ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРИ СДВИГЕ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМОСТОЙКИХ КЛЕЕВ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ СИНТАКТОВОГО КОМПОЗИТНОГО Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.792:539.415

исследование прочности при сдвиге клеевых соединений с применением термостойких клеев для крепления теплозащитного покрытия на основе синтактового композитного материала при температурах 20, 150, 200 °c

© 2016 г. Земцова Е.в.

Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru

На основании технических требований к материалам выбраны высокотемпературные клеи различных производителей (разработчиков) для исследований прочности клеевых соединений при сдвиге. Рассматривались высокотемпературные клеи: эпоксидные К-300-61 и ВК-58, пленочный клей горячего отверждения ВК-36, вспенивающийся клей ВКВ-9, конструкционный клей ЦМК-22-1, эпоксидные металлонаполненные клеи-компаунды Анатерм-201, Анатерм-203, Анатерм-204, Анатерм-216, полиуретановые клеи АДВ-11-1 и АДВ-11-2. Изложены основные этапы технологии изготовления образцов клеевых соединений на основе синтактового композитного материала, углепластика, алюминиевого сплава Д16. Приведены режимы отверждения высокотемпературных клеев. Дано описание подготовки поверхности под склеивание. Приведены результаты экспериментальных исследований. Проведен сравнительный анализ полученных результатов предела прочности клеевых соединений при сдвиге и характера разрушения образцов клеевых соединений при температурах 20, 150, 200 °C.

Ключевые слова: высокотемпературные клеи, прочность клеевых соединений при сдвиге, синтактовый композитный материал, углепластик, алюминиевый сплав Д16.

a study of shear strength of adhesive bonds using heat-resistant glues for bonding a thermal protection coating based on a syntactic composite material at temperatures of 20, 150, 200 °c

Zemtsova E.V.

S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru

Based on the engineering specifications, high-temperature adhesives from various producers (designers) were selected for shear strength studies. High-temperature adhesives were considered: epoxy adhesives K-300-61 and VK-58, hot curing film adhesive VK-36, foaming adhesive UTC-9, structural adhesive CMK-22-1, epoxy metal-filled adhesives-compounds Anаterm-201, Amterm-203, Anаterm-204, Amterm-216, polyurethane adhesives ADV-11-1 and ADV-11-2. The paper discusses the major steps in the manufacturing process of adhesive joints based on syntactic composite material, carbon fiber, aluminum alloy D16. It provides curing modes for high-temperature adhesives. It provides a description of the surface preparation for bonding. Results of experimental studies are also provided. A comparative analysis was performed on results obtained for the ultimate shearing strength and fracture patterns of adhesive joints at temperatures 20, 150, 200 °C.

Key words: high-temperature adhesives, shear strength, syntactic composite material, carbon-fiber reinforced plastic, aluminum alloy Д16.

ЗЕМЦОВА Елена Владимировна — инженер-технолог 3 категории РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru

ZEMTSOVA Elena Vladimirovna — Process Engineer of 3 categories at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru

земцовА Е.в.

введение

Высокая усталостная прочность клеевых соединений (КС), обтекаемость поверхностей клеевых конструкций, стойкость к действию криогенных и повышенных температур, радиации и глубокого вакуума, возможность соединения разнородных материалов, снижения массы конструкций и ряд других особенностей определяют следующие принципиальные возможности использования клеевых систем в изготовлении ракет-носителей, искусственных спутников и больших космических кораблей:

• изготовление кабин и контейнеров;

• изготовление элементов жесткости в силовых и вспомогательных соединениях;

• крепление приборного оборудования;

• монтаж корпусов спутников и космических кораблей;

• крепление теплозащитных, теплоизоляционных и других неметаллических материалов;

• применение клеев для работ в космическом пространстве при монтаже элементов космических станций, межпланетных космических кораблей, спутников [1].

Теплозащитные материалы авиационной и ракетно-космической техники являются классическими примерами объектов, работающих при экстремальных нагрузках. Экстремальные условия определяются уровнями температуры и действующих механических напряжений, а также другими факторами: степенью химической агрессивности внешней среды, мощными радиационными, абразивно-эрозионными воздействиями и т. д. Более подробное описание факторов воздействия представлено в работе [2].

