Во всем мире при производстве передовой современной техники постоянно растет объем использования полимеров и получаемых на их основе полимерных композиционных материалов (ПКМ),  позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик. К началу третьего тысячелетия наиболее ускоренными темпами стали развиваться ПКМ на термопластичной основе – стекло-, угле- и органотермопластичные «композиты», которые дополнили комплекс уникальных конструкционных свойств  прогрессивными технологическими возможностями – неограниченную жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, сокращенный цикл формования, расширение номенклатуры способов переработки в изделия, возможность  сварочной сборки узлов и агрегатов,  рентабельной утилизации и вторичной переработки отходов производства и выработавших ресурс изделий [3].

Авторы монографии относятся к числу основоположников отечественной школы композитов с термопластичной матрицей.  В монографии обобщены итоги многолетних исследований коллектива ученых из МАТИ им. К.Э.Циолковского, академических и отраслевых институтов, производственных объединений и конструкторских бюро. Ученые обосновали перспективность отечественной технологии, обеспечивающей экономическую и техническую эффективность, а также экологическую безопасность непрерывно армированных термопластов [3].

Традиционная схема получения любых непрерывно армированных ПКМ предполагает подготовку исходных армирующих и матричных компонентов (фаз), их совмещение, формование (монолитизацию) изделия. Уникальность композиционных материалов с термопластичной матрицей состоит  в том, что в отличие от «традиционной» технологии получения композиционных материалов с термореактивной матрицей, ТКМ технологически позволяют отделить во времени и пространстве стадию подготовки полуфабрикатов изделий от стадии непосредственного формования изделия, увеличивая тем самым экономическую рентабельность производства за счет углубления специализации каждой  стадии технологического цикла. Формирование исходных полуфабрикатов выносится за рамки основного производства и осуществляется на специализированных текстильных предприятиях, что существенно снижает себестоимость производства изделий. Полученные полуфабрикаты обладают неограниченной жизнеспособностью и многообразной пространственной структурой, изготавливаются в форме иглопробивных материалов с хаотичным расположением армирующих и матричных волокон, тканей различного типа плетения с заранее заданным регулярным расположением армирующих нитей и матричных моноволокон, тканых лент, плетеных шнуров. На стадии монолитизации изделия происходит только фазовый переход – расплавление матричной фазы, без каких-либо химических превращений совмещаемых компонентов, что сокращает время производственного цикла формования изделия. («Традиционные» композиты требуют проведения длительной фазы отверждения, сопровождающейся образованием большого объема токсичных летучих продуктов.) Отсутствие отвердителя, завершенность и стабильность химической структуры матричной фазы обеспечивает экологическую чистоту производства и высокую экологичность получаемых изделий. Готовые изделия не выделяют летучих продуктов и обладают стабильной структурой в значительном интервале температуры эксплуатации. Более того, обладая биологической инертностью и будучи по упруго-прочностным свойствам близкими к свойствам костной ткани человека, ТКМ находят  применение в медицине в качестве материла для остеосинтеза. Коррозионная стойкость к большинству агрессивных химических веществ и сред делают ТКМ идеальным материалом для использования не только в авиа- и ракетостроении, но и в автомобиле- и вагоностроении, а также в строительстве. Специфические достоинства ТКМ приводят к постепенному увеличению доли их использования в мировой промышленности и вытеснению как традиционных металлов и монополимеров, так и ПКМ с реактопластичной матрицей.

Разработка новых составов термопластичных композиционных материалов с эксплуатационно заданными свойствами и технология их изготовления продолжает в основном базироваться на методе «проб и ошибок», иными словами, для каждого нового типо-размера изделия или при использовании нового типа полуфабриката  проводится длительный, трудоемкий и дорогостоящий экспериментальный подбор технологических режимов получения, обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики материала. Отсутствие обобщенных и систематизированных основ проектирования конструкций и изделий из ТКМ и технологических процессов их реализации, обеспечивающих необходимые показатели свойств, существенно сдерживает темпы развития этого прогрессивного вида материалов.

Неудовлетворительное положение дел в области разработки и производства изделий из ТКМ стало основным стимулом для подготовки данной монографии. При этом авторы исходили из личного опыта разработки ТКМ и рациональных способов их переработки в изделия различного назначения – от авиационно-космического до протезно-медицинского, который был накоплен в результате совместной работы с коллективами сотрудников МАТИ, ВИАМ, НИАТ, НПО «Композит», НПО «Технология», НПО «Графит», лаборатории КМ РАН и ряда других организаций. Монография состоит из семи  глав, в которых описаны как теоретические предпосылки создания ТКМ, подходы, методы расчета и компьютерного моделирования технологии производства, так и основные виды и способы создания изделий из них.

