Введение

Разработка отечественных полимерных композиционных материалов (ПКМ) берет начало с конца 1930-х гг. – с разработки учеными ВИАМ так называемой «дельта-древесины», представляющей собой шпон карельской березы, пропитанный бакелитовым лаком [1]. При непосредственной поддержке видных научных деятелей А.Т. Туманова, С.Т. Кишкина, П.В. Дементьева и других с 1940-х гг. начинается бурное развитие ПКМ в ВИАМ и в стране в целом [2, 3]. В настоящее время результатом этого развития являются композиционные материалы нового поколения, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, которые находят все большее применение при создании современной отечественной гражданской и специальной авиационной техники (АТ), конкурентоспособной на мировом рынке [4–6]. При этом доля ПКМ в конструкции изделий АТ с каждым годом неуклонно растет (рис. 1).

Рис. 1. Доля полимерных композиционных материалов в современной авиационной технике: а – Boeing 787 Dreamliner; б – Airbus А350XWB; в – МС-21

С увеличением доли ПКМ в АТ повышаются и требования к обеспечению ее надежности, которая определяет в конечном итоге также безопасность и экономическую эффективность авиационной техники. При этом в настоящее время достаточно большое количество элементов конструкции АТ из ПКМ изготавливают с применением клеевых соединений, обладающих рядом преимуществ перед традиционными способами соединения конструкций [7–12] в различных вариациях.

Многолетние исследования, проводимые в научном мировом сообществе, в том числе и в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, показали, что важнейшее значение в обеспечении надежности клеевого соединения материалов, включая и ПКМ, имеет подготовка их поверхности под склеивание. При этом одним из существенных показателей, определяющих эффективность того или иного способа, является допустимый интервал времени между подготовкой поверхности субстрата и самим процессом склеивания.

Как было отмечено ранее, в настоящее время в конструкциях современной отечественной АТ широко применяют клеевые препреги марок КМКС и КМКУ, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. В качестве способа подготовки поверхности конструкций на их основе под склеивание на авиационных предприятиях нашей страны широко используют механические способы – зашкуривание либо пескоструйную обработку. Но практика показывает, что в ряде случаев данные способы подготовки поверхности не обеспечивают требуемого значения прочности клеевого соединения, установленного нормативной документацией на изделие [11, 13–15]. В ходе проведения исследований, представленных в работах [11, 13–15], установлено, что композиционные материалы на основе клеевых препрегов имеют низкие адгезионные свойства при склеивании клеями «холодного» отверждения и что одним из вариантов решения данной проблемы является применение в настоящее время одного из перспективнейших способов подготовки поверхности ПКМ (рис. 2) – ее обработки плазмой атмосферного давления (низкотемпературная плазма) [13–33].

Однако в проведенных исследованиях не был установлен допустимый интервал времени хранения ПКМ на основе клеевых препрегов между обработкой их поверхности плазмой атмосферного давления и процессом склеивания.

Рис. 2. Применение способа обработки поверхности плазмой атмосферного давления при изготовлении различных конструкций авиационной техники, выполненных из полимерных композиционных материалов: а – изготовление воздушного тормоза самолета Eurofighter Typhoon; б – сборка вертикального оперения самолета А320

Результаты исследований, проводимых учеными разных научно-исследовательских центров мира, по определению влияния плазмы атмосферного давления на свойства поверхности термопластичных материалов и ПКМ на основе непрерывных волокон и эпоксидных связующих показывают, что допустимый интервал времени их хранения между подготовкой поверхности субстрата и самим процессом склеивания составляет не менее 3 мес без ухудшения вновь приобретенных свойств поверхности субстрата [24–27, 31].