В настоящее время рассматривается два типа полетов в космосе, после которых требуется возвращение корабля на Землю: во-первых, орбитальные полеты вокруг Земли и, во-вторых, полеты к Луне и другим планетам. При этом основной задачей является крепление теплозащиты на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран возвращаемого аппарата (ВА).

Ранее для многоразового космического корабля «Буран» [3] приклеивание теплозащитных элементов осуществлялось с использованием клея-герметика Эластосил 137-175М (совместная разработка Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) и Государственного научно-исследовательского института химии и технологии элементорганических соединений) [4, 5].

В настоящее время в качестве теплозащитного материала в пилотируемом транспортном корабле нового поколения (ПТК НП) используется синтактовый композитный материал (СКМ) на основе фенолформальдегидной смолы и стеклянных микросфер. Для крепления тепловой защиты из этого материала на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран ВА ПТК НП требуется подбор высокотемпературных клеев, соответствующих предъявленным техническим требованиям.

Целью настоящей работы являлось исследование термостойких клеев для крепления элементов тепловой защиты, в т. ч. на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран ВА ПТК НП.

технические требования, предъявляемые к клеевым композициям

Для склеивания материалов теплозащиты ВА, работающих в условиях нагрева при входе в атмосферу Земли со второй космической скоростью, необходимы термостойкие клеи, соответствующие следующим техническим требованиям:

• склеиваемые пары материалов: углепластики; стеклопластики; текстолиты, алюминиевые и титановые сплавы;

• допустимый зазор при склеивании < 2,0 мм;

• температура эксплуатации -60...+200 °С (не менее 2 ч);

• прочность клея должна быть выше прочности склеиваемых материалов;

• жизнеспособность композиции — не менее 1 ч.

Приоритетными являются высокопрочные пастообразные (тиксотропные, высоковязкие) клеи, обладающие широким диапазоном рабочих температур (-150...+250 °С). Важным свойством клеев является возможность их нанесения на вертикальные поверхности (благодаря тиксотропной консистенции).

Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследований были рассмотрены высокотемпературные клеевые композиции различных производителей (разработчиков):

• эпоксидный клей холодного отверждения К-300-61 (ОСТ 92-0949-2013, ОАО «Институт пластмасс», г. Москва);

• пленочный клей горячего отверждения ВК-36 (ТУ 1-596-389-96, ВИАМ, г. Москва);

• вспенивающийся клей ВКВ-9 (ОСТ 92-0949-2013, ВИАМ, г. Москва);

• эпоксидный клей ВК-58 (ТУ 1-595-14-1149-2010, ВИАМ, г. Москва);

• конструкционный клей ЦМК-22-1 (исследовательская разработка, ОАО «Композит», г. Королев);

• Анатерм-201 (ТУ 2385-284-00208947-99); Анатерм-203 (ТУ 2385-284-00208947-99); Анатерм-204 (ТУ 2257-324-00208947-2000); Анатерм-216 (ТУ 2385-284-00208947-99) - эпоксидные металлонаполненные клеи-компаунды (НИИ полимеров им. В.А. Каргина, г. Дзержинск);

• полиуретановые клеи АДВ-11-1, АДВ-11-2 (ТУ 2252-034-22736960-98, ООО НПФ «Адгезив», г. Владимир).

Оценка прочности КС проводилась с использованием стандартных пластин для испытаний КС на сдвиг из сплава Д16 и материалов теплозащитного пакета (углепластик (УП) и СКМ при расчетных температурах эксплуатации (рис. 1)).

^США

УП ^СКМ

Д16 шяшшшшшшшштшшт

Д16

Рис. 1. Образцы для определения предела прочности при сдвиге

Примечание. СКМ — синтактовый композитный материал; УП — углепластик; Д16 — алюминиевый сплав.

Для изготовления образцов использовались:

• пластины УП (60x20x1,8) мм;

• пластины из алюминиевого сплава Д16 (60x20x2) мм;

• образцы из СКМ (20х15хН) мм, где Н — толщина (Н = 5 мм для клея ВК-36 и Н = 3 мм для всех остальных клеев).