Первая глава посвящена проблемам разработки ТКМ с заданными свойствами. В ней дан исторический экскурс  развития технологии ТКМ, рассмотрено влияние деформационных свойств термопластичных матриц на конструкционные возможности ТКМ, проблемы совмещения компонентов в непрерывно армируемых ТКМ и организации межфазной зоны, технологические особенности переработки непрерывно армированных ТКМ в изделия. Общая тенденция развития ПКМ в целом, а не только ТКМ, состоит в стремлении увеличить степень наполнения (армирования) композита и увеличить длину волокон армирующей фазы. Так, в первом поколении ТКМ (1960-е годы) в качестве армирующего наполнителя использовали  дискретное  волокно с хаотичным расположением по объему композита, а в качестве матрицы – термопласты на основе полиамидов с последующей переработкой давлением или экструзией. Предельная объемная степень наполнения для таких композитов не превышала 0,5. Естественно, ни по своим упруго-прочностным свойствам, ни по теплостойкости ТКМ тогда не могли составить конкуренцию успешно развивающимся ПКМ с реактопластичной матрицей. Расширение в 1970-е годы номенклатуры линейных термопластов, некоторые из них по теплостойкости превосходили традиционно применяемые реактопластичные полимеры, увеличение объема армирования до 0,7 и переход от использования дискретных волокон к непрерывным волокнам, развитие новых методов совмещения и технологий переработки (известных под общим названием волоконной технологии)  создали предпосылки для использования ТКМ в авиа- и ракетостроении. Суть новой технологии состояла в использовании волоконного состояния основных компонентов [2]. Дальнейшее развитие волоконной технологии ТКМ шло по пути расширения спектра используемых матричных полимеров (поликапроамид, полисульфоны, полиэтилентерефталаты, поливинилиденфторид и др.), армирующих волокон (органические, стеклянные, углеродные, боровые и др.) и увеличения степени наполнения. Непрерывно армированные ТКМ с объемным содержанием наполнителя  0,50,7 принято относить ко второму поколению ТКМ, высокоармированные c 0,70,95 – к третьему, предельно армированные с  0,961 − к четвертому поколению.

Развитие волоконной технологии создания ТКМ второго поколения выявило ряд проблем. Так, большие  и нелинейные термические расширения термопластов приводят к значительной усадке и препятствуют достижению высокой размерной точности и ее поддержанию в процессе эксплуатации. Повышение объемной доли наполнителя, с одной стороны, позволяет стабилизировать термически обусловленную размерную точность, а с другой – порождает проблему его совмещения с высокомолекулярным, а потому высоковязким, матричным связующим. Решение здесь лежит в оптимизации структур регулярных полуфабрикатов, позволяющих снизить длину пути течения матричного расплава при монолитизации ТКМ. Последнее позволяет получать ТКМ с остаточной пористостью в пределах 1%, обеспечивая достижение заданных прочностных и эксплуатационных свойств изделия. На прочность ТКМ  влияет характер межфазной зоны, для правильной организации которой используют методы дополнительной обработки совмещаемых компонентов (обработка поверхностно-активными веществами, аппретирование и др.). Огромное влияние на свойства изделия оказывают технологические особенности выбранного метода его изготовления.

В следующей главе раскрыты теоретические предпосылки разработки и совершенствования ТКМ, в частности химические, физические и технологические. Поскольку химические возможности линейных полимеров значительно шире, чем сетчатых и тем более пространственных (отвержденных), возникают широкие возможности по модификации матричной фазы в зависимости от назначения и требуемых свойств изделия. Наряду с химическими методами модификации исходного термопластичного сырья существует  ряд физических методов, в частности управляемая кристаллизация полимерных расплавов для создания нужной ориентации макромолекул в волокне, перепрофилирование синтетических волокон в процессе формования, влияние температуры на податливость волокон, сорбционные возможности армирующих волокон, а также влияние эпитаксии термопластов на поверхности синтетических волокон на свойства ТКМ. 

Технологические предпосылки для совершенствования свойств и методов переработки термопластов основаны на их технологических свойствах: реологических, теплофизических, кинетике фазовых переходов. Особенность ТКМ заключается в возможности переработки в изделие на всем диапазоне физических состояний: вязкотекучем, эластичном и стеклообразном. Переработка в вязкотекучем состоянии осуществляется посредством прессования, вакуумного и автоклавного формования, пултрузией. В высокоэластичном состоянии ТКМ обрабатывается методом листовой штамповки. В стеклообразном состоянии для ТКМ доступен весь спектр универсальных методов, используемых для ПКМ (резка, фрезеровка и др.). 

В третьей главе  рассмотрены прогрессивные технологические методы производства ТКМ: прессование, вакуумное и автоклавное формование, магнитно-импульсное формование, термокомпрессионное формование, намотка, прокатка и пултрузия. В зависимости от степени наполнения    практическая реализация этих методов будет существенно различаться. Для наиболее широко распространенных ТКМ с  0,7 можно выделить две  группы методов получения  – жидко- и  твердофазное совмещение. Методы жидкофазного совмещения можно считать неудачной попыткой перенести методы получения отверждаемых ПКМ на термопласты. Практически реализовать преимущества непрерывноармированных ТКМ  сложно из-за необходимости пропитать волокнистые армирующие элементы (нити, жгуты, ткани) расплавом высокомолекулярной термопластичной матрицы  в силу его высокой вязкости (превосходящей на несколько порядков вязкость растворов реактопластичной матричной фазы). При использовании растворов термопластов или непосредственной пропитке волокнистого наполнителя расплавом остаточная пористость изделия превышает 10%.  Поэтому необходимо применять твердофазное совмещение.

