CC BY
61
УДК 620.165.79
Е.В. Николаев1, Т.Г. Коренъкова1, А.К". Шведкова1, Е.О. Валевин1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС СТАРЕНИЯ НОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МОТОГОНДОЛЫ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Показаны выбор и обоснование режимов теплового старения полимерных композиционных материалов (ПКМ), предназначенных для деталей двигателя авиационного назначения. Проведено исследование изменения прочности ПКМ при изгибе, сжатии и межслоевом сдвиге, интервала и температуры стеклования при различных температурах в исходном состоянии и после воздействия теплового старения. По результатам исследования зависимости прочности от температуры испытаний, значений интервала и температуры стеклования определены режимы теплового старения материалов и наиболее чувствительная прочностная характеристика к воздействию температуры - прочность при межслоевом сдвиге.
По выбранным режимам теплового старения проведено исследование изменения прочности при межслоевом сдвиге ПКМ в зависимости от температуры и продолжительности экспозиции. Определено влияние температуры предполагаемой эксплуатации и температуры, значительно превышающей ее. Выявлено влияние температуры от продолжительности экспозиции.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, тепловое старение, структурные превращения, прочность при изгибе, сжатии и межслоевом сдвиге, область и температура стеклования.
The choice and substantiation of conditions of thermal aging of polymer composite materials intended for aviation components were described in the paper. Researches of changes in PCM strength at compression, interlayer shift and bending, and in glass-transition area and temperature were conducted at various test temperatures both in an initial state and after an impact of thermal aging. Conditions of thermal aging of materials and a strength characteristic most sensitive to temperature influence, i.e. strength at interlayer shift were defined by the results of research of a «strength/test temperatures» dependence and glass-transition area and temperature. Strength of polymer composite materials at interlayer shift was defined depending on temperature and exposition duration within the chosen conditions of thermal aging. An influence of some assumed operation temperatures and considerably higher temperatures was defined. An influence of temperature depending on the exposition duration was revealed.
Keywords: polymer composite materials, thermal aging, structural transformations, strength at bending, compression and interlayer shift, glass-transition area and temperature.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
С совершенствованием технологий создания полимерных композиционных материалов (ПКМ) и увеличением значений их рабочих характеристик [1-5] их применение в конструкциях авиационной техники увеличилось с 2 (истребитель армии США компании «Макдоннел-Дуглас» - F-15, 1972 г.) до >50% (пассажирский лайнер Boeing 787, 2009 г.) [6, 7], а в некоторых случаях достигает 70% (транспортный конвертоплан Bell V-22 Os-prey, 1989 г.). Применение ПКМ в авиационной технике способствует уменьшению
массы изделия, повышению весовой нагрузки и скорости полета, снижению расхода топлива и затрат на эксплуатацию.
Однако климатические факторы окружающей среды оказывают негативное воздействие на физико-механические характеристики ПКМ [8, 9]. К основным климатическим факторам, влияющим на рабочие характеристики ПКМ, относятся температура и влажность окружающей среды [10-13].
В рамках создания перспективного двигателя ПД-14 для ближне-среднемагистрального самолета МС-21 производства ОАО «Корпорация Иркут» будет разработана мотогондола двигателя, состоящая на 65% из ПКМ. В мотогондоле двигателя одним из основных воздействующих факторов на физико-механические характеристики ПКМ является температура эксплуатации, при воздействии которой в материалах протекают процессы старения в полимерной матрице [14], которые в свою очередь влияют на ресурс и срок службы материала в составе изделия.
В существующей нормативной документации показаны общие подходы к порядку проведения испытаний, что не позволяет оценить ресурс материала при температурах эксплуатации в составе изделия. В данной работе представлен подход к выбору и обоснованию температур старения ПКМ для последующего расчета энергии активации процесса теплового старения и ресурса ПКМ в составе изделия.
Для выбора и обоснования режимов теплового старения ПКМ, предназначенных для изготовления мотогондолы двигателя ПД-14, проведено исследование изменения прочности при изгибе, сжатии и межслоевом сдвиге при различных температурах испытаний, интервала и температуры стеклования ПКМ в исходном состоянии и после воздействия теплового старения.
