CC BY
3005.16.09 - Материаловедение (по отраслям) (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2020.04.023 УДК 678.5.046
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ ИЗ ПКМ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ И КОНТАКТНОГО ФОРМОВАНИЯ
А. Е. Проценко, В. В. Петров, Д. П. Малышева
В настоящей работе обсуждаются данные исследований прочностных свойств сэндвич-панелей, изготовленных методом вакуумной инфузии (VaRTM) и методом контактного формования. Данные материалы находят широкое применение в судостроении. Центральная часть сэндвич панели выполнена из стеклопластикового гофрового элемента с формообразующими трапециевидными вкладышами из ПВХ пенопласта. В качестве обшивок конструкции применялся стеклопластик, изготовленный из четырех листов стеклоткани. В случае сэндвич-панелей, изготовленных методом VaRTM, средний слой и обе обшивки формировались за один технологический переход. При использовании метода контактного формования сначала изготавливали средний слой, на который поочередно приформовывали обшивки. Образцы, полученные с помощью VaRTM, представляют собой единый монолитный ламинат без каких-либо дефектов. Плотность образца, полученного методом VaRTM, на 20 % выше, чем плотность образца, полученного методом контактного формования. Использование сканирующей электронной микроскопии позволило выявить значительное количество пор диаметром от 200 мкм до 400 мкм и достигающих 1 мм в длину в образцах, полученных методом контактного формования. Предел прочности на растяжение панелей, полученных с помощью VaRTM, на 13 % выше, чем в изделиях, выполненных методом контактного формования.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, ПКМ, сэндвич-панели, вакуумная инфузия, контактное формование, прочность, электронная микроскопия, термический анализ, эпоксивинилэфирное связующее, технология.
ВВЕДЕНИЕ
Конструкции из полимерных композиционных материалов находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Отличительными признаками изделий на их основе являются высокая прочность, низкий вес, тело- и шумоизоляционные характеристики. Представленные свойства делают возможным применение их в Арктике, космосе, конструкциях судов и самолетов.
Метод вакуумной инфузии (VaRTM) имеет особое значение для отрасли судостроения [1, 2], характеризующейся очень большими размерами элементов конструкций.
В работах [3-9] представлены исследования различных вариантов оформления сэндвич-панелей. Особый интерес представляют изделия, средний слой которых выполнен из стеклопластикового гофрового элемента и формообразующих пенопластовых вкладышей различной геометрии [10, 11]. Данные сэндвич-панели можно отнести к плоскостным интегральным конструкциям. Они отличаются лучшими прочностными и эксплуатационными свойствами по сравнению с обычными сэндвич-панелями, где средний слой изготавливается из листа пенопласта.
В большинстве случаев современное судостроение при производстве крупногабаритных конструкций из сэндвич-панелей с гофровым элементом работает по многостадийному и длительному технологическому циклу с применением контактного формования. Реализация данного технологического процесса за один технологический переход позволит повысить производительность и физико-механические показатели изделий.
Данная работа направлена на исследование достоинств и недостатков производства сэндвич-панелей методами контактного формования и VaRTM с точки зрения прочности и времени производства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводилось на сэндвич панелях с гофровым стеклопластиковым элементом и пенопластовыми формообразующими вкладышами в среднем слое (рисунок 1).
Гофрированный элемент, верхняя и нижняя обшивки изготовлены из стеклопластика на основе стеклоткани Ст-62004 (ХКК Композит) и непредускоренного эпоксивинил-эфирного связующего Dion 9300 FR (ReichHold).
А. Е. ПРОЦЕНКО, В. В. ПЕТРОВ, Д. П. МАЛЫШЕВА
Средний слой представлен трехслойным стеклопластиком с нулевым углом армирования. Стеклопластиковые обшивки изготовлены из четырех слоев стеклоткани с углами армирования 0/+45/-45/0. Формообразующие вкладыши с сечением в виде трапеции выполнены из ПВХ пенопласта Divinycell Н35 толщиной 40 мм.
Рисунок 1 - Образец среднего слоя
Изготовление сэндвич-панелей осуществлялось двумя способами. Часть сэндвич-конструкций были изготовлены безавтоклавным методом (VaRTM) с использованием установки вакуумной инфузии SVI-20-43 (MSH Techno). Другая часть образцов изготавливалась методом контактного формования.
