Введение

Карбопластики, обладающие комплексом ценных свойств – низкой плотностью, высоким модулем упругости, прочностью, термостойкостью, высокой износостойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), – нашли широкое применение в авиакосмической технике [1–8]. К недостаткам карбопластиков как на основе термореактивного, так и термопластичного связующих относится низкая прочность при сдвиге, что связано с недостаточной адгезией полимерных, особенно термопластичных, связующих к поверхности углеродных волокон (УВ). Адгезия на границе раздела «УВ–полимерная матрица» определяется наличием механических связей вследствие проникновения полимера в шероховатости поверхности УВ, химическими связями между поверхностью УВ и полимерной матрицей и взаимодействием, обусловленным действием сил Ван-дер-Ваальса [9, 10].

Необходимое для обеспечения хорошей адгезии возникновение химических связей в системе «УВ–полимер» может быть обеспечено формированием на поверхности УВ химически активных функциональных групп, способных реагировать с атомами и группами в цепочках полимера.

Для улучшения смачивания УВ полимерными связующими и повышения прочности соединения с ними УВ подвергают поверхностной воздушной обработке или электроокислению [11, 12].

При производстве из УВ лент, жгутов, тканей требуется применение замасливателей, в качестве которых обычно используют водорастворимые полимеры или олигомеры. Из-за трудностей удаления замасливателя с поверхности УВ он остается на волокнах при производстве углепластиков и выполняет роль аппрета. Большинство применяемых в Российской Федерации и за рубежом замасливателей-аппретов обладает низкой термоустойчивостью (~150–160°С), которая отрицательно проявляется при высокотемпературных испытаниях углепластиков.

Кроме того, необходимо учитывать, что замасливатель-аппрет не может быть универсальным и обеспечивать высокую совместимость с различными типами матриц.

Материалы и методы

В данной статье приведены результаты исследований по подбору аппретов для УВ при производстве карбопластиков на основе теплостойких термопластичных матриц. В качестве аппретов опробовали растворы эпоксидных смол, полиимиды, полиэфирные олигомеры, роливсан, фуриловый спирт, полисульфон и др. Образцы углеродной ленты ЭЛУР-0,08П, аппретированной фуриловым спиртом, подвергали термической обработке (т.о.) при температуре 160°С в течение 0,5 ч. Количество нанесенного аппрета составляет 3–6% (по массе). Влияние аппретов оценивали по прочности однонаправленных образцов термопластичного углепластика при межслоевом сдвиге (τ_сдв) по ГОСТ 24778–81, при сжатии (σ_в.сж) – по ГОСТ 25.602–80 и изгибе (σ_в.и) – по ГОСТ 25.604–82 при комнатной и повышенных температурах.

Изделия из углепластика можно получать разными способами: прессованием, пропиткой под давлением, интрузией и др. [13–15].

Образцы для испытаний получали по пленочной технологии путем послойной выкладки аппретированной ленты ЭЛУР-0,08П и полисульфоновых пленочных связующих ПСФ-Т1 и ПСФ-Т2 с температурой стеклования 180 и 220°С соответственно с последующим прессованием листа и вырезкой из него образцов.

Данные по входному контролю качества углеродной ленты ЭЛУР-0,08П приведены в табл. 1.

Таблица 1

Входной контроль углеродной ленты ЭЛУР-0,08П

с использованием эпоксидного связующего ВС-2526

Результаты

Данные по влиянию аппретов на свойства композиционных термопластичных углепластиков марок КТМУ представлены в табл. 2–5.

Таблица 2

Влияние аппретов на прочность КТМУ при межслоевом сдвиге (связующее ПСФ-Т1)

* Термическая обработка.

Таблица 3

Влияние аппретов на механические свойства КТМУ* (связующее ПСФ-Т1)

* Пористость КТМУ составляет ≤3,0%, содержание волокон 62±3%.

Таблица 4

Влияние аппрета на прочность КТМУ при межслоевом сдвиге (связующее ПСФ-Т2)

* В числителе – для 160°С, в знаменателе – для 180°С.

Таблица 5

Влияние аппретов на механические свойства КТМУ (связующее ПСФ-Т2)

* При температуре 185°С.

Обсуждение и заключения

Как видно из полученных результатов испытаний под полисульфоновое связующее, наносимое на УВ, может быть рекомендован аппрет РТА. Углепластик на данном аппрете обладает высокой прочностью при межслоевом сдвиге (60 МПа), сжатии (850 МПа) и изгибе (1250 МПа). Степень сохранения свойств углепластика при 160°С составляет 77–93%.

Хорошее сохранение прочности при сдвиге при температуре 160°С показал аппрет на основе фурилового спирта (т.о.).

Несомненный интерес представляет экологически чистый аппрет АДМ-2, жидким ингредиентом которого является вода. Степень сохранения свойств углепластика на аппрете АДМ-2 при 160°С составляет 77–86%.

Под теплостойкие связующие ПСФ-Т1 и ПСФ-Т2, наносимые на УВ, из исследованных аппретов лучшие результаты показал состав на основе фурилового спирта (т.о.). Степень сохранения свойств углепластика при температуре 185°С с указанным аппретом достигает 92–96%.

Показано, что в качестве аппретов под термопластичные связующие могут быть использованы рецептуры РТА, АДМ-2 и фуриловый спирт (т.о.), позволяющие сохранять механические свойства термопластичных углепластиков при 160°С на уровне 80–90%.

Авторы выражают благодарность ведущему инженеру Д.Н. Перфиловой, принимавшей участие в изготовлении образцов термопластичного углепластика и проведении их исследований.