Углепластик на основе связующего с низкой температурой отверждения и углеродной равнопрочной ткани

Введение

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях планера гражданских самолетов является неотъемлемой частью современного самолетостроения, предъявляющего повышенные требования к прочностным и жесткостным характеристикам материала, а также стойкости к усталостным напряжениям. Можно констатировать, что ПКМ в определенной степени постепенно заменяют металлы в конструкции планера. Это связано с тем, что их применение обеспечивает снижение массы конструкции на 20–25% при сохранении требуемых упруго-прочностных характеристик. Объем применения ПКМ в современной авиационной технике постоянно возрастает, и в настоящее время детали и конструкции из ПКМ составляют до 50% от массы современных авиационных планеров, таких как Boeing-787 и Airbus A350 [1, 2].

На протяжении последних 20 лет наиболее широкое применение ПКМ находят в конструкциях механизации крыла и оперения гражданских самолетов. Однако доля отечественных материалов в данных конструкциях очень мала [3, 4].

В настоящее время в конструкции элементов механизации крыла самолета МС-21 предусмотрено применение углепластиков фирмы Cytec (США) на основе полимерной матрицы Cycom 970 с температурой отверждения 177°С. Материалы поставляются в Россию с заводов, расположенных в США и странах Евросоюза. Применение импортных ПКМ связано со следующими экономическими и технологическими рисками:

– указанные материалы подпадают под экспортный контроль со стороны властей США, и их поставка может быть приостановлена или прекращена в связи с изменением экономической или геополитической обстановки в мире;

– полуфабрикаты ПКМ имеют ограниченный срок хранения при 20°С (от 10 до 30 сут). В связи с этим транспортировка материалов осуществляется специальным транспортом в замороженном состоянии, что приводит к увеличению стоимости материалов и повышает риски, связанные с длительной транспортировкой, хранением, таможенным оформлением.

Применение российских материалов в конструкции самолета МС-21 позволит снизить технологическую и экономическую зависимость от стран Евросоюза и США и обеспечить создание новых высокотехнологичных рабочих мест.

В Российской Федерации в настоящее время для изготовления деталей и узлов самолетов нашли применение ПКМ на основе эпоксидных связующих марок ЭДТ-10 (композиция разработана в ВИАМ в 1965 г.), 5-211БН (ВИАМ – в 1975 г.), ЭДТ-69Н (ВИАМ – в 1986 г.), которые формуются по ступенчатому режиму и имеют достаточно высокую конечную температуру отверждения (180°С) и невысокую рабочую температуру – до 80°С. Данные связующие растворного типа содержат в своем составе спирто-ацетоновую смесь в качестве растворителя. При их переработке в ПКМ выделяется до 40% летучих веществ, что приводит к образованию сильной пористости в изделиях и, соответственно, падению упруго-прочностных свойств [5, 6].

Во ФГУП «ВИАМ» разработано эпоксидное связующее марки ВСЭ-34 с энергоэффективным режимом отверждения – последняя ступень отверждения при температурах не более 140°С. Связующее ВСЭ-34 обеспечивает повышенную технологичность и формирует в процессе отверждения прочную полимерную матрицу с максимальной реализацией в ПКМ прочности армирующих волокон при рабочих температурах не выше 100°С [7].

Данное современное связующее расплавного типа – при изготовлении полуфабрикатов (препрегов) на его основе не используются растворители с содержанием спирто-ацетоновой смеси. Расплавная технология позволяет получать ПКМ с низкой пористостью, так как при их формовании не выделяются в значительном количестве летучие вещества, что позволяет изготавливать изделия с более высокими упруго-прочностными свойствами.

Применение расплавных связующих с энергоэффективными режимами отверждения позволяет обеспечить снижение стоимости изготовления конструкций до 25% за счет упрощения технологии переработки препрегов, снижения трудоемкости, энергозатрат, затрат на вспомогательные материалы, оборудование, оснастку, увеличения производительности, улучшения условий труда и экологической безопасности [8, 9].

