CC BY
45
УДК 678.83
С.И. Войнов1, Г.Ф. Железина1, Н.А. Соловьева1, Г.А. Ямщикова1
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА СВОЙСТВА ОРГАНОПЛАСТИКА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ПРОПИТКИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ (RTM)
doi: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-72-78
Исследовано влияние климатических факторов и эксплуатационных жидкостей на свойства органопластика ВКО-21, изготовленного методом пропитки под давлением. Показано, что органопластик ВКО-21 имеет высокий уровень сохранения свойств при воздействии факторов внешней среды (не менее 81 % от исходного значения) и не уступает в этом отношении типовому конструкционному органопластику ВКО-19, изготовленному методом автоклавного формования.
Ключевые слова: органопластик, арамидные волокна, пропитка под давлением, полимерные композиты.
An influence of climatic factors and working fluids on properties of VKO-21 AFRP (aramid fiber reinforced plastic) manufactured by RTM (resin transfer moulding) technology was investigated. It was shown that the VKO-21 AFRP has a high level ofproperties conservation under the influence of environmental factors (at least 81% of the initial value) and in this regard is not inferior to the conventional structural VKO-19 AFRP manufactured by autoclave molding.
Keywords: AFRP, aramid fiber, RTM, polymer composites.
"'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
Развитие авиационной техники невозможно без совершенствования и внедрения новых материалов и технологий их производства. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) прочно завоевали место среди конструкционных материалов в авиационной промышлености [1]. Их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкций, повышение ресурса эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления и материалоемкости. Снижение массы авиационных конструкций благодаря применению новых материалов дает возможность снизить потребление топлива, увеличить полезную нагрузку (количество пассажиров и полезного груза) [2-4].
Опыт эксплуатации органопластиков в составе авиационных конструкций показывает, что эти материалы имеют достаточно высокую эксплуатационную надежность в различных климатических зонах - календарный срок эксплуатации составляет не менее 10-15 лет. Однако в сравнении с композитами на основе стеклянных и углеродных волокон органопластики на основе арамидного волокна в большей степени сорбируют атмосферную влагу. Несмотря на то что по уровню сохранения конструкционных свойств при влагонасы-щении органопластики не уступают угле- и стеклопластикам, повышенное водопоглощение традиционно считается основным недостатком этих материалов [5, 6].
Один из путей повышения влагостойкости органопластиков - это использование безрастворных связующих для их изготовления. Необходимость применения безрастворных связующих обусловлена тем, что органопластики, изготовляемые по типовой растворной технологии (Органит 12Т, Органит 16Т/Рус и др.), имеют повышенную пористость из-за невозможности полного удаления растворителя. Использование безрастворного связующего при изготовлении органопластика ВКО-19 позволило обеспечить герметичность и минимальную пористость органопластика. Применение экологически безопасной (безрастворной) технологии отвечает современным требованиям охраны окружающей среды [7, 8].
В настоящее время в мире активно ведут исследования, направленные на разработку материалов и технологий, позволяющих отказаться от применения растворителей и снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [9]. Это связано с тем, что для изготовления высоконагруженных авиационных конструкций из ПКМ используют преимущественно метод автоклавного формования. Недостатками ПКМ, изготовленных методом автоклавного формования, являются: необходимость предварительного изготовления препрегов, что требует дополнительных трудо- и энергозатрат и снижает экологическую безопасность производства; невозможность изготовления деталей с высоким качеством внешней и внутренней поверхности.
Метод пропитки под давлением ^ТМ) как альтернатива методу автоклавного формования обеспечивает изготовление деталей с высоким качеством поверхности как с внешней, так и с внутренней стороны. Используемая для технологии RTM форма позволяет изготовить детали с высокой точностью по геометрической форме и толщине. За рубежом для изготовления ПКМ широко применяют технологию RTM, которая позволяет изготавливать детали сложной формы за одну технологическую операцию без предварительного изготовления препрега. Использование метода пропитки под давлением ^ТМ) позволяет автоматизировать производство, улучшить условия труда и повысить качество продукции [10-13].
