CC BY
21
УДК 678.067.7
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ © Алямовский А.И., Земцова Е.В., Копыл Н.И., Объедков М.Л., 2023
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
В настоящей статье исследуется влияние различных способов подготовки поверхности углепластиков на прочностные характеристики клеевых соединений, представлены требования к «жертвенным» слоям, рассмотрены различные материалы «жертвенных» слоёв, проведена сравнительная оценка усилия (лёгкости отслаивания) их удаления, наличия остатков углеродного наполнителя на «жертвенном» слое, а также наличия на углепластике остатков «жертвенного» слоя. Приведены результаты экспериментальной отработки способов подготовки поверхности углепластиков к склеиванию, проанализирован характер разрушения клеевого соединения, и определены характеристики прочности клеевых соединений с различными способами подготовки поверхностей склеиваемых образцов.
Ключевые слова: углепластики, «жертвенный» слой, способ подготовки поверхности, лёгкость отслаивания, клеевые соединения, сотовый заполнитель, характеристики прочности клеевых соединений при сдвиге и равномерном отрыве.
RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH INTO EFFECTS OF VARIOUS PREPARATION TECHNIQUES FOR SURFACES OF LARGE-SCALE CARBON FIBER STRUCTURES ON ADHESIVE BOND STRENGTH
Alyamovskiy A.I., Zemtsova E.V., Kopyl N.I., Obiedkov M.L.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin st., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, е-mail: post@rsce.ru
The paper examines the effect of various techniques for carbon fiber surface preparation on the strength of adhesive bonds, provides requirements for sacrificial layers, reviews various materials for sacrificial layers, provides a comparative estimate of their removal force (peeling-off force), of the presence of carbon filler residue on the sacrificial layer, as well as the presence of sacrificial layer residue on the carbon fiber. It provides results of developmental testing of techniques to prepare carbon fiber surfaces for bonding, analyzes adhesive bond failure behavior and identifies strength properties of adhesive bonds where the bonded specimen surfaces were pre-treated using various techniques.
EDN: MGWVQL
АЛЯМОВСКИй А.и. ЗЕМЦОВА Е.В. КОПЫЛ Н.И. ОБЪЕДКОВ М.
АЛЯМОВСКИЙ Андрей Иванович — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: andrey.alyamovskiy@rsce.ru
ALYAMOVSKIY Andrey Ivanovich — Candidate of Science (Engineering), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: andrey.alyamovskiy@rsce.ru
ЗЕМЦОВА Елена Владимировна — инженер-технолог 1-й категории РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
ZEMTSOVA Elena Vladimirovna — 1st category Engineer-technologist at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
КОПЫЛ Николай Иванович — кандидат технических наук, начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: nikolay.kopyl@rsce.ru
KOPYL Nikolay Ivanovich — Head of Department at RSC Energia, e-mail: nikolay.kopyl@rsce.ru
ОБЪЕДКОВ Михаил Леонидович — ведущий инженер-технолог РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
OBIEDKOV Mikhail Leonidovich — Lead engineer-technologist at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
Key words: carbon fiber composites, sacrificial layer, surface treatment technique, ease of peeling, adhesive bonds, honeycomb core, adhesive strength properties during shear and uniform separation.
л.
Введение
Начиная с середины 1970-х гг. в РКК «Энергия» (ранее НПО «Энергия») проводились работы по созданию многоразовой транспортной космической системы «Энергия-Буран», в состав которой входила ракета-носитель сверхтяжёлого класса «Энергия» грузоподъёмностью 100 т [1]. 15 мая 2022 г. исполнилось 35 лет со дня первого запуска ракеты-носителя «Энергия», которая состояла из центрального блока и четырёх разгонных блоков «А». Блоки «А» были многоразовыми (до 10 пусков), поэтому они имели двигательную
установку мягкой посадки и посадочные устройства, которые в процессе полёта блоков «А» защищались двухстворчатыми обтекателями, открывавшимися перед приземлением. Створки обтекателей были выполнены в виде трёхслойных сотовых конструкций (ТСК) с несущими слоями (НС) из листового полимерного композиционного материала (ПКМ) — углепластика марки Слокарбон-10КП [2], разнесёнными на 37 мм сотовым заполнителем (СЗ) из алюминиевой фольги АМг 2-Н толщиной 0,03 мм с размером ячейки 2,50 мм [3], НС с СЗ были склеены плёночным клеем ВК-36 [4].
