способ получения композиционного изделия

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного изделия, включающего слои металлического и неметаллического материалов, причем коэффициент термического расширения неметаллического материала ниже, чем у металлического, отличающийся тем, что в качестве неметаллического материала используют стекломатериал, который в виде листов укладывают между листами из металла, осуществляют нагрев полученного пакета слоев до температуры размягчения стекломатериала, обжимают пакет до полного прилегания его слоев по поверхностям соприкосновения и выдерживают в этом состоянии до соединения листов между собой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе остывания изделия производят гибочные работы, придавая листам требуемую форму поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для несущих конструкций в строительстве, судостроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Известны способы изготовления слоистого композита на основе стекломатериала, при котором формирование композита производится путем сборки из отдельных элементов, склеенных между собой и приклеенных к внешним металлическим листам [1].

Недостатки известных способов заключаются в том, что изготовляемые из стекломатериала композиты обладают низкой ударостойкостью и малой надежностью, определяемой качеством склеивания. Это существенным образом снижает эксплуатационную надежность несущих конструкций из слоистого композита и не позволяет в должной мере использовать известные приемы повышения прочности и ударостойкости стекломатериалов.

Известен способ изготовления слоистого композита на основе стекломатериала в виде трехслойной оболочки, выбранный в качестве прототипа, при котором формирование композита производится путем заливки расплавленной стекломассы в пространство, ограниченное металлическими обшивками, нагретыми до температуры, обеспечивающей надежное соединение их со стекломатериалом. За счет разницы в коэффициентах температурного расширения стеклослой при остывании композита обжимается, что в сочетании с соответствующим температурным режимом позволяет исключить образование поверхностных микротрещин в стеклослое и реализовать в промышленном масштабе известные закономерности многократного повышения прочности и ударостойкости стекломатериала [2].

Недостатки известного способа заключаются в необходимости использования жаростойких конструкционных металлов и в сложности изготовления многослойных композитов малой толщины из-за практических затруднений равномерного заполнения стекломассой глубоких щелей. Тем самым накладываются существенные ограничения на применение в композите высокоэффективных конструкционных металлов с низкой жаростойкостью, и ссужается область применимости композита на основе стекломатериала.

Целью изобретения является создание многослойного композита на основе стекломатериала с использованием металлических облицовок и прослоек, позволяющих реализовать в промышленном масштабе известные закономерности повышения прочности и ударостойкости стекломатериала. без существенных ограничений на жаростойкость металла и толщину композита.

Указанная цель достигается тем, что композит формируют из листов стекломатериала, которые укладывают между металлическими листами, используя стекломатериал с коэффициентом температурного расширения ниже, чем у металлических листов на заданную величину, нагревают пакет листов до температуры, при которой стекломатериал размягчается и приобретает способность надежно соединяться с самим собой и с металлическими листами, обжимают пакет набранных листов до плотного прилегания их поверхностей и выдерживают до надежного соединения слоев композита. Для достижения указанной цели использованы известные свойства стекломатериалов: способность изменять в широких пределах коэффициент температурного расширения за счет введения в жидкую фазу стекломассы небольшого количества специальных добавок, термопластичность и способность стекломассы при температуре 500-600^oС надежно соединяться с металлом и другими материалами, нагретыми до той же температуры [3]. Эти свойства стекломатериала позволяют устранить поверхностные микротрещины в листах стекломатериала, обеспечить их надежное соединение с металлическими листами без применения клеевых составов и исключить образование поверхностных микротрещин в стеклянных слоях при формировании композита. Для этого достаточно нагреть пакет набранных листов до соответствующей принятому стекломатериалу температуры и прижать листы до плотного прилегания их поверхностей, выдержав их в таком состоянии до надежного соединения слоев композита. Вследствие размягчения и расширения стекломатериала при нагревании поверхностные микротрещины смыкаются и привариваются по поверхностям соприкасания. Обжатие набранного пакета слоев при соответствующей температуре обеспечивает надежное соединение слоев композита.

При остывании надежно соединенные между собой слои стекломатериала и металла уменьшают свои размеры. Вследствие разницы в коэффициентах температурного расширения металлические слои уменьшаются в большей мере, чем стеклянные, в результате чего происходит сокращение поверхностей стеклянных слоев. Сопротивление стекломатериала сокращению их поверхностей вызывает растяжение металлических слоев и сжатие стеклянных. Металлические слои, сокращая поверхности стеклянных слоев и обжимая последние, препятствуют образованию поверхностных трещин в слоях стекломатериала и уплотняют его. Тем самым устраняется основная причина резкого снижения ударостойкости и прочности стекломатериала, и стекломатериал в составе композита приобретает высокую ударостойкость и прочность.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготовить многослойный композит любой требуемой толщины, состоящий из чередующихся слоев металла и стекломатериала с внешними металлическими обшивками, в котором все слои надежно соединены друг с другом и слои стекломатериала свободны от поверхностных микротрещин. В составе композита металлические слои растянуты, а слои стекломатериала сжаты. Регулировка меры растяжения металлических и сжатия стеклянных слоев композита осуществляется за счет изменения коэффициента температурного расширения стекломатериала путем введения в жидкую фазу стекломассы специальных добавок в процессе изготовления листов стекломатериала. За счет устранения поверхностных микротрещин и уплотнения слои стекломатериала приобретают повышенную прочность и ударостойкость. Умеренная температура разогрева пакета слоев позволяет использовать для изготовления композита не жаростойкие конструкционные металлы, например, алюминиево-магниевые сплавы. В результате достигается основная цель изобретения.

