Введение

Значительную часть полимерных композиционных материалов (ПКМ), применяемых в деталях и узлах авиационной техники, изготавливают из расплавных препрегов. Расплавные препреги, по сравнению с растворными, имеют ряд существенных преимуществ, таких как возможность получения более точного содержания связующего в препрегах, отсутствие в препреге летучих растворителей, что позволяет исключить появление повышенной пористости в пластиках, а также сократить выбросы вредных веществ в атмосферу [1–4].

Препрег представляет собой полуфабрикат, состоящий из тканого или однонаправленного (жгутового) наполнителя на основе углеродных, стеклянных, органических волокон или их сочетаний, пропитанного термореактивным (расплавным или растворным) или термопластичным связующим. Расплавные препреги получают на специализированных пропиточных линиях. В зависимости от конструкции пропиточные линии могут или обеспечивать совмещение готовой пленки расплавного связующего с наполнителем, или непосредственно получать пленку связующего с различной поверхностной плотностью и совмещать с наполнителем в процессе пропитки одновременно. Пропиточные линии, обеспечивающие одновременное получение пленки расплавного связующего и совмещение ее с наполнителем, являются более производительными и менее трудоемкими в части процесса получения готового препрега, применяемого для изготовления деталей и узлов авиационной техники [5–8].

В данной статье представлены результаты работы по изготовлению однонаправленного препрега на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) и расплавного связующего ВСЭ-1212 производства ФГУП «ВИАМ» на пропиточной линии, позволяющей одновременно получать пленку расплавного связующего и совмещать ее с наполнителем.

Принципиальная схема работы такой пропиточной машины следующая. Подогретые брикеты связующего помещают в узел нанесения связующего (коутер), где оно доводится до нужной температуры, а затем через систему валов коутера переносится в виде пленки на силиконизированные бумажные подложки, которые в свою очередь совмещаются с наполнителем. Далее для обеспечения пропитки наполнитель, совмещенный с подложками, проходит через систему ламинаторов, каландров и нагревательных столов. Ламинаторы обеспечивают совмещение подложек с наполнителем, каландры за счет выставленных зазоров – степень пропитки наполнителя расплавным связующим, а нагревательные столы – поддержание требуемой температуры в процессе получения препрега. После прохода последнего каландра подложки могут быть отобраны от пропитанного наполнителя, и готовый препрег совмещается с полиэтиленовой пленкой, проходя через еще один ламинатор. В данном случае полиэтиленовая пленка служит для разделения слоев препрега в рулоне между собой. Однако возможен и вариант с отбором только одной бумажной подложки и заменой ее на полиэтиленовую пленку.

При пропитке однонаправленных материалов важным технологическим параметром является зазор каландров. При правильно подобранном значении зазоров совмещенная с наполнителем пленка расплавного связующего не остается на поверхности наполнителя, а входит внутрь наполнителя, тем самым пропитывая его. Зазоры каландров также влияют на равномерность распределения наполнителя в препреге – при слишком больших зазорах возможно образование в структуре препрега зазоров между жгутами, т. е. участков препрега, не заполненных наполнителем [9–11].

При изготовлении однонаправленных препрегов на основе углеродных волокон при пропитке без зазора каландров существует вероятность повреждения однонаправленного наполнителя и, как следствие, снижения его упруго-прочностных свойств.

Материалы и методы

Для оценки вероятности повреждения углеродного волокна при пропитке без зазора каландров решено изготовить однонаправленный препрег на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K и расплавного связующего ВСЭ-1212 при зазоре и без зазора каландров [12, 13].

Основные упруго-прочностные характеристики среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) [14]:

По результатам анализа массива данных по упруго-прочностным испытаниям однонаправленных ПКМ разработки ФГУП «ВИАМ» видно, что наблюдается следующая тенденция: значения прочностных характеристик при растяжении материалов, полученных на основе однонаправленных препрегов, в направлении приложения нагрузки вдоль основы в среднем в два раза меньше значений применяемого исходного углеродного волокна. На основании этого можно предположить, что средние значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы углепластика, изготовленного на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, будут находиться в диапазоне от 2700 до 2900 МПа и от 140 до 160 ГПа соответственно. В случае существенного повреждения углеродного волокна в процессе пропитки полученные значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы будут существенно ниже приведенных прогнозов [15].

Препрег ВСЭ-1212/H3055 (рис. 1) изготавливали на пропиточной установке Coateama BL-2800, оснащенной двумя каландрами. Вначале установили зазор обоих каландров в диапазоне от 0,40 до 0,50 мм. Затем зазор обоих каландров уменьшили до 0 мм (без зазора) и также изготовили необходимое количество препрега. В итоге оба препрега произвели из одних и тех же партий углеродного волокна и расплавного связующего и в рамках одной и той же пропитки, все остальные параметры пропиточной установки оставались одинаковыми.

