Введение

Развитие промышленности определяет необходимость в создании и применении высокотехнологичных изделий из новых материалов с улучшенными свойствами. Важной задачей является разработка новых авиационных материалов, соответствующих современным требованиям и стандартам. Разработанные материалы должны обладать высоким уровнем упруго-прочностных характеристик для обеспечения эксплуатационной стабильности. Кварцевое волокно, которое используется при изготовлении препрега и далее в разработке стеклопластика на его основе, имеет высокие значения прочности, термической стойкости и низкие показатели диэлектрических характеристик. К настоящему времени синтезировано значительное количество связующих на основе эпоксидных олигомеров. Эпоксидные смолы отличаются высокими показателями ударной прочности, твердости и износостойкости. Они обладают значительной температуро- и теплостойкостью. Таким образом, совместив эти составляющие, можно разработать новые виды полимерных композиционных материалов (ПКМ) с широким спектром улучшенных свойств [1–4].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана широкая номенклатура конструкционных и функциональных ПКМ для применения в различных узлах и агрегатах изделий авиационной техники.

В данной статье приведены основные физико-механические и диэлектрические характеристики ПКМ на основе кварцевого наполнителя, который характеризуется низким уровнем диэлектрических свойств, и рaсплавного эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212, рекомендуемого для применения в авиационной и ракетно-космической технике. Приведены результаты исследований влияния замасливателя (аппрета) кварцевого наполнителя на получение ПКМ с наименьшим содержанием воздушных включений.

Материалы и методы

Стеклопластики – это современные ПКМ, которые занимают лидирующие позиции по объему использования в авиационной и других отраслях промышленности. Они обладают особыми свойствами, которые делают их идеальным материалом для применения в области, где требуется сочетание прочности, легкости и хороших изоляционных характеристик. Они широко используются при производстве средне- и слабонагруженных элементов конструкций, панелей интерьера, конструкций радиотехнического назначения и других деталей для авиационной техники. Выбор конкретного материала зависит от технических требований к конечному изделию, условий эксплуатации и возможностей по их обработке. Для создания деталей и агрегатов с высоким уровнем физико-механических свойств и низкими диэлектрическими характеристиками, необходимыми для конструкций радиотехнического назначения, требуются материалы с минимальными значениями диэлектрической проницаемости.

Стеклопластики обычно создаются путем сочетания стекловолокон и полимеров. Стекловолокно придает материалу прочность и жесткость, в то время как полимеры обеспечивают удобство при обработке и формовке. Применение стеклопластиков позволяет создавать легкие, прочные и устойчивые конструкции, что особенно важно для авиационных материалов. Благодаря своей надежности и долговечности стеклопластики широко используются в производстве элементов, работающих в условиях высоких нагрузок и экстремальных температур.

Технологический процесс производства стеклопластиков включает несколько этапов, начиная с пропитки стекловолокна связующим и заканчивая формовкой и отверждением материала. Эти процессы требуют точной настройки и контроля для обеспечения высокого качества и надежности разработанного изделия [5–7].

В зависимости от вида полимерной матрицы и наполнителя, а также их объемного содержания в материале можно получить стеклопластики с различным уровнем упруго-прочностных и диэлектрических характеристик.

Стеклянные волокна представляют собой материал, свойства которого в основном зависят от их состава. В зависимости от предназначения различают несколько типов стеклянных волокон. Первый тип (E) является наиболее распространенным и отличается низкой электрической проводимостью, второй (S) – имеет высокую прочность (данные волокна необходимы для изготовления материала, который должен выдерживать высокие механические нагрузки, обеспечивая долговечность и надежность конструкций), третий (AR) – обладает повышенными значениями щелочестойкости, четвертый (D) – характеризуется низкой диэлектрической проницаемостью. Помимо перечисленных типов, существуют и другие разновидности стеклянных волокон, каждая из которых обладает уникальными свойствами [7].

Прочностные свойства стекловолокон зависят от ряда ключевых факторов. Химический состав стекла определяет прочность материала. Наличие определенных добавок может улучшить механические характеристики стекловолокон. Кроме того, технология производства влияет на качество волокон – различные методы формования обеспечивают разные структуры и, соответственно, свойства материала. Важно учитывать наличие механических повреждений на поверхности волокон: даже небольшие дефекты могут значительно снизить прочность материала. Диаметр и длина волокон также имеют особое значение: увеличение диаметра волокна, как правило, сопровождается снижением прочности [8]. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики волокон.