В обоих случаях изготавливались образцы-свидетели для оценки свойств стеклопластика. Образцы изготавливались из двадцати слоев стеклоткани с нулевым углом армирования.
Связующее изготавливалось из четырех компонентов по следующей рецептуре: 100 масс. ч. Dion 9300 FR, катализатор NORPOL 9802 - 3 м.ч., пероксид NORPOL № 11 - 2 м.ч., ингибитор NORPOL 9854 -0,01 м.ч. Время гелеобразования, в течение которого возможна при нормальных условиях переработка смеси, находится в диапазоне 120-150 минут.
В случае использования VaRTM технологии получения стеклопластика отверждение проводилось в вакууме (0,01 МПа) при комнатной температуре. Выдержка под вакуумом для доотверждения и снижения вероятности коробления образцов осуществлялась в течение 6 часов. Выдержка изделия при комнатной температуре с целью достижения полной полимеризации образцов проводилась в течение десяти дней. В дальнейшем образцы подвергались термической обработке при 80 °С в течение 4 часов [12, 13].
Полученные образцы сэндвич-панелей испытывались на трехточечный изгиб с целью определения предельной несущей нагрузки. Результаты испытаний были получены на испытательной машине Instron 3382. Размер испытуемого образца составлял (410 х 140 х 40) мм. Для испытаний использовались опоры радиусом 20 мм, установлен-
ные на расстоянии 345 мм друг от друга. Радиус ножа также составлял 20 мм. Нагрузка прикладывалась к гофрированным стекло-пластиковым элементам. Скорость приложения нагрузки составляла 10 мм / мин.
Образцы испытывались на трехточечный изгиб по ГОСТ Р 56810-2015.
При определении твердости использовался метод Бринелля. Размер образца составлял 60 х 60 х 10 мм. Испытание производилось с нагрузкой 9810 Н. Диаметр нагружаемого стального шарика составлял 10 мм.
Предел прочности при растяжении определялся по ГОСТ 32656-2014.
Исследование структуры образца проводилось с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-3400N, оснащенного электронной пушкой с вольфрамовым катодом. Измерения проводились при ускоряющем напряжении 3 кВ с использованием детектора вторичных электронов (SE). Исследование структуры матричного материала проводилось на макро-и мезо-уровнях при расслоении гофрированного стеклопластикового элемента.
Термогравиметрический метод использовался для установления соотношения матрица-наполнитель в композите [14]. Анализ образцов проводился на приборе STA 409 PC Luxx NETZSCH. Исследование образцов проводилось в воздушной среде при нагреве со скоростью 10 °С/мин до 600 °С в тиглях из корундовой керамики.
Плотность стеклопластиков определялась согласно ГОСТ 15139-69 посредством гидростатического взвешивания.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Прочность панелей на основе сэндвич-конструкций определяется прочностью всех элементов стеклопластика и качеством клеевого соединения пенопластовых вкладышей со стеклопластиком. В таблице 1 представлены данные прочностных испытаний образцов-свидетелей стеклопластика.
Таблица 1 - Физико-механические свойства стеклопластиков
Образец Метод формования Твердость(HB) Изгиб (Ои), МПа Растяжение (Ор), МПа Плотность (р), кг/м3
1 Контактный 42 659 635 1613
2 VaRTM 48 831 829 1934
Рисунок 2 - Термогравиграмма стеклопластиков
Рисунок 3 - Структуры стеклопластика, полученные методами: а - VaRTM (х300), и контактным формованием: б - х50, в - х100, г - х300
Стеклопластик на основе эпоксивинил-эфирного связующего №гроЮюп 9300 FR и полотняной стеклоткани из Е-стекла, изготов-
ленный методом контактного формования, значительно уступает по прочностным характеристикам аналогичному материалу, полу-
ченному методом VaRTM. Предел прочности при статическом изгибе на растяжение стеклопластика, изготовленного методом VaRTM на 26 % выше. С целью выявления причин различия образцы материалов исследовались с использованием метода термического анализа и микроскопии.
