Исследование ультразвуковым методом структурных изменений в ПКМ в процессе формования полимерных композиционных материалов

вых панелей были вырезаны образцы в соответствии с ГОСТ 14759-69. Склейку образцов проводили клеем ВК-9, при этом дополнительной подготовки поверхности образцов под склейку не производили (не зашкуривали и не обезжиривали), чтобы не удалять с поверхности стеклопластика остатков антиадгезионного состава, перешедшего с вы-клеечной оснастки. Образцы склеивались внахлест, площадь склейки всех образцов ~3 см2. Испытанию подвергали от 5 до 7 образцов с определением среднеарифметического значения усилия разрушения. Полученные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Усилия разрушения образцов при сдвиге

Вид покрытия Материал Усилие разрушения при сдвиге, Н

оснастки 1 съем 2 съем 3 съем 4 съем 5 съем

ВСК-5 Металл 430 460 692 657 840

Композит 353 613 650 1207 1250

СК-223 Металл 993 767 890 847 957

Композит 783 673 - 876 1090

К-21 Металл 813 - - 877 743

Release ALL-30 Металл 633 767 - 477 497

Композит 867 927 1233 1037 890

Для сравнительного анализа изготовлены и испытаны образцы из стеклопласти-ковой панели, отформованной на выклеечной оснастке через разделитель из фторопластовой пленки. После испытания на сдвиг данные образцы показали среднее усилие разрушения 1390 Н.

Анализируя приведенные данные можно сделать вывод, что с увеличением количества съемов с обработанной антиадгезивами поверхности оснастки перенос антиадгезионных составов уменьшается для всех приведенных видов покрытий (так как усилие разрушения растет). Для формования панелей с гелькоутом (на основе ФПР-520) в качестве антиадгезионного покрытия оснастки лучше всего использовать фторопластовую водную суспензию Release ALL-30. Этот состав обеспечивает хорошую смачиваемость поверхности выклеечной оснастки гелькоутом равномерным по толщине слоем и тем самым позволяет получить хорошее качество его нанесения, а также гарантирует до 10 съемов отформованных панелей при незначительном переносе антиадгезива на их поверхность.

В.И. Постнов, К.Е. Никитин, О.Л. Бурхан, В.И. Петухов,

исследование ультразвуковым методом структурных изменений в пкм в процессе формования полимерных композиционных материалов

В работе исследована возможность применения ультразвукового метода для контроля процессов формования полимерных композиционных материалов (ПКМ). Метод основан на измерении параметров ультразвуковых импульсов, прошедших через формуемый материал. Разработана и изготовлена лабораторная установка ИПФ-2003, позволяющая проводить исследование изменения вязкости связующего в ПКМ в процессе технологического формования изделий. Проведены исследования процессов формования угле- и стеклопластиков. Форма кри-

В.Г. Орзаев

вых затухания ультразвука позволяет фиксировать точки минимальной вязкости и гелеобра-зования полимерного связующего, а также степени его полимеризации. Применение установки показало ее высокую эффективность при отработке режимов формования ПКМ.

Ключевые слова: ультразвуковой метод.

Для обеспечения высокого качества деталей из полимерных композиционных материалов, на стадии их формования необходимо вести постоянный контроль за структурными превращениями материалов. Особенно это относится к вакуумному автоклавному формованию ПКМ, качество структуры которого в значительной степени зависит от момента подачи избыточного давления в рабочую зону автоклава.

Так как в процессе отверждения ПКМ связующее переходит постепенно из жидкого в вязкотекучее состояние, затем в упругопластичное и стеклообразное состояния, структура ПКМ претерпевает значительные изменения. Поэтому для контроля процесса формования могут быть использованы методы, фиксирующие изменение физических характеристик материала. К наиболее известным методам относятся микроволновые, рентгеновские, оптические, электрические, акустические и ультразвуковые.

Микроволновый (от 0,5 ГГц до 1 ТГц) и рентгенометрический (свыше 1 ТГц) методы используются для оценки вязкости ПКМ в процессе нагрева прямым прохождением электромагнитной волны. Так как микроволновое излучение очень сильно взаимодействует с молекулами воды, то его можно применять для определения содержания влаги в ПКМ в процессе формования, что в свою очередь служит косвенным показателем степени отверждения связующего в ПКМ. При наличии свободных молекул воды, абсорбированной в ПКМ, облучение его микроволнами приводит к поглощению материалом энергии излучения и изменению как амплитуды, так и фазы проходящего и отраженного лучей.

Электрические методы применяются при оценке электрических свойств ПКМ. Они позволяют на протяжении всего технологического процесса формования изделия проводить непрерывный контроль изменения диэлектрической постоянной, тангенса угла диэлектрических потерь и проводимости. Однако данные методы неприменимы для ПКМ с проводящей матрицей.

