Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-5-9-9
УДК 678.8
П. Н. Тимошков, А. А. Платонов, А. В. Хрульков
ПРОПИТКА ПЛЕНОЧНЫМ СВЯЗУЮЩИМ (RFI) КАК ПЕРСПЕКТИВНАЯ БЕЗАВТОКЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ

Произошедший в 2000-х годах стремительный рост доли полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях гражданских самолетов позволил добиться существенных результатов в снижении массы, увеличении надежности и ресурса. Однако остро встал вопрос снижения стоимости конструкций из ПКМ, которые всегда были дороже аналогичных деталей из металла. Во многом высокая стоимость изделий из ПКМ определяется большой трудоемкостью и энергоемкостью автоклавной технологии их изготовления, наиболее широко применяемой в настоящее время в авиастроении, а также высокой стоимостью оборудования. В последние годы в ВИАМ активно проводят работы по развитию безавтоклавных методов изготовления деталей из ПКМ. В статье приведены результаты работ, выполненных в ВИАМ по разработке ПКМ на основе тканых наполнителей, полученных методом пропитки пленочным связующим. Представлены сравнительные упруго-прочностные характеристики полученного углепластика.

Ключевые слова: композиционный материал, углепластик, пропитка пленочным связующим, RFI, безавтоклавные технологии

Введение

Объемы применения композиционных материалов в авиации, аэрокосмической технике и в других различных отраслях промышленности растут с каждым годом. Это объясняется широчайшим спектром характеристик, которые можно реализовать в изделиях при использовании композитов [1]. Разумеется, все это было бы невозможно без внедрения новых материалов и технологий их производства.

Одной из самых распространенных технологий получения изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) является метод автоклавного формования. Заготовка будущего изделия помещается в автоклав (рис. 1), где из вакуумного мешка, в который помещена заготовка, удаляется воздух (создается вакуум), снаружи подается избыточное давление в ~6–8 ат и заготовка выдерживается в таких условиях до полного отверждения [2]. Изделия из ПКМ, полученные таким способом, обладают очень высокими свойствами благодаря высокой однородности и уплотненности материала и низким значениям пористости. Обычно такие материалы применяются в высоконагруженных деталях авиационной техники.

 

Рис. 1. Современный автоклав фирмы Magnabosco (Италия)

 

Однако этот метод имеет и свои недостатки: высокая стоимость оборудования, большое потребление энергии, высокая стоимость оснастки, ограничения по размеру формуемых деталей.

При этом далеко не во всех случаях востребованы такие высокие показатели свойств получаемого материала. К примеру, для средне- и слабонагруженных деталей авиационной техники, в автомобильной промышленности, строительстве и многих других отраслях применение автоклавного метода зачастую невозможно или экономически нецелесообразно. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется развитию так называемых безавтоклавных методов получения изделий из ПКМ. Одним из таких методов является метод пропитки пленочным связующим (RFI – resin film infusion), позволяющий получить ПКМ с высоким уровнем физико-механических свойств. Помимо прочего RFI-метод формования достаточно экономически эффективная технология, позволяющая значительно снизить трудоемкость изготовления деталей из ПКМ по сравнению с традиционным препрегово-автоклавным методом [3].

При получении изделий по этому методу требуется лишь вакуумная печь и оснастка с размещенным на ней предварительно собранным пакетом для формования. Избыточного давления для получения детали по такому методу не требуется. В отличие от автоклавного метода формования, где для сборки пакета требуется препрег – заранее пропитанный связующим армирующий наполнитель, здесь препрег не обязателен – можно использовать непропитанный заранее собранный тканый армирующий наполнитель (преформа), на который просто выложен слой пленки связующего (рис. 2). Это также удешевляет процесс производства, позволяя экономить на исходных материалах [4].

 

Рис. 2. Технологический пакет для RFI технологии

 

Необходимо отметить, что для получения изделий методом пропитки пленочным связующим используют связующие с особой реологией – вязкость их должна быть существенно (в 2–3 раза) ниже, чем у тех, что применяются в автоклавном формовании. Продолжительность гелеобразования таких связующих также должна обеспечивать при формовании полную пропитку армирующего наполнителя в пакете [3].

 

Материалы и методы

Для получения заготовок преформ использовали углеродный тканый наполнитель арт. 3101 на основе жгутов Tenax HTA 5131 3k производства ООО «Порше современные материалы», которое в 2012 году открыло ткацкое производство в Калужской области, и эпоксидные связующие ВСЭ-19 и ВСЭ-20, разработанные в ВИАМ, с уровнем рабочих температур 170 и 120°С соответственно [5].

