąbczastym, miedzią dendrytową i rozdrobnionym stopem żelaza, boru i neodymu; odporne na ogrzewanie minerały w formie wydłużonych kryształów o stosunku wymiarów większym niż 3 włącznie z wolastonitem, atapulgitem i sepiolitem; oraz odporne na ogrzewanie kryształy w postaci mikowej włącznie z muskowitem, flagopitem, legopidolitem, biotytem i hematytem mikowym.

Korzystnie jako rozdrobniony materiał stosuje się materiał przewodzący prąd elektryczny wybrany z grupy zawierającej grafityzowane włókna węglowe, przewodzące wypełniacze, obejmujące przewodzącą sadzę, przewodzące polimery obejmujące tlenek polietylenu, lub elektronicznie przewodzące polimery, obejmujące poliacetylen.

Korzystnie utwardza się sieciowalny środek wiążący pod wpływem ciepła.

Korzystnie sieciowalny środek wiążący wybiera się z grupy zawierającej kondensacyjne polimery termoutwardzalne, włącznie z polimerami kondensacyjnymi formaldehydu z fenolem, mocznikiem, melaniną lub rezolcynolem, a także ftalan diallilu i izoftalan diallilu; żywice poliestrowe włącznie z addycyjnymi nienasyconymi poliestrami i żywicami kondensacyjnymi otrzymywanymi w reakcji polioli z wielofunkcyjnymi kwasami karboksylowymi, takimi jak kwas adypinowy lub tereftalowy; estry winylowe; polimery epoksydowe, włącznie z eterem diaglicydowym bisfenolu A, epoksynowolakowe żywice z reakcji epichlorohydryny i fenolowonowolakowej żywicy sieciowanej dodatkiem amin lub bezwodników; polimery poliamidowoimidowe; polimery pollimidowe; poliuretany włącznie z produktami polimeryzacji polioli i diizocyjanianów takie jak propano- i toluenodiizocyjanian trimetylolu; oraz odporne na ogrzewanie polimery silikonowe włącznie z fenelometylo lub metylo-hydroksylofunkcyjnymi produktami silanolowymi poddanymi reakcji z żywicami fenolowymi, epoksydowymi, poliestrowymi lub innymi substancjami żywicowymi zawierającymi grupy hydroksylowe.

Korzystnie formuje się wstępnie materiał złożony i warstwę ułatwiającą adhezję, następnie sprasowuje się uzyskany materiał z elementem nośnym, po czym utwardza się wyrób przez jednoczesne przyłożenie ciśnienia i rozpraszania energii ultradźwiękowej.

Urządzenie do wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego składające się z: oscylatora elektrycznego, generatora ultradźwięków; zestrojonego układu przenoszenia energii złożonego ze wzmacniacza amplitudy dźwięku i sonotrody; zamkniętej przestrzeni wewnątrz formy; oraz urządzenia wytwarzającego ciśnienie według wynalazku charakteryzuje się tym, że wzmacniacz amplitudy jest odwróconym wzmacniaczem amplitudy dźwięku.

Dzięki rozwiązaniu, według wynalazku uzyskano sposób wytwarzania gęstych i spójnych wyrobów z materiału złożonego o pożądanej dużej gęstości. Wyrób ten charakteryzuje się zmniejszoną porowatością i zawartością pęcherzy. Sieciowalny środek wiążący ulega w krótkim czasie równomiernemu utwardzaniu.

Dzięki wymienionemu doborowi drgań ultradźwiękowych osiąga się właściwe rozproszenie energii ultradźwięków. Przenoszona energia ultradźwięków przechodzi przede wszystkim w energię drgań rozdrobnionego materiału, a następnie przekształca się w równomierne rozłożone ciepło. Żądaną wysoką gęstość osiąga się więc dzięki mechanizmowi sprasowywania polegającemu na połączonym działaniu odpowiedniej wysokości ciśnienia zewnętrznego i kontrolowa169 609 nych wzajemnych ruchów cząstek. Żądanąjednorodność utwardzonego sieciowalnego materiału zapewnia jednorodne rozproszenie energii ultradźwięków w ciepło, dzięki czemu występuje także żądany gwałtowny wzrost temperatury.

