Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-11-4-4
УДК 678.84
И. Ф. Давыдова, Н. С. Кавун
ТЕПЛОСТОЙКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ ТЕКСТОЛИТЫ

Исследованы свойства стеклотекстолитов на основе полиимидного связующего и различных наполнителей. Показано, что комбинированный материал с использованием в наружных слоях углеродной ткани обладает высокой механической прочностью, теплостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами и малым износом.

 

Ключевые слова: стеклопластики, углепластики, органопластики, комбинированные материалы, механические свойства, теплофизические свойства, коэффициент трения, износ.

Введение

В качестве антифрикционных материалов в некоторых случаях используются неметаллические материалы, такие как древесно-слоистые и текстолиты, которые применяются для подшипников скольжения, втулок, для защиты проводов тросов управления самолета и других целей. Однако существующие текстолиты не всегда обеспечивают заданные требования.

Так, в конструкциях шасси самолетов такие материалы подвергаются одновременному воздействию высоких температур и трению и должны изготовляться из материала, обладающего высокой механической прочностью, теплостойкостью и антифрикционными свойствами [1–4]. Помимо этого, материал должен работать длительно (до 1000 ч) и кратковременно (до 100 ч) при температурах 300 и 350°С соответственно, с сохранением при этом прочности при сжатии на уровне 120 МПа и прочности при смятии на уровне 100 МПа.

Текстолитовые материалы на основе хлопчатобумажных волокон не могут длительно работать при высоких температурах. Использование в качестве наполнителя более теплостойких стеклянных тканей  повышает прочностные свойства материала и его теплостойкость. Известно большое количество слоистых материалов типа стеклопластиков, которые обладают достаточной прочностью при высоких температурах, малой теплопроводностью и могут быть использованы для силовых и теплоизоляционных деталей (втулки, прокладки, кронштейны и др.). Однако существенным недостатком стеклопластиков является их абразивность и, вследствие этого, невозможность использования их в сочетании с вращающимися элементами.

Цель работы – создание теплостойкого материала, который обладал бы одновременно высокой прочностью, хорошими теплоизоляционными и конструкционными свойствами и, кроме того, перерабатывался бы общепринятыми для слоистых пластиков методами.

 

Материалы и методы

Поставленная задача решена путем создания комбинированного материала, в котором отдельные слои выполняли определенные функции. Стеклопластик обеспечивает высокую теплостойкость, механическую прочность и теплоизолирующие свойства, а наружные слои из углепластика или пластика на основе арамидной ткани – малый коэффициент трения.

В связи с тем, что одним из основных требований, предъявляемых к разрабатываемому материалу, является высокая термостойкость, необходимо выбрать такое связующее для его изготовления, которое давало бы возможность получить теплостойкий материал с повышенной механической прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.

С этой точки зрения особый интерес представляли полиимиды, в цепь которых входили ароматические и гетероциклические кольца, а содержание алифатических связей минимально или равно нулю.

В ряду полимеров с гетероциклами в цепи наиболее видное место занимают полиимиды. Им присущи такие отличные свойства, как высокая термостойкость, хорошие механические свойства и диэлектрические показатели в широком диапазоне температур, высокая радиационная стойкость и др. [5–10].

По термостойкости полиимиды превосходят большинство изученных гетероароматических линейных полимеров, в то же время они обладают хорошей устойчивостью к термоокислительной деструкции при повышенных температурах.

С учетом этого, в качестве связующего при разработке антифрикционного материала для элементов конструкций шасси выбрано полиимидное связующее СП-97с, которое обеспечивало получение стеклопластика, работающего в течение 2000 и 400 ч при температурах 300 и 350°С соответственно, сохраняющего после термостарения в этих условиях высокую механическую прочность [11–14].

Поскольку помимо высокой теплостойкости и прочности материал должен был обладать малым коэффициентом трения, представлялось целесообразным использовать для поверхностных слоев комбинированного материала пластики из углеродных или арамидных тканей, изготовленных на основе того же связующего [15–19].

В качестве наполнителя для стеклопластика выбрана бесщелочная стеклоткань алюмоборосиликатного состава марки Т-10-80.

Для углепластика были опробованы две марки углеродных тканей (УТЭП, УТМ-8) и одна марка графитированной ткани (ТГ-1).

