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 [1]. Их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкций, повышение ресурса эксплуатации, 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) [2–5].

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 А350 композиты занимают ~53% массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы применения углепластиков в элементах конструкции новых изделий: ПАО «Компания «Сухой» – в самолете SSJ NG, ПАО Корпорация «Иркут» – в самолете МС-21. Решение этой задачи вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и современного уровня развития технологий [6, 7].

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 [8–14].

Целью данной работы является 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).

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом автоклавного формования конструкционный углепластик ВКУ-29 на основе равнопрочной углеродной ткани Porcher (арт. 4510) с поверхностной плотностью 200±10 г/м² и связующего марки ВСЭ-1212. Физико-механические характеристики углепластика ВКУ-29 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства конструкционного углепластика ВКУ-29, изготовленного

методом автоклавного формования

Углепластик марки ВКУ-29 (см. рисунок) рекомендуется для изготовления конструкций гражданской авиационной техники, в том числе деталей силовых конструкций планера: крыла, центроплана, элементов механизации, звукопоглощающих конструкций двигателя. Углепластик марки ВКУ-29 может эксплуатироваться в диапазоне температур от -60 до +120°С с кратковременным забросом температуры до 150°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-29 при максимальной рабочей температуре 120°С составляет: 89% – по пределу прочности при растяжении, 82% – по пределу прочности при сжатии, 71% – по пределу прочности при изгибе.

Углепластик ВКУ-29

Исследование влияния внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-29 проводили в указанных далее условиях.

Тепловое старение проводили в воздушном термостате при температуре 120°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 пределы прочности углепластика при изгибе и сдвиге.

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

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

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

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

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

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

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

Результаты

В табл. 2 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-29 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-29 при изгибе составляет 91% при 20°С и 77% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 95 и 89% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 2

Свойства углепластика ВКУ-29 после экспозиции в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%

Результаты испытаний углепластика ВКУ-29 после теплового старения при 120°С представлены в табл. 3. Установлено, что после теплового старения в течение 2000 ч уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 96% при 20°С и 96% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 99 и 98% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах.

Таблица 3

Свойства углепластика ВКУ-29 после теплового старения

при максимальной рабочей температуре 120°С

В табл. 4 представлены результаты исследования водостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в воде уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 87% при 20°С и 76% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 100 и 77% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,6% от исходной массы образца.

Таблица 4

Водостойкость образцов из углепластика ВКУ-29

В табл. 5 представлены результаты исследования влагостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в среде с повышенной влажностью (98%) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 91% при 20°С и 75% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 98 и 72% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,5% от исходной массы образца.

Таблица 5

Влагостойкость образцов из углепластика ВКУ-29

В табл. 6 представлены результаты исследования топливостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в топливе ТС-1 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 93% при 20°С и 75% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 100 и 89% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,2% от исходной массы образцов.

Таблица 6

Топливостойкость образцов из углепластика ВКУ-29

В табл. 7 представлены результаты исследования маслостойкости углепластика ВКУ-29. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в масле ИПМ-10 уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 94% при 20°С и 82% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 98 и 87% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,1% от исходной массы образцов. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в масле МС-8П уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 94% при 20°С и 80% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 100 и 91% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,1% от исходной массы образцов.

Таблица 7

Маслостойкость образцов из углепластика ВКУ-29

В табл. 8 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-29 к противообледенительной жидкости. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в противообледенительной жидкости Арктика ДГ уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 93% при 20°С и 89% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 96 и 83% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,3% от исходной массы образцов.

Таблица 8

Стойкость углепластика ВКУ-29 к противообледенительной жидкости

В табл. 9 представлены результаты исследования стойкости углепластика ВКУ-29 к растворителям. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в растворителе (денатурированный спирт) уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 96% при 20°С и 100% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 94 и 85% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,3% от исходной массы образцов. После выдержки в течение 90 сут образцов из углепластика с незащищенными торцами в растворителе нефрас уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-29 при изгибе составляет 97% при 20°С и 85% – при 120°С, а при сдвиге – соответственно 100 и 92% в сравнении с исходными значениями при указанных температурах. Привес образцов из углепластика при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,05% от исходной массы образцов.

Таблица 9

Стойкость углепластика ВКУ-29 к растворителям

Обсуждение и заключения

Проведены исследования по влиянию факторов внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на стабильность свойств углепластика ВКУ-29, изготовленного методом автоклавного формования. Показано, что уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-29 после экспозиции в камере тепловлажностного старения составляет не менее 77%, при воздействии максимальной рабочей температуры 120°С в течение 2000 ч – не менее 96%, при воздействии эксплуатационных жидкостей – не менее 72% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 120°С).