Твердофазное совмещение реализуется тремя группами способов: порошковая, пленочная и волоконная технология. Наиболее прогрессивная с точки зрения обеспечения стабильности свойств и многообразия изготавливаемых изделий  волоконная технология, которая  обеспечивает минимальную длину течения расплава. Термопласт оказывается еще до плавления равномерно распределенным по сечению полуфабриката и максимально приближенным к поверхности армирующих волокон. Остаточная пористость изделия  снижается до 0,51,0%. Волоконная технология также позволяет проводить монолитизацию при меньшем давлении формования, увеличить   до 0,7 и выше (теоретически до 1), обеспечивает необходимую  схему армирования и создает предпосылки для автоматизации технологии производства изделий из ТКМ. К способам производства ТКМ по волоконной технологии относятся прессование (применимо преимущественно для получения листов), вакуумное и автоклавное формование (используется для получения крупногабаритных пространственных оболочек двоякой кривизны), термокомпрессионное и магнитноимпульсное формование, прокатка (листы, профили), пултрузия (стержни, трубы, профили). По типу организации структуры волокнистые полуфабрикаты можно разделить на нерегулярные (маты, нетканые структуры) и регулярные. Последние можно классифицировать на однонаправленные (одномерные), двунаправленные (двумерные) и объемные (трехмерные, реализуемые обычно посредством трикотажного плетения). 

К наиболее широко используемым способам производства можно отнести прессование, вакуумное и автоклавное формование, для которых реализуется типовая последовательность технологических операций: подпрессовка пакета заготовки, нагрев, собственно формование и охлаждение под давлением.  Анализ показывает, что к основным технологическим параметрам получения изделий из ТКМ можно отнести: давление подпрессовки (предварительного уплотнения)  , время  и температуру нагрева T, время выдержки (пропитки)   и давление формования , время охлаждения . Основная проблема при получении изделий из ТКМ состоит в подборе оптимального сочетания их значений. Поиск такого сочетания  − ключ к получению качественного изделия. Разработке методов расчета и поиску оптимального сочетания указанных параметров посвящена значительная часть данной монографии.

Создание высокоармированных ТКМ (0,7 0,95) сталкивается с рядом трудностей, в частности  армирующие волокна должна обладать способностью к значительному перепрофилированию в процессе формования под давлением. Изначально круглые армирующие волокна под действием поперечных сил должны трансверсально деформироваться без разрушения.  Этой способностью обладают только органические арамидные волокна – СВМ, Армос, Терлон, т.е. серьезно сужается спектр применяемых армирующих волокон. Технология создания высокоармированных органопластиков (ВАОП) требует предварительного нанесения на волокна связующего, которое создает лучшие условия для перепрофилирования, снижая трение между волокнами и «залечивая» возникающие микродефекты. В силу высокой вязкости матричных расплавов такое нанесение можно осуществлять только по растворной технологии, что требует последующего удаления растворителя. Общие требования к матричному полимеру ВАОП предполагают обеспечение совместной работы в заданных условиях компонентов ВАОП при передаче внешних нагрузок на армирующие волокна через непрерывную термопластичную матрицу. И хотя суммарный вклад матрицы в деформационно-прочностные свойства ВАОП оценивается сравнительно невысоко (численно до 5%), ее роль может оказаться решающей в обеспечении ряда сопутствующих эксплуатационных требований: тепло-, термо-, влаго-, огне-, свето-, радиационно-, хемостойкости и др. Таким образом, выбор связующих, способных создавать монолитную матрицу, удовлетворяющую комплексу разнообразных требований, становится одной из главных задач при разработке состава ВАОП.

Предельное армирование ( =0,961) пластиков стало логическим завершением исследований по увеличению объёмного содержания армирующей фазы в ТКМ. Такие композиты носят название предельно армированных органоволокнитов (ПАОВ). Принципиальное отличие ПАОВ от ВАОП состоит в использовании метода монолитизации армирующих волокон – сварки полимеров, что даёт основание считать ПАОВ безматричными композиционными материалами [3]. Приближение   к 1 требует значительного  увеличения способности материала армирующего волокна к перепрофилированию. Но на предельных степенях поперечного перепрофилирования наблюдается резкое снижение прочности синтетических волокон. Для решения этой проблемы нужно внести соответствующие структурные изменения в синтетические армирующие волокна и подобрать оптимальные режимы монолитизации.

