Свойства конструкционных углепластиков изготовленных пропиткой под вакуумом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 629.7.017

СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПРОПИТКОЙ ПОД ВАКУУМОМ

© 2012 Д.И. Коган1, М.И. Душин1, А.В. Борщёв1, Е.А. Вешкин2, П.А. Абрамов2, К.В. Макрушин2

1 ФГУП ГНЦ «Всероссийский институт авиационных материалов» (ВИАМ), г. Москва 2 Ульяновский научно-технологический центр ВИАМ

Поступила в редакцию 17.10.2012

В статье рассматриваются свойства конструкционных углепластиков изготовленных пропиткой под вакуумом Ключевые слова: инфузия, проницаемость, углепластик

Одним из перспективных технологических процессов, улучшающих качество деталей и агрегатов самолетов и значительно снижающих затраты при их изготовлении, является применение технологий пропитки армирующего наполнителя под вакуумом - «инфузия». При этом возможно исключение из технологического цикла такого дорогостоящего оборудования как автоклав. При традиционном автоклавном формовании конструкция выкладывается из препрега, а затем помещается в автоклав, где создается необходимая температура и давление. В свою очередь, безавтоклавные технологии подразумевают сборку конструкции из сухого материала с пропиткой связующим под вакуумом. Применение этих технологий расширяет возможности конструктора по созданию более совершенной конструкции, дает повышение технологичности, качества, резкое снижение трудоемкости цикла и затрат, в том числе на приобретение дорогостоящего оборудования.

Как упоминалось выше, метод инфузии заключается в том, что находящийся в специальной обогреваемой емкости расплав связующего под действием вакуума подается в предварительно собранный на оснастке и герметично упакованный технологический пакет, в котором находятся слои сухого углеродного наполнителя, пропитывает их, вытесняя по мере заполнения формы оставшийся воздух. По окончании процесса пропитки оснастка нагревается и происходит процесс полимеризации связующего по заданному режиму.

Исходя из теории фильтрации, на скорость пропитки, существенно влияет проницаемость,

Коган Дмитрий Ильич, кандидат технических наук,

ведущий-инженер. E-mail: admin@viam.ru

Душин Михаил Иванович, кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник.

Борщёв Артём Валерьевич, инженер-технолог.

Вешкин Евгений Алексеевич, начальник сектора.

E-mail: untcviam@viam.ru

Абрамов Петр Александрович, ведущий инженер. Макрушин Константин Владимирович, ведущий инженер.

зависящая от пористости пакета армирующего наполнителя и вязкость связующего, поэтому проведено исследование фильтрационной способности (проницаемости) тканых наполнителей, которая, как известно, обеспечивается макропорами, образующимися в зонах пересечения жгутов и микропорами, образованными между отдельными моноволокнами, из которых состоит жгут.

Лучшей проницаемостью обладают ткани имеющие переплетение в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях (основа-уток). Выбранная нами условно однонаправленная углеродная ткань фирмы «Porcher Ind.» арт. 3673 имеет в своем составе тонкую уточную стеклонить, обеспечивающую, в основном, технологическую связь продольных жгутов. При формировании сухого пакета наполнителя из ткани в направлении ее армирования (0о) получается более плотная упаковка (с меньшей пористостью), которая может препятствовать быстрому проникновению связующего, а это, в свою очередь, скажется на скорости пропитки.

В связи с этим проведено исследование проницаемости углеродной ткани арт. 3673 на специальной установке. Схема сборки установки для определения коэффициента проницаемости в поперечном к укладке слоев направлении представлена на рис 1.

Сущность метода заключается в следующем: находящееся в емкости (2) дозированное количество водопроводной воды под действием вакуума пропускали через пакет сухого наполнителя, уложенный в форме (1) с фиксированным рабочим зазором и определяли время, за которое вода пройдет через пакет наполнителя из емкости (2) в емкость (6). В процессе эксперимента меняли плотность пакета путем закладки N-ного количества слоев в форму (1) в сторону увеличения и измеряли количество жидкости (Q), прошедшее через пакет.

