Введение

Несмотря на то, что использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) в авиационной технике занимает в настоящее время относительно малую долю от их общего объема потребления, композиционные материалы находят наиболее специфическое и эффективное применение именно в этой области. В авиационной технике требования к свойствам материалов обычно выше, чем в других областях применения, это относится к таким важным характеристикам, как малая масса, высокие прочность и жесткость и хорошая стойкость к усталостным напряжениям. Композиты, особенно с высокими эксплуатационными характеристиками, являются единственными существующими в настоящее время материалами, отвечающими данным требованиям. Использование композитов в конструкциях летательных аппаратов позволяет добиться существенных результатов в снижении массы, увеличении надежности и ресурса [1, 2]. Объем их применения в современной авиационной технике постоянно возрастает, и если 30 лет назад на них приходилось всего 5% от массы авиационного планера, то в настоящее время объем применения композитов достигает 50% от массы авиационного планера, обеспечивая ее снижение на 20–25% [3, 4].

Наибольшее распространение при производстве силовых конструкций летательных аппаратов получили углепластики на основе эпоксидных связующих. Препреги (полуфабрикаты) углепластиков традиционно получали с применением растворной технологии, т. е. использовали полимерные связующие с высоким содержанием растворителя, как правило – спирто-ацетоновой смеси. Растворная технология имеет следующие недостатки: в препрегах имеется значительное количество летучих, которые необходимо удалять при формовании, отклонение содержания связующего в препрегах находится в переделах ±4%, значительное количество растворителя необходимо улавливать специальными очистными сооружениями [5, 6]. При переходе на расплавные связующие все вышеперечисленные недостатки исчезают, при использовании расплавов связующих избавляются от растворителей, нанос связующего регулируется зазорами между валами технологического оборудования для изготовления препрегов, что приводит к снижению разброса по содержанию связующего в пределах ±2% [7, 8].

При изготовлении наиболее ответственных высоконагруженных композитных конструкций авиационной техники используются углепластики на основе однонаправленных жгутов [9, 10]. Такие углепластики обладают высокой прочностью и жесткостью, а их использование позволяет при проектировании конструкции заложить заданное количество волокон в нужном направлении, тем самым обеспечивая необходимую заданную прочность и жесткость в различных направлениях приложения нагрузки [11, 12].

В свою очередь, использование однонаправленных препрегов при изготовлении изделий дает возможность применять автоматизированные технологии выкладки (AFP и ATL). Использование таких автоматизированных технологий выкладки препрегов позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с традиционной ручной выкладкой, а именно: более высокие производительность и качество структуры композита благодаря более качественной и плотной укладке препрега, снижение трудоемкости процесса выкладки препрега и сокращение времени производства, а также точность и стабильность процесса выкладки заготовок [13, 14].

В данной работе исследованы основные упруго-прочностные характеристики углепластика ВКУ-25, разработанного в ВИАМ в рамках федеральной целевой программы в соответствии с техническими требованиями,  предъявляемыми авиационными конструкторскими бюро [15].

Материалы и методы

Углепластик марки ВКУ-25 изготавливают методом автоклавного формования из препрега на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212, разработанного в ВИАМ, и углеродных нитей марки HTS-45 12k E23 фирмы Toho Tenax (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид препрега марки ВКУ-25

Препрег углепластика ВКУ-25 получен по расплавной технологии методом пропитки на специализированном участке изготовления препрегов ВИАМ. Наработка препрега осуществлена на пропиточной установке Coateama BL-2800.

При исследовании упруго-прочностных характеристик применяли следующие стандарты: определение предела прочности и модуля упругости при растяжении по ASTM D 3039/D 3039M; определение предела прочности и модуля упругости при сжатии по ASTM 6641/D 6641; определение предела прочности при изгибе по ASTM D 7264/D 7264M; определение предела прочности при межслойном сдвиге (метод короткой балки) по ASTM D 2344/D 2344M.

Насыщение образцов в различных агрессивных жидкостях и средах проводили согласно ГОСТ 12020–72.

Испытания образцов проводили на испытательных машинах W+b LFM 250 (Швейцария), Zwick Roell Z-100 и Z-400 (Германия).

Результаты

При проведении научно-исследовательской работы по паспортизации углепластика ВКУ-25 определены его физические и упруго-прочностные характеристики. По результатам проведенных испытаний на углепластик марки ВКУ-25 выпущен паспорт №1846.

При проведении испытаний углепластика ВКУ-25 получены свойства, не уступающие свойствам соответствующих зарубежных аналогов (см. таблицу).