Термогравиметрическое исследование (рисунок 2) свидетельствует о значительном отличии в соотношении матрица/наполнитель в образцах стеклопластиков.
При использовании метода VaRTM доля матрицы составила 28,9 %. Это обусловлено тем, что контактное формование не обеспечивает достаточного давления формования, что приводит к увеличению доли связующего в композиционном материале до 34,8 %. В свою очередь, это приводит к различию в плотности полученных образцов. Так, плотность образцов, полученных методом контактного формования на 20 % больше, чем у образца, изготовленного методом VaRтM (таблица 1).
Исследование микроструктуры связую-
щего на растровом электронном микроскопе (рисунок 3) свидетельствует о наличии в образцах, полученных контактным формованием значительного количества пор диаметром от 200 мкм до 400 мкм и достигающих 1 мм в длину. Плотность упаковки волокон в стеклопластиках значительно отличается. В образце, полученном методом VaRTM, области между волокнами, заполненные матрицей, составляют от 10 до 40 мкм, тогда как при использовании метода контактного формования плотность упаковки значительно ниже и на снимках можно выделить отдельные волокна. Участки, заполненные матричным материалом, достигают 200 мкм.
На фотографиях рисунка 4, образцов выполненных методом контактного формования, наблюдается клеевой слой, отделяющий стеклопластик гофрового элемента от обшивки. На образцах, полученных методом VaRTM, гофровый элемент и обшивка составляют единый монолитный материал с минимальным содержанием пор.
а)
б)
Рисунок 4 - Контактная зона конструктивных элементов плоскостной интегральной конструкции, полученная а) методом контактного формования; б) вакуумной -инфузии
Результаты испытаний сэндвич-панелей представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты испытаний сэндвич-панелей
Образец Предел прочности, МПа Длительность изготовления, ч
1 4939 20-25
2 5584 4-6
На рисунке 5 представлено место разрушения сэндвич-панелей.
Рисунок 5 - Образец сэндвич-панели после испытания на трехточечный изгиб
В обоих случаях разрушение происходит практически по месту клеевого соединения пенопласта и стеклопластика с последующим отрывом пенопластового вкладыша от ла-мината. Более плотная упаковка армирующего материала в стеклопластике, полученном методом VaRTM, способствует увеличению его прочности и более равномерному распределению нагрузки на хрупкую полимерную матрицу, что также подтверждается результатами в работах [12, 13] При этом крупные неармированные области матрицы между нитями и слоями стеклоткани в материале, полученном контактным формованием, являются более подверженными разрушению участками.
В процессе исследований велся учет затраченного рабочего времени на изготовление образца сэндвич-панели длиной 2 м и шириной 1 м. В случае контактного формования значительная часть времени занимает вспомогательные операции подготовки заготовок к формованию и поочередному приформовыванию обшивок панели. При использовании VaRTM подготовильные операции осуществляются однократно и несмотря на то, что в этом случае наиболе тру-дозатратной операцией является выкладка и герметизация вакуумного мешка, данный метод в 5 раз более эффективный. Также несомненным достоинством метода ва-куумной-инфузии состоит в том, что рабочий персонал не контактирует со связующим в процессе изготавления композита, а только в момент его изготовления.
ВЫВОДЫ
Таким образом, полученные результаты свидетельствует о перспективности изготовления сэндвич-панелей за один технологический переход с использованием методов закрытого формования (VaRTM). Особенно эффективна данная методика является для крупногабаритных изделий ввиду длительности изготовления таких конструкций.
При изготовлении сложносоставных конструкций из полимерных композиционных материалов для соединения отдельных частей часто применяют склейку дополнительными несущими слоями внахлест, скрепление металлическими пластинами с болтовыми соединениями. При этом данные операции приводят к увеличению веса, снижению радиопрозрачности и прочности конструкции в целом.
Использование метода VaRTM по-
зволяет изготавливать крупногабаритные конструкции за один технологический переход непосредственно в размер. При этом обеспечивается целостность и монолитность всех элементов конструкции с одновременным существенным увеличением ее физико-механических характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Penumadu, D. Durability of US Naval Composites and Sandwich Structures: Science Framework Considering Multiscale Response in Harsh Sea Environment // Solid Mech. its Appl. -2018. - № 245. - С. 59-74.