Результаты измерения представлены на рис. 2 и 3.

Из рисунка видно, что с увеличением плотности пакета (с уменьшением пористости) рез-

Рис 1. Схема сборки установки для определения коэффициента проницаемости армирующих тканых наполнителей: 1 - форма укладки пакета заготовок с фиксированным рабочим зазором; 2 - емкость для рабочей жидкости; 3 - выпускной кран; 5 - вакуумметр; 6 - колба Бунзена

4,5

сч

0 4

^ 3,5

1 3

0

| 2,5

ГС

1 2

| 1,5

£ 1

«и 1

I 0,5

# 0

50,00

60,00

Объемное содержание волокна (Ун), % Рис. 3. Коэффициент проницаемости пакета наполнителя из углеродной ткани арт. 3673 в зависимости от объемного содержания волокна в поперечном направлении

ко падает проницаемость. При уплотнении (объемном содержании волокна) до 55-60% коэффициент проницаемости пакета из углеродной ткани арт. 3673 в продольном направлении более чем на порядок ниже, чем в поперечном направлении и составляет (0,11 - 0,07 х 10-12 м2) и (3,8- 1,4 х 10-12 м2) соответственно.

Указанное объемное содержание волокна, способно обеспечить оптимальные свойства углепластика на основе условно однонаправленного углеродного наполнителя указанной выше структуры.

Требуемое соотношение наполнитель/связующее достигается с помощью давления, действующего на пакет армирующего наполнителя. В этом случае меняется исходная толщина монослоя ткани, а с ней и объем межволоконных и межжгутовых зазоров, заполняемых связующим. Поскольку в процессе инфузии величина прикладываемого давления < 0,1 МПа, исследовали влияние величины вакуума на степень уп-

о о 2 о

та ^

5 N £ 2

О <ч

6 о

I-

х

о ^

О

о

0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

40

,00 45,00 50,00 55,00 60,00

Объемное содержание волокна (Ун), % Рис. 2. Коэффициент проницаемости пакета наполнителя из углеродной ткани арт. 3673 в зависимости от объемного содержания волокна в продольном направлении

лотнения пакета наполнителя (на изменение толщины монослоя).

Исследование влияния приложенного давления уплотнения на изменение толщины монослоя ткани арт. 3673 проводили на испытательной машине «Тиратест 2300». В приспособление для сжатия закладывали пакет, состоящий из 40 слоев ткани и фиксировали изменение толщины пакета в процессе нагружения. Результаты исследований представлены на рис 4.

Из кривой уплотнения следует, что вакуумного давления вполне достаточно для уплотнения пакета сухого наполнителя до оптимального. При давлении 0,05-0,06 МПа углеродная ткань арт.3673 уплотняется до толщины монослоя 4 0,19 мм, что соответствует объемному наполнению волокна 4 59%.

Фактор времени, в течение которого связующее остается жидким, является критичным при проведении пропитки наполнителя под действием вакуума (инфузия). Поэтому для обеспечения качества пропитки важно знать жизнеспособность связующего, т.е. время, в течение которого оно не теряет своей текучести и может быть

0,300

к о Ч о о К о 2 сЗ К К

В

ч £

0.4 (1,6 0.8

РуА.,кгЛ:м2

Рис. 4. Зависимость объемного наполнения (толщины монослоя) от величины приложенного давления

Рис. 5. Зависимость изменения вязкости связующего ВСЭ-21 от температуры

пригодно для пропитки.

Для отработки технологии изготовления углепластика методом инфузии наработана опытная партия связующего ВСЭ-21 и исследована его вязкость, приведенная на рис. 5.

Анализ результатов определений показал, что вязкость связующего при температуре от 50еС и выше имеет минимальное значение (менее 0,2 Па.с), а также что по показателям вязкости, связующее соответствует ТУ 1-595-12-1195-2011 как в исходном состоянии, так и после выдержки в течение 2-х часов при температуре 60 оС и может быть использовано для отработки технологии изготовления углепластика.

