Влияние внешней среды на Свойства углепластика ВКУ-29

УДК 678.747.2

К.С. Мишуров1, Н.Г. Файзрахманов1, Н.В. Иванов1

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКА ВКУ-29

DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-8-8-8

Исследовано влияние климатических факторов и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-29 на основе армирующей углеродной ткани и эпоксидного связующего ВСЭ-1212, изготовленного методом автоклавного формования. Показано, что углепластик ВКУ-29 имеет высокий уровень сохранения свойств (не менее 72% от исходного значения) при воздействии факторов внешней среды (тепловое и термовлаж-ностное старение; стойкость к условиям в камере солевого тумана, воде, влаге, топливу, маслу, противообледенителъной жидкости и растворителю) и отвечают авиационным требованиям по коррозионной безопасности и горючести.

Ключевые слова: углепластик, углеродные волокна, автоклавное формование, полимерные композиты.

The influence of climatic factors and fluids on the properties of CFRP VKU-29, on the basis of reinforcing carbon fabric and epoxy binder VSE-1212, manufactured by autoclave molding is investigated. It is shown that the CFRP VKU-29 has a high level of property preservation (not less than 72% of the initial value) when exposed to environmental factors (thermal and hydrothermal aging, resistance to the salt spray chamber, water, moisture, fuel, oil, anti-icing fluid and solvent ) and replies by the aviation safety requirements for corrosion and flammability.

Keywords: CFRP, carbon fiber, autoclave molding, 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: admin@viam.ru

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) [2-5].

Зарубежные фирмы, такие как Airbus и Boeing, проводят исследования с целью увеличения объема применения углепластиков до 60% массы конструкции летательных аппаратов. В настоящее время фирма Airbus является лидером по объему применения ПКМ. В конструкции самолета А350 композиты занимают -53% массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы применения углепластиков в элементах конструкции новых изделий: ПАО «Компания «Сухой» - в самолете SSJ NG, ПАО Корпорация «Иркут» - в самолете МС-21. Решение этой задачи вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и современного уровня развития технологий [6, 7].

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 воздействию 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 тепловлажностных камерах [8-14].

Целью данной работы является исследование стабильности свойств углепластика, полученного методом автоклавного формования, при воздействии факторов внешней среды (температуры и повышенной влажности) и эксплуатационных жидкостей (топливо, масло, противообледенительная жидкость, растворители).

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом автоклавного формования конструкционный углепластик ВКУ-29 на основе равнопрочной углеродной ткани Porcher (арт. 4510) с поверхностной плотностью 200±10 г/м и связующего марки ВСЭ-1212. Физико-механические характеристики углепластика ВКУ-29 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства конструкционного углепластика ВКУ-29, изготовленного _методом автоклавного формования_

Свойства Значения свойств

Предел прочности, МПа:

при растяжении 1900

при сжатии 990

при межслоином сдвиге 80

при сдвиге по методу Иосипеску 93

при изгибе 1190

Модуль упругости, ГПа:

при растяжении 123

при сжатии 110

при сдвиге по методу Иосипеску 3,5

при изгибе 110

Углепластик марки ВКУ-29 (см. рисунок) рекомендуется для изготовления конструкций гражданской авиационной техники, в том числе деталей силовых конструкций планера: крыла, центроплана, элементов механизации, звукопоглощающих конструкций двигателя. Углепластик марки ВКУ-29 может эксплуатироваться в диапазоне температур от -60 до +120°С с кратковременным забросом температуры до 150°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-29 при максимальной рабочей температуре 120°С составляет: 89% - по пределу прочности при растяжении, 82% - по пределу прочности при сжатии, 71% - по пределу прочности при изгибе.

Углепластик ВКУ-29

Исследование влияния внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-29 проводили в указанных далее условиях.

Тепловое старение проводили в воздушном термостате при температуре 120°С. Максимальное отклонение температуры от заданной для термостата не превышало ±0,5°С.

Ускоренное тепловлажностное старение углепластика 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 влажности: ±3%. После экспозиции в камере определяли пределы прочности углепластика при изгибе и сдвиге.

Влагостойкость образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре и влажности 98%. Определяли изменение пределов прочности углепластика при изгибе и сдвиге и привес образца в результате поглощения влаги в соответствии с ГОСТ 4650-80.

Водостойкость образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в воде. Определяли изменение пределов прочности углепластика при изгибе и сдвиге и привес образца в результате поглощения воды в соответствии с ГОСТ 4650-80.

Топливостойкостъ образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в топливе ТС-1. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции топлива, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.

Маслостойкостъ образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в масле ИПМ-10 и МС-8П. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.

Стойкость к противообледенительной жидкости образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в противообледенительной жидкости Арктика ДГ. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.

Стойкость к растворителям образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в денатурированном спирте и не-фрасе. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020-72.

Механические испытания образцов из углепластика проводили на испытательной машине 2аюкЖ.ое1 Г400 в соответствии с ASTM Б 7264/0 7264М (предел прочности при изгибе) и ASTM D 2344/0 2344М (предел прочности при сдвиге).