Использование ультразвуковых методов заключаются в прохождении механических колебаний ультразвуковой частоты (20 кГц - 20 МГц) через исследуемый материал ПКМ. По степени их затухания и скорости ультразвука можно давать оценку состояния исследуемого материала [1]. Ультразвуковые методы разделяются на метод просвечивания, когда ультразвук проходит сквозь материал, и метод отражения. Эти методы позволяют осуществлять доступ только с одной стороны формуемого материала, когда источник и приемник ультразвука совмещены в одном датчике. При изменении вязкости связующего по мере нагрева и последующей полимеризации происходит изменение затухания, скорости, фазы и формы ультразвуковых импульсов, которые также зависят от частоты ультразвука. Это дает возможность проводить спектральный анализ прошедшего или отраженного сигнала, существенно повышающий возможности контроля структурных изменений.

Ультразвуковые методы среди остальных методов контроля обладают наибольшей универсальностью. Они могут быть применены как для диэлектриков, так и для материалов с проводящей матрицей, где применение электрических методов невозможно или сильно затруднено. В отличие от остальных ультразвуковые методы экологически безопасны вследствие малой мощности ультразвука. Для формирования ультразвука и его приема могут быть использованы готовые технические решения. Кроме этого, при применении высокотемпературных пьезокерамических датчиков ультразвуковой метод может быть использован в производственных условиях, что позволяет следить за изменениями структуры материала на протяжении всего процесса формова-

ния. При этом датчики могут быть сравнительно легко встроены в технологические формы без нарушения структуры формуемой детали. По сравнению с другими известными методами ультразвуковые обладают наибольшей методологичной простотой и универсальностью, позволяя непосредственно определять с помощью известных соотношений вязкоупругие характеристики материала по измеренным значениям скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука.

Для исследования и отработки режимов формования полимерных композиционных материалов была создана установка ИПФ-2003, представленная на рис. 1. Она состоит из трех каналов: температурно-регулируемого, толщиномера, ультразвукового измерительного.

Конструктивно установка выполнена в виде блока измерения и управления процессом нагрева и компьютера (см. рис. 1), блока формования (см. рис. 1). В блоке формования установлены титановые стержни, между торцами которых помещается формуемый образец ПКМ. Стержни и образец нагреваются двумя нагревательными элементами по программе от компьютера. На противоположных торцах стержней располагаются пье-зодатчики, осуществляющие излучение и прием ультразвуковых сигналов. Над верхним стержнем располагается модуль измерения толщины образца. Измерение температуры производится датчиком, встроенным в верхний стержень у поверхности образца.

Рис. 1. Общий вид установки ИПФ-2003: 1 - блок измерения и управления процессом нагрева и компьютер; 2 - блок формования

«т 100

60

и

° 40

160

\ 4

та-

га 3

г

сз" Ч \ /х \ 2

Р 80-

я 80 1

40-

^ ---\

© с

-120 н

160

20

40

60 80 100 120 Время, мин

140 160 180

Рис. 2. Изменение амплитуды (1) прошедшего ультразвукового импульса, емкости (2) и степени отверждения (3) в зависимости от температуры (4) в процессе формования стеклопластика на основе стеклоткани Т-15(П)-76 и связующего ФП-520

Программное обеспечение установки ИПФ предназначено для автоматизации процесса исследования кинетики отверждения ПКМ и представления результатов измерений в цифровом и графическом виде, а также для сохранения результатов после завершения процесса измерения.

Программное обеспечение позволяет: - задавать в графическом виде температурно-временну ю зависимость (программу), по которой будет производиться процесс формования исследуемого образца, причем заданную программу можно корректировать во время проведения измерений без остановки процесса и сохранять на жестком диске в папке «Программы» для дальнейшего использования;

- автоматически управлять процессом отверждения исследуемого образца по заданной программе с выводом в графическом и цифровом виде текущих значений температуры, толщины образца, затухания и скорости ультразвукового сигнала с обеспечением возможности печати полученных графиков текущих значений на принтере, не прерывая процесса измерения;

- автоматически сохранять результаты измерений на жестком диске в графическом виде в метафайле формата EMF в папке «DATA».

Для оценки объективности различных методов проведен анализ контроля процесса формования образца препрега на основе стеклоткани Т-15(П)-76 со связующим ФП-520. Одновременно проводился контроль изменения степени отверждения связующего емкостным методом.

Данные испытаний представлены графически на рис. 2.

Для препрега на основе стеклоткани Т-15(П)-76 и связующего ФП-520 нагрев проводился до 150°С с выдержкой при этой температуре не менее 1 ч.