Таблица 1

Физико-механические и диэлектрические характеристики стекловолокон

Одним из основных применений кварцевых волокон является производство обтекателей для самолетов, которые не только обеспечивают аэродинамические свойства, но и защищают от воздействия внешних факторов. Кроме того, кварцевое волокно широко используется в производстве стеклопластика, где оно выступает в роли наполнителя. Этот материал пользуется большим спросом при создании изделий для радиотехнических целей [8, 9].

Кварцевое волокно получают из кристаллического кварца, который представляет собой модификацию кремнезема (SiO₂). Оно содержит не менее 99,95 % оксида кремния, что обеспечивает исключительные свойства. Высокая теплостойкость является одним из ключевых преимуществ кварцевого волокна. Оно способно выдерживать экстремально высокие температуры без деформации или разрушения. Эта особенность позволяет использовать его в высокотемпературных процессах, таких как производство стекла, керамики, металлов, а также в космической отрасли. Кварцевое волокно также демонстрирует хорошие радиопрозрачные свойства. Благодаря низкой проводимости электричества оно широко используется в электротехнической промышленности для производства изоляционных материалов, высокочастотных кабелей, радиочастотных компонентов и других элементов, где требуется высокая степень изоляции. Теплофизические свойства кварцевого волокна также являются его сильной стороной. Оно обладает высокой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, что делает его эффективным теплоизоляционным материалом. Химическая стойкость кварцевого волокна к воздействию агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи, растворители, делает его ценным материалом для использования в химической промышленности. Оно устойчиво к коррозии и не подвержено разрушению под воздействием различных химических веществ. Кварцевое волокно также обладает высокими значениями упруго-прочностных характеристик, что делает его прочным и надежным материалом. Оно способно выдерживать высокие нагрузки без деформации и разрушения, что позволяет использовать его в конструкционных материалах, а также в производстве высокопрочных деталей для авиационной промышленности.

Однако высокая стоимость является основным недостатком кварцевого волокна, что ограничивает его широкое применение. В качестве альтернативы применяются стеклянные ткани на основе полых волокон, которые, хотя и уступают кварцевому волокну по ряду свойств, имеют значительно меньшую стоимость. Стеклянные ткани также обладают рядом преимуществ: высокой прочностью при растяжении и хорошей теплоизоляцией. В заключение можно отметить, что кварцевое волокно – это уникальный материал с широким спектром применения [10].

Для обеспечения соответствия ПКМ повышенным техническим требованиям необходимо использовать современные полимерные связующие с высоким уровнем физико-химических и технологических свойств [11].

В настоящее время широкое распространение получили эпоксидные смолы, которые позволяют создавать полимерные композиции с необходимыми реологическими и механическими характеристиками. Ключевой особенностью термореактивных связующих, к которым относятся эпоксидные смолы, является образование пространственной сетчатой структуры в результате химической реакции. Такая реакция происходит между би- или полифункциональными олигомерами (основными компонентами связующего) и низкомолекулярными веществами, называемыми отверждающими агентами. В итоге образуется жесткая неплавкая полимерная матрица, придающая композиту прочность и устойчивость к внешним воздействиям. В начальном состоянии жидкая смесь моно- или олигомеров с отверждающим агентом обладает низкой вязкостью. Это свойство позволяет легко пропитывать наполнители, формируя непрерывную матрицу. Отверждение может происходить при комнатной или повышенных температурах, что зависит от используемых компонентов и желаемых свойств материала. Полуфабрикаты, пропитанные смолой, называются препрегами. Они могут храниться в течение определенного времени в конкретных условиях, когда скорость отверждения полимерной матрицы минимальна. Этот период называется жизнеспособностью препрега и является ключевым фактором в технологии производства ПКМ.

Современные эпоксидные смолы предлагают широкий спектр возможностей для оптимизации свойств ПКМ:

– высокая прочность и жесткость – благодаря образованию плотной сетчатой структуры эпоксидные смолы придают ПКМ повышенную прочность при растяжении, изгибе и сжатии;

– высокая адгезия к материалам различной природы;

– стойкость к воздействию различных химических веществ, таких как кислоты, щелочи, растворители;

– водонепроницаемость;

– термостойкость, что позволяет использовать эпоксидные смолы для создания высокотемпературных ПКМ.

Кроме того, существует множество модификаторов эпоксидных смол, которые позволяют регулировать свойства материала в соответствии с конкретными требованиями: пластификаторы увеличивают гибкость и ударную прочность; наполнители изменяют механические свойства, плотность, теплопроводность, электропроводность и др.; сшивающие агенты увеличивают прочность и термостойкость.