Во ФГУП «ВИАМ» разработан ряд материалов на основе отечественных связующих расплавного типа и импортных углеродных наполнителей [10]. В 2015 г. завершились работы по проведению паспортизации ПКМ марки ВКУ-45/3692 на основе связующего ВСЭ-34 и равнопрочной углеродной ткани фирмы Porcher Ind. (арт. 3692). Данный материал рекомендован для применения в конструкциях механизации крыла и оперения гражданских самолетов и удовлетворял всем требованиям к данному типу изделий, но был разработан на основе импортного наполнителя. На момент его разработки отсутствовал наполнитель отечественного производства, при использовании которого достигались бы необходимые упруго-прочностные характеристики. Имеющиеся отечественные равнопрочные ткани типа УТ-900 на основе жгутовых наполнителей типа УКН-П значительно уступают по уровню свойств импортной углеродной ткани фирмы Porcher Ind. (арт. 3692) [11, 12].

В РФ в настоящее время создано современное производство углеродного наполнителя в Республике Татарстан (г. Елабуга), по выпуску российских углеродных наполнителей с характеристиками, близкими к характеристикам углеродного наполнителя марки HTA-40(3K), на основе которого изготовлена импортная углеродная ткань фирмы Porcher Ind. (арт. 3692). Альтернативой данного жгутового наполнителя являются углеродные нити марки UMT40-3К. Во ФГУП «ВИАМ» разработана технологическая инструкция на изготовление углеродной ткани марки ВТкУ-5 на основе углеродных нитей марки UMT40-3К, которая является аналогом ткани фирмы Porcher Ind. (арт. 3692). Кроме того, проведена работа по замещению импортного углеродного наполнителя в углепластике ВКУ-45/3692.

При проведении данной работы исследованы углеродные наполнители и основные упруго-прочностные характеристики углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН на основе отечественного наполнителя ВТкУ-5 и расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-34, а также проведено их сравнение с отечественными и импортными аналогами по следующим свойствам: пределу прочности и модулю упругости при растяжении и сжатии, пределу прочности при межслойном сдвиге, пределу прочности и модулю упругости при сдвиге в плоскости листа. Основная цель работы – показать, что по основным свойствам разработанный материал не уступает импортному и отечественному аналогам.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы», раздел 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Углепластик марки ВКУ-45/UMT-3K.РТН изготавливали методом автоклавного формования из препрега на основе эпоксидного связующего ВСЭ-34 и углеродной ткани ВТкУ-5, на основе углеродных нитей UMT40-3К (рис. 1) [13, 14].

Рис. 1. Препрег углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН

Препрег углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН получали по расплавной технологии методом пропитки на специализированном участке изготовления препрегов во ФГУП «ВИАМ». Наработку препрега осуществляли на пропиточной установке Coateama BL-2800.

Плиты углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН изготовлены методом послойной выкладки препрега с последующим формованием в автоклаве фирмы Magnabosco с энергоэффективным режимом отверждения (последняя ступень отверждения при температурах – не более 140°С) [15].

Образцы для испытаний изготовлены из плит углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН на автоматизированном отрезном станке с водяным охлаждением. Исследованы также свойства ткани ВТкУ-5 и исходной углеродной нити UMT40-3К.

При исследовании свойств углеродной нити и ткани применялись следующие методы: определение линейной плотности углеродного жгута – по ГОСТ 6611.1, определение линейных размеров и поверхностной плотности ткани – по ГОСТ 29104.1, определение количества нитей по основе и утку – по ГОСТ 29104.3.

При исследовании упруго-прочностных характеристик применяли следующие методы: определение предела прочности и модуля упругости при растяжении – по ASTM D3039, определение предела прочности и модуля упругости при сжатии – по ASTM D6641, определение предела прочности при межслойном сдвиге – по ASTM D2344, определение предела прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости листа – по ASTM D3518/D3518M.

Испытания образцов проводили на испытательной машине W+b LFM 250 (Швейцария), Zwick Roell Z-100 и Z-400 (Германия). Для взвешивания образцов использовали электронные весы с диапазоном измерения от 0 до 820 г с дискретностью отсчета 0,01 г (класс точности ΙΙΙ по ГОСТ Р53-228); для определения линейных размеров – металлическую линейку по ГОСТ 427; для определения температуры и влажности – термогигрометр «ИВА-6Н» по ТУ 4311-011-18513042.

Результаты

При проведении работы исследованы характеристики ткани ВТкУ-5 на основе углеродных нитей UMT40-3К в сравнении с зарубежными и отечественными аналогами.

