Статьи
Исследовано влияние климатических факторов и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-27Л на основе армирующей углеродной ткани и связующего ВСТ-1208, изготовленного методом автоклавного формования. Показано, что углепластик ВКУ-27Л имеет высокий уровень сохранения свойств (не менее 82% от исходного значения) при воздействии факторов внешней среды (тепловое и тепловлажностное старение; стойкость к воде, влаге, топливу, маслу, противообледенительной жидкости и растворителю).
Введение
Развитие авиационной техники требует совершенствования и внедрения новейших материалов и технологий их изготовления. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) прочно завоевали место среди конструкционных материалов в авиационной промышлености [1]. Их использование взамен металлических сплавов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурс эксплуатации, снизить трудоемкость изготовления и материалоемкости. Уменьшение массы авиационных конструкций путем использования новых материалов позволит снизить потребление топлива и увеличить полезную нагрузку (число пассажиров и полезного груза) [2–5].
Иностранные фирмы, такие как Airbus и Boeing, проводят исследования с целью увеличения объема использования углепластиков до 60% от массы конструкции летательных аппаратов. В настоящий момент фирма Airbus – лидер по количеству применения ПКМ. В конструкции самолета А350 композиты занимают около 53% от массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы использования углепластиков в элементах конструкции новых изделий – ПАО «Компания «Сухой» в самолете SSJ NG и ПАО «Корпорация «Иркут» в самолете МС-21. Решение этой проблемы вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и высокого уровня развития технологий [6, 7].
При использовании и хранении на изделия из ПКМ воздействуют температура и влажность окружающей среды. В зависимости от применения изделия из ПКМ подвергаются либо продолжительному и непрерывному воздействию температуры и влажности окружающей среды, либо кратковременным воздействиям этих факторов. Значения температуры и влажности зависят от климатической зоны и ряда других факторов, напрямую 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 комплексной научной проблемы 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-27Л на основе равнопрочной углеродной ткани Porcher (арт. 14535) с поверхностной плотностью 130±5 г/м2 и связующего марки ВСТ-1208. Далее приведены физико-механические характеристики конструкционного углепластика ВКУ-27Л, изготовленного методом автоклавного формования:
Предел прочности при растяжении, МПа |
1920 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа |
135 |
Предел прочности при сжатии, МПа |
1380 |
Модуль упругости при сжатии, ГПа |
130 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа |
80 |
Предел прочности при изгибе, МПа |
1190 |
Внешний вид углепластика ВКУ-27Л
Углепластик марки ВКУ-27Л (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-27Л может эксплуатироваться в диапазоне температур от -60 до +170°С с кратковременным забросом температуры до 190°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-27Л при максимальной рабочей температуре 170°С составляет: 98% – по пределу прочности при растяжении, 85% – по пределу прочности при сжатии и 74% – по пределу прочности при изгибе.
Исследование влияния внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-27Л проводили в указанных далее условиях.
Тепловое старение образцов проводили в воздушном термостате при температуре 170°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.
Влагостойкостьобразцов 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 жидкостиобразцов 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 растворителямобразцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре 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 углепластиков 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 и обсуждение
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после выдержки в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85% показаны в табл. 1. Выявлено, что выдержка в вышеуказанных условиях на протяжении 90 сут влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 99% – при 20°С и 94% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания.
Таблица 1
Результаты испытаний углепластика ВКУ-27Л после экспозиции в камере
тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1170 780 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 55 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после теплового старения при 170°С показаны в табл. 2. Выявлено, что выдержка в вышеуказанных условиях на протяжении 2000 ч влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 98% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания.
Таблица 2
Результаты испытаний углепластика ВКУ-27Л после теплового старения при 170°С
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1160 840 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 55 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на водостойкость показаны в табл. 3. Выявлено, что выдержка в воде на протяжении 90 сут образцов из углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 98% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 88% – при 20°С и 87% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,6% от первоначального показателя.
Таблица 3
Водостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1130 815 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
70 48 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на влагостойкость показаны в табл. 4. Выявлено, что выдержка в среде с повышенной влажностью (98%) на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 93% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 100% – при 20°С и 91% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,5% от первоначального показателя.
Таблица 4
Влагостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1125 775 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 50 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на топливостойкость показаны в табл. 5. Выявлено, что выдержка в топливе ТС-1 на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 100% – при 20°С и 91% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.
Таблица 5
Топливостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1130 830 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 50 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на маслостойкость показаны в табл. 6. Выявлено, что выдержка в масле ИПМ-10 на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 97% – при 20°С и 96% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя. Выявлено, что выдержка в масле МС-8П на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 97% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.
Таблица 6
Маслостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л
Свойства |
Значения свойств |
||
в исходном состоянии |
после экспозиции |
||
в масле ИПМ-10 |
в масле МС-8П |
||
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1145 800 |
1155 840 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
90 55 |
85 55 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на стойкость к противообледенительной жидкости показаны в табл. 7. Выявлено, что выдержка в противообледенительной жидкости Арктика ДГ на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 100% – при 20°С и 99% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.
Таблица 7
Стойкость углепластика ВКУ-27Л к противообледенительной жидкости
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
1180 825 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 55 |
Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на стойкость к растворителям показаны в табл. 8. Выявлено, что выдержка в растворителе (денатурированный спирт) на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 82% – при 20°С и 84% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,2% от первоначального показателя.