При использовании RTM-технологии жидкая смола (связующее) помещается в закрытую оснастку (пресс-форму), в которой находится сухой пакет армирующего волокнистого наполнителя (рис.1). Отверждение связующего происходит в форме при повышенной температуре, после чего готовая деталь извлекается. Оборудование для этой технологии относительно недорого, поскольку не используется дорогостоящий автоклав. Связующее, которое может перерабатываться методом пропитки под давлением, должно отвечать определенным требованиям, таким как низкая вязкость для пропитки пакета наполнителя и необходимая жизнеспособность при температуре пропитки пакета наполнителя [14-16].
При выборе технологических параметров изготовления деталей методом RTM важно обеспечить равномерное распределение связующего в объеме армирующего наполнителя, исключить возможность образования пустот и непропитан-ных участков, поскольку любое нарушение монолитности композиционного материала может привести к снижению его работоспособности в условиях воздействия факторов внешней среды в процессе хранения и эксплуатации [18-20].
Целью данной работы является исследование стабильности свойств органопластика, полученного методом пропитки под давлением, при воздействии факторов внешней среды (температуры и повышенной влажности) и эксплуатационных жидкостей (топлива, масла).
Материалы и методы
Объектом исследования является изготовленный методом RTM конструкционный органопла-стик ВКО-21 на основе равнопрочной арамидной ткани российского производства с поверхностной плотностью 90±4 г/м2, используемой в составе конструкционных органопластиков авиационного назначения. Выбранная ткань, изготовленная из арамидных нитей Русар, имеет равнопрочную атласную структуру, что позволяет осуществлять ее выкладку на поверхностях двойной кривизны при формовании изделий сложной формы. Нити Русар по сравнению с арамидными нитями перво-
го поколения СВМ обладают улучшенными на 20-30% механическими свойствами и более устойчивы к поглощению влаги. В качестве связующего в составе органопластика ВКО-21 используется модифицированное эпоксидное связующее марки ВСЭ-17. Физико-механические характеристики органопластика ВКО-21 представлены в табл. 1, на рис. 2 показан внешний вид образца из органопластика ВКО-21.
Органопластик ВКО-21 предназначен для эксплуатации при температуре от -60 до +150°С. Уровень сохранения свойств органопластика ВКО-21 при максимальной рабочей температуре 150°С составляет: 91% - предел прочности при растяжении, 64% - предел прочности при сжатии, 69% - предел прочности при изгибе.
Равнопрочная арамидная ткань, использованная для армирования органопластика ВКО-21, наиболее пригодна для изготовления деталей методом RTM. При ее применении в качестве армирующего наполнителя значительно упрощается процесс сборки и пропитки пакетов для деталей сложной формы, чем при использовании однонаправленных арамидных армирующих наполнителей. Связующее ВСЭ-17, разработанное во ФГУП «ВИАМ» применительно к технологии RTM, имеет необходимые для RTM технологические характеристики: вязкость связующего при нагреве до 95°С (температура переработки) составляет <0,5 Па с (рис. 3, а) и жизнеспособность связующего при этой температуре составляет 135 мин (рис. 3, б), что достаточно для проведения процесса пропитки под давлением.
Образцы органопластика ВКО-21 для проведения исследований изготавливали на оборудовании фирмы Magnum Venus Plastech Ltd.
При эксплуатации и хранении изделия из ПКМ подвергаются воздействию температуры и влажности окружающего воздуха. В зависимости от конкретного применения изделия из ПКМ подвергаются либо длительному и непрерывному воздействию температуры и влажности окружающего воздуха, либо кратковременным воздействиям этих факторов. Значения температуры и влажности зависят от климатической зоны и ряда других факторов, непосредственно связанных с назначением изделия, и, следовательно, с условиями эксплуатации. О стойкости ПКМ к совместному или последовательному действию температуры и влажности можно судить по изменению их эксплуатационных свойств. Испытания на стойкость полимерных материалов или изделий из них к действию температуры и влаги, которое может быть весьма разнообразным как по интенсивности, так и по продолжительности, проводятся в специальных автоматических теп-ловлажностных камерах [14-17].
