CC BY
34
3. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1986. 368 с.
4. Dubuisson E., Lavie Ph., Dalard F., Caire J.-P. //Corros. Sci. 2007. V.49. № 2. P. 910.
5. Duncan J.R., Balance J. A. Degradation of Metals in the Atmosphere. //Amer. Soc. of Testing and Materials. Philadelphia. 1988. P. 316.
6. Julve E. //Port. Electrochem. Acta. 1989. V. 7. № 3. P. 143.
7. Стрекалов П.В. //Защита металлов. 1994. Т. 30. № 1. С. 71.
8. Стрекалов П.В. //Защита металлов. 1988. Т.24. № 5. С. 804.
9. Стрекалов П.В., Панченко Ю.М. //Защита металлов. 1992. Т.28. № 2. С. 269.
10. Берукштис Г.Б., Кларк Г.Б. //Коррозионная устойчивость металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях. М.: Наука. 1971. 1S9 с.
11. Roy S.K. //Corrosion (USA). 1983. V. 39. № 7. P. 291.
12. Михайловский Ю.М. Атмосферная коррозия металлов и методы их защиты. М.: Металлургия. 1989.
УДК 666.117
И.В. Мекалина, Т.С. Тригуб, В.А. Богатов, Е.Г. Сентюрин
НОВОЕ ВЫСОКОТЕПЛОСТОЙКОЕ ОРИЕНТИРОВАННОЕ ОРГСТЕКЛО МАРКИ ВОС-2АО
Высокотеплостойкое органическое стекло применяется для изготовления деталей остекления кабин новых самолетов. Приведены свойства нового ориентированного органического стекла марки ВОС-2АО. Органическое стекло ВОС-2АО способно работать при кратковременном одностороннем нагреве до температур 200°С благодаря высокой термостойкости.
Ключевые слова: органическое ориентированное стекло, авиационные детали остекления, физическое структурирование стекла, сшитая структура, термическая устойчивость, стойкость к растрескиванию, термические, оптические и механические свойства, работоспособность.
Решающим вкладом в повышение надежности и ресурса авиационных органических стекол является реализация результатов фундаментальных научных исследований по изучению возможности существенного изменения свойств термопластичных полимерных материалов методом физической модификации их молекулярной структуры путем ориентационной вытяжки в диапазоне температур высокоэластического состояния. В ВИАМ разработана технология модификации оргстекол способом молекулярной ориентации, и в настоящее время наибольшее применение в авиации нашли органические стекла в ориентированном состоянии марок АО-120 и АО-120А на основе исходного полиметилметакрилатного стекла линейного строения марки СО-120А с температурой размягчения 1200С. Ориентация органического стекла повышает его пластические свойства: ориентированное оргстекло менее чувствительно к концентраторам напряжений, обладает в отличие от неориентированного оргстекла локальным разрушением при динамических нагрузках.
Детали остекления на основе ориентированных стекол имеют существенное преимущество перед неориентированными стеклами в стабильности физико-механических свойств при возникновении на их поверхности в эксплуатации концентраторов напряжений в виде царапин и выколок, а также в 2 раза и более высокий ре-
сурс. Отечественная авиационная промышленность имеет уникальный опыт успешного, многолетнего применения ориентированных стекол линейного строения на высокоскоростных самолетах с рабочей температурой на поверхности до 130-140°С, т. е. выше температуры размягчения.
Для повышения рабочих температур деталей остекления самолетов до 160-200°С разработаны путем химической модификации теплостойкие и термостабильные прозрачные полимеры сшитой структуры. На основании результатов оптических, тепло-прочностных и физико-механических исследований выбран и запатентован оптимальный состав, паспортизовано теплостойкое и термостабильное органическое стекло марки ВОС-2. Проведены исследования влияния отдельных эксплуатационных факторов на работоспособность оргстекла ВОС-2 и его технологические характеристики; изучены термомеханические зависимости и установлена способность оргстекла сшитой структуры ВОС-2 к переработке методами плоскостной ориентации и формообразованию для изготовления деталей одинарной и двойной кривизны.
Для получения оргстекла в ориентированном состоянии исследованы технологические параметры и отработана технология ориентации оргстекла ВОС-2. Ориентация оргстекла осуществляется путем растяжения по плоскости предварительно разогретого листа до температуры выше температуры размягчения с последующим охлаждением его в растянутом состоянии. Для установления температурного интервала ориентации оргстекла определены температуры размягчения и характер термомеханических зависимостей (рис. 1). Температура размягчения оргстекла ВОС-2 составляет 142-150°С, при этом исследованная термостабильность оргстекла ВОС-2АО находится на уровне свойства исходного оргстекла и составляет 230°С.
