Введение

В настоящее время ведущие зарубежные и отечественные ученые активно ведут исследования, направленные на разработку материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1].

Препрегово-автоклавный метод формования ПКМ, который до недавнего времени находил наиболее широкое применение в авиационной промышленности, обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств и низкую пористость получаемых пластиков, но характеризуется повышенными энергоемкостью и стоимостью из-за использования автоклава, а также дорогостоящей оснастки [2–5].

В настоящее время разработано большое количество альтернативных технологий, которые предусматривают при формовании изделий из ПКМ только атмосферное давление, поэтому нет необходимости в использовании дорогостоящего оборудования и массивной оснастки. К числу таких передовых безавтоклавных технологий, с помощью которых можно получать композиционные изделия с высокими физико-механическими характеристиками, относится вакуумно-инфузионный метод (VaRTM, Vacuum assisted resin injection). По этой технологии совмещение связующего и наполнителя происходит непосредственно в процессе формования изделия, что позволяет не ограничивать продолжительность сборки технологического пакета в отличие от методов с использованием препрега, где время сборки ограничено временем жизни препрега. Это особенно актуально при выкладке крупногабаритных и толстостенных изделий, однако при производстве подобного рода деталей возникает риск того, что могут возникнуть участки наполнителя, непропитанные связующим [6–11]. Для предотвращения этого применяются компьютерные программы, позволяющие проводить расчет гидродинамической модели процесса пропитки технологического пакета. На основании такого расчета можно определить количество и места точек подачи связующего, а также отвода воздуха. Существуют также различные модификации сборки технологического пакета (например, с применением полупроницаемой мембраны), позволяющие повысить движущую силу процесса пропитки. Еще одним способом повышения качества изготавливаемого изделия является изменение технологического режима с целью снижения гидродинамического сопротивления пакета наполнителя в процессе пропитки.

В ВИАМ проводятся научно-исследовательские работы, направленные на отработку и совершенствование безавтоклавных технологий изготовления ПКМ с целью снижения стоимости конечных изделий, а также отработка методик оценки пористости получаемых такими способами изделий [12].

Для получения бездефектных низкопористых ПКМ методом вакуумной инфузии необходимо использовать гомогенные связующие, не содержащие в своем составе примеси низкомолекулярных легколетучих веществ, растворителей, а также воздух, инертные газы и влагу [13]. Содержание этих веществ ухудшает качество отвержденных материалов вследствие нарушения монолитности полимерной матрицы в процессе формования. Для уменьшения содержания данных веществ используют вакуумирование связующих, что способствует дегазации и удалению примесей летучих веществ. Эффективное вакуумирование легко осуществить при получении малогабаритных изделий из ПКМ, так как не требуется использования большого объема связующего, однако когда необходимо изготовить крупногабаритные и толстостенные изделия, процесс подготовки связующего становится весьма затруднительным, малорезультативным и весьма энергоемким [14, 15].

Другим технологическим способом повышения качества изделий, получаемых методом вакуумной инфузии, является применение полупроницаемой мембраны, которая позволяет удалять газообразные продукты из пакета наполнителя непосредственно в процессе пропитки и в то же время выполняет барьерную функцию по отношению к связующему. Таким образом, при использовании мембраны удается создать равномерное давление по всей поверхности формуемого изделия, эффективно удалять из пакета наполнителя газообразные продукты, а также задавать весовое соотношение связующее/наполнитель в готовом изделии.

Использование полупроницаемой мембраны не только со стороны мешка, но и со стороны оснастки позволяет еще лучше осуществлять удаление газообразных продуктов из пакета наполнителя, однако такой метод сборки мешка не всегда приемлем, так как не позволяет получить точный оттиск от оснастки. Кроме того, высокая стоимость мембраны не позволяет говорить о достаточной экономической эффективности данного метода, однако его целесообразно применять в случае изготовления ответственных конструкций, а также небольшой серии изделий за единый цикл формования [16, 17].

Для контроля содержания пор в изделиях из ПКМ при невозможности исследования их разрушающими методами контроля (так как необходимо вырезать образцы из готового изделия), применяют неразрушающие методы контроля [18], одним из которых является эхо-импульсный ультразвуковой метод с использованием фазированных решеток [19]. Однако для сопоставления результатов, полученных данным методом, с реальным уровнем пористости необходимо провести ряд экспериментов и изготовить эталонные образцы с заданным уровнем пористости. На основе полученных данных можно построить зависимости величины донного сигнала от уровня пористости в исследованной марке углепластика и использовать их при исследовании деталей и конструкций из него [20].