W porównaniu z dotychczasowym stanem techniki dzięki niniejszemu wynalazkowi można otrzymać wyroby o bardziej równomiernej konsystencji, kontrolowanej porowatości i mniejszej ilości pęcherzy. Inną zaletą sposobu jest skrócony czas utwardzania, ponieważ czasy formowania i utwardzania są tu często dziesięciokrotnie krótsze w porównaniu z konwencjonalnymi procesami. Zgodnie z wynalazkiem czas formowania klocków hamulcowych wynosi 3-5 sekund. Ponadto sposób według wynalazku można zastosować do wytwarzania wyrobów kompozytowych zawierających co najmniej jeden element nośny. W innym zalecanym sposobie realizacji rozdrobniony materiał zawiera substancję wzmacniającą, substancję o przewodnictwie elektrycznym lub obie te substancje. W przypadku konieczności zwiększenia wydajności produkcji wyrób można utwardzać w urządzeniu tylko częściowo i przenosić go do utwardzania końcowego metodą konwencjonalnego ogrzewania.

Zgodnie z wynalazkiem można zastosować jakikolwiek sieciowalny środek wiążący tworzący poprzecznie wiązane lub trójwymiarowe struktury.

Sieciowalny środek wiążący obejmuje:

- kondensacyjne polimery termoutwardzalne, włącznie z polimerami kondensacyjnymi formaldehydu z fenolem, mocznikiem, melaminą lub rezolcynolem, a także ftalan diallilu i izoftalan diallilu;

- żywice poliestrowe włącznie z addycyjnymi nienasyconymi poliestrami i żywicami kondensacyjnymi otrzymywanymi w reakcji polioli z wielofunkcyjnymi kwasami karboksylowymi, takimi jak kwas adypinowy lub tereftalowy;

- estry winylowe;

- polimery epoksydowe, włącznie z eterem diglicydylowym bisfenolu A, epoksy-nowolakowe żywice z rekacji epichlorohydryny i i fenolowo-nowolakowej żywicy sieciowanej konwencjonalnie dodatkiem amin lub bezwodników;

- polimery poliamidowo-imidowe;

- polimery pollimidowe;

- poliuretany włącznie z produktami polimeryzacji polioli i diizocyjanianów takie jak propano-1 toluenodiizocyjanian trimetytolu; oraz

- odporne na ogrzewanie polimery silikonowe włącznie z fenylo-metylo- lub metylohydroksylofunkcyjnymi produktami silanolowymi poddanymi reakcji z żywicami fenolowymi, epoksydowymi, poliestrowymi lub innymi substancjami żywicowymi zawierającymi grupy hydroksylowe.

Zgodnie z wynalazkiem można zastosować każdy rozdrobniony materiał włącznie z cząstkami mineralnymi, np. węglanem wapnia, tlenkami metali, barytem, krzemionką (piaskiem), gliną, kulkami szklanymi, grafitem, sadzą lub proszkiem węglowym;

materiałami wzmacniającymi, takimi jak odporne na ogrzewanie syntetyczne włókna włącznie z włóknami mineralnymi aromatycznymi włóknami poliamidowymi, włóknami nowolakowymi, włóknami szklanymi, wełną żużlową, włóknami węglowymi, żelazem gąbczastym, miedzią dendrytową i rozdrobnionym stopem żelaza, boru i neodymu;

odpornymi na ogrzewanie minerałami w formie wydłużonych kryształów o stosunku wymiarów większym niż 3 włącznie z wolastomtem, etapulgitem i sepiolitem; oraz odpornymi na ogrzewanie kryształami w postaci mikowej włącznie z muskowitem, flogopitem, lepidolitem, biotytem i hematytem mikowym.

Ponadto można zastosować cząsteczki lub włókna organiczne, np. trociny i włókna tekstylne, a w szczególności grafityzowane włókna węglowe, przewodzące wypełniacze, obejmujące przewodzącą sadzę, przewodzące polimery, obejmujące tlenek polietylenu, lub elektroniczne przewodzące polimery, obejmujące poliacetylen.