Ориентация оргстекла ВОС-2 проведена в интервале температур от 150 до 175°С; показано, что оптимальный интервал температур ориентации оргстекла ВОС-2 составляет 160-175°С. Получены опытные листы оргстекла со степенями ориентации от 30 до 70%, на основании исследований которых (листов) разработана технология ориентации оргстекла и оформлена технологическая рекомендация.
Для проведения паспортизации в ВИАМ, на промышленном оборудовании в ООО «Рошибус» из оргстекла ВОС-2 изготовлена партия крупногабаритных листов оргстекла в ориентированном состоянии со степенью ориентации 54-60%, ориентированному оргстеклу присвоена марка ВОС-2АО. Проведены физико-механические испытания оргстекла ВОС-2 АО в диапазоне температур от -60 до +100°С, определены прочность, относительное удлинение и модуль упругости при растяжении, предел прочности при статическом изгибе и удельная ударная вязкость.
В табл. 1 обобщены физико-механические показатели свойств при температурах -60, +20 и +100°С. Приведены данные по стойкости оргстекла к растрескиванию под действием напряжений растяжения. При постоянном воздействии на образцы оргстекла напряжений растяжения 40 МПа при комнатной температуре поверхностных дефектов «серебра» не появляется в течение длительного времени: 500 ч. В табл. 1 приведены также данные, подтверждающие работоспособность ориентированного оргстекла ВОС-2АО при одностороннем воздействии повышенных температур: в процессе циклических
Рис. 1. Термомеханическая кривая оргстекла ВОС-2
воздействий по режиму 20^170°С поверхностных трещин «серебра» не появляется в
течение более 40 циклов, по режиму 20^200°С - более 10 циклов.
Таблица 1
_Физико-механические свойства оргстекла ВОС-2АО_
Свойства Показатели свойств при температуре испытания, °С
-60 +20 +100
Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Модуль упругости при растяжении, МПа 101,4 4,8 6300 100,4 15,6 3900 32 26,3 2260
Предел прочности при статическом изгибе, МПа Удельная ударная вязкость, кДж/м2 194 149,0 25,0 >30 (без разрушения) 24,2
Вид и режим испытания Продолжительность испытаний Наличие или отсутствие «серебра»
Стойкость к термоударам: 20^170°С >40 циклов «Серебро» отсутствует
20^200°С >10 циклов То же
Стойкость к растрескиванию под напряжением растяжения 40 МПа при 20°С 500 ч «Серебро» не появляется
В табл. 2 приведены результаты физико-механических и оптических показателей оргстекла ВОС-2АО после различных видов старения: теплового при 120°С в течение 500 ч, УФ облучения, старения в тропической камере при температуре +50°С, относительной влажности 98% в течение 500 ч, старения в условиях воздействия плесневых грибов. Оценка стойкости к старению определена по изменению прочности и модуля упругости при растяжении, ударной вязкости, коэффициента светопропускания, коэффициента желтизны.
Таблица 2
Физико-механические и оптические свойства оргстекла _ВОС-2АО после различных видов старения_
Условие старения Е, Удельная удар- Коэффициент, %
оргстекла МПа МПа ная вязкость а, кДж/м2 пропускания желтизны
Без старения (исходное состояние) 120°С,500 ч 100,4 109,8 3900 4000 25.0 23.1 93,1-93,4 92,3-93,0 7,8 9,8
УФО, необлученная 22,9
50 ч сторона
облученная 101,3 3900 27,9 91,8 10,6
сторона
Тропическая камера 98,4 3900 21,2 92,7-92,9 9,0
(¿=50°С, ф=98%), 500 ч
Старение при воздействии грибов - грибо-стойкость 2 балла (гри- 22,9 92,5 9,0
бостойкое)
Полученные результаты исследований свидетельствуют о высокой стойкости оргстекла (по прочностным и оптическим характеристикам) к воздействию отдельных эксплуатационных факторов. На основании этих данных можно прогнозировать необходимый уровень атмосферостойкости и ресурса работы оргстекла ВОС-2АО в составе деталей авиационного остекления.