На внешнюю поверхность створок обтекателей было наклеено теплозащитное покрытие на клее К-300-61 [5], а на внутреннюю — теплоизоляционный материал на клее Эластосил 137-175М [6].
Общая площадь створок обтекателей на четырёх блоках «А» была равна 324 м2, а суммарная площадь подлежащих склеиванию поверхностей — 1 296 м2, в т. ч. НС с СЗ — 648 м2, ТСК с теплозащитным покрытием и теплоизоляционным материалом — по 324 м2. Идеальной можно считать такую подготовку поверхности, при которой при механических испытаниях наблюдается когезионное (по клею) разрушение клеевых соединений.
Способ подготовки поверхности зависит от природы склеиваемых материалов, конструктивных особенностей склеиваемых деталей, условий эксплуатации и типа используемого клея.
Для подготовки поверхности неметаллических материалов, в частности ПКМ углепластика, перед склеиванием используется абразивная обработка поверхности механическим способом (зачистка наждачной бумагой средней зернистости, пескоструйная обработка и т. п.) с предварительной и последующей протиркой салфеткой, смоченной растворителем, например ацетоном [5, 7].
Механическая обработка поверхности ПКМ перед склеиванием имеет свои недостатки:
• во-первых, она рекомендуется для небольших поверхностей или в тех случаях, когда количество склеиваемых деталей невелико;
• во-вторых, она создаёт повышенную запылённость помещения и требует удаления пыли при зачистке поверхности перед склеиванием;
• в-третьих, при такой подготовке может нарушиться целостность верхних слоёв наполнителя, что может привести к снижению механических характеристик склеиваемых деталей.
Для подготовки поверхности пластиков ПКМ на основе углеродных волокон также могут быть использованы поверхностные защитные удаляемые («жертвенные») слои, которые удаляются непосредственно перед нанесением клеевой композиции. Известны попытки использовать в качестве «жертвенных» слоёв (ЖС) стеклоткани различных марок и другие ткани, например нейлоновые, лавсановые, дакрановые [8, 9].
При оценке свойств материала, используемого в качестве удаляемого защитного «жертвенного» слоя, исходили из следующих требований:
• ЖС должен легко удаляться с поверхности углепластика;
• ЖС должен отличаться по внешнему виду (например, по цвету) от склеиваемых материалов;
• ЖС не должен загрязнять поверхности материалов, подлежащих склеиванию;
• после удаления ЖС склеиваемая поверхность должна удовлетворять требованиям по шероховатости;
• материал ЖС должен иметь низкую стоимость;
• ЖС должен выдерживать технологическую температуру формования ПКМ без изменения своих исходных свойств.
В работе [10] приведены результаты экспериментальных исследований материалов ЖС для создания шероховатости на поверхности высокопрочного углепластика, имеющего средний модуль упругости и температуру эксплуатации до 150°С.
Прессование углепластика проводили по следующим режимам:
• выдержка 1 ч при давлении 1,4 кгс/см2 и температуре (121±5) °С;
• выдержка 2 ч при давлении 6,0 кгс/см2 и температуре (177±5) °С.
В качестве ЖС при проведении экспериментальных исследований были использованы следующие тканые материалы с антиадгезионными покрытиями:
• стеклоткани:
- IB 301-Р 51 + поливиниловый спирт;
- IB 301-Р 54 + силиконовый каучук;
- IB 301-Р 56 + фторопласт;
- IB 301-Р 58 + силиконовый каучук,
нанесённый из суспензии;
• стеклоткань + фторопласт (тефлон) марки Т-83-54;
• стеклоткань + связующее марки 181;
• стеклоткань + аппрет «Гаран» марки 128.
Для определения характеристики прочности при сдвиге клеевые соединения с различными способами подготовки поверхности испытывали на растяжение.
Склеивание образцов проводили модифицированным эпоксидным клеем с выдержкой при температуре (177±5) ° С и давлении 3,5 кгс/см2 в течение 60 ± 30 мин.
Без покрытия в качестве материала ЖС использовались нейлоновые ткани 5833, 5062, 5014, 506«, 506в, 506с, 4091 ЯГ, 5М-49 и дакроновые ткани (полиэфирное волокно): 15199, 15004/1, 15090/1, 15205/4, 15223.
