Технологии склеивания элементов конструкций из ПКМ с применением перспективных способов подготовки поверхности

Введение

При изготовлении элементов конструкций изделий авиационной техники с различным типом деталей и агрегатов широко используются высокопрочные клеи конструкционного назначения, в том числе эпоксидные пленочные клеи марок ВК-51, ВК-36 и их модификации. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны технологические процессы склеивания, включающие эффективные способы подготовки поверхностей металлических материалов (алюминиевых сплавов, углеродистых, титановых и нержавеющих сталей) под склеивание с использованием конструкционных пленочных клеев. Такие клеи применяются в процессе сборки высокоресурсных клееных конструкций из металлических материалов, в том числе трехслойных сотовых, которые широко внедрены на предприятиях авиационной промышленности и обеспечивают длительный ресурс и надежность в процессе эксплуатации авиационной техники.

В последнее время в авиационной промышленности все чаще применяют полимерные композиционные материалы (ПКМ), в частности принципиально новые – на основе клеевых стеклопрепрегов марок КМКС, в составе которых в качестве полимерной матрицы используются эпоксидные клеевые связующие расплавного типа с различным уровнем теплопрочностных и деформационных характеристик.

Установлено, что поверхность отформованных стеклопластиков из клеевых препрегов КМКС характеризуется чрезвычайно плотной структурой с пониженной химической активностью. За счет этого в результате применения типовых технологий склеивания деталей и агрегатов из клеевых препрегов КМКС отмечается пониженный (до 30 %) уровень прочностных характеристик клеевых соединений из ПКМ.

За рубежом используются различные способы активации склеиваемых поверхностей ПКМ, в том числе обработка химическими составами и ионно-плазменная обработка с применением плазмы атмосферного давления (ПАД). Данные технологии также показали эффективность в процессе активации поверхности ПКМ под склеивание эпоксидными клеями холодного отверждения отечественного производства.

Цель работы – исследование и выбор оптимального способа подготовки поверхности ПКМ из клеевых препрегов КМКС под склеивание высокопрочным пленочным эпоксидным клеем марки ВК-36Р горячего отверждения.

Материалы и методы

Объектами исследования являлись:

• конструкционный эпоксидный пленочный клей марки ВК-36Р горячего отверждения (ТУ 1-596-389–96);
• образцы из ПКМ, отформованных из клеевых стеклопрепрегов марок КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64.

Для оценки влияния способов подготовки поверхности ПКМ под склеивание на прочность клеевых соединений, выполненных клеем ВК-36Р, проводили испытания на сдвиг (ГОСТ 14759–69) и равномерный отрыв обшивки от сот (ОСТ 1 90069–72).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Анализ патентно-технических источников информации в исследуемой области показал следующее. Основной целью разработки новых технологий склеивания является поиск наиболее эффективного способа подготовки склеиваемых поверхностей, в том числе из ПКМ, с целью повышения адгезионной способности поверхности субстрата путем увеличения площади смачивания наносимым на нее адгезивом, удаления слабых поверхностных слоев, создания необходимого микрорельефа. Специальная цель заключается в повышении свободной энергии поверхности субстрата. С эксплуатационной точки зрения основной целью подготовки поверхности ПКМ является обеспечение долговременной прочности и надежности клеевых соединений. Таким образом, достижение высоких значений адгезионной прочности клеевых соединений должно совмещаться с обеспечением их надежности в конструктивных элементах [1–3].

Для обработки поверхности под склеивание используются физические (механические, абразивные), химические, физико-химические и электрохимические способы [4, 5].

К физическим (механическим) способам обработки поверхности под склеивание относятся абразивная обработка струйными методами и зачистка поверхностей шлифовальной бумагой. Эти способы до настоящего времени широко применяют для подготовки поверхности металлов, некоторых ПКМ, керамики и резин. Однако исследователи отмечают, что механическая обработка поверхности ПКМ перед склеиванием имеет существенные недостатки, в том числе может нарушиться целостность верхних слоев наполнителя, что может привести к снижению механических характеристик склеиваемых деталей. После пескоструйной обработки склеиваемых поверхностей клеевые соединения имеют низкую стойкость к комбинированному действию повышенных температур и влажности [6].