Склеивание проводили в технологической оснастке, предназначенной для изготовления образцов для определения предела прочности при сдвиге по ГОСТ 14759-69 [6] по режимам отверждения, установленным нормативно-технической документацией.

Образцы пластин из УП и СКМ обезжиривались хлопчатобумажной салфеткой, смоченной ацетоном и туго отжатой.

Время выдержки поверхности образцов на пластинах из Д16, УП и для СКМ после обезжиривания составляло 40 мин.

Режимы отверждения клеев приведены в табл. 1

Таблица 1

фактические режимы отверждения клеев

Клей Температура, °C Время, ч

К-300-61 25±5 24

ВК-36 175±5 3

ВКВ-9 25±5 24

ВК-58 25±5 72

Анатерм-201 25±5 48

Анатерм-204 25±5 48

Анатерм-203 25±5 24

Анатерм-216 25±5 72

АДВ-11-1 25±5 48

АДВ-11-2 25±5 48

Режимы испытаний. Испытания по определению прочности при сдвиге клеевых соединений проводились на испытательной машине Zwick Z-150:

• при температуре 20 °C для клеевых пар соединений: УП+СКМ; алюминиевый сплав Д16+СКМ; Д16+Д16;

• при температуре 150 °C для клеевых пар соединений: УП+СКМ;

• при температуре 200 °C для клеевых пар соединений: Д16+СКМ; Д16+Д16.

Время выдержки при 150 и 200 °C составляло 15 мин. Общее время выдержки с учетом нагрева составляло 17...20 мин. Схема испытаний образцов представлена на рис. 2.

Клиновые зажимы

Рис. 2. Схема испытаний образцов

Примечание. СКМ — синтактовый композитный материал.

Анализ результатов испытаний

В ходе работы были рассмотрены высокотемпературные клеи: К-300-61, ВК-36, Анатерм-201, Анатерм-203, Анатерм-204, Анатерм-216, ВКВ-9, ВК-58, ЦМК-22-1, АДВ-11-1,АДВ-11-2. Приоритетными являлись клеи, обладающие большей технологичностью при нанесении и повышенной (~2 ч) жизнеспособностью. Для данных клеевых композиций были изготовлены образцы клеевых соединений для механических испытаний на сдвиг для различных пар материалов: УП+СКМ, Д16+СКМ, Д16+Д16.

Общие тенденции разрушения по материалам для всех клеевых композиций:

• для клеевой пары соединений УП+СКМ — преимущественно когезионный характер разрушения самого материала (УП или СКМ);

• для клеевой пары соединений Д16+СКМ — преимущественно адгезионный характер разрушения от Д16;

• для клеевой пары соединений Д16+Д16 для клеев АДВ-11-1, АДВ-11-2 — когезионный характер разрушения по клею.

Результаты испытаний представлены в табл. 2-4.

Таблица 2

Результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений углепластик + синтактовый композитный материал

