CC BY
80
УДК 678.8
К.Е. Куцевич1, Т.Ю. Тюменева1, А.П. Петрова1
ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА СВОЙСТВА КЛЕЕВЫХ ПРЕПРЕГОВ И ПКМ НА ИХ ОСНОВЕ
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55
Приведен анализ свойств клеевых препрегов, полученных на основе клеевого связующего ВСК-14-2м и различных типов углеродных и стеклянных тканей, а также ПКМ на их основе. Показано влияние наполнителя на физико-механические свойства ПКМ, водостойкость, теплостойкость, диэлектрические характеристики и др.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1 ].
Ключевые слова: композиционные материалы, клеевые препреги, клеевое связующее, угле- и стеклона-полнители, прочностные характеристики, сотовая конструкция.
The analysis ofproperties of the adhesive prepregs obtained on the basis of adhesive binding VSK-14-2m and various types of carbon and glass fillers, and also polymeric composite materials (PCM) on their basis is given. The influence of the filler on physicomechanical properties of the PKM: water resistance, heat resistance, dielectric characteristics, etc. is shown.
The work is executed within implementation of the complex scientific direction 13.2. «Constructional polymer composite materials» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») [1].
Keywords: composite materials, adhesive prepregs, adhesive binders, carbon- and glass fillers, strength characteristics, honeycomb structure.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
Введение
В настоящее время в различных отраслях промышленности нашли широкое применение полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе клеевых препрегов. Использование клеевых препрегов, в которых тканевый наполнитель (стеклоткань, углеродная ткань) пропитан эпоксидным связующим способом безрастворной технологии (пропитка ткани расплавом связующего), обеспечивает преимущество перед другими пре-прегами как по технологии изготовления, так и по их прочностным характеристикам [1, 2].
В технологическом плане изготовление конструкций, в том числе сотовых, одинарной и сложной кривизны, обеспечивается за одну технологическую операцию. Эта уникальная особенность клеевых препрегов позволяет изготавливать детали сложной формы, где сочетаются интегральные и сотовые элементы, формирование которых также происходит одновременно, т. е. в едином технологическом цикле [3, 4].
Результат применения клеевых препрегов -снижение трудоемкости изготовления сотовых конструкций - в 2-3 раза по сравнению с обычными клееными панелями (за счет сокращения количества технологических операций); количества
оснастки - в 1,5-2 раза; массы конструкции (особенно с сотовым заполнителем) - на 30-50%; количества выбросов вредных веществ в атмосферу - в 10-15 раз благодаря использованию безрастворной технологии изготовления клеевых пре-прегов и изделий из них. По сравнению с ПКМ, содержащими растворитель, композиционные материалы клеевые (КМК) позволяют повысить герметичность конструкций из ПКМ в 10 раз, трещиностой-кость - на 40-50%, прочность при межслойном сдвиге - на 20-35% [5, 6]. Они обладают по сравнению с материалами, получаемыми по традиционной технологии, более высокими характеристиками выносливости, длительной прочностью, сохраняют высокий уровень прочностных характеристик после воздействия различных климатических факторов. Получена высокая воспроизводимость процессов, связанных с применением клеевых препрегов в условиях серийного производства, при минимальном числе контрольных операций [7, 8].
В настоящее время разработан достаточно большой ассортимент клеевых препрегов, позволяющих получать на их основе стекло- и углепластики различного назначения и создавать принципиально новые виды силовых клееных конструкций с высоким
ресурсом, длительным сроком эксплуатации, надежностью и весовой эффективностью для различных типов современных изделий гражданской, военной авиационной и космической техники [9, 10].
Материалы и методы
Объекты исследований:
- клеевое связующее марки ВСК-14-2м;
- клеевые препреги общих марок КМКС-2м.120 и КМКУ-2м.120.
Методы исследований
Методом ДСК на приборе DSC1 определены температурные характеристики реакции отверждения связующего. Методом ТМА на приборе ТМА/SDTA840 определены температурные характеристики стадии гелеобразования связующего в пре-преге и температура стеклования отвержденного образца. В качестве метода исследования температуры стеклования углепластиков использован термомеханический анализ. Испытания проводили по методике, изложенной в ММ1.595-11-138-2002. Исследования проводили на термоаналитическом комплексе «Меттлер-Толледо» (Швейцария), модуль ТМА.
