Введение

В условиях эксплуатации наряду с воздействием эксплуатационных нагрузок детали остекления изделий авиационной техники также подвергаются воздействию атмосферных факторов – солнечной радиации, влаги, озона, тепла, кислорода воздуха и т. д. Поэтому при оценке эксплуатационной надежности материалов остекления на основе органических стекол большое внимание уделяется их атмосферостойкости [1, 2]. Стабильность свойств во времени при воздействии атмосферных факторов – одно из основных требований, предъявляемых к органическим стеклам для остекления самолетов.

На протяжении многих лет применения органических стекол в деталях остекления отечественных самолетов систематизированы данные по исследованию атмосферостойкости в различных климатических зонах (умеренная, тропическая, субтропическая, полярная) серийных органических стекол линейного строения марок СО-120, АО-120 и Э-2, эксплуатирующихся в деталях остекления самолетов [2–4]. Опыт проведения длительных испытаний оргстекол в различных климатических зонах и результаты длительной эксплуатации оргстекол линейного строения на самолетах показали, что для изделий авиации атмосферостойкость органических стекол является одной из важнейших характеристик для прогнозирования ресурса их эксплуатации. Для оценки ресурсных характеристик вновь разработанных модифицированных оргстекол частично сшитой структуры типа СО-120С и сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 – в неориентированном и ориентированном состояниях, требуется получение аналогичных данных по их климатической стойкости в различных климатических зонах: с умеренным теплым климатом приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США.

Высокие требования к атмосферостойкости авиационных органических стекол предъявляются и зарубежными производителями авиационной техники. Квалификационные испытания оргстекол по стандартам США требуют проверки стабильности свойств стекол после открытой экспозиции в Южной Флориде в течение 6 мес. По стандарту Великобритании необходима проверка состояния оргстекол после экспозиции во влажном жарком климате Квинселенда (Австралия) в течение 6 мес.

В 1967 году во ФГУП «ВИАМ» совместно с ЦАГИ разработано «Директивное указание о порядке проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации фонарей с остеклением из органических стекол». Документ до настоящего времени во многом не потерял актуальности. Применение стекол типа СО-120 в ориентированном состоянии более предпочтительно, чем стекла в неориентированном состоянии. Выполнение рекомендаций, изложенных в данном директивном указании, гарантирует длительность эксплуатации деталей остекления из неориентированного стекла СО-120 в течение 5 и более лет и в течение 10 и более лет – деталей из ориентированного стекла [5–7].

Разработанная отечественная система создания авиационных органических стекол и деталей остекления на их основе основывается на рекомендациях паспортов, выпущенных в ВИАМ, на конкретные марки органических стекол на стадии их опытного освоения. Для серийного производства руководящими документами являются ГОСТ, технологический регламент на изготовление, технические условия, технологические рекомендации и производственные инструкции на технологию переработки, эксплуатации и ремонта [8–10].

Паспорта ВИАМ на конкретные марки органических стекол являются главными документами, которые определяют условия их применения и на первой стадии – ориентировочные сроки эксплуатации. Выбор материалов остекления для конкретных изделий авиационной техники осуществляется с помощью спецификаций, согласованных с ВИАМ. Особенностью отечественного производства деталей авиационной техники является то, что в большинстве они изготавливаются непосредственно в цехах авиационных заводов одновременно с изготовлением самолетов и вертолетов.

Оценка зарубежных органических стекол основывается на системе стандартов по типам материалов, независимо от конкретных марок и особенностей их составов. Применяемые в США акрилатные стекла должны отвечать требованиям стандартов – спецификаций MIL. За рубежом детали остекления изготавливают на специализированных предприятиях, отдельно от основных авиационных изделий. Однако в стандартах на исходные акриловые материалы содержатся требования по характеристикам для обеспечения эксплуатационной надежности деталей остекления: длительное водопоглощение, искусственное и естественное старение, коэффициент роста трещин, «серебростойкость» под нагрузкой при действии химических реагентов, которые реально могут действовать на поверхность оргстекол при эксплуатации (изопропиловый спирт, смесь толуола и изобутилацетата).

В данной работе исследовано влияние атмосферных факторов на свойства полиметилметакрилатных и сополимерных органических стекол после старения в различных климатических зонах. Проведена оценка физико-механических и оптических характеристик органических стекол после старении в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.4. «Оптические материалы и материалы остекления» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [11–14].

Материалы и методы

Объектами исследования являлись оргстекла частично сшитой структуры: полиметилметакрилатные СО-120С и АО-120С, а также теплостойкие сополимерные марок ВОС-1, ВОС-2 и ВОС-2АО – в неориентированном и ориентированном состояниях, в сравнении с серийными полиметилметакрилатными оргстеклами СО-120А и АО-120.

Старение органических стекол проводили по СТП 1-595-20-376–2005, ГОСТ 9.708–83 и ГОСТ 9.906–83 на открытых атмосферных стендах. Стойкость к климатическому старению оргстекол оценивали по изменению характеристик: удельной ударной вязкости по ГОСТ 4647–80, «серебростойкости» по ПИ 1.2А515–98, температуре размягчения по ГОСТ 15088–2014, коэффициенту светопропускания по ГОСТ Р 8.829–2013, коэффициенту желтизны, который определяли по формуле (ТУ2216-474-000208947–2006, изм. №2)

где τ₄₂₀, τ₅₆₀, τ₆₈₀ – коэффициенты пропускания при длинах волн 420, 560 и 680 нм.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования свойств полиметилметакрилатных оргстекол линейной, частично сшитой структуры и сополимерных оргстекол после старения в условиях с умеренным теплым климатом приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США представлены в табл. 1–5.

