CC BY
57
УДК 678.747.2:620.1
В.А. Большаков, В.М. Алексашин
ПОВЫШЕНИЕ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ ПОСЛЕ НИЗКОСКОРОСТНОГО УДАРА УГЛЕПЛАСТИКОВ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ИНФУЗИОННЫМ МЕТОДОМ ФОРМОВАНИЯ*
В настоящее время в РФ детали из БКМ авиационного назначения изготовляются автоклавным методом по растворной технологии. За рубежом используются в основном безрастворные технологии на рас-плавных связующих. Безавтоклавные методы формования, такие как инфузионные (пропитка под давлением и вакуумная пропитка), позволяют существенно снизить себестоимость изделий из БКМ. Вакуумная пропитка представляет особый интерес, так как не требует применения сложного технологического оборудования. Для обеспечения работоспособности материала в условиях, предусматривающих возможность низкоскоростного удара, введение термопластичных добавок в пакет наполнителя и плакирующих слоев существенно повышает стойкость к ударным повреждениям БКМ, изготовляемых методом инфу-зионного формования.
Ключевые слова: углепластики, инфузионное формование, остаточная прочность при сжатии после удара.
In the Russian Federation, aviation-purposed parts and components are manufactured by the solvent impregnation in autoclave. However, foreign companies usually use the non-solvent techniques based on melting resins. Non -autoclave molding technologies (such as infusion molding or vacuum impregnation) allow one to decreases sufficiently production costs of CFRPs. Vacuum impregnation is the matter of a particular interest because the usage of complex production equipment can be eliminated. CFRP parts and units made by means of infusion molding possess high impact resistance due to cladding layers and introduction of thermoplastic additives in the reinforcement stack. It provides an improvement of serviceability of such materials in case of low speed impact loading.
Key words: carbon fiber-reinforced plastic, infusion molding or vacuum and pressure impregnation, residual compression strength after impact.
* В работе принимала участие Н.В. Антюфеева.
При обзоре существующих патентов и литературных источников выяснилось, что способы ин-фузионного формования применяются и совершенствуются почти в каждой промышленно развитой стране мира.
Основными направлениями исследовательских работ являются:
- улучшение качества получаемого изделия;
- удешевление процесса производства ПКМ;
- упрощение процесса формования;
- усложнение структуры получаемых ПКМ и расширение области их применения.
В результате анализа литературных источников выявлены следующие тенденции развития [1, 2] данного объекта техники:
- улучшение свойств полученных изделий (остаточная прочность при сжатии после удара, пористость, прочность) благодаря улучшению конструкции формы, введению дополнительных слоев или прошивок, использованию наноугле-родных частиц, новых видов связующих и наполнителей;
- снижение трудоемкости процесса с соответствующим удешевлением продукции путем использования передовых технологий в области формования;
- усложнение конфигурации получаемых изде-
лий, упрощение процесса формования благодаря использованию передовых технологий в области формования и новых приспособлений.
Проведено сравнение типовых эпоксидных связующих для пропитки под давлением ^ТМ), вакуумного формования (УМ) [3] и углепластиков на их основе.
Для вакуумного формования (УМ) [4, 5] и для пропитки под давлением (ДТМ) изготовлены полимерные эпоксидные связующие производства ВИАМ и исследованы их свойства:
- вязкость при температуре 60±1,0°С (для связующего RTM - по ГОСТ 25271 и ТУ 1-595-12-1106-2009, для связующего УМ -по ГОСТ 25271 и ТУ 1-595-12-1195-2011);
- время желатинизации при температуре 120±2°С (для связующего RTM - по ТУ 1-595-12-1106-2009, для связующего УМ - по ТУ 1-595-12-1195-2011);
- температура стеклования (для связующего RTM - по ТУ 1-595-12-1042-2008, для связующего УМ - по ТУ 1-595-12-1195-2011).
Установлено, что для связующего, используемого при вакуумном формовании:
- время желатинизации при температуре 120±2°С составляет 20 мин;
- вязкость при температуре 60±1,0°С: 0,2 Па с;
- температура стеклования 170°С.
Для связующего, используемого при пропитке под давлением:
- время желатинизации при температуре 120±2°С составляет 21 мин;
- вязкость при температуре 60±1,0°С: 0,4 Па с;
- температура стеклования 180°C.
Для определения оптимального режима формования методами RTM и VM [6] исследована кинетика отверждения, определена энергия активации по ASTM E 698-2000 и порядок реакции по ASTM E 2041-2001 связующих при трех скоростях нагрева. По результатам исследований выявлены оптимальные режимы формования ПКМ на основе углеродного наполнителя - равнопрочной углеродной ткани фирмы «Porcher».