Zgodnie z wynalazkiem możliwe jest dodawanie dodatków takich jak antyutleniacze, barwniki, środki sprzęgające, środki przeciwpalne, środki pieniące, stabilizatory cieplne, modyfikatory odporności na uderzenie, smary, środki sieciujące (inicjatory, akceleratory i kapitaliza8

169 609 tory), plastyfikatory, środki konserwujące i środki pomocnicze przy wytwarzaniu (ułatwiające usuwanie z formy, przeciwblokujące, zmniejszające lepkość) i tym podobne.

Urządzenie do stosowania w sposobie wytwarzania wyrobów z materiału zespolonego według wynalazku charakteryzuje się dużą wydajnością produkcji, jednorodną jakością wyrobów i niskim kosztem w porównaniu z urządzeniem konwencjonalnym.

Uzyskany wyrób jest wykonany z termicznie stabilnego i spójnego materiału o żądanej wysokiej gęstości. Przykładami takich wyrobów są tarcze hamulcowe, elementy twarde magnetycznie, wyroby z miękkiego żelaza, tkaniny z włókna szklanego, odporne na ciepło materiały izolacyjne i tym podobne.

Wyrażenie materiał rozdrobniony oznacza materiał w postaci proszku, najlepiej suchego. Materiał proszkowy zawiera składniki w formie proszku, włókien (wzmacniających), blaszki,cząstki (wypełniaczy) i tym podobne. Materiały te mogą zawierać wzmacniane materiały kompozytowe.

Wyrażenie materiał złożony oznacza mieszaninę sieciowalnego środka wiążącego z co najmniej jednym rozdrobnionym materiałem i ewentualnie z innymi dodatkami, obejmującymi wypełniacze, środki zmiększczające, plastyfikatory, środki wzmacniające, katalizatory, pigmenty lub barwniki.

Wyrażenie materiał kompozytowy oznacza połączenie dwu lub więcej różnych materiałów będących materiałem rozdrobnionym i siecią, które różnią się postacią lub składem w makroskali. Składniki materiału kompozytowego zachowują swą identyczność, to jest nie rozpuszczają się wzajemnie ani mieszają całkowicie, chociaż funkcjonują wspólnie. Zwykle składniki można zidentyfikować i wyróżnić granicę pomiędzy nimi.

Wyrażenie sieć oznacza ściśle spójną fazę w materiale kompozytowym, w której ulokowane są składniki materiału.

Wyrażenie sieciowany środek wiążący oznacza prekursora sieci, przekształcanego w ściśle jednorodną spójną fazę utwardzonego środka wiążącego materiału zespolonego w czasie wytwarzania wymienionego materiału zespolonego.

Wyrażenie utwardzanie” oznacza nieodwracalną zmianę właściwości środka wiążącego w reakcji chemicznej, przy czym środek wiążący ulega zestaleniu.

Przykład wykonania urządzenia przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje ultradźwiękowe prasujące i utwardzające urządzenie wraz z obrabianą przez to urządzenie tarczą hamulcową, a fig. 2 pokazuje rozkład sił ścinających tarczy hamulcowej wytworzonej zgodnie ze sposobem według wynalazku w porównaniu z konwencjonalnie wytwarzanymi tarczami hamulcowymi.

Pokazane na fig. 1 ultradźwiękowe prasujące i utwardzające urządzenie 10 składa się z elektrycznego oscylatora 11 generującego drgania w zakresie od 10 do 200 kHz, jednostki 120 generacji ultradźwięków zawierającej kryształ piezoelektryczny do przetwarzania oscylacji elektrycznych na mechaniczne, odwrócony wzmacniacz 121 amplitudy podwyższający lub zmniejszający amplitudę oscylacji mechanicznych i wytwarzający odpowiedni wzór oscylacji, to jest rozkład maksimów i minimów oraz węzłów oscylacji, oraz sonotrody lub trąbki 122 zaprojektowanej i ukształtowanej tak, aby przekazywać maksimum energii ultradźwięków do tarczy hamulcowej 150,151, 152 formowanej i utwardzanej, formy 130, o ruchomych częściach obejmujących przestrzeń wewnętrzną 131; urządzenia do wytwarzania ciśnienia 140 przykładającego ustalone ciśnienie statyczne do formy 130, i kolejno tylnej płyty 152 tarczy hamulcowej formowanej i utwardzanej.