Четвертая глава  посвящена разработке методологии моделирования в технологии ТКМ. Детально изучены механо-реологические и теплофизические процессы при монолитизации ТКМ, проведены математическое моделирование поперечной деформативности армирующих синтетических волокон, комплексное моделирование процессов изготовления деталей из ТКМ  прессованием, вакуумным и автоклавным формованием, моделирование реологических процессов при намотке, прокатке и пултрузии.

Моделирование – это имитация реального оборудования и процессов переработки сырья и полуфабрикатов с помощью математических зависимостей. Математическая модель есть аппроксимация реального явления, позволяющая оперативно выявлять необходимые факторы проектируемого объекта для достижения задаваемых требований. Так, оптимизация режимов формования изделий из ТКМ эмпирическим путем длительный и трудоемкий процесс в силу большого числа технологических и материаловедческих факторов, включая механические, теплофизические, реологические и текстурные характеристики волокнистых ПФ и их компонентов. Установить их аналитическую связь и резко уменьшить объем эксперимента можно на основе комплексного моделирования собственно полуфабрикатов ТКМ, а также теплофизических и механо-реологических процессов, протекающих в пакетах заготовок ТКМ при монолитизации. Это требует, в частности, разработки методик расчета их теплофизических и реологических характеристик. Кроме того, реализация принципа моделирования в отношении волокнистых полуфабрикатов создает научную базу для их направленного проектирования при создании ТКМ с заданными эксплуатационными характеристиками [3].

Существует множество технологических способов получения изделий из ТКМ, многие из них, например магнитно-импульсное формование, считаются «экзотическими», экспериментальными и редко применяются на практике. Потому практически оправданна разработка расчетно-математического аппарата для наиболее массовых и типовых способов изготовления изделий из ТКМ. К таким способам относятся прессование, вакуумное и автоклавное формование. Более того, прессование с физической точки зрения выступает базовым способом производства. Физические процессы, протекающие при прессовании,  реализуются в большинстве других методов волоконной технологии. Этим объясняется выбор авторами спектра способов переработки для моделирования. Разработав математический аппарат для базовых методов, можно, с учетом  специфики и особенностей, доработать и перенести его и на остальные способы изготовления. Прессовый и вакуумные способы формования позволяют изготавливать широкий спектр изделий. Исходными полуфабрикатами для перечисленных способов переработки выступают нетканые структуры, одно- и двунаправленные тканые структуры в форме специальных технических тканей или лент.

Рассмотрим некоторые проблемы и противоречия, которые возникают перед технологом на стадии определения характеристик заготовки и режимов переработки заготовки в изделие. В отличие от технологии получения изделий из мономатериалов волоконная технология имеет дело с исходным сырьем для производства композита − полуфабрикатом, обладающим большим числом характеристик, большинство из которых можно варьировать на стадии подготовки полуфабриката. Полуфабрикат состоит из армирующих комплексных нитей и матричных моноволокон. Армирующие нити  представляют собой структуры, состоящие из закрученных относительно оси нити отдельных армирующих волокон – филамент, обладающих рядом характеристик: видом материала со своими упруго-прочностными характеристиками, напряженным состоянием, видом сечения (круглое, шестигранное), линейным размером, шероховатостью и микроструктурой поверхности, физическими характеристиками поверхности, видом поверхностной обработки. Армирующие нити  характеризуются числом филамент, эффективным диаметром, коэффициентом наполнения, трансверсальной жесткостью, степенью крутки (от которой зависят эффективный диаметр, трансверсальная жесткость, размер межфиламентных зазоров). Матричные плавкие мононити характеризуются формой сечения, диаметром (линейным размером), упруго-прочностными характеристиками в нерасплавленном состоянии, трансверсальной податливостью, температурой плавления, вязкостью расплава, способностью к смачиванию армирующих волокон и др. Тканые полуфабрикаты характеризуются видом плетения, толщиной, степенью армирования, видом армирования (одно- и двунаправленные), количеством армирующих и матричных нитей по основе и утку, характером их чередования и рядом других параметров. Многообразие параметром полуфабриката обусловливает, с одной стороны, предпосылки для создания широкого спектра исходных волокнистых полуфабрикатов,  изготовления изделий с требуемыми характеристиками, а с другой – затрудняет их создание, так как число возможных вариаций исходных параметров полуфабриката практически бесконечно. Дополнительную сложность накладывают ограничения текстильного производства (не всякий теоретически возможный полуфабрикат может быть изготовлен на имеющемся ткацком оборудовании), взаимосвязь и функциональные взаимосвязи различной степени жесткости  параметров полуфабриката. В таких условиях традиционная последовательность экспериментального подбора оптимальных свойств – проектирование полуфабриката, изготовление на ткацком оборудовании, сборка пакета заготовки, формование образца, исследование и испытание образца − на практике представляется малоэффективной и излишне затратной. Особенно, если учесть тот факт, что на текстильном производстве изменение схемы заправки ткацкого станка достаточно длительная и трудоемкая процедура. Учитывая перечисленные трудности, оптимизацию свойств исходного полуфабриката эффективно можно проводить исключительно посредством математического моделирования.