Определяли следующие физико-механические характеристики клеевых соединений:
- предел прочности при сдвиге (ГОСТ 14759-91);
- предел прочности при отрыве (ГОСТ 14760-85). Определяли следующие физико-механические
характеристики композиционных материалов, изготовленных из клеевых препрегов на стекло- и угленаполнителях:
- предел прочности и модуль упругости при растяжении (ГОСТ 25.601-80);
- предел прочности при сжатии (ГОСТ 25.602-82);
- предел прочности при статическом изгибе (ГОСТ 4648-71);
- предел прочности при межслойном сдвиге (РД-50-675-88).
Результаты и обсуждение
В данной статье проанализированы свойства различных типов клеевых препрегов и материалов на их основе, полученных с использованием клеевого связующего ВСК-14-2м [11]. Исследованы следующие свойства связующего ВСК-14-2м:
Количество летучих веществ, выделяющихся при отверждении, %
Температура гелеобразования, °С Время гелеобразования при 140°С, мин
Температура стеклования, °С
Температура максимума пика отверждения, °С
Тепловой эффект реакции отверждения, Дж/г
Прочность при сдвиге клеевых соединений на сплаве Д16-АТ (Ан.Окс.хром), МПа
Жизнеспособность, мес:
при температуре от -5 до +5°С при температуре >5 до 25°С Режим отверждения: температура, °С/продолжительность, ч
Клеевое связующее с повышенным уровнем когезионной прочности и теплостойкостью 120°С использовано при разработке ПКМ на основе клеевых препрегов общих марок КМКС-2м.120 и КМКУ-2м. 120, отвечающих ужесточенным требованиям, в том числе требованию по эксплуатации изделий во всеклиматических условиях [12, 13]. В табл. 1 представлены основные характеристики стеклопластиков на основе клеевых препрегов марок КМКС-2м.120, в качестве наполнителей в которых используются стеклоткани марок Т-10-80 и Т-15, а также стеклоткани марок Т-60(ВМП) и Т-64(ВМП) на основе высокомодульных волокон. Стеклопластики этого состава характеризуются высоким сопротивлением деформационным нагрузкам, сохранением физико-механических характеристик в условиях воздействия воды, влаги, длительной (1000 ч) выдержки при температуре 120°С [14].
На основе клеевого связующего ВСК-14-2м и угленаполнителей - отечественных и зарубежных производства фирмы Porcher (Франция) - разработаны клеевые препреги марки КМКУ-2м.120 [15, 16]. Свойства композиционных материалов клеевых (углепластиков) на основе клеевых пре-прегов этой марки представлены в табл. 2.
Как видно из данных табл. 2, углепластик на основе клеевого препрега марки КМКУ-2м.120.Р4510, изготовленный из однонаправленной ткани фирмы Porcher (арт. 4510), превосходит по основным свойствам углепластик на основе отечественной углеродной ленты ЭЛУР-П марки КП. Пластик на основе равнопрочной ткани фирмы Porcher (арт. 2009) также характеризуется высокими прочностными характеристиками [17, 18].
Проведено сравнение свойств клеевых препре-гов на основе связующего ВСК-14-2м и двух типов наполнителей (стеклоткани Т10 и углеродной ткани марки Э0,1) - данные приведены в табл. 3.
Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что материалы, полученные с использованием клеевых препрегов, имеют высокие прочностные характеристики, низкий уровень гигроскопичности и водопоглощения. Следует отметить, что прочность материалов при комнатной температуре и при -60°С практически одинакова [19, 20].
Образцы композиционных материалов, изготовленных с применением клеевых препрегов КМКС-2м. 120.Т10 и КМКУ-2м.120.Э0,1, были выставлены на открытых климатических площадках в г. Якутске и выдержаны в таких условиях в течение 5 лет. Результаты по изменению прочности материалов при экспозиции в климатических условиях г. Якутска представлены в табл. 4.