Материалы и методы
Для проведения исследований выбраны ПКМ нового поколения [15], предназначенные для изготовления мотогондолы двигателя ПД-14:
- углепластик ВКУ-39 на основе связующего ВСЭ-1212 и углеродной ткани Porcher (арт. 3692);
- стеклопластик ВПС-48/7781 на основе связующего ВСЭ-1212 и стеклоткани Porcher (арт. 7781);
- углепластик ВКУ-27ТР на основе связующего ВСТ-1208 и углеродной ткани Porcher (арт. 3105);
- стеклопластик ВПС-47/7781 на основе связующего ВСТ-1208 и углеродной ткани Porcher (арт. 7781).
Из панелей углепластиков ВКУ-39 и ВКУ-27ТР и стеклопластиков ВПС-47/7781 и ВПС-48/7781 размером 300*300*2,5 мм изготовлены образцы для определения прочности:
- при изгибе по ASTM D7264/D7264M размером 15*5*2,5 мм;
- при сжатии по ASTM D6641/D6641M размером 140*12*2,5 мм.
Из панелей углепластиков ВКУ-39 и ВКУ-27ТР и стеклопластиков ВПС-47/7781 и ВПС-48/7781 размером 300*300*4 мм изготовлены образцы размером 155*13*4 мм -для определения прочности при межслоевом сдвиге по ASTM D2344/D2344M.
Тепловое старение проводили согласно СТП 1-595-11-101-83.
Определение прочности при сжатии и межслоевом сдвиге проводили на испытательной машине TERA test 2200, при изгибе - на TERA test 2300.
Определение интервала и температуры расстекловывания проводили с использованием прибора ТМА 202 С по ASTM E 228-85.
Испытания образцов угле- и стеклопластиков на основе связующих ВСЭ-1212 и ВСТ-1208 на прочность при сжатии, изгибе и межслоевом сдвиге в исходном состоянии и после теплового старения проводили при различных температурах:
- для углепластика ВКУ-27ТР и стеклопластика ВПС-47/7781 - температуры испытаний 20, 160 (предполагаемая температура эксплуатации), 180 и 200°С;
- для стеклопластика ВПС-48/7781 - температуры физико-механических испытаний 20, 120 (предполагаемая температура эксплуатации), 140 и 160°С;
- для углепластика ВКУ-39 - температуры физико-механических испытаний 20, 120 (максимально допустимая температура эксплуатации), 150 и 170°С.
Результаты
Согласно существующей нормативной документации для расчета энергии активации процесса старения необходимо получить монотонно падающую кривую кинетики изменения свойств материала при воздействии температуры, для чего надо определить наиболее чувствительную прочностную характеристику.
На рис. 1 приведена кинетика изменения прочностных характеристик ПКМ в зависимости от температуры испытаний.
Температура испытаний, °С
Рис. 1. Температурная зависимость изменения прочностных характеристик (изгиб (♦), сдвиг (■), сжатие (▲)) полимерных композиционных материалов марок ВКУ-39 (а), ВПС-48/7781 (б), ВКУ-27ТР (в) и ВПС-44/7781 (г)
В углепластике ВКУ-39 и стеклопластике ВПС-48/7781 на основе связующего ВСЭ-1212 при температуре >150°С наблюдается резкое снижение прочности, в углепластике ВКУ-27ТР и стеклопластике ВПС-47/7781 на основе связующего ВСТ-1208 - при температуре >160°С. Резкое снижение прочности ПКМ объясняется тем, что выше данных температур начинается процесс расстекловывания полимерной матрицы, с увеличением температуры повышается скорость перегруппировки сегментов макромолекул под действием прилагаемой нагрузки [16], что может приводить к снижению прочности.
Результаты исследования показывают, что для данных материалов прочность при трехточечном изгибе менее чувствительна к воздействию температуры, чем прочность при сжатии и межслоевом сдвиге. Прочность при межслоевом сдвиге более чувствительна к воздействию температуры, чем прочность при сжатии. Это может объяс-
няться тем, что при испытаниях на прочность при межслоевом сдвиге разрушение материала, т. е. образование и рост трещин, происходит в полимерной матрице и межфазном слое, при этом на образование и рост трещины затрачивается меньше энергии, чем при испытании на сжатие, во время которого разрушающая нагрузка воздействует на полимерную матрицу и наполнитель, за счет наполнителя замедляется рост трещин, увеличивается площадь и длина трещин, вследствие этого затраты энергии на разрушение материала увеличиваются [17, 18].