Перед формованием производится сборка пакета волокнистой заготовки. От числа слоев полуфабриката в пакете зависит диапазон вариации толщины изделия, на которую  влияют также давление прессования  , характер протекания процесса монолитизации и структура полуфабриката. Так как число слоев полуфабрикатов в пакете может быть только целым, наложение ограничений на   изделия (обычно не более 1%) часто не позволяет получить толщину стенки изделия с требуемыми допусками, так как изменение толщины стенки изделия за счет вариации Р, как правило, меньше, чем величина шага толщины от изменения числа слоев. Решение этой проблемы требует оптимизации многих других параметров. 

Направление укладки слоев задает схему армирования изделия и его конечные упруго-прочностные свойства.  Связь между геометрическими характеристиками полуфабриката и конечными свойствами композиционного материала изделия не может быть выражена в явной форме. Переход от чертежа изделия и его упруго-прочностных характеристик к виду полуфабриката и схеме армирования требует использования подходов компьютерного имитационного моделирования. 

Типовой технологический процесс производства изделий из ТКМ состоит из нескольких стадий. Рассмотрим их с точки зрения происходящих процессов и особенностей моделирования.

Начальная подпрессовка многослойного пакета волокнистой заготовки производится с целью увеличить плотность волокнистой среды для интенсификации последующего нагрева. Уплотнение с целью интенсификации технологического процесса и снижения длительности технологического цикла осуществляется уже нагретым инструментом. Деформация  большей частью носит упругий характер. Основное сопротивление уплотнению оказывают трансверсально деформирующиеся армирующие нити полуфабриката. Нити, представляя собой анизотропную среду, обладают переменным модулем упругости, поэтому традиционные модели упругой деформации в данном случае неприменимы. Для моделирования упругого поведения волокнистой среды условно выделялось отдельное волокно и его деформация описывалась по модели упругого изгиба двухопорной балки с центральным нагружением. Устанавливалась связь между жесткостью отдельного волокна, усредненной плотностью волокнистой среды и эффективным поперечным модулем упругости армирующей нити. Сложность моделирования уплотнения текстильных структур состоит в том, что в процессе уплотнения увеличивается жесткость деформируемой среды, растет модуль упругости и наблюдается деформация (сопровождающаяся уширением и расплющиванием) армирующих нитей. Решение этой проблемы найдено при использовании подхода итерационного моделирования – эллиптические сечения деформируемых армирующих нитей представлены эквивалентными прямоугольными сечениями с переменной шириной и высотой, а процесс уплотнения волокнистой среды разбиты на малые шаги. На каждом шаге происходит перерасчет геометрии эквивалентных прямоугольных сечений и текущего модуля упругости волокнистой среды. Полученная модель описывает зависимость толщины Н (относительной высоты  ) волокнистой заготовки от давления уплотнения  . 

Процесс прогрева заготовки начинается непосредственно после окончания уплотнения материала волокнистой заготовки и имеет ряд особенностей (рис. 1).  Оснастка с температурой на поверхности Т больше на 20–60°С  температуры плавления матричного полимера   соприкасается с уплотненной волокнистой заготовкой, передавая ей тепло. В начале происходит расплавление матричной фазы в периферийных слоях и далее зона плавления распространяется к центру заготовки. К моменту, когда температура внутри заготовки достигнет  , начнется пропитка (монолитизация) центральных слоев. 

На стадии нагрева можно выделить три основные проблемы. Во-первых это очень низкий коэффициент теплопроводности волокнистой заготовки, во-вторых, неравномерность прогрева заготовки, в-третьих,  термодеструкция связующего, начинающаяся в периферийных слоях вследствие их раннего прогрева. Решить проблему термодеструкции связующего при нагреве можно за счет интенсификации процесса нагрева за счет повышения температуры на поверхности оснастки и применения больших давлений уплотнения для уменьшения содержания воздушных пустот в волокнистой заготовке. Однако увеличению степени уплотнения часто препятствует раннее разрушение армирующих волокон за счет их взаимного передавливания, особенно это характерно для стекловолокон. 

Рис. 1. Схема прогрева волокнистой заготовки

Увеличение температуры на оснастке  приводит к увеличению скорости термодеструкции связующего и увеличению его вязкости. Процесс нагрева заготовки носит динамический характер, сопровождается изменением ее геометрии, поэтому экспериментально изучать динамику нагрева и сопровождающую его термодеструкцию матричного связующего на практике сложно. Решить задачу оптимизации скорости нагрева можно  при использовании методов компьютерного имитационного моделирования, основанных на численном решении нелинейных одномерных дифференциальных уравнений теплопроводности. В процессе переработки волокнистая заготовка меняет не только свои упругие свойства, но и теплофизические, в частности коэффициент теплопроводности. Чтобы в математической модели нагрева учесть нестационарность теплофизических характеристик, предложена физико-математическая модель, рассматривающая регулярную структуру тканых заготовок как эквивалентную  геометрическую структуру, состоящую из ограниченного набора элементарных «столбиков»,  слои которой имеют различные теплофизические характеристики. Такое представление позволило – используя принцип подобия – заменить рассмотрение теплофизических расчетных схем электрическими в виде последовательно и параллельно соединенных сопротивлений. 