Рис. 1. Препрег ВСЭ-1212/Н3055

Полученные препреги раскроили на заготовки для сборки пакетов с использованием автоматизированного раскройного комплекса фирмы Zund (Швейцария), затем из них собрали пакеты для автоклавного формования и провели их вакуумирование. После вакуумирования осуществили автоклавное формование плит углепластика ВСЭ-1212/H3055 по одинаковому режиму. Полученные плиты разрезали на заготовки и приформовали к ним накладки из стеклотекстолита.

Использование накладок при испытаниях углепластиков на основе однонаправленных армирующих наполнителей необходимо для исключения повреждения образцов при испытаниях, обеспечения надежного захвата и устранения проскальзывания в зажимах испытательной машины, что позволяет получить достоверные значения свойств испытываемых материалов.

Заготовки с накладками разрезали на образцы на станке с ЧПУ при постоянном водяном охлаждении в процессе резки, что исключает их перегрев при воздействии на образцы режущего инструмента. Перегрев полимерных композиционных материалов на основе термореактивных расплавных связующих может привести к изменению свойств их полимерной матрицы и, как следствие, к ухудшению упруго-прочностных характеристик самого материала [16].

В случае повреждения углеродного волокна при пропитке без зазора каландров значения предела прочности и модуля упругости при растяжении углепластика с поврежденным углеродным волокном могут быть ниже, чем те же значения углепластика с целым углеродным волокном. Для проверки данного предположения образцы, изготовленные из обоих препрегов, испытали на определение предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы по стандарту ASTM D3039. Решение провести испытания материала на растяжение приняли в связи с тем, что при рассматриваемом методе нагружения основная нагрузка приходится на наполнитель (углеродные волокна) и, как следствие, этот метод позволяет наиболее точно оценить свойства непосредственно углеродного волокна в составе материала.

Результаты и обсуждение

В ходе работы по стандарту ASTM D3039 исследовали упруго-прочностные свойства углепластика (предел прочности и модуль упругости при растяжении вдоль основы при температурах 20 и 120 °С), полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором каландров.

Полученные характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега

с зазором каландров, при комнатной и повышенной температурах

Полученные характеристики рассматриваемого углепластика, изготовленного из препрега без зазора каландров, приведены в табл. 2.

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором и без зазора каландров, в графическом виде представлены на рис. 2 и 3.

Таблица 2

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега

без зазора каландров, при комнатной и повышенной температурах

Рис. 2. Предел прочности при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055,
изготовленного из препрега с зазором и без зазора каландров

Рис. 3. Модуль упругости при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055,
изготовленного из препрега с зазором и без зазора каландров

На основе полученных данных определены характеристики статистического разброса свойств (среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации), которые приведены в табл. 3 и 4. Определено также сохранение свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055 при испытаниях при комнатной и повышенной температурах.

Таблица 3

Характеристики статистического разброса свойств

углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега с зазором каландров,

при комнатной и повышенной температурах

Таблица 4

Характеристики статистического разброса свойств

углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега без зазора каландров,

при комнатной и повышенной температурах

Результаты испытаний по определению предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055 при температуре 120 °С показывают, что сохранение свойств составляет 98% относительно среднего значения каждой характеристики, полученной при температуре 20 °С.

Полученные низкие коэффициенты вариации свидетельствуют о небольшом разбросе значений, что подтверждает стабильность свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055.

Заключения

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что упруго-прочностные свойства (предел прочности и модуль упругости при растяжении вдоль основы при температурах 20 и 120 °С) углепластика ВСЭ-1212/H3055, полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором каландров, находятся на одном уровне с показателями рассматриваемых упруго-прочностных свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного без зазора каландров.

Следует также отметить, что полученные значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы препрега обеих партий находятся в спрогнозированном диапазоне – от 2900 до 2700 МПа и от 160 до 140 ГПа соответственно, что позволяет сделать вывод об отсутствии каких-либо существенных повреждений углеродного волокна в процессе пропитки, как с зазором, так и без зазора каландров.

Кроме того, такой технологический параметр, как зазор каландров, при пропитке исследованного однонаправленного материала на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) и расплавного связующего ВСЭ-1212 производства ФГУП «ВИАМ» не оказывает влияния на сохранение упруго-прочностных характеристик углеродного волокна.