В табл. 3 обобщены данные по результатам определения «серебростойкости» оргстекла ВОС-2АО в исходном состоянии и после различных видов старения.
Таблица 3
«Серебростойкость» (по ацетону) оргстекла ВОС-2АО_
Вид старения «Серебростойкость» по ацетону (не менее)
Без старения (в состоянии поставки) 20 мин
После термообработки 120°С, 6 ч 20 мин
Тепловое старение 120°С, 500 ч 20 мин
Старение в тропической камере 500 ч 60 с
Старение в тропической камере 500 ч + термо- 20 мин
обработка при 120°С, 120 мин
УФ облучение 50 ч 20 мин
Водное старение 10 сут 10 мин
Водное старение 10 сут + термообработка при 20 мин
120°С, 120 мин
Установлено, что при воздействии ацетона трещин «серебра» в течение 20 мин не появляется на образцах в исходном состоянии, после теплового старения и УФ облучения. После воздействия влаги в условиях тропической камеры и выдержки в воде в течение 10 сут показатели «серебростойкости» снижаются, но дополнительная термообработка при 120°С в течение 2 ч восстанавливает «серебростойкость» поверхности оргстекла до 20 мин. Это свидетельствует о том, что необратимых процессов старения и деструкции в оргстекле не происходит при воздействии исследуемых эксплуатационных факторов.
Для установления допустимых рабочих температур ориентированного оргстекла ВОС-2АО проведены исследования релаксации ориентационных напряжений по термической усадке, фиксируемой по зависимости утолщения образцов при выдержке при полном прогреве в диапазоне температур 100-150°С (рис. 2).
Анализ результатов исследования показывает стабильность размеров ориентированного оргстекла до температуры 130°С, что определяет возможность установления
120
^ 80 03
й о
40
0
110 120 130 140 150°С
Рис. 2. Зависимость термической усадки оргстекла ВОС-2АО от температуры полного прогрева
уровня рабочей температуры при полном прогреве. Максимально допустимые температуры при одностороннем воздействии определяются стойкостью к растрескиванию поверхности, так как при температурах выше температуры размягчения в ориентированных органических стеклах сшитой структуры могут происходить процессы усадки, а структурные узлы сшивки препятствуют изменению линейных размеров. Результаты определения стойкости к термоударам показывают (см. табл. 1), что при циклическом
воздействии по режиму 20^170°С (более 40 циклов) и 20^200°С (более 10 циклов) трещин «серебра» на поверхности ориентированного оргстекла ВОС-2АО не появляется.
Полученные данные по физико-механическим характеристикам, стойкости к термоудару, «серебростойкости» и усадке являются основанием для установления допустимых рабочих температур: при полном прогреве - до 130°С; в условиях одностороннего нагрева в зависимости от конструкции детали при установившемся перепаде температур по толщине - до 170/80°С и при кратковременном разогреве внешней поверхности - до 200°С.
Преимуществами ориентированного оргстекла ВОС-2АО по сравнению с исходным оргстеклом ВОС-2 аналогичного назначения являются:
- повышение рабочей температуры при полном прогреве на 10°С, при установившемся перепаде температур по толщине - на 30°С;
- повышение стойкости к УФ облучению на 40%; к тепловому старению - на 15%;
- повышение предела прочности при растяжении на 10%; относительного удлинения при разрыве - в 3 раза; «серебростойкости» после старения в камере тропического климата - в 20 раз [1].
По сравнению с зарубежным аналогом марки Плексиглас GS 249 (фирмы «Рем», Германия) оргстекло ВОС-2АО имеет превосходство в теплостойкости, термостабильности и рабочей температуре при полном прогреве на 40-50°С (Каталог компании Rohm GmbH, MIL - PRF - 8184Г от 5 октября 1998 г.).
Результаты проведенных исследований ориентированного оргстекла ВОС-2АО в условиях воздействия эксплуатационных факторов: тепловое, водное, тропическое старение, УФ облучение, воздействие напряжений растяжения 40 МПа, теплопрочностные
циклические испытания по режиму 20^170 и 20^200°С, - анализ и сопоставление полученных результатов с ранее полученными данными по искусственному, естественному и эксплуатационному старению сополимерного оргстекла СО-133К, серийных органических стекол СО-120, АО-120 свидетельствуют о возможности установления ресурса работы деталей остекления из оргстекла ВОС-2АО в течение 10-15 лет при соблюдении правил эксплуатации деталей остекления из органических стекол [2, 3].
