Введение

В первой части статьи приведены результаты комплексной оценки воздействия эксплуатационных и климатических факторов на изменение прочностных свойств углепластика марки ВКУ-59. Цель второй части – установление сохраняемости прочностных свойств стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37(55) (ТУ 1-595-11-1776–2018) [1, 2] при растяжении, сжатии, изгибе, межслойном сдвиге при температурах испытания –60, +20, +80 и +105 °С в исходном состоянии и после климатических воздействий, таких как экспозиция в камере тропического климата и тепловлажностное старение в течение 1 и 3 мес, тепловое старение в течение 500 и 1000 ч, воздействие микологической среды и технических жидкостей (вода, влага, масло ИПМ-10 и топливо ТС-1).

По результатам испытаний на стеклопластик марки ВПС-68 оформлен паспорт № 1995. Организован серийный выпуск разработанных клеевых препрегов КМКС-6.80.Т60(ВМП).37(55) стеклопластика ВПС-68 на сертифицированном производстве в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [3–6] в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

Объектом исследования является стеклопластик ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37(55), разработанный в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Препрег представляет собой стеклоткань на основе высокомодульных волокон, пропитанную эпоксидным клеевым связующим пониженной горючести марки ВСК-14-6 с теплостойкостью 80 °С. Стеклопластик ВПС-68 является аналогом стеклопластика HexPly М76/37%/7781 фирмы Hexcel (США).

Свойства стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 исследовали на образцах, изготовленных методом автоклавного формования [7–15].

Прочность и модуль упругости при растяжении определяли в соответствии с ГОСТ Р 56785–2015. Метод испытания заключается в растяжении образца с постоянной скоростью нагружения или деформирования до разрыва.

Испытания при сжатии проводили согласно ГОСТ 33519–2015. Образец в виде полосы прямоугольного сечения устанавливали в специализированную оснастку, которую помещали между захватами испытательной машины, и прикладывали сжимающую нагрузку.

Прочность и модуль упругости при статическом изгибе определяли в соответствии с ГОСТ 56810–2015. Сущность метода заключается в изгибе плоского образца прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до разрушения образца или до момента, когда деформация растяжения на внешней поверхности достигнет предварительно заданного значения.

Испытания прочности на межслойный сдвиг проводили согласно ГОСТ Р 32659–2014. К середине образца, свободно лежащего на двух опорах, прикладывали нагрузку до момента разрушения, вызванного межслойным сдвигом.

Тепловлажностное старение проводили в соответствии с ГОСТ Р 56762–2015 (метод В). Образцы кондиционировали при влажности, отличной от влажности окружающей среды, при заранее указанном постоянстве условий до начала других типов испытаний.

Тепловое старение проводили согласно ГОСТ 9.707–81. Сущность метода заключается в проведении ускоренных испытаний материалов, деталей и узлов на стойкость к старению при воздействии температуры и влажности, установлении изменения показателя при старении.

Грибостойкость исследовали в соответствии с ГОСТ 9.049–91. Материалы, зараженные спорами грибов, выдерживали в условиях, оптимальных для их развития.

Стойкость к воздействию технических жидкостей оценивали согласно ГОСТ 12020–2018. Сущность метода заключается в определении изменений характеристик образцов в ненапряженном состоянии после выдержки в жидких химических средах.

Клеевые соединения стеклопластика марки ВПС-68 получали с использованием клеевого препрега КМКС-6.80.Т60(ВМП).55. Испытания прочности при сдвиге клеевого соединения проводили по ГОСТ 14759–69. Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца, склеенного внахлест, усилиями, стремящимися сдвинуть одну половину образца относительно другой.

Предел прочности при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя определяли по ОСТ 1 90069–72 на «грибках», изготовленных из прутков алюминиевого сплава Д16 или Д19, с неперфорированным сотовым заполнителем из фольги АМг2Н с ячейкой размером 2,5 мм и толщиной от 0,03 до 0,05 мм. Сущность метода заключается в определении величины разрушающей силы при растяжении стандартного образца клеевого соединения сотового заполнителя с обшивкой усилиями, направленными перпендикулярно плоскости склеивания.