С целью придания листу композита поверхностной формы при остывании композита производят гибочные работы известными для однородных листов способами. Это позволяет получить листы композита требуемой для инженерного сооружения формы.

Сопоставляемый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ изготовления слоистого композита на основе стекломатериала отличается тем, что композит формируют из листов стекломатериала, которые укладывают между металлическими листами, используя стекломатериал с коэффициентом температурного расширения ниже чем у металлических листов на заданную величину, набирают пакет требуемой толщины, нагревают его до температуры, при которой стекломатериал размягчается и приобретает способность надежно соединяться с самим собой и с металлическими листами, обжимают пакет набранных листов до плотного прилегания их поверхностей и выдерживают до надежного соединения слоев композита; отличается тем, что в процессе остывания композита производят гибочные работы, придавая листам композита требуемую форму поверхности.

Таким образом, заявляемый способ изготовления слоистого композита на основе стекломатериала соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Изобретение поясняется чертежом, на котором в разрезе представлено схематическое изображение описываемого способа изготовления слоистого композита на основе стекломатериала.

На стол стенда 1 укладывают предварительно подготовленные листы из металла 3, 4, 5 и стекломатериала 6 и 7. При этом используют листы из стекломатериала, у которого коэффициент температурного расширения в полтора раза ниже, чем у металлических листов. Например, при использовании стальных листов с коэффициентом температурного расширения 1110^-6 К^-1 используют листы из стекломатериала с коэффициентом температурного расширения 7,310^-6 К^-1. На уложенный пакет листов опускают верхнюю крышку стенда 2. Пакет листов нагревают, например, электроконтактным методом, до температуры, размягчения стекла, например, для системы стекла Na₂O - SiO₂ до 700^oС. Подают давление к верхней крышке стенда 2, которая прижимает пакет листов к столу стенда 1 усилием до 1 атм (~100 кПа), тем самым обеспечивая плотное прилегание поверхностей уложенных листов друг к другу. При температуре размягчения стекла выдерживают пакет листов в течение 20-30 минут тем самым обеспечивая полное устранение поверхностных микротрещин в стеклянных листах и надежное соединение их с металлическими листами. Отключают систему обогрева и переходят к процессу охлаждения композита. Вследствие различия в коэффициентах температурного расширения металлические слои 3, 4, и 5 сокращаются в большей мере, чем слои стекломатериала 6 и 7. Но поскольку слои композита соединены друг с другом, то стекломатериал оказывает сопротивление сокращению металлических слоев, вызывая в них растягивающие напряжения и сжатие своих поверхностей. В результате остывания металлические слои 3, 4, и 5 оказываются растянутыми, а слои стекломатериала 6 и 7 сжаты. Обжатие слоев стекломатериала 6 и 7 при остывании не позволяет образовываться поверхностным микротрещинам и уплотняет слои стекломатериала.

После остывания стенд раскрывают и из него извлекают слоистый композит, в котором стекломатериал заключен между растянутыми металлическими слоями. В случае необходимости придания композитному листу требуемой формы процесс охлаждения совмещают с гибочными работами.

Технико-экономический эффект изобретения заключается в создании слоистого композита на основе стекломатериала, у которого устранены поверхностные микротрещины и произведено его уплотнение. Вследствие этого ударостойкость и прочность стекломатериала повышаются в десятки раз [3]. Заключение стекломатериала между металлическими слоями создает дополнительный технический эффект, исключая непосредственный контакт стекломатериала с окружающей средой и создавая дополнительные барьеры, препятствующие разрушению композита. Многократное повышение прочности и ударостойкости стекломатериала в составе композита позволяет основную долю нагрузки, которая приходится на конструкцию из композита, распределить на стеклянные слои и тем самым уменьшить массу используемого металла и конструкции, изготовленной из стеклометалла. Это позволяет получить существенный экономический эффект, так как сырье, используемое для изготовления стекломатериала, очень дешевое, его запасы практически не ограничены, а энергозатраты на изготовление слоистого композита значительно ниже энергозатрат, которые требуются для изготовления листов из конструкционных металлов большой толщины.

Источники информации

1. Прочные оболочки из силикатных материалов. /Под ред. Г.С.Писаренко. Киев, Наукова думка, 1989, 224 с.

2. Патент РФ 2067060, МКИ В 63 В 3/13. Способ изготовления оболочки прочного корпуса подводного аппарата. /Пикуль В.В. опубл. 27.09.1996.

3. Технология стекла. /Под ред. И.И. Китайгородского. М., Стройиздат, 1967, 564 с.