CC BY
72
УДК 678.5.004(100): 678.046
ИМИДОСТЕКЛОСОТОПЛАСТЫ ДЛЯ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
© 2010 С А. Гусев, В Н. Костюченко, И.П. Мийченко
Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского МАТИ, г. Москва
Поступила в редакцию 14.03.10
Разработана технология получения термоустойчивых стеклосотопластов (ССП) с различной плотностью, которая отличается от традиционной только температурно-временными параметрами. ССП на основе имидных матриц АПИ обеспечивают работоспособность вплоть до 350-400°С. Для получения ССП-АПИ можно использовать традиционные клеевые полосы на основе клея БФ-2, так как присутствие в структуре ССП фенольной матрицы практически не влияет как на прочностные свойства, так и на термоустойчивость ССП АПИ. Отработана технология получения трехслойных сотовых панелей на основе матриц АПИ с высокими прочностными показателями, термоустойчивостью и звукопоглощением.
Ключевые слова: стеклосотопласты, клей, термоустойчивость, звукопоглощение
В современном двигателестроении для получения трехслойных и многослойных сотовых конструкций с высоким звукопоглощением требуются неметаллические материалы с работоспособностью вплоть до 350оС. Такие рабочие температуры могут обеспечить материалы на основе сетчатых гетероциклических полимеров, в частности, полиимидов. В настоящее время разработаны составы имидных матриц типа АПИ (алициклические полиимиды), которые обладают оптимальным сочетанием технологических свойств и термоустойчивости соответственно в исходном и отвержденном состояниях. Однако такие матрицы вследствие жесткоцеп-ной природы и сетчатой структуры полиимида характеризуются пониженным уровнем механических характеристик по сравнению, например, с эпоксидными.
Проведенный анализ показал, что для увеличения механических характеристик целесообразно проводить модификацию имидной матрицы. Использование в качестве модификатора, например, для бисмалеинимидных матриц ал-лильных соединений, позволяет не только сохранить высокий уровень термоустойчивости, но и значительно увеличить прочностные характеристики. Повышение прочностных характеристик при сохранении высокого уровня термоустойчивости трехслойных сотовых панелей (ТСП) на основе новых типов сетчатых поли-имидов (например, полиимидов АПИ-2, 3, 3Т,
Гусев Сергей Александрович, кандидат технических наук. E-mail: [email protected]
Костюченко Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected] Мийченко Ирина Петровна, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой «Технология переработки неметаллических материалов». E-mail: miy-chenko@yandex. ru
зарубежные аналоги PMR, LARC) позволит значительно расширить область их применения в авиаракетостроении и космической технике [1].
Для получения стеклосотопластов (ССП) наиболее пригодны с точки зрения оптимального сочетания технологических и эксплуатационных свойств связующие мономерного типа АПИ-3 и модифицированный состав АПИ-3Т, представляющие собой растворы имидообра-зующих мономеров в активном растворителе (фуриловом спирте). В качестве наполнителя целесообразно использовать стеклоткань Э1/1-100П с нанесенными клеевыми полосами (фено-лополивинилацетальный клей БФ-2 ГОСТ 12172-74). Синтез олигоимида и полиимида из связующих АПИ проходит синхронно со стадиями получения полуфабрикатов и формования изделий. Низкая и легко регулируемая вязкость растворов связующих в нетоксичных растворителях, высокая смачивающая способность обеспечивает получение полуфабрикатов с заданной степенью наполнения. Удаление продуктов реакции имидизации при получении полуфабриката, готового к формованию, происходит до начала процесса отверждения, что определяет низкую пористость материала в изделии.
Для отработки технологических режимов получения стеклосотопластов на имидном связующем АПИ образцы получали по «дольковой технологии» по принципу растяжения пакета [2, 3]. Все исследования проводили для ССП с размером ячейки 2,5 мм. Сотовые панели различной плотности получали путем разбавления связующего на стадии пропитки пассивным растворителем. Введение пассивного растворителя не изменяет режимы процессов имидизации и отверждения связующих АПИ-3 и АПИ-3Т, т.к. он удаляется практически полностью при динамическом нагреве до начала процесса имидизации
(образования олигоимида). Используя данные составы можно получать ССП с плотностью от 84 до 109 кг/м3 на основе АПИ-3 и от 74 до 103 кг/м3 на основе АПИ-3Т. Большее количество пропиток не всегда целесообразно в связи со значительным увеличением плотности ССП (более 110-115кг/м3).
Термообработка пропитанного блока ведется в три стадии:
1 стадия - для составов АПИ-3 и АПИ-3Т идентично: удаление пассивного растворителя и проведение процесса синтеза олигоамидоэфира;
2 стадия - проведение процесса имидизации (образования олигоимида на поверхности наполнителя;
3 стадия - проведение процесса отверждения имидизированного связующего в заготовке ССП.