Przekazywanie energii ultradźwięków z sonotrody 122 do materiału kompozytowego zależy od amplitudy i częstotliwości drgań ultradźwiękowych i od ciśnienia, które przekazuje energię do materiału. Jednak w celu umożliwienia dostarczenia dostatecznej ilości energii na początku operacji formowania bez całkowitego wygaszenia oscylacji należy zoptymalizować kombinację zastosowanej amplitudy drgań ultradźwiękowych i ciśnienia. Wskazane jest więc zmniejszenie amplitudy drgań przez odwrócenie wzmacniacza w czasie przykładania wysokiego ciśnienia formowania.

169 609

Alternatywnie, szczególnie w przypadku materiałów o dobrze ustalonym przepływie plastycznym przy ogrzaniu do etapu plastyczności, może być konieczne zredukowanie ciśnienia w celu zachowania rozpraszania energii ultradźwięków na żądanym poziomie.

Tak więc projektując odpowiednie urządzenie do ultradźwiękowego formowania i utwardzania danego wyrobu należy kształtować sonotrodę 122 w zależności od rodzaju wyrobu tak, aby przekazywała maksimum energii ultradźwięków o żądanej częstotliwości i amplitudzie uwzględniając rodzaj formowanego i utwardzanego materiału oraz zastosowanie ciśnienia. Wzmacniacz 121 projektuje się tak, aby spełniał wymagania sonotrody 122 i danego konwencjonalnego konwertera ultradźwięków 120.

Ponadto w procesie optymalizacji przenoszenia energii ultradźwięków do materiału, w szczególności materiałów zespolonych zawierających wiele składników, częstotliwość, amplitudę i ciśnienie można zmieniać w czasie procesu wytwarzania.

Sposób wytwarzania wyrobu zgodny z wynalazkiem został bliżej objaśniony w poniższym przykładzie.

Bezazbestową tarczę hamulcową np. 150,151, 152, z fig. 1 wytworzono według wynalazku sprasowując warstwę 150 bezazbestowego materiału ciernego o składzie (A) (patrz niżej) z promującą adhezję warstwą podkładową 151 o składzie (B), sprasowując warstwę 150 wymienionego materiału ciernego ze stalową nośną płytą 152 i utwardzając następnie warstwę 150 materiału ciernego, warstwę podkładową 151 i płytę nośną 152 przez jednoczesne przyłożenie stałego ciśnienia 14700 kPa i rozpraszanie energii ultradźwięków o mocy 165 KW/kg (3,3 KW na 20 g materiału kompozytowego) stosując odwrócony wzmacniacz 121 Black 1:2,5 Booster.

Skład objętościowy (A) materiału ciernego
Sztuczne włókna mineralne:	16,2%
Sieciowalny środek wiążący nowolakowo-fenolowy:	14,8%
Sproszkowany elastomer cyjankowy:	8,2%
Baryty:	10,5%
Granulowany grafit elektrodowy:	5,5%
Hematyt:	6,0%
Mika muskawitowa:	16,0%
Krzemian wapnia:	10,0%
Koks naftowy:	6,0%
Siarczek ołowiu:	6,8%

Skład objętościowy (B) promujący adhezję warstwy podkładowej
Sieciowalny środek wiążący nowolakowo-fenolowy:	25%
Sproszkowana guma cyjankowa:	12%
Włókno mineralne lapinus 4164:	63%

g mieszanki (A) i 10 g warstwy (B) umieszczono we wnętrzu formy 130 o pojemności 16 cm³ urządzenia 10 do ultradźwiękowego formowania i utwardzania takiego, jak na fig. 1. Stalową płytę nośną 152 umieszczono pod warstwą (B) warstwowej struktury materiału ciernego (A) i promującej adhezję warstwy (B) we wnętrzu 131 formy 130 przesuwając stół 141 generatora 140 ciśnienia o kilka milimetrów. Następnie przyłożono ciśnienie do płyty nośnej 152. Po osiągnięciu ciśnienia 13532 kPa zastosowano ultradźwięki o częstotliwości 20 kHz i mocy 3300 W przez 6 sek. a następnie wyłączono je. Ciśnienie, utrzymywano jeszcze przez 6 sek. po czym zmniejszono je. Gotową tarczę hamulcową wyjęto z formy 130 usuwając stół 141. Tarczę poddano następnie utwardzaniu końcowemu w konwencjonalnej obróbce cieplnej w piecu powietrznym przez 10 godzin w temperaturze 160°C. W alternatywnym sposobie wytwarzania zastosowano jednocześnie energię ultradźwiękową i ciśnienie, przy początkowym ciśnienu 980 kPa i ultradźwiękach doprowadzanych przez 2 do 3 sekund, po czym podniesiono