Более эффективными являются химические способы подготовки поверхности под склеивание. Например, химические (электрохимические) способы травления и анодного оксидирования широко применяют для обработки поверхности металлических материалов. При химических способах подготовки изменяются химические и физические свойства поверхности, повышается адгезионная способность. Травление применяют также для подготовки поверхностей ряда неметаллических материалов – резин, трудносклеиваемых материалов (фторопласта, пластмасс, полиэтилентерефталата и др.), а также некоторых типов ПКМ. Однако установлено, что после травления поверхности детали можно хранить ≤14 сут до начала процесса склеивания. При более длительном хранении прочность клеевых соединений снижается. В наибольшей степени (до 80 %) прочность клеевых соединений уменьшается после хранения подготовленной поверхности в течение 30 сут.

Повышению активности склеиваемой поверхности способствует применение адгезионных грунтов, которые предварительно наносят на материал. В клеевом соединении они выполняют следующие функции:

• защита подготовленных под склеивание поверхностей при промежуточной обработке, транспортировке и хранении деталей;
• увеличение промежутка времени между операциями подготовки поверхности и склеивания;
• увеличение количества деталей, проходящих одновременную подготовку поверхности;
• предохранение подготовленной поверхности от загрязнения при проведении межоперационных мероприятий;
• улучшение смачивания клеем поверхности субстрата (за счет низкой вязкости грунта или путем введения в грунт специальных компонентов).

Некоторые исследователи предлагают сочетать различные способы обработки поверхности стеклопластика. Например, в статье [7] рассмотрено влияние подготовки поверхности на прочность соединения «акриловый клей–стеклопластик». Установлено, что пескоструйная обработка поверхности стеклопластика с последующей обработкой химическими соединениями (силанами) и с использованием ПАД значительно улучшает адгезионные свойства клеевого соединения по сравнению с пескоструйным способом.

Широкое распространение получили жертвенные ткани, которые используются в качестве расходного материала в процессе формования деталей из ПКМ, подлежащих дальнейшему склеиванию. Жертвенная ткань производится из полиэфира, нейлона, политетрафторэтилена, полиамида, отличается характерной текстурой и используется для создания текстурированной (шероховатой) поверхности отформованной детали перед склеиванием, что обеспечивает улучшенное смачивание клеем и, как следствие, повышение адгезии клея к склеиваемой поверхности. Запатентован способ склеивания неметаллических материалов с «жертвенным» слоем на поверхности, после удаления которого на поверхности субстрата остается полимерная пленка, выполняющая функцию адгезионного праймера (активатора адгезии) и повышающая адгезионные характеристики клея [8].

В настоящее время наиболее перспективны физико-химические методы подготовки поверхности ПКМ под склеивание, такие как обработка коронным разрядом, ультрафиолетовым излучением, пламенная.

Запатентованы способ и оборудование для ремонта композиционных материалов авиационной техники, заключающийся в предварительной подготовке поверхностей перед склеиванием. Данная подготовка проводится локально с применением ультразвуковых пьезоэлектрических нагревателей и позволяет придать необходимую форму поврежденному участку, обеспечить необходимые адгезионные свойства для дальнейшего склеивания [9].

В работе [10] представлены результаты исследований по влиянию обработки различных материалов (стекло- и углепластика, поликарбоната, силикона, алюминия и др.) эксимерным лазером на адгезию клеев к обработанной поверхности. Установлено, что, несмотря на необходимость тщательного подбора параметров лазерной обработки для каждого материала (интенсивность, длительность и частота импульсов), такой подход значительно увеличивает адгезию клея к подготовленной поверхности.

Разработан способ модифицирования поверхности различных материалов (композитов, черных и цветных металлов и сплавов) методом лазерной абляции [11]. Данный процесс позволяет получить необходимое значение поверхностной энергии субстрата, что влияет на адгезионные свойства клея и прочность клеевых соединений.