При штатной технологии получения ССП на основе имидной матрицы СП-97С [4] из-за особенности образования полиимида и его отверждения по реакции поликонденсации для снижения пористости и обеспечения необходимой прочности получаемых ССП процесс останавливают на стадии образования линейного полиимида СП-97С, причем не полностью ими-дизированного. С этим связана довольно низкая термоустойчивость такого типа ССП (не выше 220-25 00С). В отличие от ССП-97С, ССП-АПИ, прошедшие полный цикл имидизации и отверждения, характеризуются сетчатой структурой со степенью отверждения 70-85% и, соответственно, гораздо более высокой термоустойчивостью (до 3500С).
Введение в состав АПИ-3 ТАИЦ (состав АПИ-3Т) как компонента, способного встраиваться в структуру полиимида при отверждении за счет наличия в ТАИЦ двойных связей, приводит к повышению подвижности молекул оли-гоимида (т.е. выполняет так же, как и фурано-вый олигомер или полимер, функцию пластификатора на стадии образования олигоимида) за счет появления дополнительных шарнирных групп (-СН2-). При этом снижается напряженность структуры (аналогично эффекту «эласти-фикации»), что, очевидно, и является основной причиной повышения прочности сотовой панели (рис. 1). Пунктиром на рисунке нанесены кривые аппроксимации (линии тренда), которые описываются уравнениями аппроксимации (полиномиального типа).
Исходя из полученных результатов по определению разрушающего напряжения при сжатии (ОСТ 1 90150-74) можно сделать вывод, что оптимальным по прочностным показателям является ССП-АПИ-3Т, отвержденный при 3100С. При этом разрушающее напряжение при сжатии ССП-АПИ-3Т при всех температурах отверждения практически на 20% выше, чем у ССП-АПИ-3 с аналогичной плотностью. Испытания
при 4000С показывают, что потеря прочности ССП-АПИ-3Т составляет чуть более 60% от исходной. Это говорит о том, что даже при 4000С разработанный состав ССП сохраняет довольно высокую работоспособность. При сравнении полученных данных с прочностными свойствами ССП на основе фенольной матрицы можно сделать вывод, что ССП-АПИ практически не уступают им по уровню прочности при сжатии. Разрушающее напряжение при сжатии ССП-АПИ-3Т приблизительно в 2 раза ниже, чем у ССП Нех^№еЬ НКН-327-1/8-5.5 на основе имидной матрицы [5], но по термоустойчивости ССП-АПИ-3Т значительно превосходят зарубежный аналог, для которого рекомендованная максимальная температура эксплуатации составляет всего 25 00С. Сравнительные данные по свойствам различных сотопластов приведены в таблице 1.
Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения при сжатии от плотности стеклосотопластов на
основе матриц АПИ (испытания при 200С) ССП-АПИ-3: 1 - Тотв=3000С, 2 - Тотв=3300С, 3 -Тотв=3500С; ССП-АПИ-3Т: 4 - Тотв=3100С, 5 -Тотв=3400С, 6 - Тотв=3600С, 7 - Тотв=3100С, Тисп=4000С.
Как показывают данные ТГА, температура 5-ти процентов потери массы стенки ССП на основе АПИ-3 и АПИ-3Т, определяющей общий уровень термостойкости конструкции, составляет более 4000С (таблица 2). В присутствии стеклоткани, т. е. когда отверждение олигоимидов АПИ-3 и АПИ-3 Т идет на поверхности наполнителя термостойкость матрицы АПИ-3 в стенке ССП практически не изменяется, а для стенки ССП на основе матрицы АПИ-3 Т температуры 5-ти и 10-ти %-ной потери массы даже возрастают на 60 и 400С соответственно (таблицы 2, 3). Температура начала потери массы не изменяется. В процессе дальнейшего нагрева вплоть до 5000С потери массы составляют всего 11 и 14% соответственно.