169 609 ciśnienie jednostajnie do wysokości 2940 kPa, w czasie 3 do 4 sekund i nadal doprowadzano ultradźwięki. Następnie zaprzestano podawania ultradźwięków i przez 24 sekundy utrzymywano ciśnienie na wysokości 2940 kPa studząc jednocześnie formę.

Otrzymane tarcze hamulcowe porównano z tarczami otrzymanymi z tej samej mieszaniny (A), promującej adhezję warstwy (B) i stalowej tarczy nośnej, utwardzanej metodą konwencjonalnego ogrzewania.

W pierwszym przebiegu B2 wytworzono 17 tarcz hamulcowych według wynalazku i poddano je naprężeniom ścinającym przekraczającym 4900 kPa, jak pokazano na fig. 2. Wszystkie 17 tarcz wykazało przeciętne naprężenia ścinające około 6566 kPa w przedziale od 5880 kPa do 7252 kPa w porównaniu z minimalnym dopuszczalnym naprężeniem 4900 kPa.

190 konwencjonalnie utwardzanych cieplnie tarcz hamulcowych wykazało średnie naprężenie ścinające około 5880 kPa w znacznie szerszym przedziale od 3920 do 7840 kPa.

W kolejnym przebiegu B1 57 tarcz hamulcowych wytworzonych według wynalazku poddano naprężeniom ścinającym przekraczającym 4900 kPa, jak pokazano na fig. 2. Wszystkie 57 tarcz wykazało przeciętne naprężenia ścinające około 6880 kPa w przedziale od 5096 kPa do 7252 kpa w porównaniu z minimalnym dopuszczalnym naprężeniem 4900 kPa.

Poza krótszym czasem wytwarzania, wynoszącym kilka sekund w porównaniu z minutami przy konwencjonalnym utwardzaniu cieplnym testy naprężeń ścinających wykazały, że utwardzanie ciśnieniem i ultradźwiękami według wynalazku pozwala na otrzymanie znacznie wytrzymalszego wyrobu i wyraźnie poprawia jednorodność produktów.

Tarcze hamulcowe według wynalazku przetestowano na urządzeniu testującym zdolnym do przeprowadzania testów przy stałej szybkości ścierania zgodnie z procedurami przyjętymi jako norma przemysłowa w Europie. Test przeprowadzono przy prędkości 660 obrotów na minutę przy stałym momencie obrotowym 120 Nm z tarczą hamulcową w przednim kole motocykla pojemności 750 cm³.

Wyniki testów dla zwykłych tarcz (test nr 8) i dla tarcz wykonanych według wynalazku (test nr 188) podano w tabeli 1.

Tabela 1

Wyniki testów tarciowych
Test nr Materiał	8 zwykły	188 ultradźwiękowy
Przeciętne μ	0,405	0,441
Minimalne μ	0,2	0,23
Maksymalne μ	0,51	0,55
μ na zimno	0,4	0,44
μ zacierania	0,2	0,23
Zużycie tarczy 1	0,9	1
Zużycie tarczy 2	1	1

Wyniki pokazują, że współczynnik tarcia μ wzrósł nieco dzięki stabilności tarcia w zastosowaniach z jednym hamulcem, ale szybkość zużywania nie zmieniła się. Polepszyło się marginalnie zachowanie przy zacieraniu. Zastosowania wynalazku zostały bliżej opisane w poniższych przykładach.