При отслоении ЖС проводилась сравнительная оценка усилия их удаления, наличия остатков углеродного наполнителя на ЖС, а также наличия на углепластике остатков ЖС (табл. 1).
Таблица 1
влияние типа «жертвенного» слоя на легкость отслаивания
Материал ЖС Марка материала ЖС Лёгкость отслаивания Наличие углеродного наполнителя на отслоённом ЖС Наличие остатков материала ЖС на углепластике
5833 Хорошая Минимальное Минимальное
5062 Хорошая Минимальное Минимальное
5014 Хорошая Минимальное Минимальное
Нейлон 506 а Хорошая Минимальное Умеренное
506 в Удовлетв. Минимальное Минимальное
506 с Хорошая Минимальное Умеренное
403 Плохая Значительное Значительное
1В 301Г 51 Плохая Умеренное Значительное
Стеклоткань 1В 301Г 54 Хорошая Минимальное Умеренное
1В 301Г 56 Удовлетв. Минимальное Минимальное
1В 301Г 58 Хорошая Минимальное Минимальное
Стеклосототкань, покрытая фторопластом (тефлоном) марки Т-83-54 — Хорошая Минимальное Минимальное
15199 Удовлетв. Минимальное Минимальное
15004/1 Хорошая — —
Дакрон (полиэфирное волокно) 15090/1 Хорошая — —
15205/4 Удовлетв. — Умеренное
15223 Плохая Умеренное Минимальное
В итоге комплексной оценки установлено, что для использования в качестве ЖС подходят нейлоновые ткани марок 5833, 5062, 5014, стеклоткань 1В 301Г 58 и стекло-сототкань, покрытая фторопластом.
результаты экспериментальной отработки способов подготовки поверхности углепластиков к склеиванию
На первом этапе экспериментальной отработки в качестве ЖС проверялись лавсановая ткань марки 56207 и стеклоткани Т-10, ЭЗ-100, ЭЗ-60. На стеклоткани перед их использованием в качестве ЖС предварительно наносили антиадгезионную смазку
марки К-21. Также экспериментально проверяли возможность получения на поверхности углепластика регулярной шероховатости при помощи мелкой металлической сетки, уложенной на пакет заготовки из углеродного пре-прега через тонкую антиадгезионную фторопластовую плёнку марки Ф-4КО.
В результате проведённых исследований установлено:
• текстура ткани ЖС после его удаления чётко отпечатывается на поверхности углепластика;
• ЖС из тонких тканей при отслаивании легко рвутся, поэтому удалять их с поверхности углепластика довольно сложно;
• значения характеристик прочности при сдвиге клеевых соединений углепластика при подготовке поверхности заготовок образцов с использованием ЖС не ниже значений, полученных на образцах, подготовленных традиционным способом (зачисткой наждачной бумагой средней зернистости и протиркой поверхности углепластика салфеткой, смоченной в ацетоне), а в отдельных случаях они выше;
• ЖС также позволяет защитить поверхность углепластика от повреждений при механической обработке и загрязнений трудноудаляемыми продуктами (маслами, герметиками и т. п.) в процессе предварительных технологических операций;
• лавсановую ткань можно использовать в качестве «жертвенного» слоя два-три раза;
• лавсановые ткани обладают недостаточно высокой термостойкостью (до 150 °С), что исключает возможность их применения в качестве ЖС при изготовлении деталей из углепластиков, формуемых при более высоких температурах.
Попытка получить равномерно шероховатую поверхность полимерного композиционного материала путём тиснения металлической сеткой через слой разделительной антиадгезионной фторопластовой плёнки привела к тому, что тиснёная поверхность выглядела как совокупность глянцевых микронеровностей. Характеристика прочности при сдвиге клеевого соединения с такой подготовкой поверхности была существенно ниже, чем при зашкури-вании и использовании «жертвенного» слоя. Характер разрушения был в основном адгезионный по склеиваемому углепластику.
На втором этапе экспериментальной отработки проверяли следующие тканые материалы:
• стеклянную ткань КТ-11, обработанную 10%-ным раствором антиадгезионной смазки К-21 в бензине;
• стеклянную ткань Э2-62, обработанную 10%-ным раствором смазки К-21 в бензине;
• полиформальдегидную ткань;
• стеклянную ткань КТ-11 без обработки;
• стеклянную ткань КТ-11, пропитанную кремнийорганическим лаком КМ-9К.
Первоначально ткани рассматривались с точки зрения лёгкости отслаивания и визуального определения качества получаемой поверхности (табл. 2).