В патенте [12] предложен способ подготовки поверхности ПКМ под склеивание методом лазерного модифицирования. Данный метод позволяет получить оптимальные адгезионные свойства, а также добиться требуемых геометрических показателей поверхности.

Обработка коронным разрядом (воздействие неустойчивой плазмы при атмосферном давлении) представляет собой один из наиболее популярных современных способов подготовки поверхности пластиков. Целью такой обработки обычно является получение поверхности, более восприимчивой к последующему нанесению полиграфической краски или функционального покрытия. Данный способ иногда используют для объемных пластиковых изделий.

Пламенная обработка является вторым по популярности (после коронного разряда) способом подготовки поверхности полимеров для повышения поверхностной энергии. Важным моментом в работе установки для пламенной обработки является соотношение между природным газом и воздухом в смеси. В зависимости от содержания газа в смеси характеристики пламени могут значительно различаться. Пламенную обработку можно выполнить вручную с использованием паяльной лампы, однако в этом случае труднее обеспечить равномерную подготовку поверхности.

Известна технология склеивания трудносклеиваемых полимеров, таких как полиолефины, фторопласты, эластомеры [13], включающая механическую обработку поверхности с дополнительной обработкой тлеющим разрядом.

Термическая обработка материала когерентными источниками света все чаще находит применение в технологии изготовления пластических масс. Однако в настоящее время для подготовки поверхности с целью улучшения адгезии при склеивании пластмасс лазеры используют редко. Это обусловлено высокой стоимостью лазерной обработки по сравнению с обработкой ПАД или коронным разрядом [14].

В патенте [15] предложен способ подготовки стекло- и углепластиков перед склеиванием с применением ПАД, улучшающий адгезионные свойства поверхности.

В работе [16] отмечено, что высоких значений прочности адгезионного соединения в рамках адсорбционной (молекулярной) теории адгезии можно достичь в тех случаях, когда адгезив и субстрат обладают полярными функциональными группами. Обработка и модифицирование (функционализация, активация) поверхности ПКМ с использованием ПАД позволяют повысить адгезию жидкого компонента адгезива к ПКМ благодаря увеличению свободной энергии поверхности. В статье приведены результаты собственных исследований способов подготовки поверхности стеклопластика марки ВПС-53К на основе клеевого препрега КМКС-2мР.120.РВМПН под склеивание эпоксидным клеем холодного отверждения марки ВК-27. Отмечено, что стеклопластик ВПС-53К, как и стеклопластики многих других марок, характеризуется низкой смачиваемостью (краевой угол смачивания (КУС) >90 градусов). Авторы работы исследовали состояние поверхности стеклопластика ВПС-53К до и после обработки ПАД и установили связь энергетических характеристик с прочностью клеевого соединения. Обработка с использованием ПАД повышает полярную составляющую свободной энергии поверхности материала, которая находится в прямой корреляции с адгезионной прочностью. В результате проведенных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ исследований разработана технология подготовки поверхности ПКМ под склеивание с использованием ПАД. Однако она применима только для склеивания стеклопластиков на основе клеевых препрегов марок КМКС с использованием клея ВК-27 и не распространяется на склеивание стеклопластиков высокопрочными пленочными клеями конструкционного назначения.

Таким образом, на основании анализа научно-технической и патентной информации выявлено, что применение современных методов активации поверхности полимерных материалов способствует решению многих технологических задач [17–21].

Применительно к технологиям склеивания полимерных материалов с пониженной поверхностной активностью максимальная прочность клеевых соединений достигается за счет обработки химическим составом или ПАД.

В рамках данной работы исследовано влияние рецептуры химических составов на эффективность обработки поверхности образцов ПКМ из клеевых препрегов марок КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64. С этой целью выбраны различные экспериментальные химические составы, которые представляют собой растворы кислот, органических растворов, составами 1 и 2 в сравнении с механическими способами обработки (табл. 1). В данной статье во всех таблицах приведены средние значения показателей.

Установлено, что выбранные химические составы вызывают протравливание поверхности ПКМ, тем самым увеличивая шероховатость и снижая КУС.

