Введение

В общем случае термин композит обычно означает состоящий из нескольких частей. В материаловедении, упоминая композиционный материал, имеют в виду материал, представляющий собой совокупность двух или более компонентов с различной природой и взаимодополняющими свойствами, который обладает более высокими характеристиками по сравнению с исходными компонентами.

Полимерная матрица (связующее) связывает материалы в единую структурную единицу, защищая их от внешних повреждений, при этом происходит распределение приложенных нагрузок между волокнами, что во многих случаях приводит к улучшению таких свойств, как пластичность и прочность. В полимерных композиционных материалах (ПКМ) требуется прочная межфазная связь между волокном и матрицей, поскольку матрица должна образовывать механические и химические связи с волокнами. Волокно и матрица также должны быть химически совместимыми, особенно при высоких температурах окружающей среды. Матрица также определяет уровень влагопоглощения и диапазон температурных ограничений использования ПКМ. Если требуется высокая прочность и химическая стойкость для конструкции, то, как правило, используется эпоксидное связующее. Связующее увеличивает коррозионную стойкость, защищает волокно от внешних повреждений, а также повышает прочность и устойчивость к поверхностным ударам, порезам, истиранию и другим механическим воздействиям [1].

Наполнители различной природы используются в качестве армирующего компонента и являются основным несущим элементом композиционного материала. Они обеспечивают в готовом ПКМ прочность и жесткость конструкции в направлении волокон, что обуславливается модулем упругости волокон и схемой армирования. Детали, изготавливаемые из армированных ПКМ, можно спроектировать так, чтобы ориентация волокон обеспечивала оптимальные механические свойства и удовлетворяла комплексу эксплуатационных и технологических требований [2].

Наполнители на основе углеродных волокон, обладающие множеством уникальных свойств, наиболее часто используются в современных ПКМ с полимерной матрицей. Такие материалы применяются во многих инженерных конструкциях [1]. В настоящее время ПКМ, армированные углеродным волокном, широко используются для спортивного инвентаря, сосудов высокого давления, корпусов ракетных двигателей, в конструкциях самолетов и вертолетов (например, в крыльях, лопастях, элементах фюзеляжа), которые изготавливают различными методами [3–9].

Углеродное волокно ‒ один из самых современных и перспективных конструкционных материалов. Это относительно новый материал, который имеет очень высокую стоимость, что существенно ограничивает его применение. Тем не менее углеродное волокно обладает многими перспективными свойствами, такими как высокие модуль упругости и предел прочности при растяжении, высокое сопротивление ползучести, низкий температурный коэффициент линейного расширения, относительно высокая теплопроводность и низкая восприимчивость к тепловым ударам. Основными недостатками являются склонность к высокотемпературному окислению и высокая электропроводность.

В отличие от однонаправленных наполнителей, которые реализуют свойства только в направлении волокон, тканые наполнители реализуют их в двух направлениях ‒ по основе и утку. Композит на основе тканых наполнителей обеспечивает бо́льшую гибкость при выкладке сложных форм.

Для авиационных конструкций предпочтительнее использовать плотно плетеные ткани, чтобы снизить массу, минимизировать размер пустот в смоле и сохранить заданную ориентацию волокон во время формования.

Тканые конструкционные наполнители обычно изготавливают из армирующих жгутов, прядей или нитей, которые сцепляются друг с другом при размещении сверху или снизу во время процесса ткачества. Свойства тканей зависят от их внутреннего строения, плотности плетения нитей, вида пряжи и условий производства.

Существуют различные виды тканей в зависимости от переплетения по основе (волокно расположено по направлению длины ткани) и утку (волокно переплетает ткань поперек ее длины). В зависимости от вида ткани, ее армирования и типа применяемого волокна можно получать ПКМ с различными характеристиками. Наиболее распространенными видами тканей являются полотняные, сатиновые и саржевые.

Полотняные ткани получают в результате чередования нити утка под и над пересекающейся с ней нитью основы. Такая ткань имеет равномерную плотность и среднюю прочность, одинаковую вдоль и поперек основы, но при этом небольшую драпирующую способность, в результате чего механические характеристики будущего ПКМ будут низкими и возникнут препятствия при изготовлении деталей сложной формы [10].