Таблица 2
Влияние типа «жертвенного» слоя на лёгкость отслаивания и качество поверхности
Используемая в качестве «жертвенного» слоя ткань Лёгкость отслаивания Качество поверхности
КТ-11 + К-21 С трудом Хорошее
Э2-62 + К-21 — Хорошее
Полиформальдегидная — Плохое
КТ-11 — Хорошее, но с остатком стекловолокон
КТ-11 + КМ-9К Легко Хорошее
В результате проведённых испытаний установлено следующее:
• наилучшая лёгкость отслаивания и качественная поверхность получены при использовании в качестве ЖС ткани КТ-11, пропитанной кремнийорга-ническим лаком КМ-9К;
• обработка ЖС 10%-ным раствором смазки К-21 в бензине практически не оказывает влияния на лёгкость его отслаивания от поверхности углепластика;
• при приложении отслаивающей нагрузки по диагонали к поверхности квадратной пластины из углепластика, ЖС отдирается намного легче, чем при приложении нагрузки вдоль или поперёк волокон наполнителя;
• ЖС из стеклянной ткани КТ-11, пропитанной лаком КМ-9К, могут использоваться несколько раз.
Лак КМ-9К, используемый для пропитки ЖС, представляет собой 50-55%-ный раствор кремнийорганической смолы КМ-9К в этиловом спирте. Смола КМ-9К — это метилполисилоксановый полимер, полученный гидролизом смеси метилхлорсилана и диметилдихлор-силана с последующей конденсацией. Достоинствами этого вещества являются нетоксичность, негорючесть, невзрыво-опасность, химическая инертность, устойчивость к термической и термоокислительной деструкции, устойчивость к воздействию кислот и щелочей.
Учитывая эти свойства кремнийорга-нического лака, а также результаты органопластической оценки усилия отслаивания ЖС от поверхности углепластика, было решено использовать этот лак для пропитки тканей, используемых в качестве ЖС.
Оценку влияния различных способов подготовки поверхности углепластика на характеристику прочности клеевого соединения при сдвиге [11] проводили на образцах из углепластика Слокарбон-10КП, склеенных клеем К-300-61 (табл. 3).
Таблица 3
Способ подготовки поверхности Ь, мм Ь, мм Гскл, см2 Р, кгс т, кгс/см2 тср, кгс/см2
Зачистка наждачной бумагой средней зернистости и протирка бензином 20,0 18,1 3,62 330 91,2 90,1
19,7 17,1 3,37 313 92,9
19,6 17,9 3,51 303 86,3
Обезжиривание бензином 20,1 19,5 3,92 376 95,9 92,9
19,6 19,5 3,82 300 78,5
20,5 16,6 3,40 355 104,4
Стеклоткань КТ-11, пропитанная лаком КМ-9К 18,8 17,6 3,31 262 79,2 94,7
20,4 18,0 3,67 385 104,9
19,3 18,1 3,49 345 98,9
20,5 18,1 3,71 355 75,7
Неподготовленная поверхность 19,0 17,7 3,36 206 61,3 —
Примечание. Ь и Ь — ширина и длина клеевого соединения соответственно; Гскл — площадь склеиваемой поверхности; Р — разрушающая нагрузка; т — предел прочности клеевого соединения при сдвиге; тс — среднее арифметическое значение характеристики прочности клеевого соединения при сдвиге.
Испытания проводились на разрывных машинах 2^-10/90 (рис. 1) и ГР-100/1 (рис. 2)
Рис. 1. Испытательная разрывная машина ZD-10/90
(фотография сделана авторами)
Рис. 2. Испытательная разрывная машина FP-100/1
(фотография сделана авторами)
Проведённый микроструктурный анализ образцов углепластика с тиснёной поверхностью показал, что при тиснении изменяется структура крайнего монослоя углепластика, внутренние слои остаются без изменений.
зависимость прочности клеевого соединения при сдвиге от способа подготовки поверхности
С целью определения влияния тиснения поверхности углепластика Сло-карбон-10КП со схемой армирования С/90°/0°/30°/150°/0°/0°/150°/30°/0°/90°/С на его механические характеристики прочности при растяжении [12] и сжатии [13] были проведены механические испытания, результаты которых приведены в табл. 4.