Исследовано влияние обработки химическими составами 1 и 2 поверхности ПКМ на основе клеевых препрегов КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64 (в сравнении с механическими способами обработки и без обработки) на прочность при сдвиге клеевых соединений, выполненных с использованием пленочного клея ВК-36Р, при температурах от 20 до 150 °С. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Более высокий уровень прочности клеевых соединений достигается в случае обработки поверхности ПКМ химическим составом 1. Представленные в табл. 2 значения прочности клеевых соединений получены с использованием оптимального температурно-временного режима обработки склеиваемых поверхностей образцов из ПКМ, который обеспечивает требуемую степень травления.

Исследована возможность подготовки поверхности ПКМ из клеевых препрегов КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64 под склеивание клеем ВК-36Р за счет обработки ПАД – частично ионизированным газом, генерируемым при давлении, близком к давлению окружающей среды (~1 ат). При этом предпочтительной для активации и очистки поверхностей материалов являлась холодная плазма с температурой 30–40 °С.

С учетом опыта по использованию ПАД для обработки поверхности ПКМ под склеивание клеем холодного отверждения ВК-27 выбраны аналогичные режимы подготовки поверхности образцов под склеивание клеем горячего отверждения ВК-36, включающие оптимальные значения шага и скорости обработки, расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности, относительной мощности и расхода плазмообразующего газа.

Результаты испытаний по оценке влияния различных способов обработки поверхности ПКМ (механических и ПАД) на прочность клеевых соединений ПКМ + ПКМ и ПКМ + алюминиевый сплав Д16-АТ, выполненных клеем ВК-36, при температурах от 20 до 150 °С представлены в табл. 3.

Подготовка поверхностей с использованием ПАД по оптимальному режиму способствует существенному (в ~2 раза) повышению прочности клеевых соединений в сравнении с необработанной и обработанной механическими способами поверхностями. При этом следует отметить, что использование оптимальных технологических параметров процесса обработки поверхности ПКМ позволяет достичь преимущественно когезионного характера разрушения клеевых соединений, а применение режимов, отличающихся от оптимального, – адгезионного или смешанного (адгезионно-когезионного).

Результаты, представленные в табл. 1–3, получены на стандартных образцах, изготовленных в лабораторных условиях. Практический интерес представляет оценка эффективности выбранных способов подготовки поверхности ПКМ (химический и с использованием ПАД) при переходе от лабораторного способа изготовления к опытному путем формования клеевых соединений при склеивании ПКМ между собой и с алюминиевым сплавом Д16-АТ методом автоклавного, вакуумного формования и прессовым методом. В табл. 4–6 представлены результаты испытаний клеевых соединений, изготовленных в опытном производстве.

Эффективность выбранных (химический и с использованием ПАД) способов подготовки поверхности образцов из ПКМ на основе клеевых препрегов марок КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64 сохраняется в случае изготовления клеевых образцов в опытном производстве: прочность клеевых соединений в сравнении с необработанной и обработанной механическим (пескоструйным) способом поверхностями существенно (не менее чем на 20 %) увеличивается в диапазоне температур от 20 до 150 °С.

Заключения

На основании анализа научно-технической и патентной информации выявлено, что в настоящее время наиболее современным и эффективным способом подготовки поверхности ПКМ, обеспечивающим реализацию максимальной прочности клеевых соединений, является обработка химическими составами или с использованием ПАД.

Исследовано влияние рецептуры химических составов на эффективность обработки поверхности образцов ПКМ из клеевых препрегов КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64 по таким параметрам, как шероховатость и КУС. Установлено, что выбранные химические составы вызывают протравливание поверхности ПКМ, тем самым увеличивая шероховатость и снижая КУС.

Показано, что обработка поверхности ПКМ из клеевых препрегов КМКС-2м.120.Т10 и КМКС-4м.175.Т64 химическим составом с оптимальной рецептурой или с использованием ПАД обеспечивает более высокий уровень прочности клеевых соединений в сравнении с необработанной и обработанной механическим способом поверхностями. Эффективность выбранных способов подготовки поверхности ПКМ сохраняется в случае изготовления клеевых образцов в опытном производстве.