Применение эпоксидных смол в производстве ПКМ открывает широкие возможности для создания высококачественных материалов с уникальными свойствами, отвечающих требованиям технических стандартов. В зависимости от типа наполнителя, модификаторов и технологии изготовления можно получить ПКМ с различными характеристиками [12, 13].

Связующее ВСЭ-1212 с высокими механическими и деформационными характеристиками, а также препреги на его основе обеспечивают возможность изготовления изделий с высоким уровнем упруго-прочностных свойств, устойчивых к воздействию неблагоприятных эксплуатационных факторов. Данное связующее состоит из модифицированной эпоксидной и полифункциональной смолы, аминного ароматического отвердителя и термопласта. Температура отверждения варьируется от 160 до 180 °С [14, 15].

Связующее марки ВСЭ-1212 относится к расплавному типу и не нуждается в использовании легколетучих растворителей, что в свою очередь повышает экологическую безопасность при производстве, а также способствует существенному снижению пористости, увеличению стойкости к ударным воздействиям элементов конструкций [16–18].

В настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан и паспортизован стеклопластик марки ВПС-48/7781-14 на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклоткани арт. 7781-14. Стеклопластик марки ВПС-48/7781-14 применяется для изготовления деталей конструкционного назначения, в том числе створок капота, обтекателя пилона, узлов реверсивного устройства мотогондолы двигателя ПД-14. Материал может эксплуатироваться при температурах от –60 до +120 °С и кратковременно до +150 °С. Разработанный стеклопластик имеет высокие упруго-прочностные характеристики, в том числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред, но демонстрирует достаточно высокие значения диэлектрической проницаемости.

Разработка стеклопластика марки ВПС-48/ТС-8/3К на основе эпоксидного расплавного связующего марки ВСЭ-1212 и кварцевого армирующего наполнителя является актуальной задачей и позволит обеспечить создание средненагруженных элементов летательных аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения.

На основе расплавного эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212 и кварцевой ткани ТС-8/3К-39 отработана технология изготовления препрега стеклопластика ВПС-48/ТС-8/3К на современной пропиточной машине, которая обеспечивает высокую точность и минимальный разброс значений массовых характеристик, а также экологичность и высокую культуру производства. На рис. 1 изображена пропиточная машина для изготовления препрега по расплавной технологии.

Рис. 1. Пропиточная машина для изготовления преперега по расплавной технологии

Расплавная технология изготовления препрега позволяет реализовать качественную пропитку наполнителя, минимизировать наличие газообразных продуктов и тем самым снизить пористость, а также повысить упруго-прочностные характеристики ПКМ.

Результаты и обсуждение

Для разработки стеклопластика радиотехнического назначения выбрана кварцевая ткань марок ТС-8/3К-ТО (термообработанная) и ТС-8/3К-39 (с силановым замасливателем 39). Исследована капиллярность кварцевых волокон тканей и их типовых менисков (рис. 2).

Рис. 2. Результаты исследований типовых менисков кварцевой ткани марок ТС-8/3К-ТО (а) и ТС-8/3К-39 (б)

Высота подъема уровня раствора дихромата калия для волокна марки ТС-8/3К-ТО составляет 10 мм, марки ТС-8/3К-39 – отсутствует. Для ткани марки ТС-8/3К-ТО угол типового мениска соответствует 42 градусам, ТС 8/3-К-39 – равен 68 градусам. Это влияет на отвержение матрицы (связующего) и наполнителя (кварцевой ткани).

Основным отличием кварцевой ткани ТС-8/3К-ТО от ТС-8/3К-39 является используемый замасливатель. В термообработанных тканях на этапе изготовления после вытяжки из расплава на поверхность волокон наносится парафиновая эмульсия, необходимая для защиты в процессе дальнейшей текстильной переработки. После процедуры изготовления полотна ткани образовавшаяся пленка парафина удаляется с поверхности путем термической обработки. Однако при работе с наполнителем марки ТС-8/3К-ТО зачастую можно наблюдать темные участки кварцевых нитей, что с учетом описанной процедуры получения может свидетельствовать о неполном удалении парафиновой эмульсии и продуктов ее термoокислительной деструкции. В связи с этим, а также с учетом того, что парафиновая эмульсия обладает гидрофобными свойствами, закономерно рассматривать тот факт, что наличие парафиновой эмульсии на поверхности снижает способность кварцевых волoкон к смачиванию, что в конечном счете приводит к образованию пор в полимерной матрице ПКМ.