Przykład I. Magnesy twarde magnetycznie wykonano z materiału magnetycznego neodymowo-borowego w zawiesinie w sieciowalnym środku wiążącym nowolakowo-fenolowym w następujący sposób: 100 g pokruszonego stopu metalicznego dokładnie zmieszano z 10 g nowolaku i umieszczono w cylindrycznym wnętrzu formy, poddając go następnie działaniu ciśnienia i ultradźwięków o częstotliwości 20 kHz i gęstości energii 500 kJ na kilogram masy materiału zespolonego.

169 609

Przykład II. Rdzeń miękki magnetycznie wykonano w następujący sposób: 100 g karbonylku żelaza o rozmiarach cząstek 6-8 (im zmieszano dokładnie z 50 g 30% alkoholowego roztworu epoksydu bisfenolowego. Dodano 2 g bezwodnika ftalowego i wysuszono mieszaninę na proszek Mieszaninę utwardzono w formie nadającej materiałowi pożądany kształt, podczas gdy polimerycżny środek ulegał sieciowaniu pozwalając na zachowanie kształtu w procesie utwardzania końcowego. Proces polegał na poddaniu materiału ciśnieniu 19600 kPa i działaniu ultradźwięków o częstotliwości 20 kHz i całkowitej dawce energii 100 kJ na kilogram masy materiału kompozytowego. Uformowany wyrób poddano utwardzaniu końcowemu w temperaturze 150°C przez 20 minut. Wyrób cylindrycznego kształtu wykazał bardzo niskie straty histeretyczne.

Przykład III. Fragment tkaniny z włókna szklanego nasycono ciekłą polimeryczną substancją wiążącą zawierającą 10% (wagowo) proszku węglanu wapnia, 1 % nadtlenku benzoilu i 1 % naftenianu kobaltu. Tkaninę utwardzano przez 15 minut pod działaniem ciśnienia 1170 kPa i ultradźwięków o częstotliwości 20 kHz i całkowitej dawce energii 50 kJ na kilogram masy materiału zespolonego.

Przykład IV. Izolację elektryczną odporną na ciepło wykonano w następujący sposób: Masę złożoną z 70% bezpostaciowego materiału zespolonego opartego na krzemionce i 30% silikonowego polimerycznego środka wiążącego umieszczono w formie i poddano ciśnieniu 19600 kPa i działaniu ultradźwięków o częstotliwości 20 kHz i całkowitej dawce energii 1000 kJ na kilogram masy materiału zespolonego.

Przykład V. Komutator silnika elektrycznego o zewnętrznej średnicy 20 mm, wysokości 24 mm i średnicy wewnętrznego otworu 10 mm wytworzono z 13 g mieszaniny zawierającej 30% wagowych żywicy fenolowej jako środka wiążącego i 70% wagowych wypełniacza z włókna szklanego i krzemionki. Mieszaninę przeniesiono do formy o średnicy wewnętrznej 20 mm i umieszczono jako proszek we wnętrzu miedzianego pierścienia komutatorowego. Komutator poddano ciśnieniu 15680 kPa i działaniu ultradźwięków o częstotliwości 20 kHz w ciągu 7 sekund. Pozwolono mu chłodzić się przez 25 sekund w formie, a następnie poddano utwardzaniu końcowemu w temperaturze 180°C przez 8 godzin. Wytworzone komutatory nie wykazywały wewnętrznej porowatości, a test skokowej wytrzymałości wykazał wydłużenie przy zerwaniu równe 60 mikrometrom i wytrzymałość całkowitą od 210 do 400 KG z przeciętną 301 KG. Wytrzymałość na ściskanie okazała się znacznie wyższa w porównaniu z konwencjonalnie wytwarzanymi komutatorami. W kierunku osiowym podłużna siła łamiąca dla wszystkich trzech komutatorów wynosiła 7500 KG. W kierunku promieniowym siła łamiąca wynosiła 454,504 i 468 kG. Można przypuszczać, że znacznie polepszone właściwości fizyczne wynikły z polepszenia wybiórczej orientacji włókien wzmacniających materiał zespolony w czasie prasowania z użyciem energii ultradźwięków.