Таблица 1

Сохраняемость свойств органического стекла СО-120А после экспозиции

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 2

Сохраняемость свойств органического стекла АО-120 после экспозиции

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 3

Сохраняемость свойств органического стекла АО-120С после экспозиции

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 4

Сохраняемость свойств органического стекла ВОС-1 после экспозиции

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Таблица 5

Сохраняемость свойств органического стекла ВОС-2АО после экспозиции

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Анализ полученных данных по естественному атмосферному старению полиметилметакрилатных оргстекол линейной структуры СО-120А и АО-120, частично сшитой структуры АО-120С показал, что свойства исследованных оргстекол сохраняются практически на исходном уровне независимо от климатической зоны старения материала.

Установлено, что климатическое старение сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО проходит одинаково. Ударная вязкость оргстекол снижается с 25 до 5 кДж/м². После термообработки выше температуры размягчения оргстекла ВОС-1 при температуре 160°С показатель ударной вязкости восстанавливается до значения 15–18,5 кДж/м², следовательно, степень необратимых деструктивных процессов в оргстеклах после атмосферного старения не критична, потеря прочности зависит только от фотохимической деструкции поверхности оргстекла под действием солнечной радиации. После удаления деструктивного поверхностного слоя с оргстекла ВОС-2АО механические свойства практически полностью восстанавливаются до исходных значений. Аналогичное снижение значений происходит для показателей «серебростойкости» и температуры размягчения. Коэффициент светопропускания изменяется в пределах 5%. Коэффициент желтизны увеличивается в 4 раза. После снятия состаренного поверхностного слоя оптические характеристики оргстекол восстанавливаются до исходных значений.

Проведенные исследования показали, что атмосферостойкость органических стекол зависит от их химической природы, закономерности влияния условий климатических станций практически не прослеживается. Полиметилметакрилатные стекла как линейной, так и сшитой структуры при климатическом старении во всех исследованных зонах сохраняют свои свойства практически на исходном уровне. У сополимерных оргстекол независимо от климатической зоны старения происходит фотохимическая деструкция поверхностного слоя, удаление этого поверхностного слоя восстанавливает механические свойства до исходных значений. Физико-химические процессы, протекающие в материале при старении, вызывают необратимые изменения в облучаемой поверхности и практически отсутствуют в необлучаемой поверхности и объеме образцов. Под воздействием внешней среды образуется тонкий деструктивный поверхностный слой, являющийся главной причиной ухудшения комплекса прочностных показателей вследствие изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому. Удаление дефектного слоя восстанавливает свойства стекла практически до исходного уровня.

Заключения

На основании анализа полученных данных по естественному атмосферному старению в условиях умеренного теплого климата приморской зоны ГЦКИ, пустынного (Аризона) и субтропического (Флорида) климата США полиметилметакрилатных оргстекол линейной структуры марок СО-120 и АО-120, частично сшитой структуры марки СО-120С и теплостойких сополимерных оргстекол частично сшитой структуры марок ВОС-1 и ВОС-2 можно сделать следующие выводы:

– полиметилметакрилатные оргстекла линейной структуры СО-120 и АО-120 и частично сшитой структуры АО-120С имеют более высокую атмосферостойкость по сравнению с атмосферостойкостью сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО. Полиметилметакрилатные оргстекла СО-120, АО-120 и СО-120С в ориентированном и неориентированном состояниях обладают высокой атмосферостойкостью при старении в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида, а серийные оргстекла СО-120 и АО-120 – также при ранее проведенном старении в г. Батуми и Республике Куба. Высокая атмосферостойкость оргстекол обеспечивает эксплуатационную живучесть деталей остекления самолетов на основе оргстекол СО-120А и АО-120 в течение 5–10 лет и более;

– ориентированное оргстекло АО-120 имеет преимущество по атмосферостойкости в сравнении с неориентированными оргстеклами, что подтверждается также ранее проведенными испытаниями ориентированных оргстекол в естественных и искусственных условиях, а также эксплуатационной живучестью деталей остекления на их основе в течение 10 и более лет при применении на самолетах;

– при атмосферном старении сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2АО происходит снижение ударной прочности и повышение коэффициента желтизны только с облученной стороны. Высокотемпературный отжиг и удаление поверхностного слоя приводят к повышению данных характеристик, так как потеря прочности и пожелтение зависят только от фотохимической деструкции поверхностного слоя оргстекла под действием солнечной радиации. Аналогичное старение сополимерных оргстекол происходит в условиях ГЦКИ, штатов США Аризона и Флорида;

– характер снижения физико-механических и оптических свойств теплостойких сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 аналогичен поведению ранее разработанных теплостойких оргстекол (2-55, Т2-55, Э-2) [15]. При эксплуатации деталей остекления на основе оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 предусмотрены их зачехление и профилактические работы по ремонту в межполетный период;

– при применении теплостойких сополимерных оргстекол ВОС-1 и ВОС-2 необходимо учитывать склонность их к пожелтению, фотодеструкции поверхностного слоя и устанавливать ресурс в соответствии с условиями применения конкретного изделия, предусматривающими зачехление деталей остекления в межполетный период для исключения воздействия солнечной радиации;

– оргстекло ВОС-2 в ориентированном состоянии (ВОС-2АО) внедрено и эксплуатируется в фарах подсвета крыла на изделии Ил-96-300 в течение 3 лет без замечаний.