Переработку связующего в пленки производили на установке Coateama LS-11 (рис. 3), позволяющей получать пленки с поверхностной плотностью от 200 до 800 г/м2.

 

 Рис. 3. Получение пленки связующего на установке Coateama LS-11

 

Формование образцов ПКМ проводили в термошкафу, что позволило уйти от дорогостоящего и трудоемкого автоклавного метода формования и таким образом снизить трудоемкость изготовления деталей на 20% [6].

 

Результаты

В ВИАМ активно проводят разработку материалов и технологий переработки по методу пропитки пленочным связующим. В рамках этих работ разработаны два вида полимерного связующего для RFI-технологии: ВСЭ-19 и ВСЭ-20 (см. таблицу) [7].

Связующее ВСЭ-19 обеспечивает рабочую температуру изделий до 170°С и реализует показатели физико-механических свойств, достаточных для применения в средне- и слабонагруженных крупногабаритных изделиях авиационной техники и в других различных отраслях промышленности.

Связующее ВСЭ-20 обеспечивает рабочую температуру изделий до 120°С и реализует более высокие относительно связующего ВСЭ-19 показатели прочности при межслойном сдвиге и сжатии после удара.

Углепластики ВКУ-40 и ВКУ-41 прошли полный цикл испытаний в соответствии с программой паспортизации авиационных материалов, в ходе которых определены основные упруго-прочностные характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, специальных жидкостей, масел и топлив, стойкость к долговременному воздействию природных климатических условий в различных климатических зонах, проведены испытания на термовлажностное старение и долговременную тепловую прочность [8]. В результате проведенных испытаний установлено, что разработанные углепластики имеют высокий процент сохранения упруго-прочностных и физико-химических свойств (˃70%) после воздействия различных факторов, что подтверждает возможность их применения в деталях авиационной техники во всеклиматических условиях [9–11].

 

Свойства углепластиков на основе связующих ВСЭ-19 и ВСЭ-20

и углеродной ткани фирмы Porcherарт. 3101

Показатели

Значения показателей углепластика на основе связующего

ВСЭ-19

ВСЭ-20

при температуре испытания, °С

20

170

20

120

Предел прочности, МПа:

 

 

 

 

– при растяжении

700

690

660

600

– при сдвиге

50

33

65

54

– при изгибе

1120

899

980

790

– при сжатии

630

530

670

500

Остаточная прочность при сжатии после удара, МПа

190

240

Температура стеклования, °С

212

160

 

Можно с уверенностью говорить о том, что у метода пропитки пленочным связующим (RFI) – хорошие перспективы для развития и широкие возможности внедрения в различные отрасли современной промышленности.

 

Обсуждение и заключения

В работе проводились исследования по возможности пропитки преформ на основе углеродного тканого наполнителя методом RFI. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогичными методами формования ПКМ, главными из которых являются уменьшение трудоемкости и достаточно низкая стоимость процесса. Установлено, что для изготовления толстостенных изделий (толщиной ˃5 мм) по методу пропитки пленочным связующим целесообразно использовать послойную выкладку, так как это позволит реализовать хорошее качество пропитки, низкую пористость и высокие показатели физико-механических свойств в изделии [12].

При изготовлении ПКМ методом RFI пленка связующего формируется заранее, что позволяет изготавливать пластики с определенным предварительно рассчитанным объемным содержанием наполнителя [13]. При формовании ПКМ связующее пропитывает преформу в поперечном направлении, что обеспечивает более качественную пропитку и, как результат, получение ПКМ с низким процентом содержания пор (Vпор<3% объемн.) [14].

При исследовании и разработке ПКМ на основе углеродных тканых преформ фирмы Porcher Ind. и полимерных пленочных связующих марок ВСЭ-19 и ВСЭ-20 разработаны новые марки углепластиков – ВКУ-40 и ВКУ-41, которые предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей и конструкций с уровнем рабочих температур 120 и 170°С соответственно.