Таблица 4
Характеристики прочности при растяжении и сжатии углепластика Слокарбон-10КП с исходной поверхностью и поверхностью, подготовленной к склеиванию тиснением «жертвенным» слоем
Характеристика прочности Исходная поверхность Поверхность с тиснением Изменение характеристики прочности после тиснения, %
Предел прочности при растяжении вдоль монослоя 90°, кгс/мм2 30,7 29,6 -4
Предел прочности при растяжении вдоль монослоя 0°, кгс/мм2 34,8 37,2 +7
Предел прочности при сжатии вдоль монослоя 90°, кгс/мм2 23,0 21,9 -5
Предел прочности при сжатии вдоль монослоя 0°, кгс/мм2 40,0 39,4 -2
Примечание. В таблице приведены средние арифметические значения результатов испытаний пяти образцов.
Как видно из результатов испытаний, приведённых в табл. 4, тиснение поверхности углепластика «жертвенным» слоем влияет на его прочностные характеристики незначительно.
Выбранный ЖС на основе ткани КТ-11, пропитанной лаком КМ-9К, создал довольно грубое тиснение поверхности пластика, что в отдельных случаях затрудняло растекание клея (смачиваемость поверхности).
В связи с этим возникла задача подбора других видов тканей, дающих более мелкий и плотный рисунок
тиснёной поверхности и в то же время удаляющихся без особого труда.
С этой целью были опробованы следующие ткани: Э1-100, Э3-100, ТК-3, а также, для сравнения, лавсановые ткани полотняного и саржевого плетений.
В конце 1990-х гг. лавсановая ткань применялась в качестве ЖС для тиснения поверхностей в процессе формования листовых заготовок из углепластика марки КМУ-4К (схема армирования 0°/90°) с эффектом памяти цилиндрической формы, используемых при изготовлении секций телескопических грузовых стрел, которые до настоящего времени эксплуатируются на МКС.
Ткани Э1-100, Э3-100, ТК-3 были предварительно пропитаны лаком КМ-9К и в качестве ЖС прошли полный режим отверждения углепластика Слокарбон-10КП.
Лавсановые ткани удалялись с поверхности углепластика Слокарбон-10КП перед его финишной термообработкой при температуре 205 °С.
Образцы клеевых соединений для определения характеристик прочности при сдвиге с различной подготовкой поверхности изготавливали из листового углепластика Слокарбон-10КП, армированного по схеме С/0°/45°/135°/135°/45°/0°/С без тиснения поверхности и с тиснением поверхности различными тканями. В табл. 5 и 6 приведены результаты механических испытаний на сдвиг образцов клеевых соединений, выполненных клеями Эластосил-137-175М и К-300-61.
Клеевая композиция Эластосил-137-175М состоит из кремнийорганической смолы и после полимеризации эластична.
Клей К-300-61 состоит из эпокси-кремнийорганической смолы СЭДМ-6 (100 массовых частей), полиамидной смолы Л-20 (40 массовых частей) и двуокиси титана (30 массовых частей). После полимеризации клеевая композиция К-300-61 имеет жёсткую структуру.
Клей К-300-61 применяется в основном для склеивания твёрдых материалов, а клеевая композиция Эластосил-137-175М — для склеивания нежёстких материалов или для склеивания жёсткого материала с нежёстким.
Как было сказано выше, клей К-300-61 использовался для приклейки теплозащитного покрытия к НС обтекателей, а клей Эластосил-137-175М — для приклейки теплоизоляции.