Сатиновые ткани получают, когда одна нить основы переплетена несколькими нитями утка сверху (не менее четырех) и одной нитью снизу. Ткань имеет высокую плотность по основе и утку. Следует учитывать, что у этих тканей выраженная асимметричность. Ткань имеет бо́льшую прочность и жесткость вдоль основы, чем по утку [11].

Саржевые (диагональные) ткани получают при переплетении одной или более нитей основы двумя или более нитями утка поочередно. У таких тканей прямой или изломанный диагональный рисунок. Саржевые ткани имеют лучшую гибкость и драпируемость по сравнению с другими типами тканей. Композиты на их основе имеют высокие показатели механических свойств и характеризуются высокой удельной жесткостью, прочностью, стабильностью и выносливостью [11, 12]. Углепластики на основе саржевой ткани можно использовать при изготовлении обшивок лопастей вертолетной техники, конструкций фюзеляжа, каркасов автомобилей и других конструкций гражданского назначения [12].

При выборе наполнителя необходимо учитывать требования по толщине монослоя и значения модуля упругости при растяжении для разрабатываемого ПКМ.

В данной работе в качестве наполнителя выбрана равнопрочная углеродная ткань ВТкУ-2.200, имеющая тип переплетения саржа 2/2, так как такая ткань позволяет получить высокую драпируемость и гибкость, а также симметричную структуру, что обеспечивает равную прочность по направлениям основы и утка и наиболее соответствует направлению действующих напряжений в готовом материале.

Поверхностная плотность ткани ВТкУ-2.200 составляет 200 г/м², что позволяет получать ПКМ с заданной толщиной одного слоя (0,20–0,24 мм) при оптимальном соотношении компонентов.

Материалы и методы

Препрег на основе расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М и конструкционной углеродной ткани марки ВТкУ-2.200 с номинальной плотностью 200 г/м² получали методом расплава на установке для пропитки наполнителей.

Перед пропиткой определяли поверхностную плотность ткани по ГОСТ 29104.1–91 для получения значений плотности пленки связующего, чтобы не выйти за пределы расчетных параметров препрега.

Для контроля правильности выбранных параметров процесса пропитки наполнителя расплавным связующим отбирали пробы материала размером 100×100 мм. Контролировали параметр массы 1 м² препрега по методике ГОСТ Р 56796–2015.

Выполняли раскрой полученного рулона препрега на образцы для последующих испытаний (размер 100×100 мм) и для формования плит углепластика (размер 300×300 мм).

Образцы размером 100×100 мм исследовали по ГОСТ Р 56796–2015, определяя массу 1 м² наполнителя и препрега, а также массовую долю связующего. Время гелеобразования связующего в препреге определяли по ММ 1.595-11-138–2002.

Углепластик в виде плит размером 300×300 мм выкладывали послойно по схеме армирования [0°] и формовали в автоклаве.

Готовые плиты углепластика разрезали на образцы по направлению приложения нагрузки 0 градусов. Проводили испытания на растяжение с определением предела прочности, модуля упругости и относительного удлинения по ГОСТ Р 56785–2015, на сжатие с определением предела прочности и модуля упругости по ГОСТ Р 56812–2015, на изгиб с определением предела прочности по ГОСТ Р 56805–2015. Плотность образцов определяли по ГОСТ 15139–69, температуру стеклования с определением теплового эффекта при отверждении связующего в препреге ‒ по ГОСТ Р 56753‒2015 (метод В).

Образцы исследовали на испытательных машинах. Для измерения массы образцов их взвешивали на весах с точностью до четвертого десятичного знака с наибольшим пределом взвешивания 210 г, дискретностью отсчета 0,0001 г, классом точности Ι по ГОСТ Р 53228–2008. Для определения линейных значений использовали металлическую линейку с ценой деления 1 мм по ГОСТ 427‒75.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Основные требования, предъявляемые к исследуемому углепластику, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные требования, предъявляемые к углепластику при 20 °С

Для обеспечения стабильных свойств препрега и углепластика предъявлено дополнительное требование – отклонение по содержанию связующего в препреге не более 3 % от номинала.

Результаты и обсуждение

Для выбора состава композита (отношение количества связующего к наполнителю) можно применить правило смесей, которое позволяет реализовать аддитивную схему расчета свойств. Следовательно, между свойствами композита (прочностью, жесткостью и пр.) и качеством каждого из компонентов существует прямая зависимость.