В таблице приведены интервалы и температуры стеклования для материалов ВКУ-39, ВПС-48/7781, ВКУ-27ТР и ВПС-47/7781 в исходном состоянии.
Интервалы и температуры стеклования для материалов ВКУ-39, ВПС-48/7781, ВКУ-27ТР _и ВПС-47/7781 в исходном состоянии_
Материал Температура/интервал стеклования, °С
ВКУ-39 167
150-180 (30)
ВПС-48/7781 167
148-180 (37)
ВКУ-27ТР 182
155-200(45)
ВПС-47/7781 180
160-200(40)
Нижняя граница интервала стеклования составляет 150°С для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 и 160°С для углепластика ВКУ-27ТР и стеклопластика ВПС-47/7781, которые совпадают с началом резкого снижения прочности.
По результатам исследования зависимости прочности от температуры испытаний, интервала и температуры стеклования определены режимы теплового старения материалов:
- для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 на основе связующего ВСЭ-1212 - температуры 130, 140, 150 и 160оС;
- для углепластика ВКУ-27ТР и стеклопластика ВПС-47/7781 на основе связующего ВСТ-1208 - температуры 160, 170, 180 и 190ОС.
По выбранным режимам теплового старения проведено исследование изменения прочности при межслоевом сдвиге ПКМ в зависимости от температуры и продолжительности экспозиции.
На рис. 2 приведена кинетика изменения прочности при межслоевом сдвиге для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48.
При воздействии температур старения 130, 140 и 150°С прочность при межслоевом сдвиге у углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48 в течение 2000 ч экспозиции практически не меняется. При температуре старения 160ОС прочность при сдвиге в течение 2000 ч экспозиции снижается на 8% для стеклопластика ВПС-48 и на 15% для углепластика ВКУ-39. Такое изменение прочности при сдвиге связано с тем, что при температурах старения 130, 140 и 150ОС процесс теплового старения полимерной матрицы протекает с меньшей скоростью, чем при 160ОС [19, 20].
На рис. 3 приведена кинетика изменения прочности при межслоевом сдвиге для углепластика ВКУ-27ТР и стеклопластика ВПС-47.
а)
б)
| 85 ¡5 75
о о я
¡5 65 £ 0
85 75 65
400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200
Продолжительность выдержки, ч
1600 2000
Рис. 2. Изменение прочности при межслоевом сдвиге в зависимости от продолжительности выдержки для углепластика ВКУ-39 (а) и стеклопластика ВПС-48 (б) после старения при температуре 130 (♦), 140 (■), 150 (▲) и 160°С (•)
75 65 55 45
300
700
1100
1500
0
300
700
1100
1500
Продолжительность выдержки, ч
Рис. 3. Изменение прочности при межслоевом сдвиге в зависимости от продолжительности выдержки для углепластика ВКУ-27ТР (а) и стеклопластика ВПС-47 (б) после старения при температуре 160 (♦), 170 (■), 180 (▲) и 190°С (•)
Для углепластика ВКУ-27ТР после 1500 ч экспозиции при температуре старения 160°С прочность при межслоевом сдвиге снижается на 41%, при 170°С - на 56%; при температуре теплового старения 180°С в течение 500 ч определено снижение прочности на 58%, при достижении 1000 ч экспозиции - до уровня 45% от исходного значения. Это объясняется протеканием двух параллельных процессов старения в полимерной матрице и образованием новых связей за счет процессов тепловой деструкции и релаксации напряжений. Данные процессы на различных этапах теплового старения протекают с различной скоростью.
При температуре старения 190°С в течение 500 ч прочность при межслоевом сдвиге монотонно падает до уровня 47% от исходного значения, что объясняется преобладанием процессов старения над другими параллельными процессами.
