Введение

В настоящее время ведущие российские и зарубежные производители вертолетной техники в своих разработках используют широкий спектр полимерных композиционных материалов (ПКМ) в различных конструкциях: лопастях несущих и рулевых винтов, деталях фюзеляжа. Изделия из ПКМ в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных агрессивных факторов окружающей среды, которые влияют на физико-механические свойства материалов и конструкций из них, вызывая преждевременное старение. Основными факторами, оказывающими негативное влияние на ПКМ, являются высокая влажность, широкий диапазон температурных перепадов, интенсивная солнечная радиация с повышенной долей ультрафиолета ит. п. [1–5].

Опыт эксплуатации вертолетов с лонжеронами несущих лопастей, изготовленных из стеклопластика ВПС-18, в странах с тропическим климатом показал наличие такого явления, как значительный «стояночный свес» лопастей при хранении на воздухе (вне ангаров), вызываемый изменением упруго-прочностных свойств материала при естественном нагреве. По-видимому, это связано с недостаточной тепло- и влагостойкостью эпоксидного связующего ЭДТ-10П в стеклопластике ВПС-18 [6, 7].

При учете этой и других проблем для лопастей вертолетов нового поколения и модернизации уже выпускаемых разработаны новые материалы и технологии [8], в том числе препрег и однонаправленный стеклопластик конструкционного назначения марки ВПС-31 (на основе стеклянного ровинга РВМПН-1200-14 и расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М), работающий в диапазоне температур от –60 до +80 °С, включая условия эксплуатации при повышенных температуре и влажности (тропические условия).

Внедрение стеклопластика ВПС-31 в конструкцию лопасти сопровождалось проведением ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в рамках которых выполнено это исследование.

В данной работе представлены результаты исследования основных физических и механических свойств стеклопластика ВПС-31, образцы которого вырезаны из реального изделия – лонжерона несущей лопасти вертолета, успешно выдержавшей термоциклические испытания, имитирующие многократный нагрев лопасти от солнечного излучения в течение дня и охлаждение в течение ночи в условиях стоянки (120 циклов: «день» – нагрев и выдержка при температуре 75±5 °С, «ночь» – естественное охлаждение до температуры цеха при выключенных нагревателях): величина прогиба не превысила 40 мм (при аналогичных испытаниях величина прогиба лопастей с лонжероном из стеклопластика ВПС-18 превышала 500 мм).

В рамках работы оценивали следующие основные физико-механические свойства образцов из стеклопластика ВПС-31, вырезанных из фрагментов лонжерона: температуры стеклования Т_gсух в исходном состоянии (сразу после испытаний на термоциклирование) и после влагопоглощения Т_gвл (при температуре 80 °С и относительной влажности 98 %), массовое содержание связующего, объемное содержание наполнителя, пористость и плотность, а также характеристики растяжения: прочность и модуль упругости при растяжении и удлинение при разрыве при температурах испытания 20 и 80 °С в исходном состоянии (после испытаний на термоциклирование) и после воздействия влаги.

Материалы и методы

Опытный вариант лонжерона несущей лопасти изготовлен из препрега стеклопластика ВПС-31 с однонаправленной структурой методом спиральной намотки под углом ±30 градусов с последующим формованием пресс-камерным методом и подвергнут термоциклическим испытаниям в условиях и по программе разработчика конструкции.

Для проведения исследований выбраны пять фрагментов лонжерона: фрагмент 1 прилегает к комлевой части лонжерона, фрагменты 2–5 вырезаны по длине перовой части.

Образцы для проведения исследований вырезали из верхней, задней и нижней стенок лонжерона на станке с ЧПУ при постоянном водяном охлаждении в процессе резки. Такое оборудование исключает перегрев образцов при воздействии на них режущего инструмента, а также позволяет получить необходимые геометрическую точность и качество поверхностей обрабатываемых материалов. Изображения фрагментов лонжерона с указанием расположения стенок приведены на рис. 1.

Рис. 1. Фрагменты перовой (а) и комлевой (б) частей лонжерона лопасти несущего винта вертолета

Температуру стеклования материала лонжерона в исходном состоянии (состоянии поставки после испытаний на термоциклирование) и после процедуры влагопоглощения при относительной влажности φ = 98 % определяли методом динамического механического анализа на динамическом механическом анализаторе ДМА 242С фирмы Netzsch (Германия) по стандартам АSТМ Е 1640-94 и DIN 53545 в режиме трехточечного изгиба при частоте изгибающей нагрузки 1 Гц и скорости нагрева 5 °С/мин. Температуру стеклования определяли как температуру начала падения динамического модуля упругости на кривой температурной зависимости. С целью сокращения срока достижения равновесного состояния процедуру влагопоглощения проводили при повышенной температуре (80 °С), при этом φ = 98 %. На образцах, подвергнутых влагопоглощению, отсутствовали лакокрасочные покрытия.