Таблица 1. Данные сотопластов различных марок
Марка Матрица / Размер Плот- Разрушающее Температура
сотопласта наполнитель ячеики, ность, напряжение эксплуата-
мм кг/м3 при сжатии, МПа ции, оС, не более
АМг2-Н алюминий 2,5 90 4,90 250
Hexweb CR III- алюминий 2,8 91 5,74 175
3/16-5052
ПСП-1-2,5-96 ФФС / армид-ная бумага 2,5 96 4,75 80
Hexweb HRH-10- ФФС / армид- 2,8 96 6,54 175
3/16-6.0 ная бумага
ССП-1-2,5 ФФС/СВ 2,5 100 4,60 175
Hexweb HRP- ФФС/СВ 2,8 88 5,52 175
3/16-5.5
Hexweb HRH- БМИ / СВ 2,8 96 5,46 260
327-3/16-6.0
ССП-АПИ-3Т АПИ-3 Т / СВ 2,5 84 2,72 350
Таблица 2. Данные ТГА различных составов
Состав Режим То, 0С Т5, 0С Тш С Am/m, % при Т=5000С
Э1/1-100 1800С; 2 часа - - - 1,5
Э1/1-100 + БФ 1800С; 2 часа 200 305 325 46
АПИ-3 + Э1/1-100 3000С; 0,5 часа 300 420 480 11
АПИ-3+БФ+Э1/1-100 3000С; 0,5 часа 300 360 385 37,5
АПИ-3 Т + Э1/1-100 3100С; 0,5 часа 300 410 460 14
АПИ-3Т+БФ+Э1/1-100 3100С; 0,5 часа 300 340 365 42
Таблица 3. Данные ТГА ненаполненных имидных матриц АПИ
Состав Т А отв То Т5 Тю Ттах ДТГ
АПИ-3 300 300 410 480 520
АПИ-3 Т 310 300 350 420 450
Примечание: Ттах дтг - температура максимальной скорости потери массы
Введение в состав композиций клеевых полос на основе БФ-2 не влияет на начало процесса деструкции, но снижает показатели Т5 и Тю как в сравнении с ненаполненными матрицами, так и в сравнении со стенкой ССП: для ненаполненных матриц на 50-1000С для АПИ-3 и 0-800С для АПИ-3Т (таблица 3), а для стенок ССП и на основе АПИ-3 и на основе АПИ-3Т -на 60-1000С (таблица 2). Потери массы композиций, содержащих БФ-2, при 5000С уже более значительны и составляют 37,5% для композиции на основе АПИ-3 и 42% - на основе АПИ-3Т (таблица 2). Но, в целом, термоустойчивость сохраняется на высоком уровне.
При оценке влияния присутствия феноль-ных клеевых полос на процессы образования полиимида АПИ по данным ИКС было установлено, что наличие фенольного полимера не
препятствует образованию и олигоимида и по-лиимида, которые регистрируются по пикам при 1780, 1720, 1380, 720 см-1 (колебания имидного цикла) и 1810-1850, 930-970 см-1 (колебания эн-дикового цикла и элементов фуранового кольца).
Таким образом, применение клея БФ-2 для получения имидосотопластов представляется целесообразным так как позволяет не вносить существенные изменения в существующую технологию формования сотоблоков. Можно рекомендовать для получения ССП как составы АПИ-3, так и АПИ-3Т с оптимальными температурами отверждения 300 и 3100С соответственно.
Основным назначение сотовых заполнителей является создание трехслойных и многослойных сотовых панелей (конструкций). Обшивки для трехслойных сотовых панелей получали из препрегов на основе стеклоткани Т-10
(ГОСТ 19170-2001) и тех же составов связующих. Обшивки состояли из двух слоев препрега. При получении образцов трехслойных сотовых панелей использовали бесклеевой метод соединения сотового заполнителя с обшивками за счет повышенного содержания связующего в
слое препрега, прилегающего к сотовому заполнителю. Трехслойные сотовые панели (ТСП) с ССП-АПИ-3Т имеют разрушающее напряжение при сжатии на 20-25% выше по сравнению с разрушающим напряжением при сжатии ССП-АПИ-3 (таблица 4).
Таблица 4. Разрушающее напряжение при сжатии (ОСТ 1 90150-74) и при отрыве
ТСП с ССП-АПИ (ОСТ 1 90069-72)
Матрица в ССП Плотность, кг/м3 Разрушающее напряжение при сжатии, МПа Коэффициент вариации разрушающего напряжения при сжатии, % Разрушающее напряжение при отрыве, МПа Коэффициент вариации разрушающего напряжения при отрыве, %
АПИ-3 Тотв=3000С 84 2,09 2,2 2,17 4,7
95 2,70 6,4 2,45 3,4
109 3,24 7,8 2,52 3,9
АПИ-3Т Тотв=3100С 74 2,62 1,3 1,87 1,8
84 3,27 6,5 2,23 7,5
103 3,92 6,8 2,56 8,0
Более жесткая матрица в ССП-АПИ обуславливает несколько пониженный уровень прочности на отрыв в ТСП по сравнению с ТСП на основе сот на полимерной бумаге (ПСП-1-2,5-64, ячейка 2,5 мм, плотность 64 кг/м3) и эпок-систеклопластиковой обшивкой на матрице ВК-36, для которых прочность клеевого соединения
составляет не менее 2,5-2,7 МПа [4], но термоустойчивость ССП-АПИ значительно выше. В целом же, прочностные показатели разработанных ССП на основе матриц АПИ и опытных ТСП вполне удовлетворяют современным требованиям.