В данной работе рассматривается технологический процесс изготовления методом вакуумной инфузии эталонных образцов-свидетелей с различными заданными уровнями пористости для дальнейшего исследования эхо-импульсным ультразвуковым методом с использованием фазированных решеток, результаты которого можно будет соотнести с результатами исследования готовых деталей.

Материалы и методы

Для изготовления пористых образцов-свидетелей ПКМ использовался отечественный углеродный равнопрочный наполнитель УТ-900 и разработанное в ВИАМ инфузионное связующее ВСЭ-21. Это связующее является гомогенным и не выделяет газы и другие летучие вещества в процессе формования, что могло бы вызвать пористость.

Таким образом, для получения различной пористости в образцах было принято решение варьировать уровень вакуума в процессе пропитки и формования так, чтобы пористость зависела только от количества оставшегося в технологическом пакете воздуха (рис. 1).

Рисунок 1. Технологический пакет в процессе вакуумной инфузии

Собрано три аналогичных технологических пакета с использованием:

– металлической оснастки в виде плиты, накрытой лакотканью;

– двух мембран для создания равномерного давления на всю поверхность формуемого изделия;

– распределительной сетки для равномерной пропитки наполнителя связующим;

– жертвенной ткани для удаления вспомогательных материалов из полученного образца;

– вакуумной пленки и герметизирующего жгута для создания вакуума в технологическом пакете;

– силиконовой трубки для подачи связующего.

Расчетная толщина углепластиковых плит составляла ~6 мм (24 слоя наполнителя размером 250×300 мм, вырезанных и уложенных друг на друга, при расчетной толщине монослоя 0,25 мм). Для исключения дополнительной пористости, вызванной находящейся в наполнителе влагой, пакеты наполнителя просушили в термошкафу при 100°С в течение 2 ч.

Пропитку осуществляли при различных уровнях вакуума (в ат):

– плита 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1;

– плита 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -0,9÷-0,8;

– плита 3   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -0,8÷-0,7.

Более низкий уровень вакуума использовать нецелесообразно, так как недостаточное давление со стороны атмосферы (разница между атмосферным давлением и уровнем вакуума) не позволило бы получить образец с заданными толщиной и качеством поверхности. Дополнительные эксперименты показали, что при низком уровне вакуума происходит недостаточная пропитка пакета.

Остальные параметры формования и расчетное количество использованного для пропитки связующего во всех трех случаях одинаковы. Расчетное количество содержания связующего составляло ~38%, отверждение проводили в термошкафу при поддержании заданного уровня вакуума по режиму формования, установленному для связующего ВСЭ-21. После формования технологические пакеты разобрали, плиты 1, 2 и 3 отторцевали на отрезном станке с алмазным кругом, измерили их толщину, которая составила 6±0,1 мм, что соответствует расчетной толщине.

Результаты и обсуждение

Полученные образцы углепластика визуально не содержат дефектов в виде газовых включений или непропитанных областей, т. е. отсутствует макропористость, которая может быть вызвана использованием невакуумированного связующего или слишком высокой скоростью его подачи, а также растворенной влагой [5, 21].

Из полученных плит изготовлены образцы и исследованы их шлифы. Установлено, что пористость полученных плит 1–3 составила 0,1; 0,4 и 0,6% соответственно.

Рисунок 2. Максимальная и минимальная амплитуды УЗ колебаний эхо-сигналов, отраженных от донной поверхности плиты: 1 (а; A_max=105%, A_min=60%); 2 (б; A_max=107%, A_min=45%); 3 (в; A_max=156%, A_min=97%)

Проведены исследования плит эхо-импульсным ультразвуковым методом контроля с использованием фазированных решеток. В результате исследований выявлена зависимость эхо-сигналов, отраженных от донной поверхности, от пористости (рис. 2).

Заключение

Изготовление образцов-свидетелей по приведенной в данной статье технологии позволило получить образцы с различными заданными уровнями пористости, что позволило в дальнейшем выявить их влияние на эхо-сигнал, отраженный от донной поверхности, при исследовании эхо-импульсным ультразвуковым методом контроля с использованием фазированных решеток.

На основании проведенных исследований выявлена принципиальная возможность изготовления эталонных образцов для неразрушающего метода контроля на соответствие качеству при производстве деталей из ПКМ методом вакуумной инфузии.

Дальнейшие исследования в данной области позволят производить образцы-свидетели с заданной пористостью из различных ПКМ, исследовать влияние уровня пористости на эхо-сигнал, отраженный от донной поверхности. На основе этих данных станет возможным проводить неразрушающий контроль готовых изделий из исследованных ПКМ эхо-импульсным ультразвуковым методом.