Konwencjonalny proces obejmuje kompresję preformowanego lub granulowanego materiału wpływającego do pierścienia formy. W czasie przepływu wzmacniające włókna mają tendencję do układania się wzdłuż, równolegle do osi. Zmniejsza się wytrzymałość wyrobu na rozrywanie i ściskanie. Gdy wyroby są prasowane przy pomocy ultradźwięków, zwiększony przepływ masy w luźno ułożonym sproszkowanym materiale daje sproszkowany wyrób o znacznie mniejszej orientacji włókien w kierunku osiowym. Wraz ze wzrostem liczby włókien zorientowanych skośnie lub obwodowo testy skokowej wytrzymałości osiowej dają wyniki znacznie bardziej jednorodne i lepsze. Testy ściskania w kierunku podłużnym i promieniowym dają lepsze wyniki o węższym rozkładzie

Przykład VI. Wytworzono szczotkę kontaktową do silników elektrycznych o długości 25 i przekroju poprzecznym 1 cm² z materiału kompozytowego o następującym składzie objętościowym:

Granulowany grafit elektryczny 5-0,5 mm: 30%

Sproszkowany grafit Lonza KS6: 155%

Sadza przewodząca Ketjen EC: 7%

Sproszkowany brąz 90/10: 3%

Żywica fenolowa J1311H: 32%

Włókno węglowe Sigrafil SFO1MNT: 4*%

169 609

Włókno nowolakowe Kynol KF0203: 3%

Włókno nowolakowe Kynol KF05BT: 3%

Sproszkowany siarczek miedziawy: 3%

Materiał umieszczono w formie o długości przekroju 25 mm i wysokości przekroju 10 mm, tak że końcowe wymiary wynosiły 25 x 10 x 10 mm. Zanurzono tłok nurnikowy i przyłożono ciśnienie 9800 kPa. Zastosowano energię ultradźwiękową przez 2,3 sekundy, a ciśnienie zachowano przez następne 3 sekundy przed wyjęciem szczotki z formy. Końcowy wyrób wykazywał rezystywność elektryczną 0,128 Qcm.

169 609

FIG. 2

169 609

Η6. /

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego polegający na tym, że sporządza się materiał złożony będący mieszaniną sieciowalnego środka wiążącego, co najmniej jednego materiału rozdrobnionego oraz ewentualnie innych dodatków, wytwarza się wstępną formę przez formowanie i prasowanie materiału złożonego do żądanej postaci sprasowanej przykładając ciśnienie, wytwarza się wyrób przez utwardzenie sieciowalnego środka wiążącego w wymienionym wstępnym wyrobie, stosując energię ultradźwiękową oraz ewentualnie poddaje się sieć wiązań w wytworzonym wyrobie utwardzaniu końcowemu, znamienny tym, że ilość sieciowanego środka wiążącego wynosi od 5 do 50%, a najlepiej od 15 do 45%, a w szczególności od 20 do 35% objętościowych sprasowanego materiału złożonego w formie wstępnej, oraz w ramach procesu prasowania i utwardzania prasuje się i ogrzewa materiał złożony poddając go działaniu ciśnienia i rozpraszaniu energii ultradźwiękowej, przy czym stosuje się ciśnienie wyższe od wewnętrznego ciśnienia par w materiale, oraz amplitudę drgań ultradźwiękowych przyłożonych do materiału mieszczącą się w zakresie pozwalającym na pokonanie sił wewnętrznego tarcia, następnie wstępnie utwardza się materiał poprzez jednoczesne przykładanie ciśnienia i energii ultradźwiękowej, z utwardzeniem środka wiążącego w żądanym stopniu i ewentualnie podczas relaksacji i konsolidacji stosuje się wyłącznie ciśnienie z utwardzeniem środka wiążącego i wyrobu wstępnego w żądanym stopniu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przykłada się ciśnienie stałe o wartości od 980 kPa do 19600 kPa, najlepiej od 5880 kPa do 11760 kPa, a w szczególności od 6860 kPa do 9800 kPa.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się gęstość energii ultradźwięków w stosunku do masy materiału kompozytowego pod ciśnieniem od 33 do 16500 KJ/kg, najlepiej od 50 do 5000 KJ/kg, a w szczególności od 100 do 800 KJ/kg.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się rozpraszanie ilości energii ultradźwięków w stosunku do masy materiału wynoszące od 33 do 660 KW/kg, najlepiej od 50 do 400 KW/kg, a w szczególności od 66 do 165 KW/kg.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że stosuje się ultradźwięki o częstotliwości przekraczającej zwykle 18 KHz, najlepiej od 18 do 40 kHz, a w szczególności około 20 kHz.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyrób poddaje się utwardzaniu końcowemu metodą ogrzewania, korzystnie w zakresie temperatur od 150°C do 180°C.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że formuje się wstępnie materiał złożony i sprasowuje się materiał złożony z elementem nośnym przez jednoczesne przyłożenie ciśnienia i energii ultradźwiękowej.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w materiale rozdrobnionym stosuje się materiał wzmacniający wybrany z grupy składającej się z : cząstek mineralnych zawierających węglan wapnia, tlenki metali, baryt, krzemionkę (piasek), glinę, kulki szklane, grafit, sadzę lub proszek węglowy; odporne na ogrzewanie syntetyczne włókna wyłącznie z włóknami mineralnymi, aromatycznymi włóknami poliamidowymi, włóknami nowolakowymi, włóknami szklanymi, wełną żużlową, włóknami węglowymi, żelazem gąbczastym, miedzią dendrytową i rozdrobnionym stopem żelaza, boru i neodymu; odporne na ogrzewanie minerały w formie wydłużonych kryształów o stosunku wymiarów większym niż 3 włącznie z wolastonitem, atapulgitem i sepiolitem; oraz odporne na ogrzewanie kryształy w postaci mikowej włącznie z muskowitem, flogopitem, legopidolitem, biotytem i hematytem mikowym.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że jako rozdrobniony materiał stosuje się materiał przewodzący prąd elektryczny wybrany z grupy zawierającej grafityzowane włókna