Кварцевая ткань марки ТС-8/3К-39, напротив, на этапе изготовления волoкон покрывается активным замасливателем, сoдержащим поверхностно-активные вещества, повышающие смачиваемость волокон. В конечном счете использование замасливателя марки 39 обеспечивает лучшее распределение полимерного связующего по поверхности волокон кварцевого наполнителя и в процессе изготовления ПКМ обеспечивает минимальное количество воздушных включений в полимерной матрице.

Методом ультразвукового контроля исследованы плиты стеклопластиков, изготовленные методом вакуум-автоклавного формования (рис. 3).

Рис. 3. Результаты исследований плит стеклопластика на основе кварцевой ткани
ТС-8/3К-ТО (а) и ТС-8/3К-39 (б) методом ультразвукового контроля

Результаты ультразвукового контроля представлены в виде С-сканов дoнных эхосигналов, где каждому цвету от белого до бордового соответствует амплитуда эхосигнала от донной поверхности от минимального до максимального значения соответственно. При хорошем качестве плиты (низкой пористости) ультразвуковой сигнал проходит через материал, отражается от донной поверхности и возвращается обратно в преобразователь. При этом затухание ультразвукового сигнала минимально, а амплитуда отраженного от донной поверхности эхосигнала будет максимальна. На рис. 3, а наблюдается уменьшение амплитуды эхосигнала от донной поверхности, что может свидетельствовать о наличии повышенной пористости образца плиты стеклопластика на основе ткани марки ТС-8/3К-ТО. Проходя через участки повышенной пористости, ультразвуковой сигнал начинает дополнительно рассеиваться, соответственно в преобразователь будет возвращаться эхосигнал с меньшей амплитудой.

На рис. 3, б приведен С-скан плиты на основе ткани марки ТС-8/3К-39, который имеет практически равномерную максимальную амплитуду эхосигнала от всей донной поверхности плиты. Можно сделать вывод, что образец плиты стеклопластика на основе ткани ТС-8/3К-39 имеет минимальную пористость (близкую к нулю).

По результатам исследований для разработки стеклопластика на основе эпоксидного расплавного связующего марки ВСЭ-1212 выбрана кварцевая ткань марки ТС-8/3К-39 с силановым замасливателем.

В табл. 2 приведены результаты сравнения физико-механических и диэлектрических характеристик стеклопластиков марок ВПС-48/ТС-8/3К и ВПС-48/7781-14.

Таблица 2

Физико-механические и диэлектрические характеристики стеклопластиков

марок ВПС-48/ТС-8/3К и ВПС-48/7781-14

Полученные результаты исследования подтверждают, что новый стеклопластик на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и кварцевой ткани ТС-8/3К-39 обладает высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, сравнимым со свойствами ранее разработанного стеклопластика, изготовленного на основе стеклоткани арт. 7781-14. Новый стеклопластик демонстрирует высокие технические характеристики. Особенно следует отметить низкие значения диэлектрической проницаемости у образцов стеклопластика ВПС-48/ТС-8/3К, что указывает на потенциальное применение данного материала в различных радиотехнических конструкциях. Это открывает новые перспективы для использования разработанного стеклопластика в авиационной отрасли, где требуются материалы с низкой диэлектрической проницаемостью.

Таким образом, новый стеклопластик представляет собой перспективный материал, который может найти широкое применение в различных областях промышленности. Его высокие упруго-прочностные характеристики и низкая диэлектрическая проницаемость позволяют создавать легкие и прочные конструкции радиотехнического назначения изделий авиационной техники.

Заключения

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработанa широкая номенклатура ПКМ на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212, которые применяют для изготовления деталей и конструкций изделий авиационной техники.

Установлено, что пониженной пористостью обладает стеклопластик на основе расплавного связующего ВСЭ-1212 и кварцевой ткани марки ТС-8/3К-39. Следует отметить, что разработанный стеклопластик ВПС-48/ТС-8/3К на основе кварцевой ткани превосходит стеклопластик ВПС-48/7781-14 на основе конструкционной стеклоткани по следующим показателям: диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, предел прочности, модуль упругости при сжатии.

Исходя из полученных значений диэлектрических характеристик, можно сделать вывод о возможности применения стеклопластика ВПС-48/ТС-8/3К в конструкциях радиотехнического назначения изделий авиационной техники.

Применение разработанного стеклопластика позволит обеспечить высокие технические характеристики элементов конструкций радиотехнического назначения и повысить показатели экологической безопасности производства путем использования безрастворной технологии изготовления препрега.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ».