CC BY
167
УДК 678.8
М.М. Григорьев1, Д.И. Коган1, Ю.А. Гусев1, Я.М. Гуревич1
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПКМ МЕТОДОМ ВАКУУМНОГО ФОРМОВАНИЯ ПРЕПРЕГА
Представлены результаты исследования процесса получения ПКМ методом вакуумного формования пакета препрега. Приведены данные изменения толщины полученных образцов пластиков в зависимости от технологии изготовления полуфабриката-препрега.
Ключевые слова: безавтоклавное формование, препрег, семипрег, содержание связующего, пористость, толстостенные изделия, полимерные композиционные материалы.
The results of the research process of obtaining PCM vacuum-formed package prepreg. The data obtained by varying the thickness of samples ofplastics, depending on the technology of semi-prepreg.
Keywords: out-of-autoclave molding, prepreg, semi-prepreg, resin content, porosity, thick-walled products, polymeric composites.
"'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
Автоклавы используются в большинстве коммерческих самолетостроительных компаний для производства композиционных конструкций. Полученные таким методом изделия, как правило, обладают высоким уровнем физико-механических свойств, но для этого необходимы высокие капиталовложения в оборудование, а также повышенные эксплуатационные расходы. В настоящее время все большее внимание уделяется развитию на новом уровне безавтоклавных технологий, позволяющих существенно снизить затраты на производство изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1-3]. Безавтоклавные технологии позволяют производить изделия из ПКМ с использованием только давления вакуума, тем самым устраняя необходимость покупки и эксплуатации автоклава [4].
В ВИАМ в последние годы проводится ряд научно-исследовательских работ, направленных на поиск различных технологий изготовления композитов с использованием низкого давления. К числу приоритетных альтернативных технологий, с помощью которых можно получить композиты с высоким уровнем упругопрочностных свойств, относятся пропитка под давлением (RTM-технология) и пропитка под вакуумом (VARTM). К числу таких технологий изготовления можно отнести также технологию получения композиционных материалов с использованием пленочных связующих (RFI-технология) [5-7].
Материалы и методы
В технологиях, где производство изделий из полимерных композиционных материалов происходит путем совмещения полимерного связующе-
го и наполнителя непосредственно на оснастке открытого типа, таких как вакуумная инфузия, есть существенный недостаток - это сложность контролирования содержания связующего в готовом изделии, что приводит к разнотолщинности и существенному разбросу физико-механических свойств. Для контроля содержания связующего в изделии можно использовать две жесткие полуматрицы (технология RTM), что приводит к существенному аппаратурному усложнению процесса.
Одним из наиболее эффективных методов регулирования содержания связующего в готовом пластике является использование препрегов, так как процесс получения ПКМ разделен на две стадии. На первой - при помощи пропиточной машины происходит совмещение связующего и наполнителя. Современное оборудование позволяет эффективно регулировать и контролировать массовую долю связующего в препреге. На второй стадии происходит процесс формования изделия из пакета препрега. Предполагается, что к моменту завершения процесса формования должен быть полностью удален избыток связующего из каждого слоя препрега [8-10]. Правильная сборка технологического пакета позволяет предотвратить излишнее вытекание связующего из него, что обеспечивает сохранение необходимого количества связующего в получаемом ПКМ.
Использование стандартных препрегов, разработанных для их переработки автоклавным способом, при изготовлении деталей без применения избыточного давления может привести к существенному снижению прочности готового изделия из-за высокой пористости пластика [11-15]. Необходимо отметить, что на данный момент в стране отсутствуют препреги, разработанные непосред-
Таблица 1
Физико-механические характеристики пластиков на основе материала ВСЭ-22/Ш^-45
Вид испытания ВСЭ-22/НТБ-45 ВСЭ-1212/НТБ-45
Прочность при сжатии при укладке слоев [0°], МПа 1230 1300
Прочность при межслоевом сдвиге методом короткой балки при укладке слоев [0°], МПа 100 110
Прочность при сдвиге в плоскости листа при укладке слоев [±45°], МПа 75 90
Рис. 1. Изменение плотности (а) и толщины монослоя (б) пластика (о, •- препрег и семипрег соответственно) по расстоянию от торца к центру
ственно для переработки по технологии вакуумного формования, в то время как за рубежом мировыми лидерами в области ПКМ разработан ряд связующих и ПКМ на их основе, позволяющих изготовлять изделия по данной технологии.
Для решения проблемы высокой пористости в толстостенных изделиях, изготовленных по методу формования под вакуумом без использования избыточного давления, необходимо решить две задачи: создать связующее с необходимыми реологическими характеристиками, а также разработать технологию изготовления полуфабрикатов, обеспечивающих получение изделий с низкой пористостью [16].
Результаты
В ВИАМ разработано связующее ВСЭ-22, которое отвечает тербованиям к связующему, применяемому для безавтоклавного формования пакета препрега, а именно - имеет необходимые реологические свойства: при комнатной температуре дает возможность удаления воздуха из сборки препрега, а при повышенной температуре способствует монолитизации материала [17-19].
На основе связующего ВСЭ-22 и жгутового углеродного наполнителя HTS-45 был изготовлен
препрег, из него методом вакуумного формования были изготовлены плиты углепластика габаритом 300^300 мм, толщиной 2 мм - для оценки качества получаемого пластика. Исследование объемных характеристик данных плит показало, что их пористость составила <3%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к силовым и ответственным конструкциям из ПКМ [20-23]. Исследованы также физико-механические свойства полученного углепластика. Результаты исследования в сравнении с традиционным углепластиком, получаемым методом автоклавного формования, представлены в табл. 1.
Данные, приведенные в табл. 1, наглядно показывают, что физико-механические свойства углепластиков, полученных по безавтоклавной технологии, незначительно уступают материалу, полученному по традиционной автоклавной технологии.
Для оценки применимости технологии вакуумного формования препрега в толстостенных конструкциях из препрега на основе связующего ВСЭ-22 и наполнителя HTS-45 изготовлена плита габаритом 300^300 мм с укладкой [0/90°] и толщиной 7 мм (60 слоев). Исследование объемных характеристик полученного пластика показало, что его пористость превысила допустимые 3%. Обнаружен
15
и
0 а- т
Г71
300
Рис. 2. Схема вырезки образцов
Рис. 3. Данные неразрушающего контроля плиты толщиной 26 мм (200 слоев)
Объемные характеристики плиты толщиной 26 мм (200 слоев)
Таблица 2
Толщина Толщина монослоя Плотность пластика, г/см3 Массовое содержание связующего Объемное содержание наполнителя Объемная пористость
мм %
26,14 0,131 1,533 33 58,5 0,76
также существенный разброс физических свойств (плотности углепластика и толщины его монослоя -рис. 1) по площади плиты, что приводит к повышению коэффициента вариации физико-механических свойств в детали и, следовательно, к необходимости увеличения коэффициента запаса по прочности конструкции.
Такая высокая пористость в толстостенной плите вызвана тем, что при выкладке пакета для формования из препрега происходит слипание слоев, что приводит к образованию воздушных полостей между ними. Эти полости можно удалить при помощи прикатки слоев препрега фторопластовым валиком, а также промежуточным ва-куумированием. Однако при прикатке воздушные полости в большинстве своем распространяются в межслоевом пространстве, и только самые крупные частично удаляются. При промежуточном вакуумировании в момент подачи вакуума в первую очередь происходит обжатие торцов сборки, что существенно затрудняет удаление воздуха из межслоевого пространства. Необходимо также отметить, что процесс промежуточного вакууми-рования составляет ~10 мин и проводится через каждые несколько слоев препрега, что существенно увеличивает время сборки технологического пакета. Таким образом, изготовление крупногабаритных толстостенных изделий с использованием
классического препрега становится трудоемким и не всегда эффективным процессом.
Для таких изделий решено использовать полуфабрикаты, изготовленные по технологии семи-прегов. Суть технологии заключается в том, что при изготовлении препрега на стадии совмещения наполнителя с пленкой связующего происходит лишь частичная пропитка наполнителя. Непропи-танные части слоев наполнителя в собранном пакете препрега выполняют функцию дренирующих каналов для полноценного удаления воздуха из заготовки. В процессе формования материала на определенном этапе связующее приобретает низкую вязкость, которая обеспечивает его равномерное распределение по объему пакета и окончательную пропитку наполнителя.
Из полученного по разработанной технологии семипрега также изготовлена плита углепластика габаритом 300*300 мм с укладкой слоев [0/90°] и толщиной 7 мм (60 слоев). Из полученных плит изготовлены образцы размером 15*15 мм по схеме, представленной на рис. 2.
На основании исследования физических свойств полученных образцов построены графики изменения плотности и толщины плиты по расстоянию от торца к центру (см. рис. 1). Графики наглядно показывают, что в случае использования препрега плотность значительно снижается от
торца к центру, что свидетельствует о повышении пористости. Наблюдается существенное изменение толщины монослоя. В случае семипрега изменение плотности незначительно. Исследование образцов показало, что пористость углепластика не превысила 1%, толщина монослоя полученного изделия также практически не меняется.
Для подтверждения полученных результатов из того же семипрега изготовлена плита габаритом 300^300 мм с укладкой слоев [0°/90°] и толщиной 26 мм (200 слоев).
После изготовления плита исследована высокочастотным эхо-импульсным ультразвуковым методом контроля с использованием фазированных решеток для оценки наличия и размеров дефектов. Результаты исследования представлены на рис. 3. Красные области свидетельствуют о наличии локальных дефектов. По местам дефектов были сделаны срезы. Визуальный контроль показал, что данные области вызваны локальными
дефектами препрега, при этом пористость углепластика в данной области не превысила 1%.
Из плиты толщиной 26 мм изготовлены образцы для определения физических свойств. Средние показатели этих свойств, приведенные в табл. 2, наглядно демонстрируют, что данный материал пригоден для изготовления толстостенных конструкций толщиной не менее 25 мм.
Заключение
Проведенные исследования показали, что углепластик, получаемый на основе связующего ВСЭ-22 с применением разработанной технологии семипрегов, обладает физико-механическими свойствами, близкими к ПКМ, получаемым по традиционной автоклавной технологии, что позволяет использовать разработанный материал в силовых и особо ответственных конструкциях летательных аппаратов, в том числе толстостенных, таких как панели крыла, элементы силового набора, элементы хвостового оперения и др.
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. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №№1. С. 3-4.
3. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Полимерные композиционные материалы, полученные путем пропитки пленочным связующим //Композиционные материалы. 2011. №11. С. 2-6.
4. Вешкин Е.А., Постнов В.И., Абрамов П.А. Пути по-
вышения качества деталей из ПКМ при вакуумном формовании //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. №4(3). С. 831-838.
5. Минаков В.Т., Постнов В.И., Хpульков А.В., Постнов А.В., Плетинь И.И. Особенности склеивания деталей из ПКМ с использованием полимеpной оснастки //Клеи. Герметики. Технологии. 2008. №№5. С. 24-29.
6. Мухаметов P.P., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-22.
7. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные ком-
позиционные материалы. СПб.: НОТ. 2008. 820 с.
8. Кербер М.Л., Виноградов В.М. Полимерные компо-
зиционные материалы: структура, свойства, технология. СПб.: Профессия. 2009. 560 с.
9. Алентьев А.Ю., Яблокова М.Ю. Связующие для по-
лимерных композиционных материалов: Учеб. по-соб. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова. 2010. 69 с.
10. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260-265.
11. Химическая промышленность: Обзорная информация. Сер. «Эпоксидные смолы и материалы на их основе». «Отвердители для эпоксидных смол». М.: НИИТЭХИМ. 1983. 39 с.
12. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1998. 513 с.
13. Препреги и изделие, выполненное из него: пат. 2427594 Рос. Федерация; опубл. 21.12.2009.
14. Эпоксидное связующее для препрегов, препрег на его основе и изделие, выполненное из него: пат. 2335515 Рос. Федерация; опубл. 25.10.2006.
15. Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него: пат. 2424259 Рос. Федерация; опубл. 22.10.2009.
16. Крыжановский В.К. Производство изделий из полимерных материалов. СПб.: «Профессия». 2008. 460 с.
17. Чурсова Л.В., Душин М.И., Коган Д.И., Пани -на Н.Н., Ким М.А., Гуревич Я.М., Платонов А.А. Пленочные связующие для RFI-технологии //Российский химический журнал. 2010. Т. К^. №1. С. 63-66.
18. Коган Д.И. Технология изготовления полимерных композиционных материалов способом пропитки пленочным связующими: Автореф. дис. к.т.н. М.: ВИАМ. 2011. 26 с.
19. Афанасьев Д.В., Ощепков М.Ю. Безавтоклавные технологии //Композитный мир. 2010. №9-10. С. 28-37.
20. 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. Т. К^. Спец. вып. «Материалы для авиакосмической техники». С. 63-67.
21. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследование и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ
//Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292-301.
22. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов P.P. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20-26.
23. Донецкий К.И., Хрульков А.В., Коган Д.И., Бели-нис П.Г., Лукьяненко Ю.В. Применение объемно-армирующих преформ при изготовлении изделий из ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 35-39.
