Введение

В условиях импортозамещения, а также для достижения весовой эффективности, обусловленной заменой традиционных металлических материалов на современные, разработчики авиационной техники все чаще обращаются к полимерным композиционным материалам (ПКМ) с заданным уровнем прочностных свойств. При оценке возможности эксплуатации ПКМ в авиационной технике предъявляют высокие требования как к комплексу прочностных свойств, так и к их сохраняемости при эксплуатации.

Существенное влияние на изменение эксплуатационных характеристик ПКМ оказывают климатические факторы (повышенные и пониженные температуры, высокая влажность и др.) и технические жидкости, которые при комплексном воздействии активируют старение, способствуют развитию физико-химических процессов в материалах и при эксплуатации изделий могут существенно снизить их прочностные свойства относительно исходных значений [1–3]. Особенно актуальна проблема сохраняемости свойств ПКМ при эксплуатации техники в районах с жесткими климатическими условиями, такими как тропический климат.

Проведение ускоренных климатических испытаний позволяет разработчику летной техники в полной мере оценить стойкость применяемых материалов к воздействию факторов окружающей среды в процессе эксплуатации и таким образом определить запас прочности и ресурсность изготовленных из них изделий [4–6].

Цель исследований – установление сохраняемости прочностных свойств углепластика марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега марки КМКУ при растяжении, сжатии, изгибе, межслойном сдвиге при температурах испытания –60, +20, +80 и +105 °С в исходном состоянии и после климатических воздействий, таких как экспозиция в камере тропического климата и тепловлажностное старение в течение 1 и 3 мес, тепловое старение в течение 500 и 1000 ч, а также воздействия микологической среды и технических жидкостей (вода, влага, масло ИПМ-10 и топливо ТС-1) [7, 8]

По результатам испытаний на углепластик ВКУ-59 оформлен паспорт № 1994. Организован серийный выпуск разработанного углепластика на сертифицированном производстве в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1, 2].

Материалы и методы

Объектом исследования является углепластик марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега (ТУ 1-595-11-1775–2018), разработанный в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Препрег представляет собой углеродный жгутовый наполнитель, пропитанный эпоксидным клеевым связующим пониженной горючести марки ВСК-14-6 с теплостойкостью 80 °С. Углепластик марки ВКУ-59 является аналогом углепластика марки HexPly M56/40%/193PW/AS4-3K фирмы Hexcel (США) [9–11].

Свойства углепластика марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега исследовали на образцах, изготовленных методом автоклавного формования [7–9]. Для оценки изменения свойств после воздействия климатических факторов исследована прочность образцов углепластика с незащищенными торцами при изгибе и сжатии [12–22].

Прочность и модуль упругости при растяжении определяли в соответствии с ГОСТ Р 56785–2015. Метод испытания заключается в растяжении образца ПКМ с постоянной скоростью нагружения или деформирования до разрыва.

Испытания при сжатии проводили согласно ГОСТ 33519–2015. Образец ПКМ в виде полосы прямоугольного сечения устанавливали в специализированную оснастку, которую помещали между захватами испытательной машины, и прикладывали сжимающую нагрузку.

Прочность и модуль упругости при статическом изгибе определяли в соответствии с ГОСТ 56810–2015. Сущность метода заключается в изгибе плоского образца ПКМ прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до разрушения или до момента, когда деформация растяжения на внешней поверхности достигнет предварительно заданного значения.

Испытания прочности при межслойном сдвиге проводили согласно ГОСТ Р 32659–2014. К середине образца ПКМ, свободно лежащего на двух опорах, прикладывали нагрузку до момента разрушения, вызванного межслойным сдвигом.

Тепловлажностное старение проводили в соответствии с ГОСТ Р 56762–2015 (метод В). Образцы кондиционировали при влажности, отличной от влажности окружающей среды, при заранее указанном постоянстве условий до начала других типов испытаний.

Тепловое старение проводили согласно ГОСТ 9.707–81. Сущность метода заключается в проведении ускоренных испытаний материалов, деталей и узлов на стойкость к старению при воздействии температуры и влажности, установлении изменения прочностных свойств при старении.

Грибостойкость исследовали согласно ГОСТ 9.049–91. Материалы, зараженные спорами грибов, выдерживали в условиях, оптимальных для их развития.

Стойкость к воздействию химических сред определяли в соответствии с ГОСТ 12020–2018. Сущность метода заключается в определении изменений характеристик образцов ПКМ в ненапряженном состоянии после выдержки в жидких химических средах.

Результаты и обсуждение

Испытания образцов углепластика при различном воздействии всесторонне характеризуют материал и отражают работу матрицы и наполнителя при нагрузках на растяжение и сжатие, а также их совместную работу при нагрузках на изгиб и межслойный сдвиг.

Для определения эксплуатационной стойкости образцы углепластика ВКУ-59 исследованы в исходном состоянии, при прогнозируемой рабочей температуре и температуре, превышающей температуру эксплуатации на 25 °С (табл. 1). Это позволяет выявить запас прочности материала.