2. Ageing of sandwich composites with E-glass fibre/vinylester skins and PVC foam core in synergistic environmental agents / A. Ding, J. Wang, A. Ni, S. Li // Compos. Struct. - 2018. - № 202. - С. 253-260.
3. Блинов, А. В. Применение в судостроении трехслойных конструкций с гофрированным средним слоем / А. В. Блинов, В. А. Булкин, О. Г. Ефимова, Н. Н. Федонюк // Морской вестник. -2012. - № 2. - № 42. - С. 79-82.
4. Birman, V. Review of current trends in research and applications of sandwich structures / V. Birman, G. A. Kardomateas // Compos. Part B. -2018. - № 142. - С. 221-240.
5. Mechanical performance of marine sandwich composites subjected to flatwise compression and flexural loading: Effect of resin pins / F. Balikoglu, T. K. Demircioglu, M. Yildiz [et al.] // J. Sandw. Struct. Mater. - 2020. - Т. 22. - № 6. - С. 2030-2048.
6. Sevkat, E. The bearing strength of pin loaded woven composites manufactured by vacuum assisted resin transfer moulding and hand lay-up techniques / Sevkat E., Brahimi M., Berri S. // Polym. Polym. Compos. - 2012. - №20, № 3. - С. 321-332.
7. Zhang, F. Experimental Study on Composite Sandwich Beams with Longitudinal GFRP Webs / F. Zhang, W. Liu, F. Zhang // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. - 2018. - Т. 394. - № 3. - С. 032104.
8. Апполонов, Е. М. Полимерные композиционные материалы. Инновации в промышленности / Е. М. Апполонов, Н. Н. Федонюк, В. М. Шапошников // Инновации. - 2013. - № 11 (181). - С. 18-20.
9. Булкин, В. А. Применение перспективных композиционных материалов в надводном судостроении / В. А. Булкин, Н. Н. Федонюк, А. В. Шлях-тенко // Морской вестник. - 2013. - № 1. - С. 7-8.
10.Characterization of compressive behavior of PVC foam infilled composite sandwich panels with different corrugated core shapes / S. A. Taghizadeh, A. Farrokhabadi, Gh. Liaghat [et al.] // Thin-Walled Struct. - 2019. - Т. 135. - С. 160-172.
11.Manufacturing and characterization of polyurethane based sandwich composite structures / M. Mohamed, S. Anandan, Z. Huo [et al.] // Compos. Struct. Elsevier Ltd, 2015. - № 123. - С. 169-179.
12.Protsenko, A. E. Investigation of the Influence of Heat Treatment on the Strength of FGRP Used in Sandwich Constructions / A. E. Protsenko, D. P. Maly-
sheva, V. V. Petrov // Key Eng. Mater. - 2018. -№ 773. - С. 72-76.
13.Protsenko, A. E. Investigation of the Influence of Heat Treatment on the Strength of Sandwich Structures / A. E. Protsenko, D. P. Maly-sheva, V. V. Petrov // Mater. Sci. Forum. - 2018. -№ 926. - С. 51-56.
14.Friedman, H. L. Kinetics of thermal degradation of char-forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic // J. Polym. Sci. Part C Polym. Symp. - 1964. - Т. 6. - № 1. - С. 183-195.
Проценко Александр Евгеньевич,
к.т.н., доцент кафедры «Химия и химические технологии» ФГБОУ ВО «<Комсольский-на-Амуре государственный университет», 681013, Россия, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина 27, ауд. 419,
тел. 89147787163. E-mail: protsenko.ae @yandex.ru.
Малышева Дарья Павловна, аспирант кафедры «Авиастроение» ФГБОУ ВО «Ком-сольский-на-Амуре государственный университет», 681013, Россия, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина 27/3, ауд. 220, тел. 89144169497. E-mail: da-ryareshet@mail. ru.
Петров Виктор Викторович, д.т.н., профессор кафедры «Химия и химические технологии» ФГБОУ ВО «Комсольский-на-Амуре государственный университет», 681013, Россия, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина 27, ауд. 415-а, тел. 89842917675. E-mail: petrovpng@mail.ru.
