CC BY
109
УДК 678.8
П.Н. Тимошков1, А.А. Платонов1, А.В. Хрулъков1
ПРОПИТКА ПЛЕНОЧНЫМ СВЯЗУЮЩИМ (RFI) КАК ПЕРСПЕКТИВНАЯ БЕЗАВТОКЛАВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ
Произошедший в 2000-х годах стремительный рост доли полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях гражданских самолетов позволил добиться существенных результатов в снижении массы, увеличении надежности и ресурса. Однако остро встал вопрос снижения стоимости конструкций из ПКМ, которые всегда были дороже аналогичных деталей из металла. Во многом высокая стоимость изделий из ПКМ определяется большой трудоемкостью и энергоемкостью автоклавной технологии их изготовления, наиболее широко применяемой в настоящее время в авиастроении, а также высокой стоимостью оборудования. В последние годы в ВИАМ активно проводят работы по развитию безавтоклавных методов изготовления деталей из ПКМ. В статье приведены результаты работ, выполненных в ВИАМ по разработке ПКМ на основе тканых наполнителей, полученных методом пропитки пленочным связующим. Представлены сравнительные упруго-прочностные характеристики полученного углепластика.
Ключевые слова: композиционный материал, углепластик, пропитка пленочным связующим, RFI, безавтоклавные технологии.
A rapid increase in the portion of polymer composite materials (PCM) in structures of civil aircraft occurred in the 2000-s, allowed to increase significantly reliability and service life of aviation equipment and to reduce its weight. However, there was a vital problem to reduce the cost of PCM structures, which always were more expensive than similar parts made of metal. In many ways, the high cost of PCM products depends on high labor- and power consumption of autoclave technology, which at present is most widely used in the aircraft industry, as well as by high costs of relevant equipment. In recent years, VIAM actively develops the out-of-autoclave production of PCM parts. The results of the works performed by VIAM to develop PCM-based woven fillers produced by impregnation with film binder are described. Comparative elastic-strength characteristics of the produced carbon fiber-reinforced plastic are given.
Keywords: composite material, carbon fiber-reinforced plastic, impregnation with film binder, RFI, out-of-autoclave technology.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Объемы применения композиционных материалов в авиации, аэрокосмической технике и в других различных отраслях промышленности растут с каждым годом. Это объясняется широчайшим спектром характеристик, которые можно реализовать в изделиях при использовании композитов [1]. Разумеется, все это было бы невозможно без внедрения новых материалов и технологий их производства.
Одной из самых распространенных технологий получения изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) является метод автоклавного формования. Заготовка будущего изделия помещается в автоклав (рис. 1), где из вакуумного мешка, в который помещена заготовка, удаляется воздух (создается вакуум), снаружи подается
избыточное давление в ~6-8 ат и заготовка выдерживается в таких условиях до полного отверждения [2]. Изделия из ПКМ, полученные таким способом, обладают очень высокими свойствами благодаря высокой однородности и уплотненности материала и низким значениям пористости. Обычно такие
Рис. 1. Современный автоклав фирмь Magnabosco (Италия)
Однако этот метод имеет и свои недостатки: высокая стоимость оборудования, большое потребление энергии, высокая стоимость оснастки, ограничения по размеру формуемых деталей.
При этом далеко не во всех случаях востребованы такие высокие показатели свойств получаемого материала. К примеру, для средне- и слабонагруженных деталей авиационной техники, в автомобильной промышленности, строительстве и многих других отраслях применение автоклавного метода зачастую невозможно или экономически нецелесообразно. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется развитию так называемых безавтоклавных методов получения изделий из ПКМ. Одним из таких методов является метод пропитки пленочным связующим (RFI - resin film infusion), позволяющий получить ПКМ с высоким уровнем физико-механических свойств. Помимо прочего RFI-метод формования достаточно экономически эффективная технология, позволяющая значительно снизить трудоемкость изготовления деталей из ПКМ по сравнению с традиционным препрегово-автоклавным методом [3].
При получении изделий по этому методу требуется лишь вакуумная печь и оснастка с размещенным на ней предварительно собранным пакетом для формования. Избыточного давления для получения детали по такому методу не требуется. В отличие от автоклавного метода формования, где для сборки пакета требуется препрег - заранее пропитанный связующим армирующий наполнитель, здесь препрег не обязателен -можно использовать непропитанный заранее собранный тканый армирующий наполнитель (преформа), на который просто выложен слой пленки связующего (рис. 2). Это также удешевляет процесс производства, позволяя экономить на исходных материалах [4].
Необходимо отметить, что для получения изделий методом пропитки пленочным связующим используют связующие с особой реологией - вязкость их должна быть существенно (в 2-3 раза) ниже, чем у тех, что применяются в автоклавном формовании. Продолжительность гелеобразования таких связующих также должна обеспечивать при формовании полную пропитку армирующего наполнителя в пакете [3].
материалы применяются в высоконагружен ных деталях авиационной техники.
Рис. 2. Технологический пакет для RFI технологии
Материалы и методы
Для получения заготовок преформ использовали углеродный тканый наполнитель арт. 3101 на основе жгутов Tenax HTA 5131 3k производства ООО «Порше современные материалы», которое в 2012 году открыло ткацкое производство в Калужской области, и эпоксидные связующие ВСЭ-19 и ВСЭ-20, разработанные в ВИАМ, с уровнем рабочих температур 170 и 120°С соответственно [5].
Переработку связующего в пленки производили на установке Coateama LS-11 (рис. 3), позволяющей получать пленки с поверхностной плотностью от 200 до 800 г/м .