С учетом этого выбрали объемную долю наполнителя в ПКМ –  от 51 до 57 % (типовое содержание для углепластиков конструкционного типа на основе равнопрочных тканых наполнителей) [13, 14]. Этот объем, занимаемый тканью в композите, достаточен для получения высокого уровня упруго-прочностных характеристик, при этом риск образования пористости от недостаточного количества связующего минимален (композит имеет сплошную бездефектную структуру). Поры снижают объемную долю наполнителя в композите и являются концентраторами напряжений, резко снижающих общий уровень прочностных характеристик, при этом ограничивая стабильность свойств ПКМ, позволяя проникать влаге и воздействовать агрессивным средам на материал.

Для выбранного интервала объемной доли наполнителя (51–57 %) в композите спрогнозировали толщину монослоя углепластика с использованием зависимости, описанной формулой (1). При этом принят во внимание разброс значений поверхностной плотности наполнителя 200 ± 10 г/м²:

                                                      (1)

где δ_моно– толщина монослоя углепластика, мм; m_н – масса 1 м² наполнителя, г; γ_н – плотность наполнителя г/м³; V_н – объемная доля наполнителя, %

Полученные результаты приведены в табл. 2.

Установлено, что расчетная толщина монослоя углепластика при заданных значениях показателей V_н и m_н может изменяться в пределах от 0,19 до 0,23 мм (при среднем значении 0,21 мм, что соответствует поставленным требованиям). Для реализации этих свойств углепластика в изделии препрег должен обладать определенным набором весовых характеристик – содержание связующего (Р_св), массы пленки связующего (m_св) и препрега (m_пр) в расчете на единицу площади при известных показателях плотности связующего (γ_св) и наполнителя (γ_н). Указанные характеристики рассчитаны с использованием следующих зависимостей:

,                                      

Эти показатели определены для каждого из множества значений V_н и m_н. Полученные расчетные значения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Расчетные значения свойств препрега и углепластика на его основе

Анализ расчетных данных по весовым характеристикам препрега показал, что препрег с содержанием связующего 37 ± 3 % в диапазоне допустимых изменений значений массы наполнителя 200 ± 10 г/м² может обеспечить в углепластике толщину слоя от 0,19 до 0,23 мм (среднее значение 0,21 мм ‒ при условии сохранения связующего в пакете при формовании) при объемном содержании углеродного наполнителя от 51 до 57 %, которое обеспечивает (как показали дальнейшие исследования свойств углепластика) достаточно высокий уровень физико-механических характеристик.

Следует отметить, что показатель массы препрега m_пр (в расчете на единицу площади из этого диапазона) будет напрямую влиять на массу изделия из слоистого ПКМ, а разброс его значений ‒ на стабильность этого показателя.

На рисунке представлена графическая интерпретация зависимостей показателя массы 1 м² препрега m_пр от показателя массы 1 м² наполнителя m_н, приведенных для уровней весовых долей связующего 34, 37 и 40 %. Зависимости построены для значений показателя m_н в диапазоне 200 ± 5 г/м², что отражает реальную картину фактических значений, указанных в сертификатах качества на углеродную ткань. На графике выделена область, полученная путем наложения определенных ограничений на значения для препрега 311 ≤ m_пр ≤ 325 г/м². Любые сочетания значений показателей m_пр и m_н в границах этой области позволяют получать препрег с содержанием 37 ± 3 %. Эти результаты использованы при разработке технологии изготовления препрега с воспроизводимыми параметрами, зафиксированными в технических условиях на препрег.

Зависимости показателей массы 1 м² наполнителя и препрега

С помощью удельных характеристик препрега m_св и m_пр выполнены необходимые исследования процесса пропитки армирующего наполнителя углеродной ткани ВТкУ-2.200 расплавом связующего ВСР-3М с целью отработки технологии изготовления экспериментальных образцов препрега ВСР-3М/ВТкУ-2.200, предназначенных для получения образцов разрабатываемого углепластика, свойства которого должны соответствовать поставленным требованиям. Для изготовления экспериментальных образцов препрега использовали пропиточную установку. Характеристика m_св позволяет настроить устройство нанесения связующего на пропиточной установке для получения пленки заданной массы. Показатель массы препрега m_пр на выходе из пропиточной установки служит для оценки правильности выбираемого технологического режима пропитки – по уровню этого показателя происходит корректировка режимов пропитки.