169 609 węglowe, przewodzące wypełniacze, obejmujące przewodzącą sadzę, przewodzące polimery, obejmujące tlenek polietylenu, lub elektronicznie przewodzące polimery, obejmujące poliacetylen.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utwardza się sieci owalny środek wiążący pod wpływem ciepła.
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że sieciowalny środek wiążący wybiera się z grupy zawierającej kondensacyjne polimery termoutwardzalne, włącznie z polimerami kondensacyjnymi formaldehydu z fenolem, mocznikiem, melaniną lub rezorcynolem, a także ftalan diallilu i izoftalan diallilu; żywice poliestrowe włącznie z addycyjnymi nienasyconymi poliestrami i żywicami kondensacyjnymi otrzymanymi w reakcji polioli z wielofunkcyjnymi kwasami karboksylowymi, takimi jak kwas adypinowy lub tereftalowy; estry winylowe; polimery epoksydowe, włącznie z eterem diglicydowym bisfenolu A, epoksynowolakowe żywice z reakcji epichlorohydryny i fenolowonowolakowej żywicy sieciowanej konwencjonalnie dodatkiem amin lub bezwodników; polimery poliamidowo-imidowe; polimery poliimidowe; poliuretany włącznie z produktami polimeryzacji polioli i diizocyjanianów takie jak propano- i toluenodiizocyjanian trimetylolu; oraz odporne na ogrzewanie polimery silikonowe włącznie z fenylometylo lub metylo-hydroksylofunkcyjnymi produktami silanolowymi poddanymi reakcji z żywicami fenolowymi, epoksydowymi, poliestrowymi lub innymi substancjami żywicowymi zawierającymi grupy hydroksylowe.
12. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że formuje się wstępnie materiał złożony i warstwę ułatwiającą adhezję, następnie sprasowuje się uzyskany materiał z elementem nośnym, po czym utwardza się wyrób przez jednoczesne przyłożenie ciśnienia i rozpraszanie energii ultradźwiękowej.
13. Urządzenie do wytwarzania wyrobu z materiału kompozytowego składające się z: oscylatora elektrycznego, generatora ultradźwięków; zestrojonego układu przenoszenia energii złożonego ze wzmacniacza amplitudy dźwięku i sonotrody; zamkniętej przestrzeni wewnątrz formy; oraz urządzenia wytwarzającego ciśnienie, znamienne tym, że wzmacniacz amplitudy (121) jest odwróconym wzmacniaczem amplitudy dźwięku.