Клей

Прочность при сдвиге при 20 °С, кгс/см2 Характер разрушения

Прочность при сдвиге при 150 °С, кгс/см2 Характер разрушения

ВК-36

32,2-37,4 5 = 34,8

КУП = 85 — 90%

Кг™ =10%

39,2-45,3 5 = 42,4

45% = 45% 10%

К-300-61

33,5-37,8 5 = 35,7 КУП = 80-90% Кспм = 10-20%

7,03-8,35 5 = 7,69

85% = 15%

ВКВ-9

24,0-31,1 5 = 26,7 К „ = 95%

клей

К„п = 5%

7,24-8,12 5 = 7,52 К „ = 90%

клей

К™ = 10%

ВК-58

26,1-42,9 5 = 32,6

К

85% = 15%

19,4-22,7 5 = 20,9

К

А,,

= 80% = 10% 10%

Анатерм-203

31,0-37,0 5 = 34,0 АУП = 60-80% Кскм = 20-40%

19,4-20,4 5 = 19,9 К „ = 80-90%

клей

АуП = 10-20%

уп

скм

уп

уп

скм

К

К

скм

Окончание табл. 2

Клей

Прочность при сдвиге при 20 °С, кгс/см2 Характер разрушения

Прочность при сдвиге при 150 °С, кгс/см2 Характер разрушения

Анатерм-216

27,2-39,9 5 = 33,9 К „ = 80-90%

клей

АУП = 10-20%

13,5-16,0 5 = 15,1

АУП = 80-90%

кскм = 10-15%

К = 5%

клей

Анатерм-201

24,3-31,2 5 = 27,2

Ауп = 95% К = 5%

10,0-10,2 5 = 10,4 А = 80%,

клей

К = 20%

Анатерм-204

22,9-36,7 5 = 30,4

Куп = 95% К = 5%

13,2-17,4 5 = 14,7

К

100%

Примечание: 5 — среднее значение прочности при сдвиге; К, А — когезионный и адгезионный характеры разрушения: Кук —

по углепластику; АУП — от углепластика; КСКМ, АСКМ

по синтактовому композитному материалу; К „, А „ — по клею.

клей клей

Таблица 3

Результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений алюминиевый сплав Д16 + алюминиевый сплав Д16

Т, ° С

Клей АДВ-11-1

Клей АДВ-11-2

20

191-227 5 = 211

К

100%

194-225 5 = 207

К

100%

и

в

сдв

и р

п

X

150

23,6-26,4 5 = 25,5

К

100%

17,1-24,0 5 = 20,55

К

100%

200

22,5-25,1 5 = 24,1

К

100%

9,01-10,6 5 = 9,82 К = 100%

клей

Примечание. См. примечание к табл. 2.

Таблица 4

Результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений алюминиевый сплав Д16 + синтактовый композитный материал

Клей

Прочность при сдвиге при 20 °C, кгс/см2 Характер разрушения

Прочность при сдвиге при 200 °C, кгс/см2 Характер разрушения

ВК-36

33.3-33.4 5 = 33,4

К

= 95%

А„,„ = 5%

5.26-13.6 5 = 8,53 Ашв = 100%

К-300-61

28.7-32.3 5 = 30.06

80% = 20%

8.27-8.74 5 = 8.49 Ашв = 100%

ВК-58

37.5-45.0 5 = 39.9

кскм = 45%

Ад16 = 45% К „ = 10%

18.0-21.2 5 = 19.4

К

45%

Ашя = 65%

Анатерм-203

28.7-30.7 5 = 29.7

А

-д16

90% = 10%

8.83-14.1 5 = 11.9 Ад16 = 100%о

Анатерм-216

36.1-46.3 5 = 42.2

К

90%

А„,„ = 10%

13.4-16.9 5 = 15.5

К

80% 20%

Анатерм-201

26.7-40.4 5 = 32.2

А

-д16

70% = 30%

и йШЁШ

5.67-8.98 5 = 7.58

А„,Й = 100%

Анатерм-204

28.8-35.6 5 = 31.3 Ад16 = 90% К = 10%

3.66-8.84 5 = 5.79 Ад16 = 100%о

Примечание. См. примечание к табл. 2. А — адгезионный характер разрушения от алюминиевого сплава Д16.

д16

скм

К

скм

К

К

скм

выводы

Наиболее высокие значения прочности при 20 и 150 °С отмечены для клея ВК-36. Однако применение клея ВК-36 в составе изделия трудноосуществимо, так как он является клеем горячего отверждения.

Когезионный характер разрушения клея ВКВ-9 обусловливает его вспенивающаяся структура. В то же время это позволяет решить технологическую задачу по заполнению зазоров.

Клеи-компаунды Анатерм-203, Анатерм-216 являются металлонаполненными, что обусловливает их высокую вязкость и повышенные прочностные свойства. Эти свойства вызывают интерес для дальнейших исследований. Однако жизнеспособность клеев Анатерм-203, Ана-терм-204, Анатерм-201 и Анатерм-216 составляет менее 1 ч.

Клеи ВК-58, ЦМК-22-1 благодаря своей консистенции хорошо наносятся на поверхность образцов, однако не применимы для увеличенных зазоров.