Таблица 5
характеристики прочности при сдвиге образцов клеевых соединений (клей эластосил-137-175М) с различной подготовкой поверхности к склеиванию
Способ подготовки поверхности Ь, мм Ь, мм Гскл, см2 Р, кг т, кгс/см2 тср кгс/см2
Зачистка наждачной бумагой средней зернистости 18,2 18,2 3,31 25,0 7,6 6,7
19,2 20,2 3,88 20,7 5,3
18,3 19,6 3,58 26,0 7,3
18,0 18,1 3,26 24,5 7,5
18,2 16,7 3,04 17,2 5,7
Обезжиривание 18,2 21,4 3,89 22,0 5,7 4,1
18,1 17,0 3,08 10,5 3,4
19,5 19,1 3,72 11,5 3,1
ТК-3 + КМ-9К 17,8 16,4 2,92 15,0 5,1 5,1
17,8 17,5 3,12 18,8 6,0
17,5 16,4 2,87 17,5 6,1
16,1 18,6 2,99 10,0 3,3
ЭЗ-100 + КМ-9К 19,0 16,5 3,14 34,0 10,8 10,0
19,0 17,7 3,36 39,5 11,8
18,8 18,0 3,38 28,0 8,3
18,3 17,4 3,18 32,0 10,1
19,6 18,4 3,61 32,5 9,0
Лавсан полотняный 19,3 19,2 3,71 21,8 5,9 5,6
17,2 20,3 3,89 16,0 4,6
17,4 17,7 3,08 18,0 5,8
17,9 16,6 2,97 18,2 6,1
Лавсан саржевый (по основе) 18,8 18,3 3,44 19,0 5,5 6,0
19,1 17,9 3,42 20,6 6,0
18,8 17,3 3,25 21,0 6,5
Лавсан саржевый (по утку) 18,2 20,9 3,80 23,2 6,1 5,9
17,9 19,6 3,51 21,5 6,1
18,6 21,5 4,00 23,4 5,9
18,4 16,9 3,11 16,8 5,4
Примечание. См. примечание к табл. 3 (с. 59).
Таблица 6
характеристики прочности при сдвиге образцов клеевых соединений (клей к-300-61) с различной подготовкой поверхности к склеиванию
Способ подготовки поверхности Ь, мм Ь, мм Гскл, см2 Р, кгс т, кгс/см2 тср, кгс/см2
ТК-3 + КМ-9К 19,5 16,6 3,24 355 103,4 124,6
19,0 16,4 3,12 442 141,7
18,5 17,5 3,24 325 100,3
18,6 18,1 3,37 462 137,1
18,6 16,0 2,98 418 140,3
Э1-100 + КМ-9К 19,0 16,2 3,08 465 151,0 121,6
18,8 16,6 3,12 330 105,8
18,9 16,8 3,18 348 109,4
18,6 16,4 3,05 322 105,6
19,0 15,9 3,02 412 136,4
Э3-100 + КМ-9К 19,2 19,4 3,72 504 135,5 127,5
19,1 20,0 3,82 460 120,4
19,4 19,3 3,74 475 127,0
19,2 14,5 2,78 358 128,8
18,5 18,6 3,44 433 125,9
Лавсан саржевый (по утку) 17,5 18,2 3,19 325 101,9 86,3
18,4 19,0 3,5 308 88,0
17,2 22,5 3,87 267 69,0
Зачистка наждачной бумагой средней зернистости 18,8 20,6 3,87 317 81,9 79,6
17,5 24,2 4,24 271 63,9
19,1 17,8 3,40 281 82,6
18,1 20,5 3,71 333 89,8
Неподготовленная поверхность 18,0 20,0 3,60 306 85,0 65,6
17,8 17,6 3,13 56 17,9
19,6 23,5 4,61 268 58,1
17,4 16,4 2,85 289 101,4
Примечание. См. примечание к табл. 3 (с. 59).
Из результатов испытаний, представленных в табл. 5 и 6, видно, что тиснение поверхности углепластика ЖС наиболее эффективно в случае применения для склеивания более жёсткого после отверждения клея (К-300-61) и менее эффективно при склеивании эластичным клеем (Эластосил-137-175М).
Были также проведены предварительные оценочные исследования влияния тиснения поверхности «жертвенным» слоем листового углепластика на основе углеродной ленты ЛУП-0,1 и эпокситрифенольного связующего, используемого в качестве НС ТСК, на характеристики прочности клеевого соединения (плёночный клей ВК-36) при его равномерном отрыве от СЗ из алюминиевой фольги АМг 2-Н толщиной 0,03 мм с размером ячейки 2,50 мм.
Тиснение углепластика в процессе его формования проводили «жертвенным» слоем из стеклянной ткани Э3-100, предварительно пропитанной раствором элементоорганической смолы КО-3 (удаление ЖС проводили не ранее чем за два часа до склеивания).
Испытания на равномерный отрыв [14] проводили на пяти образцах каждого вида.
Среднеарифметические значения характеристик прочности клеевых соединений НС с СЗ при равномерном отрыве представлены в табл. 7.
Также в таблице отмечен преимущественный характер разрушения образцов: расслоение НС или комбинированное разрушение.
Выводы
На основании результатов проведённых экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Текстура ткани ЖС после его удаления чётко отпечатывается на поверхности углепластика.
2. ЖС из тонких тканей при отслаивании легко рвётся, поэтому удалять его с поверхности углепластика довольно сложно.