Результаты и обсуждение

Для определения эксплуатационной стойкости стеклопластика марки ВПС-68 проведены исследования образцов в исходном состоянии, при прогнозируемой рабочей температуре и температуре, превышающей температуру эксплуатации на 25 °С (табл. 1). Такой подход позволяет выявить запас прочности материала.

Таблица 1

Механические свойства стеклопластика ВПС-68 со схемой армирования [0]₁₃

при растяжении, сжатии, изгибе и межслойном сдвиге

в диапазоне температур от –60 до +105 °С

По результатам анализа полученных данных (табл. 2) можно констатировать, что уровень предела прочности стеклопластика марки ВПС-68 относительно значений при температуре 20 °С в зависимости от вида испытания при температуре 80 °С составляет 64,7–87,0 %; при –60 °С: 106,5–129,2 %; при 105 °С: 40,1–82,6 %. При этом уровень модуля упругости относительно значений при температуре 20 °С при температуре 80 °С составляет 89,6–95,3 %; при –60 °С: 72,9–109,9 %; при 105 °С: 64,6–95,5 %. Данные, полученные при температуре испытания 105 °С, свидетельствуют о запасе прочности стеклопластика марки ВПС-68.

Таблица 2

Уровень механических свойств стеклопластика ВПС-68

в диапазоне температур от –60 до +105 °С относительно значений,

полученных при температуре испытания 20 °С (средние значения)

Изучена климатическая и эксплуатационная стойкость стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37. Проведены испытания образцов стеклопластика с незащищенными торцами при изгибе и сжатии после экспозиции в камере тропического климата и тепловлажностного старения в течение 1 и 3 мес, теплового старения в течение 500 и 1000 ч, воздействия микологической среды и технических жидкостей (вода, влага, масло ИПМ-10 и топливо ТС-1) в исходном состоянии и при прогнозируемой рабочей температуре. Результаты испытаний приведены на рисунке.

Как видно из данных табл. 3, уровень свойств при сжатии относительно исходных значений для стеклопластика марки ВПС-68 со схемой армирования [0]₁₃ при температуре испытания 20 °С находится в интервале от 68,7 до 88,2 %, при 80 °С – от 70,1 до 103,4 %; при изгибе при 20 °С – от 81,2 до 104,5 %, при 80 °С – от 69,8 до 105,8 %. Высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств при изгибе, в том числе при рабочей температуре, свидетельствует о стойкости стеклопластика марки ВПС-68 к воздействиям факторов внешней среды и химических сред, таких как вода, влага, топливо ТС-1 и масло ИПМ-10.

Кроме того, по разработанному многоступенчатому режиму отверждения полимерной матрицы ВСК-14-6 изготовлены клеевые соединения стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега КМКС-6.80.Т60(ВМП).55, которые исследованы в исходном состоянии, при прогнозируемой рабочей температуре и температуре, превышающей температуру эксплуатации на 25 °С, с целью выявления запаса прочности. Результаты испытаний представлены в табл. 4.

Изменение свойств образцов стеклопластика с незащищенными торцами марки ВПС-68 со схемой армирования [0]₁₃ при сжатии (а, в) и изгибе (б, г) после воздействия климатических факторов (а, б) и экспозиции в технических жидкостях (в, г)

Таблица 3

Уровень механических свойств стеклопластика марки ВПС-68

после климатического воздействия и экспозиции в технических жидкостях

относительно значений для образцов в исходном состоянии (средние значения)

Таблица 4

Механические свойства клеевых соединений стеклопластика марки ВПС-68

на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).55 в исходном состоянии

Уровень свойств клеевых соединений в исходном состоянии при температурах испытаний –60, +80 и +105 °С относительно значений при 20 °С при сдвиге составил 88,2; 86,2 и 72,4 % соответственно; при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя: 91,3; 80,0 и 24,6 %.