Центральная стадия изготовления любого композита – превращение рыхлого и пористого волокнистого полуфабриката в высокопрочный сплошной композиционный материал − стадия монолитизации. На этой стадии наблюдается перемещение матричного расплава в межнитяные пространства деформированной текстильной структуры, сопровождающееся вытеснением воздуха из заготовки, с последующим проникновением расплава внутрь армирующих нитей, которое сопровождается проникновением расплава в межфиламентные пространства и вытеснением остаточного воздуха. От того, насколько полно пройдет межфиламентная пропитка, зависят остаточная пористость композита и прочностные характеристики изделия. Высокая вязкость матричного расплава и оставшийся внутри нитей сжатый воздух препятствует пропитке. Удалить препятствующий пропитке сжатый воздух можно при использовании предварительного вакуумирования заготовки, что на практике реализуется при использовании вакуумного и автоклавного способов формования. Однако применение вакуумного способа не позволяет добиться рабочего давления выше 0,7–0,8 атм., а применение автоклавного формования обеспечивает увеличение давления переработки до 3 атм., но существенно увеличивает себестоимость изготовления изделия и характеризуется высокой техногенной опасностью. Интенсификация процесса межфиламентной пропитки и снижение времени пропитки   могут быть достигнуты за счет повышения рабочего давления монолитизации, однако модельные и экспериментальные исследования показывают, что в этом случае в зоне контакта (пересечения) нитей наблюдается их чрезвычайно сильная деформация, сопровождающаяся уменьшением межфиламентных зазоров, что  приводит к снижению скорости пропитки в таких зонах. В итоге получается композит с неравномерным распределением пористости. Также избыточные давления переработки приводят к разрушению отдельных армирующих волокон, уменьшая их несущую способность.  Для определения набора оптимальных технологических параметров монолитизации ( ) разработана математическая модель монолитизации, учитывающая базовые геометрические характеристики волокнистых полуфабрикатов, требования чертежа конечного изделия, нестационарность фильтрационных, реологических, теплофизических и упругопрочностных характеристик. Основу модели монолитизации составляет  уравнение Дарси в полярных координатах, модифицированное с учетом криволинейности межфиламентных капилляров [2].

Для всех способов формования изделий из ТКМ установлено наличие характерных термодеформационных циклов монолитизации волокнистой заготовки (рис. 2), которые представляют собой четыре основные стадии, частично перекрывающие друг друга по времени: уплотнение , нагрев  , пропитка волокнистого наполнителя   и охлаждение под давлением  [1]. Кинетика их протекания в монослоях полуфабриката и в заготовке в целом зависит от вида полуфабриката и способа формования изделий из ТКМ, определяющего силовой и тепловой режимы.

Единство термодеформационного цикла естественным образом выдвигает требование единства подходов математического моделирования и создания единого расчетного «модельного пространства», т.е. объединения математических моделей отдельных процессов и технологических стадий в единую комплексную математическую модель. На основе такой математической модели в [8–10] разработаны алгоритмы расчета технологических параметров наиболее массовых способов изготовления изделий по волоконной технологии, в дальнейшем успешно реализованные в виде компьютерного алгоритма расчета [11–12] и созданного на его основе программного комплекса CADTCM [13–14], представляющего систему автоматизированного проектирования изготовления изделий из ТКМ по волоконной технологии способами прессования, вакуумного и автоклавного формования. В результате проведенной промышленной апробации предлагаемого программного комплекса удалось снизить время подготовки производства не менее чем на 50%, значительно повысить гибкость производства и уменьшить трудозатраты. Система «CADTCM» рекомендована к использованию на российских предприятиях, использующих волоконную технологию получения ТКМ[14].

Доказанная в ряде более поздних публикаций [15–16] справедливость предлагаемых подходов к моделированию теплофизических и механо-реологических процессов позволила распространить их на другие методы волоконной технологии – намотку, прокатку, пултрузию.

Рис. 2. Характерный термодеформационный цикл монолитизации волокнистой заготовки ТКМ толщиной h, формуемого при давлении Р(t) = const

В пятой главе  проанализированы основные принципы проектирования волокнистых полуфабрикатов ТКМ. Рассмотрено влияние текстурных характеристик регулярных и нерегулярных полуфабрикатов на свойства и технологию производства ТКМ. В частности, изучены закономерности и получены расчётные уравнения, связывающие скорость пропитки с давлением формования , видом полуфабриката и способом его переработки. Установлено, что коэффициент проницаемости волокнистой заготовки в значительной степени зависит от  ее деформации и диаметра используемых армирующих филамент. С увеличением диаметра филаменты проницаемость нелинейно возрастает, а вместе с ней нелинейно растет и скорость пропитки армирующей фазы. Увеличение степени крутки армирующих нитей приводит к снижению проницаемости и увеличению   изделия. Эти и ряд других установленных закономерностей сформировали научную основу проектирования волокнистых полуфабрикатов для получения изделий с заранее заданными свойствами и расчета оптимальных текстурных характеристик полуфабрикатов ТКМ[15].