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. Душин М.И., Хрульков А.В., Платонов А.А., Ахмадиева К.Р. Безавтоклавное формование углепластиков на основе препрегов, полученных по растворной технологии //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 43–48.
3. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
4. Чурсова Л.В., Душин М.И., Коган Д.И., Панина Н.Н., Ким М.А., Гуревич Я.М., Платонов А.А. Пленочные связующие для RFI-технологии //Российский химический журнал. 2010. №1. С. 63–66.
5. Бабин А.Н. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
6. Постнова М.В., Постнов В.И. Опыт развития безавтоклавных методов формования ПКМ //Труды ВИАМ. 2014. №4. Ст. 06 (viam-works.ru).
7. Способ получения композиционного материала: пат. №2246379 Рос. Федерация; опубл. 25.02.2004.
8. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения //Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19–27.
9. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения //Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34–40.
10. Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 412–423.
11. Мелёхина М.И., Кавун Н.С., Ракитина В.П. Эпоксидные стеклопластики с улучшенной влаго- и водостойкостью //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 29–31.
12. Душин М.И., Мухаметов Р.Р., Платонов А.А., Меркулова Ю.И. Исследование фильтрационных характеристик армирующих наполнителей и связующих при разработке технологии безавтоклавного формования полимерных композиционных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 22–25.
13. Платонов А.А., Коган Д.И., Душин М.И. Изготовление трехмерноармированных ПКМ методом пропитки пленочным связующим //Пластические массы. 2013. №12. С. 56–61.
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
2. Dushin M.I., Hrul'kov A.V., Platonov A.A., Ahmadieva K.R. Bezavtoklavnoe formovanie ugleplastikov na osnove prepregov, poluchennyh po rastvornoj tehnologii [Bezavtoklavnoye formation ugleplastikov on the basis of the prepregs received on solution technology] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 43–48.
3. Hrul'kov A.V., Dushin M.I., Popov Ju.O., Kogan D.I. Issledovanija i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovanija PKM [Researches and development of avtoklavny and bezavtoklavny technologies of formation of PKM] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
4. Chursova L.V., Dushin M.I., Kogan D.I., Panina N.N., Kim M.A., Gurevich Ja.M., Platonov A.A. Plenochnye svjazujushhie dlja RFI-tehnologii [Film binding for RFI technology] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. №1. S. 63–66.
5. Babin A.N. Svjazujushhie dlja polimernyh kompozicionnyh materialov novogo pokolenija [Binding for polymeric composite materials of new generation] //Trudy VIAM. 2013. №4 (viam-works.ru).
6. Postnova M.V., Postnov V.I. Opyt razvitija bezavtoklavnyh metodov formovanija PKM [Experience of development of bezavtoklavny methods of formation of PKM] //Trudy VIAM. 2014. №4. St. 06 (viam-works.ru).
7. Sposob poluchenija kompozicionnogo materiala [Way of receiving composite material]: pat. №2246379 Ros. Federacija; opubl. 25.02.2004.
8. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznachenija. I. Mehanizmy starenija [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. I. Aging mechanisms] //Deformacija i razrushenie materialov. 2010. №11. S. 19–27.
9. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznachenija. III. Znachimye faktory starenija [Climatic aging of composite materials of aviation assignment. III. Significant factors of aging] //Deformacija i razrushenie materialov. 2011. №1. S. 34–40.
10. Kirillov V.N., Starcev O.V., Efimov V.A. Klimaticheskaja stojkost' i povrezhdaemost' polimernyh kompozicionnyh materialov, problemy i puti reshenija [Climatic firmness and damageability of polymeric composite materials, problems and solutions] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 412–423.
11. Meljohina M.I., Kavun N.S., Rakitina V.P. Jepoksidnye stekloplastiki s uluchshennoj vlago- i vodostojkost'ju [Epoxy fibreglasses with improved vlago-and water resistance] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 29–31.
12. Dushin M.I., Muhametov R.R., Platonov A.A., Merkulova Ju.I. Issledovanie fil'tracionnyh harakteristik armirujushhih napolnitelej i svjazujushhih pri razrabotke tehnologii bezavtoklavnogo formovanija polimernyh kompozicionnyh materialov [Research of filtrational characteristics of reinforcing fillers and binding when developing technology of bezavtoklavny formation of polymeric composite materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 22–25.
13. Platonov A.A., Kogan D.I., Dushin M.I. Izgotovlenie trehmernoarmirovannyh PKM metodom propitki plenochnym svjazujushhim [Manufacturing of trekhmernoarmirovanny PKM by method of impregnation by the film binding] //Plasticheskie massy. 2013. №12. S. 56–61.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.