Характеристики углеродных нитей UMT40-3К в сравнении с зарубежным (HTA40(3K)) и отечественным (УКН-М-3К) аналогами приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики углеродных нитей UMT40-3К

в сравнении с зарубежным и отечественным аналогами

По показателям предела прочности и модуля упругости при растяжении комплексные нити марок UMT40-3К и HTA40(3K) находятся на одном уровне. Поэтому можно сделать вывод, что упруго-прочностные характеристики ПКМ на основе данных нитей будут пропорциональны при одинаковых поверхностной плотности наполнителя, типе переплетения и содержании связующего в препреге и углепластике. Предел прочности при растяжении комплексной нити УКН-М-3К ниже, чем у нитей марок UMT40-3К и HTA40(3K), соответственно прочность пластика при аналогичных условиях будет также ниже. По показателю линейной плотности нити марок UMT40-3К и HTA40(3K) находятся на одном уровне, что позволяет изготовить на их основе ткани с одной и той же поверхностной плотностью при одинаковом типе переплетения.

В табл. 2 приведены характеристики ткани ВТкУ-5, изготовленной по разработанной во ФГУП «ВИАМ» технологии, в сравнении с зарубежным и отечественным аналогами. Отклонение поверхностной плотности, ширины ткани и количества нитей на сантиметр ткани от указанных значений по результатам исследований не превышает 1–2%, что свидетельствует о стабильности свойств углеродной ткани.

Таблица 2

Характеристики ткани ВТкУ-5 в сравнении с зарубежным и отечественным аналогами

Таким образом, по основным параметрам ткань ВТкУ-5 является аналогом импортной ткани фирмы Porcher Ind. (арт. 3692). Ткань УТ-900-3 имеет более плотное переплетение и поверхностную плотность, меньшую ширину и получена на основе менее прочных нитей УКН-М-3К.

При проведении работ по исследованию свойств разработанного углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН на основе отечественной равнопрочной углеродной ткани ВТкУ-5 и связующего ВСЭ-34 определены его основные упруго-прочностные характеристики при температуре в помещении от 18 до 25°С и влажности воздуха не более 60%. Пределы прочности и модули упругости при растяжении и сжатии определяли в направлениях основы и утка с целью установить степень влияния типа переплетения углеродной ткани на прочность полученного углепластика. Данные представлены в виде диаграмм с указанием средних значений характеристик по результатам испытаний не менее десяти образцов углепластика.

На рис. 2 показаны результаты испытаний по определению предела прочности и модуля упругости при растяжении углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН в сравнении с аналогами с приложением нагрузки в направлении основы и утка.

Рис. 2. Предел прочности (а) и модуль упругости (б) при растяжении углепластика
ВКУ-45/UMT-3K.РТН (■) по сравнению с отечественными (ВКУ-45/3692 (■) и УТ-900-3 (■)) и зарубежным (Cytec (■)) аналогами

По показателю предела прочности при растяжении углепластики марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692 находятся на одном уровне, превышая данный показатель для аналога фирмы Cytec более чем на 10% и для углепластика на основе ткани УТ-900-3 – более чем на 20%.

Показатель модуля упругости при растяжении для углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН превышает данные показатели для отечественного аналога марки ВКУ-45/3692 и зарубежного аналога фирмы Cytec на 5–8% и для углепластика на основе ткани УТ-900-3 – более чем на 10%.

При этом для углепластиков марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692 в направлении [90°] данные свойства приблизительно на 5–10% ниже, чем в направлении [0°], а для углепластика на основе ткани УТ-900-3 – ниже более чем на 20%, что обусловлено особенностями изготовления углеродных тканей – полотняным переплетением ткани УТ-900-3 и саржевым переплетением ткани ВТкУ-5. Для углепластика
ВКУ-45/UMT-3K.РТН падение свойств в направлении уточной нити незначительно и может быть обусловлено не столько переплетением, сколько особенностями протяжки углеродной ткани при изготовлении полуфабриката (препрега).

На рис. 3 показаны результаты испытаний по определению предела прочности при сжатии углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН в сравнении с аналогами с приложением нагрузки в направлении основы и утка.