Цель данной работы – определение допустимого интервала времени хранения ПКМ на основе клеевых препрегов, разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, между обработкой поверхности плазмой атмосферного давления и процессом склеивания.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» [34] («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

В исследованиях использовали следующие ПКМ: тонколистовой конструкционный стеклопластик марки ВПС-53К в соответствии с ТУ 1-595-25-1496–2015 (далее – стеклопластик) [35] и углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 в соответствии с ТУ 1-595-14-1304–2012 (далее – углепластик) [36]. В качестве адгезива применяли клей «холодного» отверждения марки ВК-27 в соответствии с ТУ 1-595-14-692–2008 (далее – адгезив) [37, 38]. Для установления допустимого интервала времени хранения стекло- и углепластика между обработкой поверхности низкотемпературной плазмой и процессом склеивания выбраны следующие критерии (методы) оценки поверхности склеиваемых материалов до и после обработки и прочности клеевых соединений «стеклопластик–адгезив–жесткая подложка» (стеклопластик марки СТ-69Н по ТУ 1-595-10-631-2001) и «углепластик–адгезив–углепластик»:

– прочность при сдвиге клеевого соединения внахлест по ГОСТ Р 57066–2016;

– сопротивление отслаиванию клеевого соединения по ГОСТ Р 57832–2017;

– краевой угол смачивания поверхности (КУС);

– характер разрушения клеевых соединений по ГОСТ Р 56977–2016.

Определение шероховатости поверхности склеиваемых материалов (формирование клеевого соединения – образца) до и после обработки плазмой проводили при помощи профилометра в направлении армирования [0°] и [90°].

Исследования микроструктуры поверхности склеиваемых материалов выполнены при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Исследование смачиваемости (определение КУС), определение свободной энергии поверхности (СЭП) с ее составляющими и работы адгезии (W_a) поверхности склеиваемых материалов до и после обработки плазмой проводили в определенной последовательности, по определенным режимам, с использованием тестовых жидкостей и на оборудовании, представленном в работах [13, 14]. Данные по обработке поверхности склеиваемых материалов, изготовлению образцов на их основе и проведению испытаний также изложены в указанных работах.

Образцы склеиваемых материалов с обработанными поверхностями закладывали на хранение в условиях категории 1 размещения изделий по ГОСТ 15150–69 в производственных условиях Ульяновского научно-технологического центра ВИАМ ‒ НИЦ «Курчатовский институт» сроком на 1, 3 и 6 мес с последующим исследованием их поверхностей, изготовлением образцов клеевых соединений и их испытаниями.

Результаты и обсуждение

Исследования проводили с учетом результатов, полученных в работах, представленных ранее. В табл. 1 показаны результаты определения значения шероховатости по показателю R_a поверхности склеиваемых материалов до и после обработки плазмой.

Таблица 1

Результаты определения значения шероховатости по показателю R_a поверхности

склеиваемых материалов до и после обработки плазмой атмосферного давления (ПАД)

Результаты исследования показывают, что шероховатость поверхности стеклопластика после ее обработки низкотемпературной плазмой увеличивается в направлении [0°] и уменьшается в направлении [90°]. Шероховатость поверхности углепластика увеличивается в обоих направлениях. Схожая картина сохраняется и спустя 1, 3 и 6 мес хранения у представленных материалов (рис. 3). Объяснения по данному факту представлены в работах [13, 14].

Рис. 3. Микроструктура поверхности стекло- и углепластика до (а, б) и после обработки плазмой атмосферного давления, в том числе в день обработки (в, г) и спустя 1 (д, е), 3 (ж, з) и 6 мес хранения (и, к)

Видно, что после обработки плазмой на поверхности склеиваемых материалов наблюдаются значительные изменения морфологии, указывающие на изменение шероховатости поверхности склеиваемых материалов на микроуровне, повышение которой способствует увеличению площади контакта и, как следствие, возрастанию механического сцепления адгезива с поверхностью и повышению смачиваемости. Данные морфологические изменения наблюдаются и спустя 1, 3 и 6 мес хранения.

На рис. 4–6 представлены результаты исследования поверхности стекло- и углепластика до и после обработки плазмой, в том числе спустя 1, 3 и 6 мес хранения.

Рис. 4. Влияние обработки поверхности плазмой атмосферного давления (ПАД) и времени хранения на изменение краевого угла смачивания (КУС) поверхности стекло- (а) и углепластика (б)

Из результатов исследования, представленных на рис. 4–6, можно сделать вывод, что значение КУС при увеличении интервала времени хранения стекло- и углепластика между обработкой низкотемпературной плазмой и процессом склеивания повышается, а значения СЭП и W_a снижаются с течением времени:

– после хранения в течение 1 мес: СЭП снижается соответственно на 6 и 1 %; W_a – на 7 % или остается без изменений;

– после хранения в течение 3 мес: СЭП – на 9 %; W_a – на 10 и 4 %;

– после хранения в течение 6 мес: СЭП: – на 18 и 19 %; W_a – на 13 и 8 %.