Образцы для определения температуры стеклования (размером 50´10´2 мм), показанные на рис. 2, изготавливали из фрагментов лонжерона 1, 2, 3, причем из фрагмента 1 вырезаны образцы однонаправленной структуры.

Рис. 2. Образцы для определения температуры стеклования стеклопластика

Физические характеристики стеклопластика – плотность, пористость, массовое содержание связующего, объемное содержание наполнителя, поверхностную плотность наполнителя и влагопоглощение в стенках лонжерона, определяли на лабораторном оборудовании в соответствии с ГОСТ 15139–69, ГОСТ Р56682–2015 и ГОСТ 4650–80. При этом образцы (размером 50´25 мм), показанные на рис. 3, изготавливали из фрагмента лонжерона 1 (включающего слой пластика с однонаправленной структурой) и фрагмента 2.

Рис. 3. Образцы для определения физических свойств стеклопластика

Механические свойства – прочность s₁₁ и модуль упругости при растяженииE₁₁ и удлинение при разрыве ε₁₁ – определяли на испытательной машине Zwick/Roell Z100 в соответствии с ГОСТ 25.602–80. Образцы (размером 200´25 мм), показанные на рис. 4, изготавливали из фрагментов лонжерона 4 и 5. Образцы разделили на две группы: одну группу подвергали испытанию в состоянии поставки после термоциклирования («сухое» состояние) при температурах 20 и 80 °С, другую – после воздействия влаги (равновесное влагопоглощение при температуре 80 °С и φ = 98 %). Образцы, подвергнутые насыщению влагой, не были защищены лакокрасочным покрытием.

Рис. 4. Образцы для определения механических свойств стеклопластика

Результаты и обсуждение

В табл. 1 показаны результаты определения влагопоглощения и температуры стеклования исследуемого материала, при достижении которых полимерная матрица переходит в высокоэластичное состояние при нагревании и теряет возможность эффективно передавать нагрузку между волокнами, что может привести к потере устойчивости и резкому снижению уровня упруго-прочностных свойств ПКМ.

Температура стеклования позволяет в первом приближении определить предельную температуру эксплуатации ΔТ с учетом интервала запаса. Особо следует отметить, что в условиях высокой влажности полимерная матрица поглощает влагу из окружающей среды и пластифицируется. При этом существенно снижаются температура стеклования и, соответственно, предельная температура эксплуатации изделия из данного ПКМ [9, 10].

Таблица 1

Температура стеклования и влагопоглощение образцов из стеклопластика ВПС-31

Анализ полученных данных показал, что температура стеклования стеклопластика ВПС-31 в исходном состоянии (до влагопоглощения, но после термоциклирования) в образце со структурой армирования 0 градусов составила 158 °С, как и в образце стеклопластика, испытанном при выходном контроле качества партии исходного препрега, который использовали при изготовлении лонжерона, что подтверждает положительные результаты испытания на термоциклирование. Следует отметить, что температуры стеклования T_gсух и T_gвл в образце со структурой армирования 0 градусов, полученном из стенки фрагмента 1, больше, чем в образцах со структурой армирования ±30 градусов (фрагменты 2 и 3), что можно объяснить с позиции утверждения, что ПКМ с перекрестной структурой армирования более «чувствительны» к воздействию окружающей среды (нагрев, повышенная влажность), чем материалы с однонаправленной структурой [11].

Для более точных выводов необходимо собрать статистические данные [12] по большому количеству изготовленных опытных образцов. Температуры стеклования в образцах, вырезанных по длине лонжерона, колебались в следующих пределах: T_gсух – от 142 до 158 °С, T_gвл – от 104 до 113 °С. Анализ этих значений показал, что присутствует необходимый запас предельной температуры эксплуатации (ΔТ = 25–30 °С) для надежной работы в условиях влажных тропиков (при φ = 98 % и нагреве при воздействии прямых солнечных лучей).

В табл. 2 показаны результаты определения физических свойств стеклопластика ВПС-31 – массовое содержание связующего P_св, плотность γ, объемное содержание наполнителя V_н, поверхностная плотность наполнителя ρ_н, пористость V_п и толщина стенки образца t.