Отработку технологии изготовления углепластика методом пропитки пакета сухого наполнителя из углеродной ткани арт. 3673 ф. «Porcher» связующим ВСЭ-21 под действием вакуума проводили на имеющемся в лаборатории специализированном экспериментальном стенде «Hypaject MK-3», используя обогреваемый стол (матрицу) в качестве оснастки. На оснастку укладывался предварительно собранный пакет сухого наполнителя и герметизировался. Принципиальная схема сборки приведена на рис. 6.

В процессе работы контролировали: - равномерность распределения и ориенти-

4

3

Рис. 6. Схема сборки технологического пакета

для пропитки под вакуумом (инфузии) 1 - формообразующая оснаста; 2 - слои углеродной ткани арт. 3673 ф. «Porcher»; 3 - слои дренажной и жертвенной ткани; 4 - запитывающий штуцер; 5 -распределительная сетка; 6 - штуцер вакуумной линии; 7 - жгут замазка; 8 - вакуумный мешок

рованность нитей основы и утка наполнителя, а так же количество слоев сухого наполнителя в процессе сборки пакета;

- вес собранного пакета сухого наполнителя;

- порядок укладки вспомогательных материалов (жертвенный слой, разделительный слой, распределительная сетка, дренажный слой и др.);

- место установки порта подачи связующего и вакуумного штуцера;

- герметичность собранного технологического пакета (по величине вакуума);

- температуру оснастки по термопаре, установленной под пакетом;

- расход связующего (по шкале, нанесенной на емкость подачи связующего).

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что время пропитки пакета наполнителя складывается из 3-х составляющих: времени растекания связующего по распределительной сетке и жертвенной ткани - поперечная пропитка и времени пропитки кромок заготовки от торца жертвенной ткани до кромки пакета наполнителя - пропитка вдоль слоев. Суммарное время пропитки пакета наполнителя из углеродной ткани арт. 3673 размером 4 300 х 300 мм, составляло порядка 40-60 минут, причем на 3-й участок (кромки пакета вдоль волокна) уходит более 70% времени пропитки. Таким образом, разработанное связующее позволяет осуществить процесс пропитки пакета наполнителя при температуре не выше 70 оС в течение ~ 1 часа.

В процессе отработки технологии установлено, что не смотря на кажущуюся простоту, этот метод имеет ряд особенностей, требующих тщательной подготовки к его осуществлению:

1. Перед пропиткой связующее должно быть отвакууммировано.

2. Необходимо наличие вспомогательных материалов (вакуумные пленки, вакуумные шланги, разделительные пленки, жертвенные ткани, дренажные ткани, герметизирующие жгуты, порты подачи связующего, распределительные среды и др.)

3. Необходимо обеспечение вакуума на протяжении всего процесса инфузии и отверждения. Разгерметизация может привести к браку и полной потере заготовки пакета наполнителя.

4. Для исключения непропитанных зон пакета наполнителя в процессе инфузии, необходимо обеспечение градиента давления на всем протяжении пути пропитки.

Проведены исследования физико-механических (прочность, модуль упругости и относительное удлинение при растяжении по ГОСТ

25.601-80; прочность при сжатии по ГОСТ

25.602-80; прочность при изгибе по ГОСТ

Таблица 1. Физико-механические свойства углепластиков

Наименование свойств Температура испытания, °С углепластик на основе ткани фирмы «Porcher» арт. 3673 и связующего ВСЭ-21, полученный методом инфузии

Физические свойства

Объемная доля наполнителя, % 20 55-58

Плотность, кг/м3 20 1534-1554

Пористость, % 20 0,33-1,2

Механические свойства (схема укладки 0°/90°/±45°)

Прочность при сжатии, МПа 20 435-490

100 375-425

Прочность при межслойном сдвиге, МПа 20 42-51

100 35-47

Механические свойства ( схема укладки 0°)