На основе исследованных связующих и углеродного наполнителя фирмы «Porcher» методами RTM и VM изготовлены опытные образцы ПКМ с использованием термопластичной нити из поли-сульфона, которой прошивался полученный пакет наполнителя, и без ее использования [7].
В результате проведенных исследований получены следующие результаты [8]:
- прочность при сжатии до удара (по ГОСТ 25.602-80) для ПКМ, изготовленных по технологии RTM, составила 457-463 МПа; для ПКМ, изготовленных по технологии VM: 409-447 МПа;
- остаточная прочность при сжатии после воздействия низкоскоростного удара (6,67 Дж на 1 мм толщины) по ASTM D 7137 для образцов ПКМ с квазиизотропной схемой составила 158161 МПа (RTM технология) и 138-140 МПа (VM технология);
- толщина монослоя для этих ПКМ составила 0,2 мм.
Проведены исследования ПКМ (экспериментальные образцы), изготовленных по технологии вакуумного формования (VM), на основе типового связующего и различных углеродных наполнителей фирм «Porcher» и «Toray». При изготовлении использованы плакирующие слои на основе органической ткани и стеклоткани, а также термопластичные добавки в виде полиэфирной нити, которой был прошит пакет наполнителя. Проведено исследование их остаточной прочности при сжатии до удара (по ГОСТ 25.602-80). Установлено, что величина прочности при сжатии ПКМ до удара составила:
- на основе наполнителя фирмы «Porcher» и плакирующих слоев из органической ткани: 446450 МПа;
- на основе углеродной ткани фирмы «Toray» и плакирующих слоев из органической ткани: 425493 МПа;
- на основе углеродной ткани фирмы «Toray» и плакирующих слоев из стеклоткани: 319-386 МПа;
- на основе углеродной ткани фирмы «Toray» (пакет наполнителя прошит полиэфирной нитью): 360-396 МПа.
Проведено исследование остаточной прочности при сжатии после удара образцов ПКМ с квазиизо-
тропной схемой армирования на углеродных наполнителях из тканей фирм «Toray» и «Porcher» с использованием плакирующих слоев из органической ткани Русар.
Установлено, что величина остаточной прочности при сжатии после удара (по ММ 1.595-11-113-2001) составила:
- для ПКМ, изготовленного на основе наполнителя фирмы «Porcher» и плакирующих слоев на основе органической ткани, - ов.сжу=150-152 МПа;
- для ПКМ, изготовленного на основе наполнителя фирмы «Toray» и плакирующих слоев на основе органической ткани, - св.сж.у=169-172 МПа.
Проведено исследование влияния способов совмещения компонентов с углеродным наполнителем на остаточную прочность при сжатии после удара образцов ПКМ, изготовленных методом вакуумного формования СУМ):
- для ткани фирмы «Porcher» с прошивкой термопластичной нитью из полисульфона ов.сж.у=138-140 МПа;
- для ткани фирмы «Porcher» и плакирующих слоев на основе органической ткани Русар св.сж.у=150-152 МПа;
- для ткани фирмы «Toray» и плакирующих слоев на основе органической ткани Русар ов.сж.у=169-172 МПа.
Методом вакуумного формования (УМ) изготовлены экспериментальные образцы их ПКМ с квазиизотропной схемой армирования [+45/0/-45/90]s на основе ранее исследованного связующего для вакуумного формования и углеродной ткани (углеродное волокно Т-800-НВ) с использованием плакирующих слоев на основе органической ткани. Проведено исследование этих образцов [9, 10]:
- температура стеклования углепластика составила 154,1°С;
- модуль упругости при 30°С составляет -45 ГПа.
Проведено исследование их остаточной прочности
при сжатии до удара по ГОСТ 25.602-80 (на испытательной машине «Тиратест-2300»). Установлено, что величина прочности при сжатии ПКМ до удара составляет 620 МПа. Проведено исследование их остаточной прочности при сжатии после удара по стандарту ASTM D 7137. Установлено, что величина остаточной прочности при сжатии после удара (с энергией J=6,67 Дж на 1 мм толщины) по ММ 1.595-11-113-2001 (на испытательной машине «Z-100») составила 201,6 МПа.
Проведено исследование технологических режимов изготовления ПКМ с квазиизотропной схемой армирования [+45/0/-45/90]^ на основе ранее исследованного связующего для вакуумного формования и углеродной ткани (углеродное волокно Т-800-НВ) с использованием плакирующих слоев на основе органической ткани. По результатам исследований изменена схема сборки пакета ПКМ для инфузионного формования: укладка распределительной сетки на нижний слой жертвенной тка-
ни с отступом от торцов пакета в 2-3 см; пропитка пакета осуществлялась снизу вверх, что обеспечивало равномерный поток связующего во время пропитки и его равномерное распределение по наполнителю.