По результатам анализа прочности при сдвиге при нормальной и повышенной температурах, характера разрушений клеевого соединения, а также по технологическим характеристикам на данном этапе выбраны для дальнейшей отработки следующие клеи: АДВ-11-1, ВК-58. Для клея ВК-58 установлено, что его адгезионная прочность выше прочности склеиваемых материалов.

Клей АДВ-11-1 обладает жизнеспособностью 3-5 ч и большей технологичностью при нанесении, а также — способностью слегка вспениваться, что позволяет решить технологическую задачу по заполнению зазоров.

Эти свойства вызывают интерес для дальнейших исследований. Планируется изготовление образцов для материалов теплозащитных покрытий на основе клея АДВ-11-1, проведение механических испытаний на сдвиг.

Список литературы

1. Кардашов Д.А. Эпоксидные клеи. М.: Химия, 1973. 192 с.

2. Грачева Л.И. Термическое деформирование и работоспособность материалов тепловой защиты. Киев: Наукова Думка, 2006. 294 с.

Семенов Ю.П., Лозино-Лозинский Г.Е., Лапыгин В.Л., Тимченко В.А., Васильев В.В., Дементьев Г.П., Кравец В.Г., Лебедев В.С., Морозов В.В., Наумов В.А., Новиков В.К., Соколов Б.А., Сотников Б.И., Сыров А.С., Трунов Ю.В., Труфа-нов Ю.Н., Фрумкин Ю.М. Многоразовый орбитальный корабль «Буран». М.: Машиностроение, 1995. 448 с.

3. Петрова А.П., Лукина Н.Ф. Приклеивание теплозащитных элементов в изделии «Буран» // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 6. С. 2-48.

4. Алифанов О.М., Будник С.А, Ненаро-комов А.В., Черепанов В.В. Теплозащитные материалы и конструкции на основе сетчатого стеклоуглерода, перспективы применения, исследование и прогноз свойств // Актуальные проблемы российской космонавтики. Материалы XXXVII академических чтений по космонавтике. Москва, 2014. С. 27.

5. ГОСТ 14759-69 Клеи. Метод определения прочности при сдвиге (с изменениями № 1, 2, 3). М.: Издательство стандартов, 1992. 14 с. Статья поступила в редакцию 17.11.2015 г.

Reference

1. Kardashov D.A. Epoksidnye klei [Epoxy adhesives]. Moscow, Khimiyapubl., 1973. 192p.

2. Gracheva L.I. Termicheskoe deformirovanie i rabotosposobnost' materialov teplovoi zashchity [Thermal strain and durability of thermal protection materials]. Kiev, Naukova Dumkapubl., 2006.294p.

3. Semenov Yu.P., Lozino-Lozinskii G.E., Lapygin V.L., Timchenko V.A., Vasil'ev V.V., Dement'ev G.P., Kravets V.G., Lebedev V.S., Morozov V.V., Naumov V.A., Novikov V.K., Sokolov B.A., Sotnikov B.I., Syrov A.S., Trunov Yu.V., Trufanov Yu.N., Frumkin Yu.M. Mnogorazovyi orbital'nyi korabl' «Buran» [Reusable orbiter Buran]. Moscow, Mashinostroeniepubl., 1995. 448p.

4. Petrova A.P., Lukina N.F. Prikleivanie teplozashchitnykh elementov v izdelii «Buran» [Gluing heat protective elements onto Buran orbiter]. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2014, no. 6,pp. 2-48.

5. Alifanov O.M., Budnik S.A., Nenarokomov A.V., Cherepanov V.V. Teplozashchitnye materialy i konstruktsii na osnove setchatogo steklougleroda, perspektivy primeneniya, issledovanie i prognoz svoistv [Thermal protection materials and structures based on reticulated vitreous carbon, outlook for their use, their study and prediction of their properties]. Aktual'nye problemy rossiiskoi kosmonavtiki. Materialy XXXVlI akademicheskikh chteniipo kosmonavtike. Moscow, 2014. P. 27.

6. GOST standard 14759-69 Klei. Metod opredeleniya prochnosti pri sdvige (s izmeneniyami № 1, 2, 3) [Adhesives. Shear strength determination method (with changes no. 1, 2, 3)]. Moscow, Izdatel'stvo standartov publ., 1992. 14 p.