На приведенных графиках (см. рис. 2) имеется точка, где наблюдается наибольшее затухание ультразвукового сигнала. В этот момент емкость имеет максимальное значение, что определяется наибольшим количеством подвижных диполей и, соответственно, максимальным значением диэлектрической проницаемости. Как известно, данному состоянию отвечает наибольшая текучесть связующего. Это подтверждается значениями максимального затухания ультразвука в момент минимальной вязкости связующего. При дальнейшем нагреве начинается процесс гелеобразования. За точку начала гелеобразования условно принимается состояние материала со степенью отверждения 15-20% [2]. Согласно приведенным графикам, данному состоянию отвечает точка перегиба на кривой амплитуды ультразвука.

Для получения качественной структуры изготовляемых деталей необходимо подавать давление в рабочую зону только после того, как амплитуда ультразвука, прошедшего через связующее, достигнет точки минимального значения. В противном случае большая часть связующего будет выдавлена, и полученная деталь будет обладать пониженными прочностными характеристиками. Ситуация здесь, однако, осложняется тем, что точка минимальной амплитуды сопровождается сравнительно быстрым последующим наступлением стадии гелеобразования, где формирование пространственной сшивки молекул приводит к резкому росту вязкости и потере связующим текучести. Поэтому для обеспечения качественной структуры формуемых деталей давление следует подавать в промежутке между моментами достижения минимальной амплитуды и началом гелеобразования, т. е. на начальной стадии гелеобразования. Однако положение этих критических точек нестабильно и может изменяться в зависимости как от состояния связующего в препреге в момент поставки, так и от условий его предшествующего хранения. Поэтому перед началом изготовления деталей для предварительного контроля свойств используемого препрега и последующей корректировки режимов формования необходимо проводить контроль его технологических свойств путем проведения формования образца на установке ИПФ-2003, фиксирующей точки минимальной амплитуды ультразвука и начала гелеобразования, а также стадию последующей полимеризации.

Проведенные исследования показывают высокую эффективность применения ультразвукового метода для контроля и управления процессом формования деталей из ПКМ при серийном производстве, особенно для силовых высокоэффективных конструкций самолета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Никитин К.Е. //Заводская лаборатория. 1993. №3. С. 33-34.

2. Chensha Li, Caishan Jiao, Ying Liu, Zhengping Wang, Hongjie Wang, Maosheng Cao /High Technology Letters, Resin Matrix //Fiber Reinforced Composite Material. 2004. V.10. №1. Р. 85-91.

В.И. Постнов, К.Е. Никитин,

В.И. Петухов, О.Л. Бурхан, В.Г. Орзаев

метод и устройство для определения липкости препрегов

Описан метод и лабораторная установка для определения липкости препрегов, которая (установка) позволяет исследовать липкость препрегов на основе различных полимерных связующих в широком диапазоне температур. Приведены результаты исследований липкости препрегов из стеклоткани, углеленты, органоткани на связующих ЭДТ-69Н, ФПР-520, ВСО-200 и 5-211Б в интервале температур от 22 до 60 С.

Ключевые слова: липкость препрегов.

Промышленные препреги - это армирующие материалы, пропитанные определенным количеством связующего, равномерно распределенного по их поверхности. Процесс изготовления препрегов должен гарантировать их физические и технологические свойства. Стандарты, регламентирующие контроль качества препрегов, включают в себя определение следующих показателей: содержание смолы и летучих продуктов; липкость, т. е. величину, характеризующую качество адгезии; текучесть - количество смолы, которое можно выдавить из стандартного образца при его отверждении между плитами пресса; время гелеобразования - отрезок времени, в течение которого стандартный образец должен находится между нагретыми плитами пресса до полного прекращения прилипания смолы к эталонному материалу [1]. Из перечисленных показателей, определяемых при входном контроле, мало изучен метод определения величины липкости препрегов.

Липкость - это способность адгезива образовывать соединения при контакте с субстратом [2, 3]. Количественно липкость характеризуется удельной силой отрыва или сдвига и зависит от природы, физико-химического состояния связующего, также от условий контактирования. Контроль липкости как адгезионной характеристики необходим для облегчения послойной укладки препрега. Количественно величина липкости препрега зависит от содержания и вида связующего, содержания летучих продуктов, степени подготовки препрега, температуры и влажности в помещении [1]. В некоторых случаях липкость повышается при перераспределении композиции смолы или введении в нее новых добавок. Уровень липкости должен обеспечивать прилипание препрега к подготовленной поверхности выклеечной формы или выложенным слоям препрега при послойной их выкладке, и в то же время должно обеспечиваться удаление разделительной пленки без потери связующего с поверхности препрега.

Методы измерения адгезии основаны на определении приложенного внешнего усилия, под действием которого в адгезионном соединении возникают нормальные и тангенциальные напряжения, приводящие к разрушению соединения. Эти методы испытаний можно классифицировать по способу нарушения адгезионной связи: неравномерный отрыв, равномерный отрыв и сдвиг. Разрушающие методы могут быть статическими и динамическими. Однако следует иметь в виду, что не существует методов, при использовании которых напряжения распределялись бы действительно равномерно и