Проведена оценка [11] влияния влаго- и топли-вонасыщения (1 мес) на уровень сохранения прочности при сжатии после ударного воздействия и установлено, что прочность при сжатии после ударного воздействия образцов ПКМ после выдержки 1 мес в воде и в керосине составила соответственно 196 и 184 МПа. Потеря прочности после выдержки в воде составляет 2,48% по сравнению с исходным значением (201 МПа), после выдержки в керосине: 7,46%.
Пример разрушения образца в результате испытаний на сжатие после ударного воздействия (цветом выделена область расслоения после ударного воздействия) При проведении дальнейших экспериментальных исследований влияния ускоренного влаго- и топливонасыщения в течение 3-5 мес на уровень сохранения прочности при сжатии после ударного
воздействия образцов ПКМ с повышенной остаточной прочностью при сжатии после удара, изготовленных инфузионным формованием, получены следующие результаты.
Методом неразрушающего контроля [12, 13] определена площадь поражения ПКМ оптимального состава, обеспечивающего повышенную остаточную прочность при сжатии в результате удара (6,67 Дж на 1 мм) после влаго- и топливонасыщения (топливо ТС-1) в течение 5 мес. Установлено, что область поражения образцов углепластика после воздействия топлива ТС-1 составляет 9,62 см2, имеет форму эллипса, глубина поражения в зоне удара 0,88 мм; область поражения образцов углепластика после воздействия влаги составляет 6,60 см2, имеет форму эллипса, глубина поражения в зоне удара 0,71 мм. Общая площадь образцов составляет 150 см2.
Проведены испытания на прочность при сжатии с заполненным отверстием по стандарту EN 6036. Установлено, что полученные образцы ПКМ (содержание связующего 33,6±4%) имеют уровень прочности при сжатии с заполненным отверстием 390-404 МПа.
Определен уровень сохранения прочности при сжатии после ударного воздействия по ASTM D 7137 образцов ПКМ с квазиизотропной схемой армирования [+45/0/-45/90]х (см. рисунок) на основе ранее исследованного связующего для вакуумного формования и углеродной ткани (углеродное волокно Т-800-НВ) с использованием плакирующих слоев на основе органической ткани после влаго- и топливонасыщения. Установлено, что после выдержки в течение 5 мес в воде уровень остаточной прочности при сжатии после удара (6,67 Дж на 1 мм толщины) составил 187190 МПа, потеря прочности: 8-6% от исходного значения (200-203 МПа). После выдержки в течение 5 мес в топливе ТС-1 уровень остаточной прочности при сжатии после удара (6,67 Дж на 1 мм толщины) составил 178-182 МПа, потеря прочности: 13-11% от исходного значения (200-203 МПа). Установлено, что после выдержки в течение 5 мес в воде и в топливе ТС-1 влагонасыщение ПКМ с квазиизотропной схемой армирования [+45/0/-45/90]х на основе ранее исследованного связующего для вакуумного формования и углеродной ткани (углеродное волокно Т-800-НВ) с использованием плакирующих слоев на основе органической ткани составило 0,776%, топливо насыщение: 0,980%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития
композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
3. 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.
4. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., Ким М.А., Бабин А.Н
Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260-265.
5. Хрульков A.B., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И.
Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292-302.
6. Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P., Чурсо-
ва Л.В. Особенности изготовления изделий из ПКМ методом пропитки под давлением //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 18-26.
7. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокни-
стые полимерные композиты. СПб: Научные основы и технологии. 2009. С. 171-185.
8. Черепанов Г.П. Механика разрушения композицион-
ных материалов. М.: Наука. 1983. С. 32-37.
9. Алексашин В.М., Антюфеева Н.В. Развитие методов
термического анализа в исследовании полимерных композиционных материалов /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 19322007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 345-349.
10. Антюфеева Н.В., Алексашин В.М., елезина Г.Ф., Столянков Ю.В. Методические подходы термоаналитических исследований для оценки свойств пре-прегов и углепластиков //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №4. С. 18-28.
11. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Шведкова А.К., Николаев Е.В. Исследование влияния климатических факторов и механического нагружения на структуру и механические свойства ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 41-45.
12. Генералов А.С., Мурашов В.В., Далин М.А., Бойчук АС. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 42-47.
13. Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефектоскопия и диагностика полимерных композиционных материалов акустическими методами /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 342-348.