По результатам отработки технологических параметров ориентированного оргстекла ВОС-2АО, определения формоустойчивости, «серебростойкости», светопропус-кания формованных моделей остекления установлены оптимальные температурные режимы формования оргстекла - при «горячем» формовании: 155±5°С, при «холодном» формовании: 120-135°С. Термообработку отформованных заготовок деталей из ориентированного органического стекла ВОС-2АО следует проводить при температурах 110±5°С. Разработана технологическая рекомендация по формованию оргстекла ВОС-2АО.
Разработаны и выпущены технические условия на ориентированное оргстекло марки ВОС-2АО, согласно которым оргстекло должно изготовляться в виде листов размерами 1700*1850 мм и 2050*2300 мм, толщиной от 2 до 12 мм со степенью ориентации от 30 до 60%. По согласованию с потребителем допускается изготовлять и поставлять стекло марки ВОС-2АО других линейных размеров и степени ориентации. В технических условиях приведены технические требования по разнотолщинности листов, по внешнему виду (допустимым дефектам), по оптическим искажениям и свето-пропусканию: в исходном состоянии допускаемые нормы коэффициента светопропус-кания составляют 89-90%, после определения светостойкости 86,5-88,5%. Установлены требования по физико-механическим показателям: прочность при разрыве 95 МПа, ударная вязкость 20 кДж/м и «серебростойкость» (по ацетону) 20 мин, а также требования безопасности, правила приемки оргстекла и методы его испытания.
Ориентированное оргстекло марки ВОС-2АО предназначено для изготовления деталей авиационного остекления, а также остекления наземного, водного транспорта, средств индивидуальной защиты и оборудования в атомной, металлургической и химической промышленности.
Авторы статьи выражают благодарность принимавшим участие в работе сотрудникам ФГУП «ВИАМ» М.К. Айзатулиной, Ю.А. Фролкову, С.С. Тригубу, Ю.А. Хохло-ву и сотрудникам ООО «Рошибус» В.Х. Розенблюму, ФГУП «НИИ полимеров» Ю.П. Горелову.
ЛИТЕРАТУРА
1. Богатов В.А., Тригуб Т.С., Мекалина И.В., Айзатулина М.К. Оценка эксплуатационных характеристик новых теплостойких органических стекол ВОС-1 и ВОС-2 //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 39-42.
2. Гудимов М.М. Трещины серебра на органическом стекле. М.: ЦИПКК АП. 1997. C. 97-102, 203-215.
3. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия. 1981. С. 63-95. УДК 629.7.023.222
В.А. Богатов, С.В. Кондратов, Ю.А. Хохлов
ПОЛУЧЕНИЕ ГРАДИЕНТНОГО ПОКРЫТИЯ ОКСИНИТРИДА АЛЮМИНИЯ МЕТОДОМ РЕАКТИВНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Рассмотрен вопрос получения градиентного оптического покрытия оксинитрида алюминия с переменным по толщине показателем преломления методом реактивного магнетронного распыления. Метод позволяет управлять величиной показателя преломления от 1,65 до 2,1 и законом его изменения по толщине покрытия путем регулирования относительного содержания азота и кислорода в процессе реактивного магнетронного распыления алюминиевой мишени.
Приведены результаты измерения спектрального коэффициента отражения градиентного покрытия оксинитрида алюминия на силикатном стекле, которые подтвердили возможность получения покрытия с переменным по толщине показателем преломления.
Ключевые слова: градиентное оптическое покрытие, переменный показатель преломления, реактивное магнетронное распыление.
В процессах проектирования и изготовления оптических деталей высокого качества большой интерес представляют градиентные оптические покрытия с переменным по толщине показателем преломления. Такая технология позволяет создавать бесцветные (ахроматические) просветляющие и антиотражающие покрытия, а также значительно расширить спектральный диапазон просветления оптических деталей в инфракрасной области спектра. Применение градиентных оптических покрытий является перспективным для повышения энергетической эффективности светодиодов и элементов солнечных батарей, для создания узкополосных фильтров и высококачественной лазерной оптики.
Одним из широко применяемых методов получения оптических градиентных покрытий является метод совместного вакуумного испарения двух диэлектрических материалов с разными показателями преломления (n1>n2) и изменяющейся во времени относительной скоростью испарения этих материалов.