3. Значения характеристик прочности при сдвиге клеевых соединений углепластиков при подготовке их поверхности с использованием ЖС не ниже значений, полученных на образцах, подготовленных традиционным способом (зачисткой наждачной бумагой и протиркой поверхности углепластика салфеткой, смоченной в ацетоне), а в отдельных случаях они выше.
4. Наилучшая лёгкость отслаивания и качественная равномерная шероховатость поверхности получены при использовании в качестве ЖС стеклоткани КТ-11, пропитанной кремний-органическим лаком КМ-11.
5. При приложении отслаивающей нагрузки по диагонали к поверхности квадратной пластины из углепластика «жертвенный» слой удаляется намного легче, чем при приложении нагрузки вдоль или поперёк волокон наполнителя.
6. Подготовка поверхности углепластика толщиной более 1 мм к склеиванию ЖС практически не влияет на характеристики прочности образца при растяжении и сжатии.
Таблица 7
№ Способы подготовки поверхности к склеиванию Среднеарифметическое значение характеристики прочности клеевого соединения НС с СЗ при равномерном отрыве, кгс/см2 Преимущественный характер разрушения образцов
1 Зачистка наждачной бумагой средней зернистости 43,8 Расслоение углепластикового НС
2 Протирка хлопчатобумажной салфеткой, смоченной в ацетоне 42,5 Комбинированное: частичное расслоение углепластикового НС, отслоение стеклянной ткани Э2-62 и разрушение СЗ
3 Тиснение «жертвенным» слоем 36,4 Комбинированное, аналогичное вышеуказанному
4 Протирка сухой хлопчатобумажной салфеткой 40,5 Расслоение углепластикового НС с отслоением стеклянной ткани Э2-62 с углеродным волокном
Влияние способа подготовки НС на характеристики прочности при равномерном отрыве от СЗ
7. Наименьшая характеристика прочности (36,4 кгс/см2) клеевого соединения углепластикового НС с СЗ из алюминиевой фольги при равномерном отрыве получена при подготовке поверхности тиснением ЖС (см. табл. 7, строка 3). Это может быть следствием неполного (точечного) контакта торцов ячеек СЗ с НС. Регулярная макрошероховатость, полученная на НС после отслоения ЖС, также ухудшает смачиваемость поверхности НС, что препятствует образованию качественной клеевой галтели.
8. Наиболее высокие характеристики прочности клеевых соединений НС с СЗ при равномерном отрыве получены при подготовке НС зачисткой наждачной бумагой (43,8 кгс/см2) и протиркой хлопчатобумажной салфеткой, смоченной в ацетоне (42,5 кгс/см2). Для подготовки углепластиковых НС к склеиванию с СЗ при изготовлении крупногабаритных ТСК целесообразно применять протирку поверхности НС хлопчатобумажной салфеткой, обильно смоченной ацетоном, как менее трудоёмкий способ.
9. Тиснение поверхности углепластиков перед склеиванием ЖС более эффективно в случаях применения более жёстких после отверждения клеевых композиций и менее эффективно при склеивании эластичными клеевыми композициями.
В настоящее время появилось много вспомогательных материалов, которые могут быть использованы в качестве ЖС после их опробования. Кроме этого, необходимо исследовать различные способы подготовки углепласти-ковых НС ТСК к склеиванию с СЗ из различных материалов (стеклоткани, полимерной бумаги, углепластика) и с разными размерами ячеек.
Список литературы
1. Филин В.М. Орбиты жизни. Шацк: ООО «Шацкая типография», 2013. 543 с.
2. ТУ 6-19-181-145-86. Углепластик листовой слокарбон-10КП. М., 1986. 21 с.
3. ОСТ 1.00728-75 или ОСТ 1.00729-75. Заполнители сотовые клееные. Технические условия. М., 1975. 15 с.
4. ТУ 1-596-389-96. Плёнки клеевые. Обнинск: ОНПП «Технология», 1996. 40 с.
5. ОСТ 92-0949-2013. Клеи. Типовые технологические процессы склеивания материалов. М., 2013. 128 с.
6. ТУ 6-02-1319-85. Клей-герметик кремнийорганический «Эластосил 137-175 М». М., 1986. 18 с.
7. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. М.: Химия, 1980. 288 с.
