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 [2]. Их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкций, повышение эксплуатационного ресурса, 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 [3–6].

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 А-350 композиты занимают ~53% массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы применения углепластиков в элементах конструкции новых изделий – ПАО «Компания «Сухой» в SSJ NG и ПАО «Корпорация «Иркут» в МС-21. Решение этой задачи вполне реально, учитывая высокие механические свойства углепластиков и современный уровень развития технологий [7, 8].

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 [9–15].

Цель данной работы – 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).

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом автоклавного формования конструкционный углепластик ВКУ-39 на основе равнопрочной углеродной ткани Porcher (арт. 3692) с поверхностной плотностью 200±10 г/м² и связующего марки ВСЭ-1212. Физико-механические характеристики углепластика ВКУ-39 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства конструкционного углепластика ВКУ-39, изготовленного методом

автоклавного формования

Углепластик ВКУ-39 (см. рисунок) рекомендуется для изготовления конструкций гражданской авиационной техники, в том числе деталей силовых конструкций планера: крыла, центроплана, элементов механизации, звукопоглощающих конструкций двигателя. Углепластик ВКУ-39 может эксплуатироваться в диапазоне температур от -60 до +120°С с кратковременным забросом температуры до 150°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-39 при максимальной рабочей температуре 120°С составляет: 92% – предел прочности при растяжении, 75% – предел прочности при сжатии, 76% – предел прочности при изгибе.

Внешний вид углепластика ВКУ-39

Исследование влияния внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-39 проводили в указанных далее условиях.

Тепловое старение проводили в воздушном термостате при температуре 150°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 прочность углепластика при изгибе и сдвиге.

Климатическое старение углепластика проводили в камере солевого тумана, позволяющей создать следующий режим испытаний: водность 2–3 г/м³, дисперсность 15 мкм, температура 35°С. После экспозиции в камере определяли прочность при изгибе и сдвиге.

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

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

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

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

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

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

Механические испытания углепластиков проводили на испытательной машине Zwick/Roell Z400 в соответствии с ASTM D 7264/D 7264M (предел прочности при изгибе) и ASTM D 2344/D 2344M (предел прочности при сдвиге).

Результаты и обсуждение

В табл. 2 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-39 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-39 при изгибе составляет 99% при 20°С и 96% при 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20°С и 95% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 2

Свойства углепластика ВКУ-39 после экспозиции в камере тепловлажностного старения

при температуре 60°С и относительной влажности 85%

В табл. 3 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-39 после экспозиции в камере солевого тумана. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в течение 90 сут уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе и сдвиге составляет 100% при 20 и 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 3

Свойства углепластика ВКУ-39 после экспозиции в камере солевого тумана

Результаты испытаний углепластика ВКУ-39 после теплового старения при 120°С представлены в табл. 4. Установлено, что после теплового старения в течение 2000 ч уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе и сдвиге составляет 100% при 20 и 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 4

Свойства углепластика ВКУ-39 после теплового старения

при максимальной рабочей температуре 150°С

В табл. 5 представлены результаты исследования водостойкости углепластика ВКУ-39. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в воде уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20°С и 92% при 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20°С и 86% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,3% от исходной массы образца.

Таблица 5

Водостойкость образцов углепластика ВКУ-39

В табл. 6 представлены результаты исследования влагостойкости углепластика ВКУ-39. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в среде с повышенной влажностью (98%) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20°С и 92% при 120°С, при сдвиге составляет 95% при 20°С и 80% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,3% от исходной массы образца.

Таблица 6

Влагостойкость образцов углепластика ВКУ-39

В табл. 7 представлены результаты исследования топливостойкости углепластика ВКУ-39. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в топливе ТС-1 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20 и 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20°С и 93% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,05% от исходной массы образца.

Таблица 7

Топливостойкость образцов углепластика ВКУ-39

В табл. 8 представлены результаты исследования маслостойкости углепластика ВКУ-39. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в масле ИПМ-10 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20 и 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20°С и 93% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,06% от исходной массы образца. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в масле МС-8П уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20°С и 98% при 120°С, при сдвиге составляет 98% при 20°С и 100% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,05% от исходной массы образца.

Таблица 8

Маслостойкость образцов углепластика ВКУ-39

В табл. 9 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-39 к противообледенительной жидкости. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в противообледенительной жидкости Арктика ДГ уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20 и 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20°С и 97% при 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,09% от исходной массы образца.

Таблица 9

Стойкость углепластика ВКУ-39 к противообледенительной жидкости

В табл. 10 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-39 к растворителям. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в растворителе (денатурированный спирт) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 97% при 20°С и 92% при 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20 и 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационной жидкости не превышает 0,06% от исходной массы образца. После выдержки в течение 90 сут образцов углепластика с незащищенными торцами в растворителе нефрас уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-39 при изгибе составляет 100% при 20°С и 98% при 120°С, при сдвиге составляет 100% при 20 и 120°С в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационной жидкости не превышает 0,04% от исходной массы образца.

Таблица 10

Стойкость углепластика ВКУ-39 к растворителям

Заключения

Проведены исследования по влиянию факторов внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на стабильность свойств углепластика ВКУ-39, изготовленного методом автоклавного формования. Показано, что уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-39 после экспозиции в камерах тепловлажностного старения и солевого тумана составляет не менее 95%, при воздействии эксплуатационных жидкостей – не менее 80% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 120°С).