Введение

Развитие авиационной техники невозможно без разработки и внедрения новых материалов, отвечающих современным требованиям. Материалы всегда были основой для создания тех или иных конструктивных инженерных решений.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят все большее применение не только в авиации, но и в других отраслях экономики. По объемам использования в мире они существенно опередили многие материалы [1]. Особенно широко и эффективно ПКМ используются в высокотехнологичных отраслях. В настоящее время нет ни одного летательного аппарата, в конструкции которого не были бы использованы композиты. В некоторых конструкциях планера современных летательных аппаратов объем использования ПКМ достигает 60%.

Расширяется применение ПКМ и в гражданских секторах экономики. К наиболее перспективным рынкам ПКМ в России в настоящее время можно отнести строительную отрасль, нефтегазовую промышленность, железнодорожный и автомобильный транспорт, судостроение. В этих отраслях реализуются главные преимущества ПКМ, такие как высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред и неблагоприятных условий эксплуатации, а также сравнительно низкая плотность самих материалов [2].

Обеспечение безопасности эксплуатации авиационной техники предъявляет жесткие требования к надежности применяемых материалов. Для применения ПКМ в особо ответственных конструкциях изделий авиационной техники требуются новые подходы к разработке, исследованию свойств и квалификации композитов. Особое внимание уделяется исследованию свойств материалов после воздействия различных климатических факторов, что позволяет прогнозировать их ресурс [3, 4].

Необходимость учета воздействия климатических факторов на характеристики материалов отражена и в Авиационных правилах [5, 6].

Полимерные материалы под воздействием комплекса климатических факторов (температуры, влажности, циклического воздействия температуры, солнечного излучения и др.) могут существенно изменять свои характеристики, что необходимо учитывать при эксплуатации данных материалов в изделиях авиационной техники.

Проблема сохраняемости характеристик материалов особенно остро стоит при эксплуатации авиационной техники в районах с воздействием жестких климатических условий – всеклиматических, а также тропического и морского климата. Поэтому материалы проходят комплексные климатические испытания в лабораторных условиях и натурные испытания в различных климатических зонах России и мира. Особенно сильное воздействие климатические факторы оказывают на прочностные свойства материала [7].

В большинстве случаев процессы старения зависят от состава материала: типа наполнителя, химического состава связующего, технологии изготовления и др., а также от влияния климатических факторов.

Длительная работа материалов в конструкции связана с накоплением в них необратимых повреждений. Процессы старения ПКМ развиваются в двух направлениях: с одной стороны, это процессы, которые приводят к деградации свойств материала, а с другой – к их стабилизации. Преобладание того или иного процесса предопределяет работоспособность материалов на определенных этапах старения [8].

В зависимости от области применения материала в изделии определяют вид и режим климатического воздействия и исследуемые показатели свойств (характеристики) после климатического старения.

Для тканепленочных материалов, используемых при изготовлении аварийно-спасательного оборудования: надувных трапов, надувных трапов-плотов, надувных рамп-трапов, – сохранение основных характеристик после старения имеет большое значение. За рубежом на данные материалы распространяются требования международного технического стандарта TSO‑C69c, который регламентирует определяющие характеристики свойств и их допустимые значения как в исходном состоянии, так и после старения.

В период с 2007 по 2012 г. во ФГУП «ВИАМ» для аварийно-спасательного оборудования разработаны тканепленочные материалы следующих марок: ВРТ-9 – с теплоотражающим покрытием для надувной оболочки трапа, ВРТ-10 – для дорожки скольжения,ВРТ-11 – для баллонета. Исследования свойств тканепленочных материалов ВРТ-9 и ВРТ-10 в исходном состоянии и после климатических воздействий приведены в ряде статей [9–11].

Баллонеты пневматического трапа на вертолете Ми-28 хранятся в сложенном состоянии в ящике из стеклопластика за бортом вертолета. При возникновении внештатных ситуаций баллонет используется один раз. Вертолеты Ми-28 эксплуатируются в различных климатических зонах, в том числе и в субтропиках, где наблюдаются большие перепады дневной и ночной температуры, поэтому баллонеты подвергаются воздействию солнечных лучей и конденсата. Условия эксплуатации баллонета предполагают необходимость проведения эксплуатационных и климатических испытаний тканепленочного материала, применяемого для их изготовления.