На основе указанных тканей и полиимидного связующего изготовлены пластики, которые затем испытывались как в исходном состоянии и при повышенных до 350°С температурах, так и после термостарения при 300 и 350°С.

 

Результаты

Результаты испытаний пластиков представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*

Наполнитель

Напряжение при изгибе, МПа

при температуре, °С

после термостарения при 300°С в течение, ч

после термостарения

при 350°С в течение, ч

20

300

350

50

100

50

100

УТЭП

97

64

52

41

20

Материал претерпевает
большие усадки

УТМ-8

130

110

113

28

23

То же

ТГ-1

100

94

90

90

90

93

86

* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.

 

В связи с тем, что в процессе термостарения пластики на основе углеродных тканей УТЭП и УТМ-8 претерпевали большие усадки, представлялось целесообразным проверить влияние длительного термостарения при высоких температурах на их усадку и на основании полученных результатов установить оптимальный вариант наполнителя для углепластика.

Усадка пластиков определялась на дисках Ø50 мм. Результаты определения усадки приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Усадка пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*

Наполнитель

Усадка (%) при термостарении образцов при 300°С в течение, ч

100

500

1000

УТЭП

3,8

18,6

21,6

УТМ-8

4,2

17,1

18,6

ТГ-1

0

0

0

* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.

 

Как видно из данных табл. 1 и 2, оптимальным наполнителем для углепластиков является графитированная ткань марки ТГ-1, на основе которой получены пластики с более высокой механической прочностью при повышенных температурах и практически нулевой усадкой.

В табл. 3 представлены свойства пластика, изготовленного на основе графитированной ткани ТГ-1, причем ткань во всех слоях пластика располагалась по основе.

Таблица 3

Механические и теплофизические свойства пластика на основе ткани ТГ-1

(плотность 1250 кг/м3)

 

Напряжение при изгибе, МПа

при температуре, °С

после термостарения при 300°С

в течение, ч

после термостарения при 300°С в течение, ч

20

300

350

400

100

500

1000

1500

2000

50

10

147

136

116

106

136

134

130

116

110

100

93

 

Теплофизические свойства

Температура

испытания, °С

l, Вт/(м·К)

α·107, м2

с, кДж/(кг·К)

α×106, К-1

20

50

100

150

200

250

300

0,37

0,38

0,39

0,41

0,41

0,41

0,41

0,168

0,162

0,140

0,112

0,110

0,110

0,110

0,18

0,19

0,23

0,25

0,30

0,32

0,30

1,2–2,5

(от 20 до 100°С)

2,5

(от 110 до 300°С)

 

В качестве арамидных опробованы ткани саржевого переплетения из нитей №10,7 и №45. Результаты испытаний пластиков на их основе представлены в табл. 4.

 

Таблица 4

Свойства пластиков на основе арамидных тканей

Вид нити

Напряжение при изгибе, МПа

при температуре, °С

после термостарения

при 300°С в течение, ч

20

300

350

400

100

500

1000

№10,7

87

52

40

37

47

30

20

№45

97

82

56

57

45

43

40

 

Видно, что пластики на основе арамидных тканей из нити №45 имели более высокую прочность, в связи с чем для комбинированного материала в последующем использованы арамидные ткани из этой нити.

Комбинированный материал изготовлялся путем сочетания пропитанной полиимидным связующим СП-97с стеклоткани и поверхностных слоев из графитированной или арамидной ткани, пропитанных тем же связующим, с последующим одновременным прессованием по режиму, разработанному для стеклотекстолита СТП-97с. Во всех случаях армирующий наполнитель составлял 72–75% (по массе), а связующее соответственно 25–28% (по массе), причем количество слоев стеклоткани определялось толщиной готового материала, а количество листов графитированной или арамидной ткани всегда равнялось четырем – по 2 слоя с каждой стороны.

Сравнительные свойства комбинированных материалов, изготовленных с использованием в наружных слоях графитированной ткани ТГ-1 и арамидной ткани из нити №45, приведены в табл. 5 и 6.