Исследование влияния внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства органопластика ВКО-21 проводили в указанных далее условиях.
Рис. 1. Схема пропитки под давлением (RTM)
Таблица 1
Свойства конструкционного органопластика ВКО-21, изготовленного методом пропитки под давлением
Характеристики Направление приложения нагрузки, град Значения характеристик при температуре, °С
20 150
Предел прочности при растяжении, МПа 0 90 810 640 740 570
Модуль упругости при растяжении, Г Па 0 90 35 31 29 27
Коэффициент Пуассона 0 90 45 0,07 0,07 0,81 -
Предел прочности при сжатии, МПа 0 90 220 220 140 150
Модуль упругости при сжатии, ГПа 0 90 24 24 -
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа 0 90 30 33 28 29
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 0 90 550 540 380 370
Модуль упругости при изгибе, ГПа 0 90 22 23 16 19
Ударная вязкость, кДж/м2 0 90 195 189 -
Плотность, кг/м3 - 1290-1330
Температура стеклования, °С - 198
Категория горючести - Самозатухающий
Категория дымообразования - Сильнодымящий
Рис. 2. Внешний вид органопластика ВКО-21
Рис. 3. Зависимость вязкости связующего ВСЭ-17 от температуры (а) и продолжительности нагрева при температуре 95°С (б)
Таблица 2
Испытание органопластика ВКО-21 после экспозиции в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%
Продолжительность Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С
экспозиции, сут 20 150
Без экспозиции 580 370
30 560 340
60 550 330
90 500 300
Таблица 3
Испытание органопластика ВКО-21 после экспозиции в камере тропического климата
Продолжительность Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С
экспозиции, сут 20 150
Без экспозиции 580 370
30 550 330
60 520 320
90 530 330
Таблица 4
Тепловое старение органопластика ВКО-21 при максимальной рабочей температуре 150°С
Продолжительность экспозиции, ч Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С
20 150
Без экспозиции 540 370
500 520 360
1000 510 340
2000 480 320
Таблица 5
Влаго- и водостойкость образцов органопластика ВКО-21
Условия экспозиции Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С Привес, %
20 150
Без экспозиции При ф=98% и 20°С в течение 90 сут В воде при 20°С в течение 90 сут 530 510 530 360 310 320 1.7 1.8
Топливо- и маслостойкость образцов органопластика ВКО-21 Таблица 6
Условия экспозиции Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С Привес, %
20 150
Без экспозиции В топливе ТС-1 при 20°С в течение 30 сут В масле ИПМ-10 при 20°С в течение 30 сут 530 490 480 360 350 340 0,1 1 0,12
Тепловое старение проводили в воздушном термостате при температуре 150°С. Максимальное отклонение температуры от заданной для термостата не превышало ±0,5°С.
Ускоренное тепловлажностное старение органопластика исследовали в соответствии с ГОСТ 9.707-81 при температуре 60°С и относительной влажности 85%. Испытания проводили в камере тепловлажностного старения
«Climats» (Франция) с автоматическим поддержанием заданного режима испытаний; погрешность поддержания температуры составляла ±2°С, погрешность измерения влажности ±3%. После экспозиции в камере определяли прочность органопластика при изгибе.
Климатическое старение органопластика проводили в камере тропического климата, позволяющей создать следующий циклический режим испытаний: 8 ч при 50±5°С и ф=100%+12 ч при 20+5°С и ф=100%+8 ч при 20±5°С и ф=65%. Данный режим имитирует тепловлажностное воздействие, характерное для тропического климата. После экспозиции в камере определяли прочность при изгибе.