Результаты

В табл. 2 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-29 после экспозиции в камере тепловлажностного старения при температуре 60° С и относительной влажности 85%. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в течение 90 сут уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 91% при 20°С и 77% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 95 и 89% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 2

Свойства углепластика ВКУ-29 после экспозиции в камере тепловлажностного старения _при температуре 60°С и относительной влажности 85%_

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1080

120 840 650

Предел прочности при межслойном 20 80 76

сдвиге Ххг, МПа 120 53 47

Результаты испытаний углепластика ВКУ-29 после теплового старения при 120°С представлены в табл. 3. Установлено, что после теплового старения в течение 2000 ч уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 96% при 20°С и 96% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 99 и 98% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 3

Свойства углепластика ВКУ-29 после теплового старения _при максимальной рабочей температуре 120°С_

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1140

120 840 810

Предел прочности при межслойном 20 80 79

сдвиге тх2, МПа 120 53 52

В табл. 4 представлены результаты исследования водостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в воде уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 87% при 20°С и 76% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 100 и 77% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,6% от исходной массы образца.

Таблица 4

Водостойкость образцов из углепластика ВКУ-29 _

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1030

120 840 640

Предел прочности при межслойном 20 80 81

сдвиге тк, МПа 120 53 41

В табл. 5 представлены результаты исследования влагостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в среде с повышенной влажностью (98%) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 91% при 20°С и 75% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 98 и 72% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,5% от исходной массы образца.

Таблица 5

Влагостойкость образцов из углепластика ВКУ-29_

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1080

120 840 630

Предел прочности при межслойном 20 80 78

сдвиге т^, МПа 120 53 38

В табл. 6 представлены результаты исследования топливостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в топливе ТС-1 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 93% при 20°С и 75% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 100 и 89% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,2% от исходной массы образцов.

Таблица 6

Топливостойкость образцов из углепластика ВКУ-29_

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1110

120 840 630

Предел прочности при межслойном 20 80 83

сдвиге т^, МПа 120 53 47

В табл. 7 представлены результаты исследования маслостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в масле ИПМ-10 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 94% при 20°С и 82% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 98 и 87% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает

0,1% от исходной массы образцов. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в масле МС-8П уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 94% при 20°С и 80% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 100 и 91% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,1% от исходной массы образцов.

Таблица 7

Маслостойкость образцов из углепластика ВКУ-29_

Свойства Температура Контрольный Фактическое значение

испытания, показатель после экспозиции

°С (исходное в масле

значение) ИПМ-10 МС-8П

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1120 1120

120 840 690 670

Предел прочности при межслойном 20 80 78 82

сдвиге тх2, МПа 120 53 46 48

В табл. 8 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-29 к противообледенительной жидкости. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в противообледенительной жидкости Арктика ДГ уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 93% при 20°С и 89% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 96 и 83% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,3% от исходной массы образцов.

Таблица 8

Стойкость углепластика ВКУ-29 к противообледенительной жидкости_

Свойства Температура Контрольный Фактическое

испытания, показатель значение после

°С (исходное значение) экспозиции

Предел прочности при изгибе, МПа 20 1190 1110

120 840 750

Предел прочности при межслойном 20 80 77

сдвиге тх2, МПа 120 53 44

В табл. 9 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-29 к растворителям. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в растворителе (денатурированный спирт) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 96% при 20°С и 100% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 94 и 85% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,3% от исходной массы образцов. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в растворителе нефрас уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 97% при 20°С и 85% - при 120°С, а при сдвиге - соответственно 100 и 92% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,05% от исходной массы образцов.

Таблица 9

Стойкость углепластика ВКУ-29 к растворителям_

Свойства Температура Контрольный Фактическое значение после

испытания, показатель экспозиции в растворителе

°С (исходное денатурированный нефрас

значение) спирт

Предел прочности при 20 1190 1140 1160

изгибе, МПа 120 840 890 710

Предел прочности при 20 80 75 80

межслойном сдвиге т^, МПа 120 53 45 49

Обсуждение и заключения

Проведены исследования по влиянию факторов внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на стабильность свойств углепластика ВКУ-29, изготовленного методом автоклавного формования. Показано, что уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-29 после экспозиции в камере тепловлажностного старения составляет не менее 77%, при воздействии максимальной рабочей температуры 120°С в течение 2000 ч - не менее 96%, при воздействии эксплуатационных жидкостей - не менее 72% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 120°С).

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.

2. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

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 E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.

5. Хрульков A.B., 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.

6. Гуляев И.Н., Зеленина И.В., Раскутин А.Е. Углепластики на основе углеродных тканей импортного производства и российских растворных связующих // Вопросы материаловедения. 2014. №1 (77). С. 116-125.

7. Платонов A.A., Душин М.И. Конструкционный углепластик ВКУ-25 на основе однонаправленного препрега // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. жури. 2015. №11. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 29.04.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-6-6.

8. 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.

9. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения // Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34-40.

10. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19-27.

11. 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.

12. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. II. Релаксация исходной структурной неравновесности и градиент свойств по толщине // Деформация и разрушение материалов. 2010. №12. С. 40-46.

13. Каблов E.H., Гращенков Д.В., Ерасов B.C., Анчевский Н.Э., Ильин В.В., Вальтер P.C. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докл. IX Междунар. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012», 2012. С.122-123.

14. Каблов E.H., Старцев О.В., Медведев ИМ., Панин C.B. Коррозионная агрессивность приморской атмосферы. Ч. 1. Факторы влияния (обзор) // Коррозия: материалы, защита. 2013. №12. С. 6-18.

15. Каблов E.H. 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. С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-91402015-0-1-3-33.