В шестой главе  рассмотрены современные методы и средства формования изделий из ТКМ, в частности модификация стандартных методов формования, новые и перспективные методы формования изделий из ТКМ, приведены фотографии и описания изделий из ТКМ различного назначения (гильза протеза и протез в сборе, элементы для остеосинтеза, авиационные пассажирские кресла, элементы системы кондиционирования, крепеж из углепластика, трехслойные панели с сотовым заполнителем). В 1980–1990-х годах основной сферой применения ТКМ считалось авиа- и ракетостроение. Однако опыт последних 15 лет показывает, что ввиду своих уникальных свойств ТКМ находят   применение и в других областях. Так, шурупы из углепластика, полученные методом пултрузии, в сочетании с пластинами из углепластика нашли применение в медицине в качестве материалов для остеосинтеза. Их применение обусловлено полной инертностью к тканям человека, высокой прочностью и модулем упругости, близким к модулю упругости костной ткани. Из нетканых полуфабрикатов способом вакуумного формования по индивидуальным размерам изготавливают гильзы протеза бедра человека [16]. Особый интерес представляют трехслойные панели с сотовым заполнителем [17]. Первоначально разработанные для авиаракетостроения,  в  частности широко используемые на космической станции «МИР», трехслойные  панели стали применяться в современных транспортных системах в качестве материала обшивок [12].

Завершает книгу обзор перспектив о развития и применения ТКМ. Создание новых полимерных материалов конструкционного назначения, в первую очередь композиционных, рассматривается в мировой практике как одно из приоритетных направлений науки, техники и экономики. В комплексных исследованиях ТКМ можно выделить следующие основные направления [3]:

• повышение упруго-прочностных, теплофизических, технологических и других характеристик создаваемых композитов с использованием накопленного опыта и созданных мощностей по получению как компонентов, так и самих композитов;
• модификация существующих ТКМ с использованием традиционных научно-технических решений. Большинство таких исследований продиктовано практическими задачами;
• получение гибридных композитов и конструкций на их основе, включая металлополимерные композиции. Это направление призвано решать задачи по максимальному технологическому совершенствованию процессов получения полуфабрикатов и изделий, что предполагает резкое сокращение сроков практической реализации и существенно расширяет спектр предлагаемых материалов, а также наиболее полно раскрывает возможности направленного регулирования свойств в зависимости от поставленной задачи.

Мы согласны с мнением авторов монографии относительно направлений  развития ТКМ, однако кроме перечисленного за последние десять лет появились новые перспективные направления, которые базируются на принципах и подходах, описанных в монографии. К ним можно отнести следующие:

• «химическое формование» изделий из ТКМ с армирующими волокнами различной природы;
• нанокомпозиты (на основе керамической матрицы, металлической матрицы усиленной углеродными нанотрубками, полимерные нанокомпозиты с усиливающими наночастицами оксидов алюминия, титана или кремниевыми нанотрубками или нановолокнами);
• нанокомпозиты на основе системы матрица-фибрилла.

Рассмотренная монография стала стереотипным изданием ранее вышедшего первого издания книги [3]. Материалы, положенные в основу монографии, накапливались в течение нескольких десятилетий [1–21], получено 25 авторских свидетельств на изобретения (например [17]), защищено несколько кандидатских и докторских диссертаций (в частности [8, 10]). Оценивая изменения, произошедшие за десять лет с выхода в свет первого издания, можно  сделать вывод о справедливости и объективности подходов и принципов, предложенных авторами книги. Научно-практические разработки и расчетные схемы сохранили свою значимость и актуальность (см. ряд более поздних публикаций [15, 16]).

Текст монографии отличается структурной завершенностью, логичностью построения, высоким научным и методическим уровнем изложенного материала. Монография содержит богатый иллюстративный материал.

Монография «Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов» ориентирована  на специалистов предприятий, ученых и аспирантов, занимающихся созданием новых перспективных композиционных материалов и изготовлением изделий из них. Также книга может быть полезна бакалаврам и магистрам, обучающимся в  образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы по направлению подготовки 150100 «Материаловедение и технология материалов» специальности высшего образования 22.04.01, (150100.62) «Материаловедение и технологии материалов», при изучении дисциплин «Физико-химические основы технологий получения полуфабрикатов и формования деталей и изделий», «Методы оптимизации композитных систем», «Компьютерное моделирование материалов, методов формования и технологических процессов».