С целью определения работоспособности и уровня сохранения механических свойств проведены испытания клеевых соединений после воздействия внешних факторов, таких как длительное тепловое старение при рабочей температуре, экспозиция в камере тропического климата и влага. Результаты испытаний представлены в табл. 5.

Таблица 5

Механические свойства клеевых соединений стеклопластика марки ВПС-68 на основе

клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).55 после воздействия внешних факторов

Клеевой препрег марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).55 после воздействия внешних факторов демонстрирует высокий уровень сохранения прочностных свойств клеевых соединений при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя. Уровень свойств клеевых соединений при сдвиге после климатических испытаний относительно исходных значений при температурах испытаний 20 и 80 °С составил 71,3–106,3 и 81,7–107,7 % соответственно; при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя: 88,4–94,2 и 94,5–118,2 %.

Данные, полученные при температуре испытания 105 °С, подтверждают запас прочности клеевых соединений стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).55.

Необходимо отметить, что при проведении испытаний на равномерный отрыв обшивки от сотового заполнителя разрушение при исследованных температурах происходило по сотовому заполнителю. Это свидетельствует о том, что прочность клеевого соединения стеклопластика марки ВПС-68 выше прочности сотового заполнителя из фольги AMг2Н с ячейкой размером 2,5 мм.

С целью определения жизнеспособности клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 после 3 мес хранения при температуре от 8 до 25 °С изготовлены образцы стеклопластика марки ВПС-68 методом автоклавного формования. Показано, что хранение препрега в течение 3 мес не оказало влияния на прочностные свойства стеклопластика. Прочность при растяжении и сжатии образцов, изготовленных из препрега до и после хранения, составила 1560 и 595 МПа соответственно. Таким образом, можно заключить, что жизнеспособность клеевого препрега КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 составляет не менее 3 мес при температуре от 8 до 25 °С. Важно отметить, что жизнеспособность зарубежного аналога – препрега марки HexPly HT 93/45/7781 фирмы Hexcel (США) – составляет 1 мес.

Заключения

Проанализированы свойства стеклопластика ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 после испытаний при растяжении, сжатии, изгибе и межслойном сдвиге. Показано, что стеклопластик обладает высоким уровнем сохранения свойств при температурах –60, +80 и +105 °С относительно значений, полученных при 20 °С.

После воздействия внешних факторов стеклопластик марки ВПС-68 также продемонстрировал высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств при сжатии и изгибе при температурах испытания 20 и 80 °С. Полученные данные свидетельствуют о стойкости стеклопластика марки ВПС-68 к воздействию климатических факторов и химических сред, таких как вода, влага, топливо ТС-1 и масло ИПМ-10.

Клеевой препрег марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).55 имеет высокий уровень сохранения прочности при сдвиге клеевого соединения и равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя при температурах испытания –60, +80 и +105 °С, а также после воздействия внешних факторов при температурах испытания 20 и 80 °С.

Низкая температура отверждения связующего ВСК-14-6 (за счет наличия латентного отвердителя аминного типа с катализаторами отверждения) и высокая жизнеспособность препрегов обеспечивают срок хранения полуфабриката при температуре от 0 до 8 °С не менее 6 мес, а также высокое сохранение прочностных свойств в диапазоне температур от –60 до +105 °С.

Подтверждена жизнеспособность клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 после 3 мес хранения при температуре от 8 до 25 °С. Прочность при растяжении и сжатии стеклопластика ВПС-68, изготовленного из препрега после 3 мес хранения, соответствовала исходным значениям.

Стеклопластик марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП).37 можно рекомендовать для изготовления деталей конструкционного назначения, в том числе слоистых и сотовых конструкций, работающих в интервале температур от –60 до +80 °С. Материал позволяет реализовать комплекс физико-механических свойств с высоким уровнем сохранения прочности, в том числе после воздействия внешних факторов, имитирующих эксплуатационные.