Для стеклопластика ВПС-47 в течение 100 ч экспозиции при температурах старения 170, 180 и 190°С наблюдается незначительное повышение прочности, что объясняется протеканием процесса релаксации напряжений в полимерной матрице. При температуре 170°С после 100 ч экспозиции прочность при межслоевом сдвиге начинает снижаться и при достижении 1000 ч экспозиции возвращается к уровню исходного значения и не меняется в течение еще 500 ч экспозиции. При температуре старения 160°С в течение 1500 ч экспозиции прочность при межслоевом сдвиге остается на уровне исходных значений. Это объясняется тем, что при температуре 160°С (рабочая температура материала) и 170°С процесс теплового старения протекает с низкой скоростью и не оказывает значительного влияния на прочность при межслоевом сдвиге в течение данной продолжительности экспозиции. При температуре старения 180°С прочность при межслоевом сдвиге после 100 ч экспозиции начинает снижаться и при достижении
0
1000 ч экспозиции составляет 68% от исходного значения, что объясняется преобладанием процесса старения над процессами релаксации и образования новых связей. При температуре старения 190°C прочность при межслоевом сдвиге после 100 ч экспозиции начинает снижаться и при достижении 500 ч экспозиции составляет 61% от исходного значения. Температура 190°C значительно превышает температуру предполагаемой эксплуатации, процесс теплового старения преобладает над процессами релаксации и перестроения структуры.
Обсуждение и заключения:
- при выборе температур теплового старения необходимо применять комплексный подход, сочетающий теплофизические и физико-механические методы;
- температура, необходимая для проведения теплового старения, должна быть равной или выше предполагаемой температуры эксплуатации;
- прочность при межслоевом сдвиге является наиболее чувствительной характеристикой к воздействию температуры для исследованных материалов;
- уменьшение прочности зависит от температуры и продолжительности экспозиции при тепловом старении;
- при температуре старения выше температуры эксплуатации процессы старения преобладают над процессами релаксации и образования новых связей;
- материалы на основе связующего ВСЭ-1212 показали более высокую стойкость к тепловому старению по сравнению с материалами на основе связующего ВСТ-1208.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов E.H., Гуняев Г.М. Туманов А.Т. - инициатор создания композитов /В сб. тезисов докл. Межотраслевой науч.-технич. конф. «Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении». М.: ВИАМ. 2009. С. 6-9.
3. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения //Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34-40.
4. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., 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.
5. Кириллов В.Н., Вапиров Ю.М., Дрозд Е.А. Исследование атмосферной стойкости полимерных композиционных материалов в условиях атмосферы теплого влажного и умеренно теплого климата//Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 31-38.
6. Mishra G., Mohapatra S.R., Behera P.R., Dash B., Mohanty U.K., Ray B.C. (National Institute Technology, Rourkela, India) Aircraft Eng. and Aerosp. technol. 2010. V. 82. №4. P. 258-266.
7. Firefighting and emergency responsestudy of advanced composites aircraft. Objective 2: Fire-fighting Effectiveness of Technologies and Agents on Composite Aircraft Fires. Distribution A: Approved for public release; distribution unlimited. 88ABW-2012-0190, 10 January 2012.
8. Espec Technology Report. 2007. №25.
9. Каблов E.H., Старцев O.B., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения //Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19-27.
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. Николаев Е.В., Кириллов В.Н., Скирта A.A., Гращенков Д.В. Исследование закономерностей влагопереноса и разработка стандарта по определению коэффициента диффузии и предельного влагосодержания для оценки механических свойств углепластиков //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 44-48.
12. Ефимов В.А., Шведкова А.К., Коренькова Т.Г., Кириллов В.Н. Исследование полимерных конструкционных материалов при воздействии климатических факторов и нагрузок в лабораторных и натурных условиях //Труды ВИАМ. 2013. №1. Ст. 05 (viam-works.ru).
13. Скрылёв Н.С., Вольный О.С., Постнов В.И., Барботько С.Л. Исследование влияния тепловых факторов климата на изменение характеристик пожаробезопасности полимерных композиционных материалов //Труды ВИАМ. 2013. №9. Ст. 05 (viam-works.ru).
14. Кириллов В.Н., Ефимов В.А. Проблемы исследования климатической стойкости авиационных неметаллических материалов /В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. М.: ВИАМ. 2007. С. 379-388.
15. Григорьев М.М., Коган Д.И., Твердая О.Н., Панина H.H. Особенности изготовления ПКМ методом RFI //Труды ВИАМ. 2013. №4. Ст. 03 (viam-works.ru).
16. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия. 1977. Т. 3. С. 491-492.
17. Менсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия. 1979. С. 200-202.
18. Симонов-Емельянов И.Д., Кулезнев В.Н. Принципы создания композиционных материалов. М.: МИХМ. 1989. 85 с.
19. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия. 1971. Т. 2. С. 627-633.
20. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. II. Релаксация исходной структурной неравновесности и градиент свойств по толщине //Деформация и разрушение материалов. 2012. №6. С. 17-19.