Большое внимание уделяется исследованию свойств авиационных материалов после воздействия климатических факторов: исследованы прочностные и пожаробезопасные свойства конструкционного термопластичного углепластика на полифениленсульфидной матрице после натурных испытаний [12, 13], определена температура стеклования нагруженных образцов углепластика КМУ-11тр после натурных и ускоренных воздействий [14]. Проведенные лабораторные тепловлажностные и натурные испытания углепластика и стеклопластика на основе эпоксидного связующего ВСЭ-20 позволили установить, что процессы протекающие при данных воздействиях в исследуемых ПКМ различны [15]. Большое значение придается сохранению характеристик после старения текстильных материалов [16], акустических полимерных материалов [17], резин [18] и др.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 17.6. «Тканепленочные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

Материалы и методы

Цель данной работы – определение оценки сохраняемости основных свойств после имитации воздействия климатических факторов для тканепленочного материала для баллонета пневматического трапа для аварийного покидания кабины вертолета.

Для проведения исследований изготовлен тканепленочный материал, состоящий из полиэфирной ткани (арт. 208) с двухсторонним полиуретановым покрытием на основе каучука СКУ-8ТБ с функциональными добавками [18], обладающий следующими исходными показателями свойств:

В соответствии с условиями эксплуатации вертолетов Ми-28, а также существующими стандартами и техническими требованиями для данных изделий выбраны следующие эксплуатационные факторы: повышенная температура (тепловое старение), тропический влажный климат, циклический перепад температур и микологическая среда (грибостойкость).

Испытания на тепловое старение (тепловой ресурс, ОСТ 6-10-422–78) материала проводили при температурах: 80°С – в течение 200 ч и 100°С – в течение 100 и 200 ч.

Испытания на циклический перепад температур (ГОСТ 9.707–81) проводили при температурах -60 и +100°С в течение 8 циклов. Режим одного цикла: выдержка при температуре -60°С в течение 1 ч, выдержка при комнатной температуре 0,5 ч, выдержка при температуре +100°С в течение 1 ч, выдержка при комнатной температуре 0,5 ч.

Имитацию влажного тропического климата проводили в тропической камере (СТП 1-595-20-100–2002), образцы выдерживали в течение 1 и 3 мес. Режим испытания суточного цикла: температура 50°С, φ=98% в течение 8 ч; температура 20°С, φ=98% в течение 12 ч; температура 20°С, φ=65% в течение 4 ч.

После воздействия эксплуатационных факторов определены следующие свойства материала:

– разрывная нагрузка (ГОСТ 173160);

– сопротивление раздиранию (ГОСТ 17074);

– водородонепроницаемость (М38 Заг 405629–86);

– сохранение герметичности (ММ 1-595-20-363–2008).

Температура испытания образцов после эксплуатационных воздействий составляла 23±3°С. Испытания на водородонепроницаемость проводили в ОАО «НИИРП». Сущность методов испытаний – определение водородонепроницаемости и сохранение герметичности – описана в ранее опубликованной работе [20].

Испытания на влияние воздействия микологической среды (грибостойкость) проводили в течение 3 мес по ГОСТ 9.048; после воздействия определяли разрывную нагрузку материала. Исследованы также прочностные свойства материала после непосредственного воздействия температур +80, +100, +120 и -60°С в течение 15 мин.

Климатические испытания материала (естественное старение) проводили в условиях неотапливаемого склада в Геленджикском центре климатических испытаний им. Г.В. Акимова (ГЦКИ ВИАМ) – зона сухих субтропиков и в г. Москве – зона умеренного климата. Продолжительность экспозиции образцов составляла 1 год. После экспозиции образцов определена разрывная нагрузка (ГОСТ 173160).