а 1
С,8
0,6
0,4
0,2
11 \л Л \
\ 1, J
V Г 2 \ ш } -
7 / N \Ч II 1 1-11 уц. г-Ц—^ Г
1 / 1 г"
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
^ГЦ
Рис. 2. Зависимость коэффициента звукопоглощения (а) от частоты (1) при испытании ТСП 0 29 мм с ССП-АПИ-3Т в интервале изменения частот, равном октаве ТСП с перфорацией 0 1,5мм в обшивке со стороны источника: 1 - с воздушным промежутком 0 мм между ТСП и металлической стенкой; 2 - с воздушным промежутком 10 мм между ТСП и металлической стенкой; 3 - с воздушным промежутком 20 мм между ТСП и металлической стенкой; 4 - с воздушным промежутком 30 мм между ТСП и металлической стенкой; 5 - с воздушным промежутком 40 мм между ТСП и металлической стенкой.
При использовании трехслойных и многослойных сотовых панелей, например, в двигате-лестроении к ним предъявляются жесткие требования по звукопоглощающей способности. Определение коэффициента звукопоглощения разработанных трехслойных сотовых панелей на основе матриц АПИ проводилось с помощью акустической системы по ISO 10354 в широком диапазоне частот. Образцы для испытания представляют собой трехслойные сотовые панели диаметром 29 мм с перфорацией в одной из обшивок. Наиболее раздражающее действие на человека оказывает шум в диапазоне частот 3000-5000 Гц. Разработанные трехслойные сотовые панели с перфорацией диаметром 1,5 мм в одной обшивке с воздушным промежутком между ТСП и экранирующей металлической стенкой, например, не менее 30 мм обладают максимальными значениями коэффициента звукопоглощения при частотах 500-2000, 4500 и 58006000 Гц (а=0,96-1,0) (рисунок 2). С учетом высоких температур эксплуатации ТСП на основе ССП-АПИ могут быть рекомендованы для использования в "горячих" конструкциях авиационных силовых установок и мотогондолах.
Различия в технологии получения трехслойных панелей на основе существующих типов ССП и разработанных ССП-АПИ будут определяться только температурно-временными параметрами процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Михайлин, Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. - СПб.: Профессия, 2006. - 624 с.
2. Берсудский, В.Е. Технология изготовления сотовых авиационных конструкций / В.Е. Берсудский, В.Н. Крысин, С.И. Лесных. - М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.
3. Волков, В.С. Сотовые заполнители малой плотности на основе стеклотканей / В.С. Волков, А.М. Крюков, Н.А. Садикова, Г.С. Шуль // Тезисы международной конференции НПМ-2004. - Волгоград: ВолГТУ, 2004. - С. 79-80.
4. Павлов, В. В. Стеклосотопласт ССп-7П на основе капиллярных волокон / В.В. Павлов, В.Л. Косарев, О.К. Белый, Л. С. Беспалова // В сб. «Сотовые декоративные панели интерьера современных самолетов. Авиационные материалы». Научно-технический сборник. / Под. ред. Б.В. Перова, В.В. Павлова. - М.: ОНТИ, 1977, вып. №5. - 94 с.
5. www.hexcel.com
IMIDO GLASS HONEYCOMBED LAYERS FOR THERMAL LOADED SOUND-ABSORBING CONSTRUCTIONS
© 2010 S.A. Gusev, V.N. Kostyuchenko, I.P. Miychenko
Russian State Technological University named after K.E. Tsiolkovsky - MATI, Moscow
The technology of reception the thermalstable glass honeycombed layers (HCL) with various density which differs from traditional only in temperature-time parameters is developed. HLC on the basis of imido matrixes API provide working capacity down to 350-400°^ For reception the HLC-API it is possible to use traditional adhesive strips on the basis of adhesive BF-2 as presence the HLC in structure of phenolic matrix practically does not influence both on mechanical properties and on thermal stability of HLC-API. The technology of reception of three-layer honeycombed panels on the basis of API matrixes with high mechanical parameters, thermal stability and sound absorption is developed.
Key words: glass honeycombed layers, adhesive, thermal stability, sound absorption
Sergey Gusev, Candidate of Technical Sciences. E-mail: [email protected]
Vyacheslav Kostyuchenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: [email protected] Irina Miychenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Deputy Chief of the Department «Technology of Processing the Nonmetallic Materials». E-mail: [email protected]