Из данных, представленных в табл. 4, следует, что после окончания экспозиции практически не изменяется прочность углепластика как при сжатии, так и при изгибе при температуре испытания 20°С, а при температуре испытания 120°С значения прочности повышаются на ~20%.
Не более 2 160 53 170 197,7 467,2
Не менее 30
Не менее 12 Не менее 3
Не менее (180±5)/3
Таблица 1
Основные свойства стеклопластиков на основе клеевых препрегов марок КМКС-2м.120
Показатели Значения показателей для клеевого препрега марки
КМКС-2м.120.Т10 КМКС-2м.120.Т15 КМКС-2м.120.Т60 КМКС-2м.120.Т64
Рабочие температуры, °С -60^+120 -60++120 -60^+120 -60++120
Плотность стеклопластика, г/см3 1,8-1,9 1,5-1,6 1,7-1,8 1,74-1,84
Предел прочности при растяжении, МПа: по основе 570 385 1500 750
по утку 245 240 75 410
Модуль упругости при растяжении, ГПа: по основе 27,5 19,0 42,0 31,0
по утку 17,5 17,0 11,5 22,0
Предел прочности при сжатии, МПа:
по основе 555 560 900 720
по утку 380 390 210 440
Предел прочности при статическом изгибе, МПа:
по основе 760 440 1400 940
по утку 480 380 130 565
Ударная вязкость, кДж/м2 240 160 210 230
Предел прочности при меж-слойном сдвиге, МПа 69 55 80 77
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц 4,76 4,19 4,46 4,82
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106 Гц 0,015 0,017 0,024 0,027
Таблица 2
Основные физико-механические характеристики углепластиков на основе клеевых препрегов марок КМКУ-2м.120
Показатели Значения показателей для клеевого препрега марки
КМКУ-2м.120.Э0,1 КМКУ-2м.120.Р4510 КМКУ-2м.120.Р2009
Диапазон рабочих температур, °С -130^+120 -60^+120 -60++120
Плотность углепластика, г/см3 1,43 1,4-1,47 1,51
Предел прочности при растяжении, МПа: по основе по утку 880 44 1950 60 920 800
Модуль упругости при растяжении, ГПа: по основе по утку 113 8,1 125 9,0 67
Предел прочности при сжатии, МПа: по основе по утку 880 115 990 170 900 700
Модуль упругости при сжатии, ГПа, по основе 108 125 66
Ударная вязкость, кДж/м2 70 - -
Трещиностойкость при растяжении, МПа л/м 75 - -
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа 78 77 75
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 1200 2050 1230
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа 125 - 59
Таблица 3
Свойства клеевых препрегов на основе угле- и стекловолокна
Значения свойств для клеевого препрега марки
Свойства Температура испытания КМКС-2м.120.Т10 КМКУ-2м.120.Э0,1
°С в исходном состоянии после воздействия воды в течение 30 сут в исходном состоянии после воздействия воды в течение 30 сут
Предел прочности при сдвиге клеевых соединений сплава Д16-АТ, МПа -130 -60 20 120 25,0 31,7 31,0 30,0 29,5 23,5 25,0 24,0 22,0 24,0 20,7
Предел прочности при равномерном отрыве соединений сотовой конструкции, МПа -60 20 120 8,9* 9,3* 8,9* - 4 5** 4,6*** 5 4*** 4,7 4,0
Предел прочности композиционного материала при сжатии, МПа (укладка наполнителя 0°; 90°; ±45°) -60 20 120 150 550 555 360 220 - 900 900 600 890 530
Гигроскопичность за 30 сут, % (по массе) 20 - 0,31 - 0,79
Водопоглощение за 30 сут, % (по массе) 20 - - - 0,83
Предел прочности композиционного материала при растяжении, МПа -130 -60 20 120 150 570 575 570 465 280 - 860 870 880 685 540 -
* Сотовый заполнитель ССП-1-2,5. ** Разрушение по сотовому заполнителю. *** Сотовый заполнитель из фольги АМг2Н (ячейка 2,5 мм).