1. Булычев С.Н. Модельное исследование контактного нагрева волокнистых заготовок, получаемых методом волоконной технологии, при изготовлении изделий [Текст]: автореф. дисс. канд. техн. наук / С.Н. Булычев. - М.: МАТИ РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2001.

2. Волоконная технология переработки термопластичных композиционных материалов [Текст] / под ред. Г.С. Головкина. - М.: Изд-во МАИ, 1993.

3. Головкин Г.С., Дмитренко В.П. Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов [Текст] / Г.С. Головкин, В.П. Дмитренко. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015.

4. Головкин Г.С., Дмитренко В.П. Композиционные материалы с матрицами из термопластичных волокон [Текст] // Пластические массы. 1990. № 12. С. 3-6.

5. Головкин Г.С. Систематизация технологических свойств полимеров и материалов на их основе [Текст] // Полимерные материалы. Изделия, оборудование, технологии. 2012. №7. С. 20.

6. Головкин Г.С. Перспективы повышения технологической эффективности совмещения компонентов армированных термопластов [Текст] //Пластические массы. 2010. №1. С. 23 - 25

7. Головкин Г.С. Перспективы разработки инновационной технологии переработки непрерывно армированных термопластов на основе «химического формования» [Текст] // Конструкции из композиционных материалов. 2010. №4. С. 3-9.

8. Горбачев С.И. Моделирование процесса монолитизации волокнистых полуфабрикатов при формовании изделий из термопластичных композиционных материалов [Текст]: автореф. дисс. канд. техн. Наук / С.И. Горбачев. - М.: МАТИ-РГТУ, 2001.

9. Дмитренко В.П., Булычев С.Н., Горбачев С.И. Моделирование производства изделий из термопластичных композиционных материалов [Текст] // Химическая технология. 2003. №9. С. 15-19.

10. Дмитренко В.П. Комплексное моделирование процессов изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов с матрицами из плавких волокон [Текст]: автореф. дисс. докт. техн. Наук / В.П. Дмитренко. - М.: МАТИ-РГТУ, 2002.

11. Дмитренко В.П., Горбачев С.И., Булычев С.Н. Компьютерное моделирование процесса прессования листовых изделий из термопластичных волокнистых композитов [Текст] // Техника, технология и перспективные материалы / под ред. Шляпина А.Д., Таратынова О.В. М.: МГИУ, 2000. Т.1. С. 171-177.

12. Дмитренко В.П., Булычев С.Н., Горбачев С.И. Обобщенный алгоритм расчета технологических параметров прессования обшивок трехслойных панелей [Текст] // Науч. тр. МАТИ-РГТУ. М.: ЛАТМЭС, 2001. Вып.4 (76). С. 118-123.

13. Дмитренко В.П., Булычев С.Н., Горбачев С.И. САПР технологических процессов изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов методами волоконной технологии - CADTCM [Текст] // Производственные технологии: Сб. трудов 3-й Междунар. науч. конф. Владимир: ВГУ, 2000. С. 42-49.

14. Дмитренко В.П., Горбачев С.И., Булычев С.Н. Система имитационного компьютерного моделирования процесса производства изделий из термопластичных композиционных материалов [Текст] // Пластические массы. 2003. №9. С. 44-47.

15. Дмитренко В.П., Комбекова Г.А., Горбачев С.И., Булычев С.Н. Современные подходы к проектированию волокнистых полуфабрикатов термопластичных композиционных материалов [Текст] // Пластические массы. 2005. №6. С. 35-38.

16. Дмитренко В.П., Булычев С.Н., Горбачев С.И. Приемная гильза протеза на основе нетканого материала (автоматизация расчета режима формования) [Текст] // Нетканые материалы. 2009. №3 (8). С. 32-34.

17. Пат. 2055723 РФ, МКИ6 B32B 3/12, D03D 11/00. Многослойная панель / В.П. Дмитренко, Е.Г. Рыбкина, Э.В. Цыбин и др. // Заявл. 03.07.92; Опубл. 10.03.96. Бюл. №7.

18. Дмитренко В.П., Горбачев С.И., Булычев С.Н. Системное физико-математическое моделирование процесса прессования текстильных термопластичных полуфабрикатов [Текст] // Науч. тр. МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского. М.: ЛАТМЭС, 1999. Вып. 2 (74). С. 99-103.

19. Дмитренко В.П., Горбачев С.И. Исследование кинетики пропитки армирующих нитей расплавом термопластичного связующего [Текст] // Науч. тр. МАТИ-РГТУ. М.: ЛАТМЭС, 2000. Вып.3 (75). С.109-115.

20. Дмитренко В.П., Кривошеин Д.А., Федотов Н.В. Критерии безотходности и экологичности производств [Текст] // Экология промышленного производства. 2014. № 4(88). С. 64-70.

21. Сотникова Е.В., Дмитренко В.П. Техносферная токсикология [Текст] / Е.В. Сотникова, В.П. Дмитренко. - СПб.: Лань, 2013.