8. Кейгл Ч. Клеевые соединения: справочник / Пер. с англ. В.П. Батизара и И.М. Заманского; под ред. Д.А. Кар-дашова. М.: Мир, 1971. 296 с.
9. Handbook of Composites / Edited by G. Lubin. New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1982. 786 p.
10. Технология изготовления клееных конструкций / под ред. М. Боднара; пер. с англ. В.П. Батизата и И.М. Заман-ского; под ред. Д.А. Кардашова. М.: Мир, 1975. 445 с.
11. ОСТ 92-1477-78. Пластмассы теплозащитного и конструкционного назначения. Метод испытаний клеевых соединений на сдвиг. СПб: Стандартинформ, 1978. 46 с.
12. ГОСТ 25.601-80. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. СПб: Стандартинформ, 2005. 14 с.
13. ГОСТ 25.602-80. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания на сжатие при нормальной и пониженной температурах. М.: Изд-во стандартов, 1980. 18 с.
14. ОСТ 190069-72. Клеи. Метод определения прочности при отрыве клеевого соединения сотового заполнителя с обшивкой. М.: ВИАМ, 1979. 9 с. Статья поступила в редакцию 28.11.2022 г. Окончательный вариант — 03.03.2023 г.
References
1. Filin VM. Orbity zhizni [Orbits of life]. Shatsk: Shatskaya Tipografia; 2013 (in Russian).
2. Specifications TU 6-19-181-145-86. Ugleplastik listovoi slokarbon-10KP [Laminated carbon fiber slocarbon- 10KP]. Moscow; 1986 (in Russian).
3. Russian Standards OST 1.00728-75 or OST 1.00729-75. Zapolniteli sotovye kleenye. Tekhnicheskie usloviya [Bonded honeycomb cores. Specifications]. 1975 (in Russian).
4. Specifications TU 1-596-389-96. Plenki kleevye [Adhesive films]. Obninsk: ONPP Tekhnologia; 1996 (in Russian).
5. Russian Standard OST 92-0949-2013. Klei. Tipovye tekhnologicheskie protsessy skleivaniya materialov [Adhesives. Typical manufacturing processes for materials bonding]. 2013 (in Russian).
6. Specifications TU 6-02-1319-85. Klei-germetik kremniiorganicheskii "Elastosil 137-175 M" [Organosilicon adhesive sealant Elastosil 137-175 M]. 1986 (in Russian).
7. Kardashov DA. Konstruktsionnye klei [Structural adhesives]. Moscow: Khimia Publishers; 1980 (in Russian).
8. Caigle C. [Adhesive bonds]: handbook. Moscow: Mir Publishers; 1971 (in Russian).
9. Lubin G, editor. Handbook of Composites. New York: Van Nostrand Reinhold Company; 1982.
10. Bodnar M, editor. [Manufacturing process for bonded structures]. Moscow: Mir Publishers, 1975 (in Russian).
11. Russian Standard OST 92-1477-78. Plastmassy teplozashchitnogo i konstruktsionnogo naznacheniya. Metod ispytanii kleevykh soedinenii na sdvig [Plastics for thermal protection and structural purposes. Adhesive bonding shear test method]. St.Petersburg: Standartinform; 1978 (in Russian).
12. Russian State Standard GOST 25.601-80. Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytanii kompozitsionnykh materialov s polimernoi matritsei (kompozitov). Metod ispytaniya ploskikh obraztsov na rastyazhenie pri normal'noi, povyshennoi i ponizhennykh temperaturakh [Strength analyses and tests. Mechanical testing methods for composite materials with polymer matrix (composites). Method of tensile testing of planar samples under normal, high and low temperatures]. St.Petersburg: Standartinform; 2005 (in Russian).
13. Russian State Standard GOST 25.602-80. Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytanii kompozitsionnykh materialov s polimernoi matritsei (kompozitov). Metod ispytaniya na szhatie pri normal'noi i ponizhennoi temperaturakh [Strength analyses and tests. Mechanical testing methods for composite materials with polymer matrix (composites). Method of compression testing under normal, high and low temperatures]. Moscow: Standards publishing house; 1980 (in Russian).
14. Russian Standard OST 190069-72. Klei. Metod opredeleniya prochnosti pri otryve kleevogo soedineniya sotovogo zapolnitelya s obshivkoi [Adhesives. Method of determining strength during separation of the adhesive bonding between honeycomb filler and skin]. Moscow: VIAM; 1979 (in Russian).