Рис. 3. Получение пленки связующего на установке Coateama LS-11
Формование образцов ПКМ проводили в термошкафу, что позволило уйти от дорогостоящего и трудоемкого автоклавного метода формования и таким образом снизить трудоемкость изготовления деталей на 20% [6].
Результаты
В ВИАМ активно проводят разработку материалов и технологий переработки по методу пропитки пленочным связующим. В рамках этих работ разработаны два вида полимерного связующего для ЯИ-технологии: ВСЭ-19 и ВСЭ-20 (см. таблицу) [7].
Связующее ВСЭ-19 обеспечивает рабочую температуру изделий до 170°С и реализует показатели физико-механических свойств, достаточных для применения в средне- и слабонагруженных крупногабаритных изделиях авиационной техники и в других различных отраслях промышленности.
Свойства углепластиков на основе связующих ВСЭ-19 и ВСЭ-20 _и углеродной ткани фирмы Porcher арт. 3101_
Показатели Значения показателей углепластика на основе связующего
ВСЭ-19 ВСЭ-20
при температуре испытания, °С
20 170 20 120
Предел прочности, МПа:
- при растяжении 700 690 660 600
- при сдвиге 50 33 65 54
- при изгибе 1120 899 980 790
- при сжатии 630 530 670 500
Остаточная прочность при сжатии 190 - 240 -
после удара, МПа
Температура стеклования, °С 212 160
Связующее ВСЭ-20 обеспечивает рабочую температуру изделий до 120°С и реализует более высокие относительно связующего ВСЭ-19 показатели прочности при межслойном сдвиге и сжатии после удара.
Углепластики ВКУ-40 и ВКУ-41 прошли полный цикл испытаний в соответствии с программой паспортизации авиационных материалов, в ходе которых определены основные упруго-прочностные характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, специальных жидкостей, масел и топлив, стойкость к долговременному воздействию природных климатических условий в различных климатических зонах, проведены испытания на термовлажностное старение и долговременную тепловую прочность [8]. В результате проведенных испытаний установлено, что разработанные углепластики имеют высокий процент сохранения упруго-прочностных и физико-химических свойств (>70%) после воздействия различных факторов, что подтверждает возможность их применения в деталях авиационной техники во всеклиматических условиях [9-11].
Можно с уверенностью говорить о том, что у метода пропитки пленочным связующим (ЯИ) - хорошие перспективы для развития и широкие возможности внедрения в различные отрасли современной промышленности.
Обсуждение и заключения
В работе проводились исследования по возможности пропитки преформ на основе углеродного тканого наполнителя методом ЯШ. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогичными методами формования ПКМ, главными из ко-
торых являются уменьшение трудоемкости и достаточно низкая стоимость процесса. Установлено, что для изготовления толстостенных изделий (толщиной >5 мм) по методу пропитки пленочным связующим целесообразно использовать послойную выкладку, так как это позволит реализовать хорошее качество пропитки, низкую пористость и высокие показатели физико-механических свойств в изделии [12].
При изготовлении ПКМ методом RFI пленка связующего формируется заранее, что позволяет изготавливать пластики с определенным предварительно рассчитанным объемным содержанием наполнителя [13]. При формовании ПКМ связующее пропитывает пре-форму в поперечном направлении, что обеспечивает более качественную пропитку и, как результат, получение ПКМ с низким процентом содержания пор (Vnop<3% объемн.) [14].
При исследовании и разработке ПКМ на основе углеродных тканых преформ фирмы Porcher Ind. и полимерных пленочных связующих марок ВСЭ-19 и BC3-2G разработаны новые марки углепластиков - BKY-4G и ВКУ-41, которые предназначены для изготовления слабо- и средненагруженных деталей и конструкций с уровнем рабочих температур 12G и 17G°C соответственно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период
до 2G3G года //Авиационные материалы и технологии. 2G12. №S. С. 7-17.
2. Душин М.И., Хрульков A.B., Платонов A.A., Ахмадиева K.P. Безавтоклавное формование углепластиков на основе препрегов, полученных по растворной технологии //Авиационные материалы и технологии. 2G12. №2. С. 43-48.
3. Хрульков A.B., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавто-
клавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2G12. №S. С. 292-301.
4. Чурсова Л.В., Душин М.И., Коган Д.И., Панина H.H., Ким М.А., Гуревич Я.М., Платонов A.A. Пленоч-
ные связующие для RFI-технологии //Российский химический журнал. 2G1G. №1. С. 63-66.
5. Бабин А.Н. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2G13. №4 (viam-works.ru).
6. Постнова М.В., Постнов В.И. Опыт развития безавтоклавных методов формования ПКМ //Труды ВИАМ. 2G14. №4. Ст. G6 (viam-works.ru).
7. Способ получения композиционного материала: пат. №2246379 Рос. Федерация; опубл. 25.G2.2GG4.
S. Каблов E.H., Старцев О.В., Кротов A.C., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения //Деформация и разрушение материалов. 2G1G. №11. С. 19-27.
9. 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. 2G11. №1. С. 34-40. 1G. Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения //Авиационные материалы и технологии. 2G12. №S. С. 412-423.
11. Мелёхина М.И., Кавун Н.С., Ракитина В.П. Эпоксидные стеклопластики с улучшенной влаго- и водостойкостью //Авиационные материалы и технологии. 2G13. №2. С. 29-31.
12. Душин М.И., Мухаметов P.P., Платонов A.A., Меркулова Ю.И. Исследование фильтрационных характеристик армирующих наполнителей и связующих при разработке технологии безавтоклавного формования полимерных композиционных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2G13. №2. С. 22-25.
13. Платонов A.A., Коган Д.И., Душин М.И. Изготовление трехмерноармированных ПКМ методом пропитки пленочным связующим //Пластические массы. 2G13. №12. С. 56-61.