 

Таблица 5

Свойства комбинированного материала на основе ткани ТГ-1 (плотность 1370 кг/м3)

Состав

комбинированного

материала

Свойства

Значения свойств

при температуре

испытания, °С

после термостарения при температуре

300°С в течение, ч

после термостарения при температуре

350°С в течение, ч

20

300

350

100

500

1000

50

100

Наполнитель:

6 слоев стеклоткани Т-10-80  и  по 2 слоя

с  каждой  стороны

графитированной ткани ТГ-1;

связующее СП-97с

σв.и, МПа

212

173

153

160

144

140

142

124

σсж, МПа

192

170

150

136

140

130

136

130

σв, МПа

232

193

190

176

83

80

176

120

Е, ГПа

21,0

21,0

17,5

17,5

16,5

16,0

17,0

15,0

σсм, МПа

235

170

180

170

120

110

180

120

Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,16; износ материала при трении в паре со сталью
30ХГСА: 1,2%

Теплофизические свойства

Температура испытания, °С

l, Вт/(м·К)

α·107, м2

с, кДж/(кг·К)

20

50

100

150

200

250

300

0,26

0,26

0,27

0,28

0,29

0,30

0,31

0,091

0,085

0,075

0,065

0,065

0,063

0,059

0,21

0,22

0,26

0,31

0,32

0,35

0,38

 

Таблица 6

Свойства комбинированного материала на основе арамидной ткани

Состав

комбинированного

материала

Свойства

Значения свойств

при температуре

испытания, °С

после термостарения при температуре

300°С в течение, ч

после термостарения при температуре

350°С в течение, ч

20

300

350

100

500

1000

50

100

Наполнитель:

6 слоев стеклоткани

Т-10-80  и  по 2 слоя

с  каждой  стороны

арамидной ткани из нити №45;

связующее СП-97с

σв.и, МПа

200

160

120

100

70

85

100

55

σсж, МПа

190

145

140

120

110

100

90

40

σв, МПа

220

170

160

77

110

Е, ГПа

16,0

14,0

12,0

12,5

11,0

10,0

13,0

σсм, МПа

165

140

100

Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,27; износ материала при трении в паре со сталью
30ХГСА: 1,7%

 

Обсуждение и заключения

Исходя из данных расширенных испытаний комбинированных материалов, с учетом комплекса полученных свойств в качестве оптимального варианта выбран комбинированный материал, изготовленный с использованием в качестве поверхностных слоев пластика на основе графитированной ткани марки ТГ-1.

Полученный материал является термостойким вплоть до температуры 350°С, обладает хорошими прочностными и антифрикционными свойствами. Пределы прочности при сжатии и смятии удовлетворяют поставленным требованиям – после термостарения в течение 1000 и 100 ч при температурах 300 и 350°С соответственно σсж≈130 МПа, σсм≈100 МПа.

Коэффициент трения материала в паре со сталью очень небольшой и составляет 0,16 при износе 1,2%.