Таблица 8
Стойкость углепластика ВКУ-27Л к растворителю
Свойства |
Значения свойств |
|
в исходном состоянии |
после экспозиции в растворителе – денатурированном спирте |
|
Предел прочности при изгибе, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
1185 830 |
970 700 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа, при температуре, °С: 20 170 |
80 55 |
85 55 |
Заключения
Исследовано воздействие факторов внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на основные свойства углепластика ВКУ-27Л, изготовленного методом автоклавного формования. Выявлено, что выдержка в камере тепловлажностного старения влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности составляет не менее 94%, при воздействии максимальной рабочей температуры 170°С в течение 2000 ч – не менее 98%, при воздействии эксплуатационных жидкостей – не менее 82% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 170°С).
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
3. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов // Конверсия в машиностроении. 2004. №4 (65). С. 65–69.
4. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
5. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
6. Гуляев И.Н., Зеленина И.В., Раскутин А.Е. Углепластики на основе углеродных тканей импортного производства и российских растворных связующих // Вопросы материаловедения. 2014. №1 (77). С. 116–125.
7. Платонов А.А., Душин М.И. Конструкционный углепластик ВКУ-25 на основе однонаправленного препрега // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №11. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 28.02.2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-6-6.
8. Ефимов В.А., Шведкова А.К., Коренькова Т.Г., Кириллов В.Н. Исследование полимерных конструкционных материалов при воздействии климатических факторов и нагрузок в лабораторных и натурных условиях // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S2. С. 68–73.
9. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения // Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34–40.
10. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19–27.
11. Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 412–423.
12. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. II. Релаксация исходной структурной неравновесности и градиент свойств по толщине // Деформация и разрушение материалов. 2010. №12. С. 40–46.
13. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Ерасов В.С. и др. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докл. IX Междунар. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон–2012», 2012. С. 122–123.
14. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Медведев И.М., Панин С.В. Коррозионная агрессивность приморской атмосферы. Ч. 1. Факторы влияния (обзор) // Коррозия: материалы, защита. 2013. №12. С. 6–18.
15. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period to 2030] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
3. Gunyaev G.M., Krivonos V.V., Rumyancev A.F., Zhelezina G.F. Polimernye kompozicionnye materialy v konstrukciyah letatelnyh apparatov [Polymeric composite materials in designs of flight vehicles] // Konversiya v mashinostroenii. 2004. №4 (65). S. 65–69.
4. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlya aviacionnoj tehniki [Materials and chemical technologies for aviation engineering] // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
5. Hrulkov A.V., Dushin M.I., Popov Yu.O., Kogan D.I. Issledovaniya i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovaniya PKM [Researches and development autoclave and out-of-autoclave technologies of formation of PCM] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
6. Gulyaev I.N., Zelenina I.V., Raskutin A.E. Ugleplastiki na osnove uglerodnyh tkanej importnogo proizvodstva i rossijskih rastvornyh svyazuyushhih [Carbomplastics on the basis of carbon fabrics of import production and the Russian solution binding] // Voprosy materialovedeniya. 2014. №1 (77). S. 116–125.
7. Platonov A.A., Dushin M.I. Konstrukcionnyj ugleplastik VKU-25 na osnove odnonapravlennogo preprega [Carbon composites VKU-25 based on unidirectional prepregs] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №11. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: February 28, 2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-6-6.
8. Efimov V.A., Shvedkova A.K., Korenkova T.G., Kirillov V.N. Issledovanie polimernyh konstrukcionnyh materialov pri vozdejstvii klimaticheskih faktorov i nagruzok v laboratornyh i naturnyh usloviyah [Investigation of polymer composite materials under effect of climatic factors and loads in laboratory and environmental conditions] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №S2. S. 68–73.
9. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznacheniya. III. Znachimye faktory stareniya [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. III. Significant factors of aging] // Deformaciya i razrushenie materialov. 2011. №1. S. 34–40.
10. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznacheniya. I. Mehanizmy stareniya [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. I. Aging mechanisms] // Deformaciya i razrushenie materialov. 2010. №11. S. 19–27.
11. Kirillov V.N., Startsev O.V., Efimov V.A. Klimaticheskaya stojkost i povrezhdaemost polimernyh kompozicionnyh materialov, problemy i puti resheniya [Climatic firmness and damageability of polymeric composite materials, problems and solutions] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 412–423.
12. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznacheniya. II. Relaksaciya ishodnoj strukturnoj neravnovesnosti i gradient svojstv po tolshhine [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. II. Relaxation of initial structural non-equilibrium and gradient of properties on thickness] // Deformaciya i razrushenie materialov. 2010. №12. S. 40–46.
13. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Erasov V.S. i dr. Stend dlya ispytaniya na klimaticheskoj stancii GCKI krupnogabaritnyh konstrukcij iz PKM [The stand for testing for the GTCT cli-matic stations of large-size designs from PCM] // Sb. dokl. IX Mezhdunar. nauch. konf. po gidroaviacii «Gidroaviasalon–2012», 2012. S. 122–123.
14. Kablov E.N., Starcev O.V., Medvedev I.M., Panin S.V. Korrozionnaya agressivnost primorskoj atmosfery. Ch. 1. Faktory vliyaniya (obzor) [Corrosion aggression of the seaside atmosphere. P.1. Factors of influence (overview)] // Korroziya: materialy, zashhita. 2013. №12. S. 6–18.
15. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.