Рис. 3. Предел прочности при сжатии углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН (■) по сравнению с отечественными (ВКУ-45/3692 (■) и УТ-900-3 (■)) и зарубежным (Cytec (■)) аналогами

По показателю предела прочности при сжатии углепластики марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692, а также аналог фирмы Cytec находятся на одном уровне, превышая данный показатель для углепластика на основе ткани УТ-900-3 более чем на 20%. От направления приложения нагрузки данный показатель практически не зависит для углепластиков марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692, а также для аналога фирмы Cytec вследствие одинакового саржевого переплетения, за исключением углепластика на основе ткани УТ-900-3, для которого падение данного показателя в направлении [90°] составляет ~8% по причине полотняного типа переплетения.

Рис. 4. Предел прочности и модуль упругости при сдвиге в плоскости листа углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН (■) по сравнению с отечественным (ВКУ-45/3692 (■)) и зарубежным (Cytec (■)) аналогами

На рис. 4 показаны результаты испытаний по определению предела прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости листа углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН в сравнении с зарубежным и отечественным (на основе импортных наполнителей) аналогами. Испытание проводили с приложением нагрузки в направлении [±45°].

По значению предела прочности и модуля упругости при сдвиге в плоскости листа углепластики марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692, а также аналог фирмы Cytec находятся на одном уровне. Данный показатель для аналога на основе ткани
УТ-900-3 не определяли.

На рис. 5 показаны результаты определения предела прочности и модуля упругости при межслойном сдвиге углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН в сравнении с зарубежным и отечественными (на основе импортных наполнителей) аналогами. Испытание проводили с приложением нагрузки в направлении основы.

Рис. 5. Предел прочности при межслойном сдвиге углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН (■) по сравнению с отечественными (ВКУ-45/3692 (■) и УТ-900-3 (■)) и зарубежным (Cytec (■)) аналогами

По показателю предела прочности при межслойном сдвиге углепластики марок ВКУ-45/UMT-3K.РТН и ВКУ-45/3692 находятся на одном уровне, превышая данный показатель для аналога фирмы Cytec более чем на 8% и более чем на 30% – для углепластика на основе ткани УТ-900-3. Такое значительное отличие по этому показателю отечественного аналога на основе ткани УТ-900-3 обусловлено, прежде всего, устаревшим типом растворного связующего, характеризующегося образованием матрицы с высокой пористостью и низкой прочностью, что имеет определяющее значение при обеспечении прочной связи между слоями углеродной ткани в отвержденном пластике.

Обсуждение и заключения

При проведении данной работы разработан новый высокотехнологичный полуфабрикат (препрег) углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН на основе эпоксидного связующего ВСЭ-34 расплавного типа с энергоэффективным режимом отверждения, который разработан во ФГУП «ВИАМ», и армирующего наполнителя в виде равнопрочной углеродной ткани ВТкУ-5 на основе нитей UMT40-3К. Показано, что углеродная ткань ВТкУ-5 является аналогом импортной ткани фирмы Porcher Ind. (арт. 3692).

Разработанный материал изготавливается на опытных производственных мощностях ФГУП «ВИАМ» и предназначен для применения в конструкциях механизации крыла и оперения гражданских самолетов взамен импортных материалов фирмы Cytec и отечественных материалов на основе импортных наполнителей.

На основании проведенных испытаний можно сделать вывод, что разработанный углепластик ВКУ-45/UMT-3K.РТН по своим упруго-прочностным характеристикам (предел прочности и модуль упругости при растяжении, предел прочности и модуль упругости при сжатии, предел прочности при межслойном сдвиге, предел прочности и модуль упругости при сдвиге в плоскости листа) не уступает, а иногда и превышает показатели свойств зарубежного и отечественного аналогов.

Все проведенные исследования свидетельствуют о высоком качестве углеродного наполнителя, расплавного связующего и полученных на их основе образцов углепластика ВКУ-45/UMT-3K.РТН.

Исследования углепластика проводили на опытных партиях материала и по основным механическим свойствам. Для дальнейшего внедрения в изделия авиационной техники требуется провести испытания в объеме общей и специальной квалификации по нескольким партиям, в том числе механических свойств при пониженных и повышенных температурах, длительные испытания, а также испытания после выдержки в химических средах и особых климатических условиях.

В настоящее время данный материал проходит технологическое опробование и специальную квалификацию на предприятиях отрасли, включающее автоматизированный раскрой препрега, ручную выкладку пакетов с подбором количества слоев и укладок, выбор оптимальных режимов формования для изготовления прототипов агрегатов, а также изготовления и исследования физико-механических свойств образцов.