Таблица 1

Механические свойства образцов углепластика марки ВКУ-59 при растяжении,

сжатии, изгибе и межслойном сдвиге в диапазоне температур от –60 до +105 °С

По результатам анализа полученных данных (табл. 2) можно констатировать, что уровень упруго-прочностных свойств относительно значений при температуре 20 °С для углепластиков со схемами армирования [0]₈ и [0/–45/90/+45]_4s в зависимости от вида испытания при температуре 80 °С составляет 64,7–92,7 и 69,5–92,5 %; при –60 °С: 101,0–131,3 и 107,9–113,4 %; при 105 °С: 37,9–85,5 и 58,1–88,7 % соответственно. Данные, полученные при температуре испытания 105 °С, превышающей температуру эксплуатации на 25 °С, подтверждают запас прочности углепластика марки ВКУ-59.

Таблица 2

Уровень механических свойств образцов углепластика марки ВКУ-59

в диапазоне температур от –60 до +105 °С относительно значений,

полученных при температуре испытания 20 °С (средние значения)

Результаты испытаний углепластика марки ВКУ-59 после экспозиции в камере тропического климата и тепловлажностного старения в течение 1 и 3 мес, теплового старения в течение 500 и 1000 ч, а также воздействия микологической среды и технических жидкостей (вода, влага, масло ИПМ-10 и топливо ТС-1) в исходном состоянии и при повышенной температуре приведены на рис. 1.

Рис. 1. Изменение свойств образцов углепластика с незащищенными торцами марки ВКУ-59 со схемой армирования [0/–45/90/+45]_4s при сжатии (а, в) и изгибе (б, г) после воздействия климатических факторов (а, б) и экспозиции в технических жидкостях (в, г)

Как видно из данных, представленных в табл. 3, углепластик марки ВКУ-59 со схемой армирования [0/–45/90/+45]_4s после воздействия внешних факторов демонстрирует высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств при изгибе и сжатии. Уровень сохранения свойств относительно исходных значений при сжатии при температуре испытаний 20 °С находится в интервале от 83,6 до 93,7 %, при 80 °С – от 80,2 до 99,1 %; при изгибе при 20 °С – от 87,8 до 103,8 %, при 80 °С – от 71,5 до 102,3 %. Высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств, в том числе при повышенной температуре, свидетельствует о стойкости углепластика марки ВКУ-59 к воздействию факторов внешней среды и технических жидкостей, таких как вода, влага, топливо ТС-1 и масло ИПМ-10.

Таблица 3

Уровень механических свойств образцов углепластика марки ВКУ-59 со схемой

армирования [0/–45/90/+45]_4s после воздействия климатических факторов и технических жидкостей относительно значений для образцов в исходном состоянии (средние значения)

Определена жизнеспособность клеевого препрега углепластика марки ВКУ-59 после 3 мес хранения при температуре от 8 до 25 °С (рис. 2). Образцы для проведения испытаний на растяжение и сжатие изготовлены методом автоклавного формования.

Показано, что уровень предела прочности при растяжении и сжатии для углепластика, изготовленного из препрега после хранения, составил 94,1–95,9 % от исходных значений. Таким образом, можно заключить, что жизнеспособность клеевого препрега углепластика ВКУ-59 составляет не менее 3 мес при температуре от 8 до 25 °С. Важно отметить, что жизнеспособность зарубежного аналога – препрега марки HexPly M56/40%/193PW/AS4-3K фирмы Hexcel (США) – составляет 1 мес, данные о свойствах препрега после 3 мес хранения в открытых источниках отсутствуют [25, 26]. Можно предположить, что уровень сохранения свойств углепластика марки ВКУ-59 через 1 мес составит >96 % от исходного значения.

Рис. 2. Предел прочности при растяжении и сжатии при температуре 20 °С для углепластика марки ВКУ-59, изготовленного из клеевого препрега в исходном состоянии и после хранения в течение 3 мес при температуре от 8 до 25 °С

Заключения

Испытания углепластика марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега показали высокую сохраняемость прочностных свойств при температурах испытаний –60, +80 и +105 °С.

Продемонстрирован высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств углепластика при сжатии и изгибе при температурах испытаний 20 и 80 °С после воздействия факторов внешней среды и технических жидкостей, таких как вода, влага, топливо ТС-1 и масло ИПМ-10.

Клеевое эпоксидное связующее марки ВСК-14-6 образует при отверждении полимерную матрицу с высоким уровнем прочностных свойств и пониженной горючестью. Низкая температура отверждения связующего (за счет наличия латентного отвердителя аминного типа с катализаторами отверждения) сочетается с высокой жизнеспособностью препрега. Это обеспечивает препрегам, в составе которых используется углеродный наполнитель и данное связующее, срок хранения при температуре от 0 до 8 °С не менее 6 мес.

Подтверждена жизнеспособность клеевого препрега углепластика ВКУ-59 после 3 мес хранения при температуре от 8 до 25 °С. Показано сохранение предела прочности при растяжении и сжатии на уровне 94,1–95,9 % от исходных значений.

Разработанный материал может эксплуатироваться в интервале температур от –60 до +80 °С и позволяет реализовать комплекс физико-механических характеристик с высоким уровнем сохранения прочностных свойств, в том числе после воздействия внешних факторов, имитирующих эксплуатационные.