Результаты и обсуждение

Результаты исследования физико-механических свойств и газопроницаемости по водороду образцов из тканепленочного материала для баллонета после воздействия эксплуатационных факторов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты исследования физико-механических свойств тканепленочного
материала для баллонета после воздействия эксплуатационных факторов

Из данных, приведенных в табл. 1, видно, что наибольшее снижение прочностных свойств тканепленочного материала происходит в поперечном направлении после его выдержки в течение 1 мес в тропической камере: разрывной нагрузки – на 20,6%, сопротивления раздиранию – на 29,5%. Однако испытания образцов после выдержки в тропической камере в течение 3 мес показали, что прочностные свойства материала возрастают. Можно предположить, что в процессе выдержки материала происходит довулканизация полиуретанового покрытия. Газопроницаемость по водороду изменяется (уменьшается) незначительно.

Результаты сохранения герметичности тканепленочного материала для баллонета после воздействия эксплуатационных факторов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты определения герметичности гибких герметичных материалов

при имитации эксплуатационных испытаний

Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что наибольшее снижение перепада давления при определении сохранения герметичности в течение 15 мин составляет в среднем 4 кПа , при сохранении герметичности 98,56% после воздействия теплового старения при температуре 100°С в течение 200 ч. В остальных случаях падения давления не происходит или оно возрастает при сохранении герметичности в пределах от 98,43 до 99,68%. Согласно данной методике испытаний, можно сделать вывод, что у испытанных образцов тканепленочного материала наблюдается сохранение герметичности при воздействии избыточного давления 0,02 МПа.

Исследование грибостойкости материала показало, что материал является грибостойким – балл обрастания грибами 2 в соответствии с шестибалльной шкалой (ГОСТ 9.048).

Величина разрывной нагрузки после выдержки в течение 3 мес при φ=98% и φ=98%+микологическая среда по основе/утку соответственно составляет 2438/1784 Н и 2502/1712 Н, т. е. фактически осталась на прежнем уровне.

Результаты испытаний прочностных свойств тканепленочного материала при непосредственном воздействии температур +80, +100, +120 и -60°С (продолжительность воздействия 15 мин) приведены на рисунке, а, а удлинения при разрыве – на рисунке, б.

Изменение разрывной нагрузки (а) и удлинения при разрыве (б) при непосредственном воздействии температуры +20 (■), +80 (■), +100 (■), +120 (■) и -60°С (■)

Из приведенных данных видно, что с увеличением температуры происходит более значительное снижение прочности материала, что объясняется использованием в качестве текстильной основы полиэфирной ткани. Известно, что полиэфирные ткани обладают высокой термостойкостью – температура плавления полиэфирных волокон составляет 218°С, существенное падение прочности у полиэфира начинается после 180°С. При воздействии повышенных температур (в данном случае: 80, 100 и 120°С) происходит размягчение волокон и, соответственно, снижение прочности ткани. Однако данному виду волокна свойственно после охлаждения до 20°С восстанавливать прочность, что и наблюдается после длительного воздействия температуры при испытании материала на тепловое старение и циклический перепад температур (табл. 1). Хотя при непосредственном воздействии температуры и происходит снижение прочности материала, однако значение прочности остается на высоком уровне. Удлинение при разрыве также снижается.

При действии отрицательной температуры прочность материала снижается незначительно, а удлинение уменьшается, при этом материал не становится хрупким.

Таблица 3

Прочностные характеристики материала после климатического воздействия
в условиях неотапливаемого склада

Результаты определения прочностных свойств материала после климатического воздействия приведены в табл. 3.

Из приведенных данных видно, что значения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве по основе после климатического воздействия в течение 1 года в условиях неотапливаемого склада в ГЦКИ ВИАМ и в г. Москве незначительного повышаются, по утку – незначительно снижаются.

Заключения

Исследован комплекс свойств тканепленочного материала, состоящего из полиэфирной ткани (арт. 208) с двухсторонним полиуретановым покрытием на основе каучука СКУ-8ТБ с функциональными добавками, предназначенного для изготовления баллонета пневматического трапа для аварийного покидания кабины вертолета.

Результаты исследования свойств данного материала в исходном состоянии и после воздействий эксплуатационно-климатических факторов (повышенная температура, влажность, плесневые грибы, воздействие влажного тропического климата и др.) показали, что свойства материала изменяются незначительно, что подтверждает его работоспособность при температурах от -60 до +80°С.