Сравнительные характеристики однонаправленных углепластиков

Если сравнивать упруго-прочностные характеристики углепластика ВКУ-25 с его ближайшими аналогами – отечественным углепластиком КМУ-15тл на основе однонаправленной углеродной ленты УОЛ-300-1А и зарубежным углепластиком Cycom 985-37%-AS4 на основе углеродных жгутов AS4 – то можно видеть, что углепластик ВКУ-25 имеет значительное преимущество по прочности при растяжении и сжатии, более высокий модуль упругости при растяжении и более высокую максимальную рабочую температуру, чем углепластик КМУ-15тл. В сравнении с зарубежным углепластиком Cycom 985-37%-AS4 характеристики разработанного углепластика ВКУ-25 находятся приблизительно на одном уровне, имея превосходство в прочности 10% при растяжении в направлении приложения нагрузки 0° и 90°.

Препрег углепластика ВКУ-25 выпускается двух типов – с поверхностной плотностью 206 и 308 г/м². Пластики, полученные на их основе, имеют толщину монослоя 0,131±0,007 и 0,215±0,025 мм соответственно.

Проведенные в ходе паспортизации испытания показали высокий уровень сохранения прочностных свойств углепластика ВКУ-25 после теплового старения материала при 120°С в течение 2000 ч (рис. 2). Видно, что пределы прочности при изгибе и сдвиге остаются почти на уровне исходных значений даже после термостарения материала в течение 2000 ч.

Сохранение прочностных свойств при изгибе и сдвиге после ускоренного старения (в течение 3 мес при температуре 60°C и влажности 85%), 3 мес экспозиции в камере тропического климата, а также воздействия нижнего значения температуры среды при эксплуатации (при температуре: 65°C в течение 3 мес) подтверждает высокую стойкость углепластика ВКУ-25 к эксплуатационным факторам (рис. 3).

Рис. 2. Пределы прочности при изгибе (а) и сдвиге (б) углепластика ВКУ-25 после теплового старения

Рис. 3. Пределы прочности при изгибе (а) и сдвиге (б) углепластика ВКУ-25 при температуре испытания 20 (■) и 120°С (□) после 3 мес экспозиции:

1 – в исходном состоянии; 2 – при температуре 120°С; 3 –в камере тропического климата;
4 – при температуре -65°С

Прочностные характеристики при изгибе и сдвиге после экспозиции в воде, во влажной среде, топливе ТС-1, масле ИПМ-10, гидравлической жидкости НГЖ-5У в течение 3 мес представлены на рис. 4.

Рис. 4. Пределы прочности при изгибе (а) и сдвиге (б) углепластика ВКУ-25 при температуре испытания 20 (■) и 120°С (□) после 3 мес экспозиции:

1 – в исходном состоянии; 2 – в воде; 3 – во влаге; 4 – в топливе; 5 – в масле; 6 – в гидравлической жидкости

Углепластик марки ВКУ-25 рекомендован для применения в деталях и конструкциях авиационной техники, эксплуатирующихся при температурах в диапазоне от -60 до +120°С, так как испытания показали, что в этом температурном интервале происходят изменения характеристик углепластика. Сохранение прочностных характеристик при повышенной температуре испытания составляет не менее 60% при различных видах нагружения.

Обсуждение и заключения

При проведении работы разработан новый высокотехнологичный полуфабрикат (препрег) полимерного композиционного материала на основе высокодеформативного эпоксидного связующего и армирующего наполнителя в виде углеродной нити, позволяющий получать ПКМ, не уступающий по характеристикам зарубежным аналогам. Все проведенные исследования свидетельствуют о высоком качестве полуфабриката. Разработанная технология внедрена на производстве в ВИАМ.

Углепластик ВКУ-25 прошел 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, испытания на термовлажностное старение и долговременную тепловую прочность. В результате проведенных испытаний установлено, что разработанный углепластик имеет высокий уровень сохранения упруго-прочностных свойств (˃60%) после воздействия различных факторов, что подтверждает возможность их применения в деталях авиационной техники во всеклиматических условиях.

В настоящее время углепластик ВКУ-25 на основе однонаправленного препрега проходит квалификационные испытания и опробование на производственных предприятиях с целью его дальнейшего применения в изделиях авиационной техники, из этого материала планируется изготавливать элементы конструкции мотогондолы двигателя ПД-14 для самолета МС-21. Работы проводятся совместно с ОАО «Авиадвигатель».