Влагостойкость образцов органопластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре и влажности 98%. Определяли изменение предела прочности органопластика при изгибе и привес образца в результате поглощения влаги в соответствии с ГОСТ 4650-80.
Водостойкость образцов органопластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в воде. Определяли изменение предела прочности органопластика при изгибе и привес образца в результате поглощения воды в соответствии с ГОСТ 4650-80.
Топливостойкость образцов органопластика исследовали после выдержки в течение 30 сут при комнатной температуре в топливе марки ТС-1. Определяли изменение предела прочности при изгибе и привес образца в результате сорбции топлива, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.
Маслостойкость образцов органопластика исследовали после выдержки в течение 30 сут при комнатной температуре в масле ИПМ-10. Определяли изменение предела прочности при изгибе и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.
Механические испытания органопластиков проводили на испытательных машинах Тиратест-2200 и RKM-50 в соответствии с ГОСТ 25.604-82 (предел прочности при изгибе).
Результаты
В табл. 2 представлены результаты испытаний органопластика ВКО-21 после экспозиции в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в те-
чение 90 сут уровень сохранения прочности органопластика ВКО-21 при изгибе составляет 86% -при 20°С и 81% - при испытании при рабочей температуре 150°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.
В табл. 3 представлены результаты испытаний органопластика ВКО-21 после экспозиции в камере тропического климата. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в течение 90 сут уровень сохранения прочности органопластика ВКО-21 при изгибе составляет 91% - при 20°С и 89% - при испытании при рабочей температуре 150°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.
Результаты испытаний органопластика ВКО-21 после теплового старения при 150°С представлены в табл. 4. Установлено, что после теплового старения в течение 2000 ч уровень сохранения предела прочности при изгибе органопластика ВКО-21 составляет 89% - при 20°С и 86% - при 150°С в сравнении с исходными значениями при этих температурах.
В табл. 5 представлены результаты исследования влаго- и водостойкости органопластика ВКО-21. После выдержки образцов органопластика с незащищенными торцами в воде и в среде с повышенной влажностью (98%) уровень сохранения прочности при изгибе составляет не менее 96% (при 20°С) и не менее 86% (при 150°С). Количество поглощенной органопластиком влаги не превышает 1,8% от исходной массы образца.
В табл. 6 представлены результаты исследования топливо- и маслостойкости органопластика ВКО-21. После выдержки образцов органопластика с незащищенными торцами в топливе ТС-1 и в масле ИПМ-10 уровень сохранения прочности при изгибе составляет не менее 91% (при 20°С) и не менее 94% (при 150°С). Привес образцов орга-нопластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,12% от исходной массы образцов.
Обобщенные результаты проведенных исследований по влиянию внешней среды и эксплуатационных жидкостей на свойства органопластика ВКО-21, изготовленного методом пропитки под давлением, представлены в табл. 7 в сравнении с типовым конструкционным органопластиком ВКО-19, полученным по технологии автоклавного формования. Анализ полученных данных показывает, что органопластик ВКО-21, изготовленный методом RTM, не уступает органопластику ВКО-19 по уровню сохранения свойств после воздействия факторов внешней среды. Это свидетельствует о том, что использование метода пропитки под давлением позволяет изготавливать полимерные композиционные материалы с монолитной структурой, в которой отсутствуют поры, внутренние локальные микропустоты и непропи-танные участки. Органопластик ВКО-21, изготовленный методом пропитки под давлением, не
Таблица 7
Сравнение характеристик органопластика ВКО-21, изготовленного методом RTM, и органопластика ВКО-19, изготовленного методом автоклавного формования
Характеристики Значения характеристик органопластика
ВКО-21 ВКО-19
Предел прочности при растяжении, МПа 810 820
Модуль упругости при растяжении, ГПа 35 34
Предел прочности при сжатии, МПа 220 195
Модуль упругости при сжатии, ГПа 24 -
Предел прочности при статическом изгибе, МПа 550 505
Модуль упругости при изгибе, ГПа 22 28
Ударная вязкость, кДж/м2 195 190
Влагопоглощение при ф=98% и 90 сут, % 1,7 1,12
Сохранение прочности при изгибе после выдержки при ф=98% и 90 сут, % 96 -