Таким образом, разработанный материал может быть применен для изготовления теплоизоляционных нагруженных деталей, обладающих способностью скольжения по стальной и другим поверхностям.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Ткачук А.И., Гребнева Т.А., Чурсова Л.В., Панина Н.Н. Термопластичные связующие. Настоящее и будущее //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 07 (viam-works.ru).
3. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Деев И.С., Никишин Е.Ф. Свойства полимерных композиционных материалов после воздействия открытого космоса на околоземных орбитах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 2–16.
4. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
5. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
6. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики – многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253–260.
7. Давыдова И.Ф., Каблов Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №7. С. 2–11.
8. Давыдова И.Ф. Кавун Н.С. Термостойкие герметичные стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №11. С. 18–20.
9. Davidova I.F., Kavun N.S. Glass plastics to auiation and roket Engineering. Springer. 2012 (clause in the electronic).
10. Давыдова И.Ф. Кавун Н.С., Швецов Е.П. Базальтопластики для работы при повышенных температурах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 18–24.
11. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
12. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 36–42.
13. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Огнестойкие стеклопластики в конструкциях мотогондол двигателей самолетов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №7. С. 16–20.
14. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С., Швецов Е.П. Высокотермостойкие карбоносодержащие стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №9. С. 18–24.
15. Кондратенко А.Н., Голубкова Т.А. Полимерные композиционные материалы в изделиях зарубежной ракетно-космической техники (обзор) //Конструкции из композиционных материалов. 2009. №2. С. 24–34.
16. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. М.: «HOT». 2008. 820 с.
17. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники //Конструкции из композиционных материалов. 2011. №4. С. 44–58.
18. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20–24.
19. Гуляев И.Н., Власенко Ф.С., Зеленина И.В., Раскутин А.Е. Направления развития термостойких углепластиков на основе полиимидных и гетероциклических полимеров //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 04 (viam-works.ru).
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
2. Tkachuk A.I., Grebneva T.A., Chursova L.V., Panina N.N. Termoplastichnye svjazujushhie. Nastojashhee i budushhee [Thermoplastic binders. Present and Future] //Trudy VIAM. 2013. №11. St. 07 (viam-works.ru).
3. Kablov E.N., Starcev O.V., Deev I.S., Nikishin E.F. Svojstva polimernyh kompozicionnyh materialov posle vozdejstvija otkrytogo kosmosa na okolozemnyh orbitah [Properties of polymer composites after exposure to outer space orbiting the Earth] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2012. №11. S. 2–16.
4. Kablov E.N. Himija v aviacionnom materialovedenii [Chemicals in aviation materials] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3–4.
5. Kablov E.N. Materialy dlja izdelija «Buran» – innovacionnye reshenija formirovanija shestogo tehnologicheskogo uklada [Materials for the product "Buran" - innovative solutions forming the sixth technological order] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №S1. S. 3–9.
6. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki – mnogofunkcional'nye kompozicionnye materialy [GRP - multifunctional composite materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 253–260.
7. Davydova I.F., Kablov E.N., Kavun N.S. Termostojkie negorjuchie poliimidnye steklotekstolity dlja izdelij aviacionnoj i raketnoj tehniki [Heat-resistant polyimide incombustible Fiberglass products for the aviation and rocketry] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2009. №7. S. 2–11.
8. Davydova I.F. Kavun N.S. Termostojkie germetichnye steklotekstolity [Heat-resistant sealed Fiberglass] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2011. №11. S. 18–20.
9. Davidova I.F., Kavun N.S. Glass plastics to auiation and roket Engineering. Springer. 2012 (clause in the electronic).
10. Davydova I.F., Kavun N.S., Shvecov E.P. Bazal'toplastiki dlja raboty pri povyshennyh tem-peraturah [Basalt for use at elevated temperatures] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2012. №11. S. 18–24.
11. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija konstrukcionnyh voloknistyh PKM [New polymeric binders for the promising methods for the manufacture of structural fibrous RMB] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38–42.
12. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki v konstrukcijah aviacionnoj i raketnoj tehniki [GRP in the construction of aviation and rocketry] //Steklo i keramika. 2012. №4. S. 36–42.
13. Davydova I.F., Kavun N.S. Ognestojkie stekloplastiki v konstrukcijah motogondol dvigatelej samoletov [Fire-resistant fiberglass in the construction of aircraft engine nacelles] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2011. №7. S. 16–20.
14. Davydova I.F., Kavun N.S., Shvecov E.P. Vysokotermostojkie karbonosoderzhashhie steklotekstolity [High temperature resistant Fiberglass carbon-containing] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2012. №9. S. 18–24.
15. Kondratenko A.N., Golubkova T.A. Polimernye kompozicionnye materialy v izdelijah zarubezhnoj raketno-kosmicheskoj tehniki (obzor) [Polymer composite materials in the products of foreign missile and space technology (review)] //Konstrukcii iz kompozicionnyh materialov. 2009. №2. S. 24–34.
16. Mihajlin Ju.A. Konstrukcionnye polimernye kompozicionnye materialy [Structural polymer composite materials]. M.: «NOT». 2008. 820 s.
17. Zorin V.A. Opyt primenenija kompozicionnyh materialov v izdelijah aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tehniki [Experience in the application of composite materials in the products aviation and space technology] //Konstrukcii iz kompozicionnyh materialov. 2011. №4. S. 44–58.
18. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Isaeva N.V., Solncev S.S. Perspektivnye vysokotemperaturnye keramicheskie kompozicionnye materialy [Promising high-temperature ceramic composites] //Rossijskij himicheskij zhur-nal. 2010. T. LIV. №1. S. 20–24.
19. Guljaev I.N., Vlasenko F.S., Zelenina I.V., Raskutin A.E. Napravlenija razvitija termostojkih ugleplastikov na osnove poliimidnyh i geterociklicheskih polimerov [Directions of development of heat-resistant carbon-fiber-based polyimide polymers and heterocyclic] //Trudy VIAM. 2014. №1. St. 04 (viam-works.ru).
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.