Рис. 5. Влияние обработки поверхности плазмой атмосферного давления (ПАД) и времени хранения на изменение свободной энергии поверхности (СЭП) и ее составляющих стекло- (а) и углепластика (б)

При этом значение полярной составляющей СЭП даже спустя 6 мес хранения находится на достаточно высоком уровне, способствуя сохранению гидрофильности поверхности склеиваемых материалов и характеризуя ее активность.

На рис. 7 представлены результаты влияния плазмы и времени хранения на изменение прочности образцов клеевых соединений «стеклопластик–адгезив–жесткая подложка» и «углепластик–адгезив–углепластик».

Рис. 6. Влияние обработки поверхности плазмой атмосферного давления (ПАД) и времени хранения на работу адгезии W_aповерхности стекло- (а) и углепластика (б)

Представленные на рис. 7 результаты свидетельствуют о том, что при увеличении интервала времени между обработкой низкотемпературной плазмой и процессом склеивания наблюдается снижение прочности клеевых соединений «стеклопластик–адгезив–жесткая подложка» и «углепластик–адгезив–углепластик». При проведении испытаний при температуре 20 °С прочность соединений после их хранения в течение 1 мес уменьшается на 16 и 6 %, после 3 мес – на 28 и 16 %, после 6 мес – на 28 и 17 % соответственно. При проведении испытаний при температуре 80 °С прочность соединений после их хранения в течение 1 мес снижается на 13 и 2 %, после 3 мес – на 13 и 12 %, после 6 мес – на 13 и 15 % соответственно.

Рис. 7. Влияние обработки поверхности плазмой атмосферного давления (ПАД) и времени хранения на изменение прочности образцов клеевых соединений «стеклопластик–адгезив–жесткая подложка» (а) и «углепластик–адгезив–углепластик» (б)

Выбор температуры механических испытаний при 80 °С обусловлен максимальной рабочей температурой адгезива.

Характер разрушения образцов клеевых соединений на основе стекло- и углепластика с обработанной низкотемпературной плазмой поверхностью и после хранения в течение 1, 3 и 6 мес в основном сохраняет смешанный характер (табл. 2).

Таблица 2

Результаты изменения характера разрушения клеевых соединений

«стеклопластик–адгезив–жесткая подложка» и «углепластик–адгезив–углепластик»

до и после обработки плазмой атмосферного давления (ПАД) и времени их хранения

Заключения

Анализ полученных результатов в ходе проведения исследований по определению допустимого интервала времени хранения ПКМ на основе клеевых препрегов между обработкой поверхности плазмой атмосферного давления и процессом склеивания показал, что обработка низкотемпературной плазмой является наиболее эффективным способом подготовки поверхности материала под склеивание по сравнению с существующими способами подготовки поверхности под склеивание на авиационных предприятиях Российской Федерации. Установлено, что поверхность образцов склеиваемых ПКМ, обработанных плазмой, остается гидрофильной спустя 6 мес хранения в условиях категории 1 размещения изделий по ГОСТ 15150–69. Морфологические изменения носят схожий характер как в день обработки поверхности склеиваемых материалов, так и спустя 1, 3 и 6 мес хранения. Свободная энергия поверхности и работа адгезии также остаются на должном высоком уровне. Корреляционная зависимость, установленная в работах [29, 30], между изменением СЭП, работы адгезии и показателем прочности клеевых соединений сохраняется. При увеличении интервала времени между обработкой плазмой и процессом склеивания наблюдается снижение прочности клеевого соединения при испытаниях как при температуре 20 °С, так и при 80 °С.

Характер разрушения образцов клеевых соединений на основе стекло- и углепластика с обработанной поверхностью низкотемпературной плазмой и после хранения 1, 3 и 6 мес в основном смешанный.

В ходе выполнения работ установлено, что допустимый интервал времени хранения ПКМ на основе клеевых препрегов между обработкой их поверхности плазмой атмосферного давления и процессом склеивания составляет не более 6 мес. При этом проводятся дополнительные исследования по увеличению данного интервала до 12 мес.