Водопоглощение после выдержки в воде 90 сут, % 1,8 1,5
Сохранение прочности при изгибе, %, после выдержки:
- в воде 90 сут 100 -
- при рабочей температуре в течение 2000 ч 89 100
Привес после выдержки в топливе 30 сут, % 0,11 0,07
Сохранение прочности при сжатии после выдержки в топливе 30 сут, % 90 100
Привес после выдержки в масле 30 сут, % 0,12 0,13
Сохранение прочности при сжатии после выдержки в масле 30 сут, % 91 100
Сохранение прочности при изгибе, %
- после выдержки в камере тропического климата 3 мес 91 100
- после экспозиции в камере тепловлажностного старения 2 мес 95 100
уступает по стойкости к воздействию факторов внешней среды органопластикам, изготовленным типовыми методами формования.
Обсуждение и заключения
Проведены исследования по влиянию факторов внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на стабильность свойств органопластика ВКО-21, изготовленного методом пропитки под давлением. Установлено, что уровень сохранения свойств органопластика ВКО-21 при тепловлажностном и ускоренном климатическом старении составляет не менее 81%, при воздействии эксплуатационных жидкостей - не менее 91% (при испытаниях при комнат-
ной и максимальной рабочей температуре 150°С). По устойчивости к воздействию факторов внешней среды органопластик ВКО-21, изготовленный методом пропитки под давлением, не уступает типовому конструкционному органопластику ВКО-19, изготовленному методом автоклавного формования.
Правильный выбор режимов изготовления при использовании метода пропитки под давлением позволяет получать органопластик с монолитной структурой, в которой отсутствуют поры, внутренние локальные микропустоты и непропитан-ные участки, и обеспечивает уровень свойств материалов не ниже, чем у органопластиков, полученных методом автоклавного формования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Современные материалы - основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.
2. 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.
3. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов //Конверсия в машиностроении. 2004. №4 (65). С. 65-69.
4. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
5. Железина Г.Ф. Конструкционные и функциональные органопластики нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
6. Железина Г.Ф. Особенности разрушения органопла-стиков при ударных воздействиях //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 272-277.
7. Шульдешова П.М., Железина Г.Ф. Влияние атмосферных условий и запыленности среды на свойства конструкционных органопластиков //Авиационные материалы и технологии. 2014. №1. С. 64-68.
8. Железина Г.Ф., Шульдешова П.М. Конструкционные
органопластики на основе пленочных клеев //Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №2. С. 9-14.
9. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Технология
изготовления ПКМ способом пропитки пленочным связующим //Клеи. Герметики. Технологии. №6. 2011. С. 25-29.
10. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Полимерные композиционные материалы, полученные путем пропитки пленочным связующим //Все материалы. Энциклопедический справочник. Композиционные материалы. 2011. №11. С. 2-6.
11. Чурсова Л.В., Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаме-тов Р.Р. Особенности технологии изготовления деталей из композиционных материалов методом пропитки под давлением /В сб. тезисов докладов межотраслевой науч.-тех. конф. «Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении». М.: ВИАМ. 2009. С. 17.
12. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292-301.
13. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
14. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения
//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260-265.
15. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.
16. Бабин А.Н. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
17. Ефимов В.А., Шведкова А.К., Коренькова Т.Г., Кириллов В.Н. Исследование полимерных конструкционных материалов при воздействии климатических факторов и нагрузок в лабораторных и натурных условиях //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S2. С. 68-73.
18. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения //Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34-40.
19. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения //Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19-27.
20. Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 412-423.