Таблица 4
Результаты натурных климатических испытаний материалов в условиях г. Якутска на открытой площадке
ПКМ на основе клеевого препрега Продолжительность испытания, год Температура испытания, °С Предел прочности, МПа
при сжатии при изгибе
КМКС-2м.120.Т10 В исходном состоянии 20 120 555 360 760 530
1 20 120 980 690 1500 790
3 20 120 1100 700 1510 950
5 20 120 - 1470 940
КМКУ-2м.120.Э0,1 В исходном состоянии 20 120 882 590 960 860
1 20 120 890 450 960 510
3 20 120 800 630 1000 900
5 20 120 890 720 870 790
Прочность образцов стеклопластика существенно повышается через 1 год экспозиции: при температуре испытания 20°С - практически в 2 раза, при температуре испытания 120°С - на 90%. При последующей выдержке в течение 3 и 5 лет прочность практически сохраняется на уровне, полученном через 1 год экспозиции.
Заключения
Клеевые препреги общих марок КМКС-2м.120 и КМКУ-2м.120 являются в настоящее время
одними из наиболее востребованных материалов. Композиционные материалы на их основе широко применяются для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ в конструкции изделий авиакосмического комплекса: АО «ГСС» (SSJ-100), АО «РСК «МиГ», ОАО «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «Ил», ПАО «Туполев», АО «Камов», ПАО «Корпорация «Иркут» (МС-21), ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» и др. [21, 22].
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. История авиационного материаловедения. ВИАМ -80 лет: годы и люди / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. 520 с.
3. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
4. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
5. Петрова А.П., Донской А.А., Чалых А.Е., Щербина А.А. Клеящие материалы. Герметики: справочник. СПб.: Профессионал, 2008. С. 589.
6. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сере-женков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328-335.
7. Петрова А.П., Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Авдонина И.А., Тюменева Т.Ю., Жадова Н.С. Клеи для авиационной техники // РЖХ. 2010. Т. LIV. №1. C. 46-52.
8. Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Аниховская Л.И. Клеи и материалы на их основе для ремонта конструкций авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2002. №1. С. 61-65.
9. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Петрова А.П. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19-24.
10. Аниховская Л.И., Минаков В.Т. Клеи и клеевые препреги для перспективных изделий авиакосмической техники // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002: юбил. науч.-технич. сб. М.: МИСИС-ВИАМ, 2002. С. 315-326.
11. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Тю-менева Т.Ю. Свойства клеев и клеящих материалов для изделий авиационной техники // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №1. С. 14-24.
12. Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков А.А., Куцевич К.Е. Основные свойства и назначение
ПКМ на основе клеевых препрегов // Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов: тез. докл. XIX Междунар. науч.-технич. конф. Обнинск: ОНПП «Технология», 2010. С. 11-12.
13. Морозов Б.Б. Применение полимерных композиционных материалов в изделиях разработки ОКБ Сухого // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 31-36.
14. Хрычев Ю.И., Шкодинова Е.П., Дементьева Л.А. Разработка технологического процесса изготовления радиопрозрачного обтекателя из клеевых пре-прегов типа КМКС-2м.120 // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 43-47.
15. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Кириенко Т.А., Чурсова Л.В. Клеевые связующие для деталей из ПКМ сотовой конструкции // Клеи. Герметики. Технологии. 2016. №5. С. 12-16.
16. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19-21.
17. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Аниховская Л.И., Лукина Н.Ф. Композиционные материалы клеевые на основе стеклянных и углеродных наполнителей // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №1. С. 24-27.
18. Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Лаборатория «Клеи и клеевые препреги» - достижения и перспективы // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 1-5.
19. Препрег и изделие, выполненное из него: пат. 2427594 Рос. Федерация; опубл. 23.07.13.
20. Lukina N.F., Dementeva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V., Kutse-vich K.E. Adhesive prepregs and composite materials on their basis // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. No. 5. P. 1022-1024.
21. Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Чур-сова Л.В. Влияние полисульфонов различного строения на свойства клеевых материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №4. С. 6-8.
22. Антюфеева Н.В., Журавлева П.Л., Алекса-шин В.М., Куцевич К.Е. Влияние степени отверждения связующего на физико-механические свойства углепластика и микроструктуру межфазного слоя углеродное волокно/матрица // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №12. С. 26-30.