Технология изготовления препрегов на основе расплавных связующих состоит из следующих операций:

‒ получение пленки связующего на антиадгезионной бумаге при помощи устройств для нанесения связующего ‒ коутеров;

‒ совмещение пленки и углеродной ткани при прохождении нагревательных столов и каландрирующих валов;

‒ охлаждение препрега, снятие антиадгезионной бумаги и замена ее на полиэтиленовую пленку с последующей намоткой на картонную шпулю.

Влияние параметров пропитки на качество препрега подробно описано в работе [15].

При определенном выбранном сочетании технологических параметров процесса пропитки на вышеуказанной пропиточной установке расплавным методом изготовлены экспериментальные образцы препрега ВСР-3М/ВТкУ-2.200  и исследованы его свойства.

В табл. 3 приведены весовые характеристики препрега, показатели реакционной способности и времени гелеобразования связующего в препреге.

Таблица 3

Свойства препрега на основе связующего ВСР-3М

и углеродной ткани марки ВТкУ-2.200

Установлено, что поверхностная плотность изготовленного препрега ВСР-3М/ВТкУ-2.200 укладывается в интервалы расчетных значений этого параметра, что свидетельствует о правильности выбранных значений параметров технологического процесса изготовления препрега. Весовое содержание связующего в препреге ВСР-3М/ВТкУ-2.200 не выходит за пределы 37±3 %.

Из полученного препрега методом вакуум-автоклавного формования изготовили опытные партии плит углепластика со схемой армирования слоев наполнителя [0°], из которых вырезали образцы для определения характеристик ПКМ. Результаты представлены в табл. 4.

Таблица 4

Свойства углепластика на основе препрега ВСР-3М/ВТкУ-2.200

Установлено, что углепластик на основе исследуемого препрега ВСР-3М/ВТкУ-2.200 соответствует заданным требованиям по показателям толщины монослоя и модуля упругости при растяжении, приведенным в табл. 1.

По результатам комплекса проведенных исследований свойств указанный углепластик может использоваться в конструкциях агрегатов несущей системы вертолетов как материал внешнего контура, воспринимающий нагрузки при скручивании, в том числе для изготовления обшивок хвостовых отсеков трехслойной конструкции.

Заключения

Выбран диапазон объемного содержания углеродного наполнителя, обеспечивающий достаточно высокий уровень упруго-прочностных характеристик и монолитную структуру композита. Выполнен расчет для прогнозирования толщины одного слоя (монослоя) углепластика с учетом выбранного диапазона содержания углеродного наполнителя. C целью выбора весовых параметров препрега, обеспечивающих необходимые свойства углепластика, выполнены расчеты основных характеристик препрега: содержания связующего, массы пленки связующего и массы препрега в расчете на единицу площади. Установлены также пределы содержания связующего в препреге: 37 ± 3 %, что обеспечит в углепластике объемное содержание наполнителя в интервале от 51 до 57 %.

Предварительно рассчитанные значения весовых характеристик препрега использовалипри настройке устройства нанесения пленки и калибрующих узлов пропиточной установки в процессе отработки технологии изготовления препрега с установленной массой связующего на единицу площади.

В соответствии с выбранными технологическими параметрами процесса пропитки расплавным методом на установке пропитки тканей изготовлен препрег на основе расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М и конструкционной углеродной ткани марки ВТкУ-2.200 с номинальной плотностью 200 г/м² и исследованы его весовые характеристики. Установлено, что масса препрега на единицу площади укладывается в расчетные значения. Это свидетельствует о том, что параметры технологического процесса для изготовления материала выбраны правильно.

Методом послойной выкладки заготовок препрегов с последующим формованием в высокотемпературном автоклаве изготовлен углепластик для проведения испытаний и исследованы его свойства.

По результатам комплекса проведенных исследований свойств углепластик может использоваться в конструкциях агрегатов несущей системы вертолетов и применяться в комплексе с гибридными и однонаправленными материалами на основе связующего ВСР-3М.