Таблица 2

Физические свойства образцов из стеклопластика ВПС-31

Из данных, представленных в табл. 2, видно, что разброс значений физических параметров стеклопластика в лонжероне довольно существенный. Применение метода намотки для изготовления оболочек асимметричной конструкции из ПКМ, а также конструктивные особенности формующей оснастки не обеспечивают получение стеклопластика со стабильным уровнем физических и, как следствие, механических свойств материала стенок лонжерона [13, 14]. Такая неоднородность значений (например, показателей объемного содержания армирующего стеклонаполнителя (V_н = 44–59 %) и связанного с ним температурного коэффициента линейного расширения) может приводить к образованию значительных внутренних напряжений в изделии [15], которые под воздействием тепла и влаги вызывают существенное коробление лонжерона и т. п.

В табл. 3 представлены обобщенные данные физических свойств образцов из стеклопластика ВПС-31 (фрагменты 2 и 3, расположенные по верхней, задней и нижней стенкам).

Таблица 3

Физические свойства (обобщенные данные) образцов

(со структурой армирования ±30 градусов) из стеклопластика ВПС-31 (фрагменты 2 и 3)

Показатель поверхностной плотности наполнителя (т. е. масса (в граммах) стенки площадью 1 м² после выжигания связующего), полученный в рамках исследования, позволяет определить фактическое количество армирующего стеклонаполнителя в составе препрега, укладываемого на оправку в соответствии с программой намотки. Анализ значений поверхностной плотности наполнителя в образцах исследуемого лонжерона свидетельствует о неравномерности распределения волокнистого наполнителя по верхней, нижней и задней стенкам, что является основной причиной колебаний значений толщины. Причем поверхностная плотность наполнителя в верхней стенке стабильно больше, чем в нижней, поэтому даже при меньшем (в данном случае) содержании связующего в ней толщина верхней стенки стабильно больше, чем толщина нижней.

В табл. 4 и 5 приведены результаты испытаний образцов на растяжение при температурах 20 и 80 °С, а также после процедуры влагопоглощения (при температуре 80 °С и φ = 98 %).

Анализ полученных данных свидетельствует, что разбросы значений упруго-прочностных свойств образцов довольно существенные, что можно объяснить неоднородностью структуры стенок (разброс значений показателей P_св и ρ_н). В зависимости от температуры испытания T_исп и при разбросе значений массового содержания связующего по образцам от 26,9 до 36,5 % показатели прочности s₁₁ и модуля упругости при растяжении E₁₁ варьируются в пределах, указанных в табл. 6. Здесь же приведены показатели сохранения исходного уровня указанных свойств образцов (испытанных при температуре 20 °С) после воздействия повышенных температуры и влажности.

Таблица 4

Результаты испытаний образцов (со структурой армирования ±30 градусов)

из стеклопластика ВПС-31 на растяжение

Таблица 5

Результаты испытаний образцов (со структурой армирования ±30 градусов)

из стеклопластика ВПС-31 на растяжение после процедуры влагопоглощения

(при температуре 80 °С и φ = 98 %)

Таблица 6

Сохранение механических свойств стеклопластика ВПС-31

Из данных, представленных в табл. 6, видно, что, несмотря на существенный разброс значений механических свойств, материал стенок лонжерона (стеклопластик ВПС-31) сохраняет показатель прочности на уровне >72 %, а жесткости – на уровне >82 % в условиях повышенной влажности (при температуре 80 °С и φ = 98 %).

Заключения

Результаты работ, выполненных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, в рамках исследования влияния эксплуатационных факторов (повышенных влажности и температуры) на основные физико-механические свойства стеклопластика ВПС-31, из которого изготовлен исследуемый лонжерон, показали, что данный материал успешно выдержал в составе конструкции лопасти термоциклические испытания (день/ночь): во влагонасыщенном состоянии уровень сохранения упруго-механических свойств составил не менее 70–80 %, значение температуры стеклования T_gсух – не ниже 104 °С, что подтверждает возможность эксплуатации изделий из стеклопластика ВПС-31 в условиях влажного тропического климата.

Разброс значений свойств стеклопластика (как по длине, так и по каждому из исследованных сечений) довольно существенный: по показателю массового содержания связующего – от 24,5 до 36,9 %, по поверхностной плотности наполнителя в стенке лонжерона – от 7250 до 8163 г/м², что, в свою очередь, обусловило разброс значений толщины стенки – от 4,8 до 6,8 мм. По-видимому, применение метода намотки для изготовления асимметричных оболочек, таких как лонжерон, конструктивные особенности формующей оснастки и принятый способ формования лонжеронов влияют на стабильность свойств стеклопластика в составе лонжерона.

Результаты выполненной работы являются основанием для использования автоклавного метода формования лонжерона (вместо пресс-камерного метода) с целью получения более стабильных характеристик.