Прочность при растяжении, МПа 20 1960 1730-2140

100 1785-2050

Модуль упругости при растяжении, ГПа 20 140-190

Относительное удлинение при растяжении, % 20 1,0-1,6%

Прочность при сжатии, МПа 20 1170-1290

100 765-940

Прочность при изгибе, МПа 20 1825-2150

100 1550-1670

Прочность при межслойном сдвиге, МПа 20 52-84

100 45-52

25.604-82; прочность при межслойном сдвиге по EN 2563-89; плотность по ГОСТ 15139-69; объемная доля наполнителя по ММ 1.2.086-2009; область температуры стеклования полимерной матрицы, отвержденной в составе угленаполни-телей методом динамического механического анализа по ASTM E 1640- 94 DIN 53545; пористость углепластиков по ММ 1.2.086-2009) и эксплуатационных (тепловлажностное воздействие температуры 60еС и влаги 85% в течение 1 и 2-х месяцев по ГОСТ 9.707-81; тепловое старение при температуре 100еС в течение 500 и 1000 ч по СТП 1-595-11-101-83) свойств опытных образцов углепластиков, полученных на основе расплавного связующего ВСЭ-21 и наполнителя - углеродной ткани фирмы «Porcher» арт. 3673 методом инфузии с последующим вакуумным формованием.

Физико-механические свойства опытных образцов углепластиков приведены в табл. 1.

Анализ результатов показал, что углепластик обеспечивает высокие упруго-прочностные показатели и низкую пористость. Сохранение свойств при температуре 100оС в среднем составляет ~ 70-98% от исходной в зависимости от вида испытаний.

Для отработки технологии пропитки углеродного наполнителя под вакуумом крупногаба-

ритных деталей исследовано изменение вязкости связующего ВСЭ-21 в интервале температур 50-70°С для установления допустимых границ нагрева связующего в процессе проведения пропитки (рис. 7).

Установлено, что время пропитки углеродной ткани арт.3673 методом инфузии должно быть осуществлено при температуре не выше 60 °С в течение не более 2-х ч.

Методом инфузии - на основе углеродной ткани арт. 3673 ф. «Porcher» и связующего ВСЭ-

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 время, МИН

Рис. 7. Изменение вязкости связующего ВСЭ-21 от времени выдержки при различных температурах

Рис. 8. Общий вид изготовленной методом инфузии панели (до обрезки технологического припуска) обтекателя реактивного учебно-тренировочного самолёта СР-10

21 с использованием стеклопластиковой оснастки изготовлена нижняя панель обтекателя реактивного учебно-тренировочного самолёта СР-10 общей площадью 1 м2, показанная на рис 8.

Также были изготовлен образец свидетель из углепластика пропитанный и отвержденный под одним вакуумным мешком по одному режиму вместе с панелью обтекателя. Исследованы основные свойства образца-свидетеля. Результаты исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2. Основные физико-механические характеристики образца-свидетеля углепластика, полученного методом инфузии

Наименование свойств Значение свойств при температуре испытания, С

20 100

Прочность при растяжении, МПа (ГОСТ 25.601-80) 1660

Прочность при сжатии, МПа (ГОСТ 25.602-80) 1220 875 (сохр.72%)

Пористость,% ММ 1.2.086-2009 0,40 -

Установлено, что сохранение прочности при сжатии углепластика при температуре испытания 100оС составляет 4 72 %, это подтверждает, что рабочая температура углепластика до 100оС.

Результаты опробования показали, что разработанная технология позволяют получать методом инфузии детали для слабо- и средне-нагруженных элементов конструкций из ПКМ на основе связующего ВСЭ-21 отвечающие требуемому набору упруго-прочностных и эксплуатационных свойств.

STRUCTURAL PROPERTIES OF CARBON FIBER REINFORCED PLASTICS MANUFACTURED UNDER VACUUM IMPREGNATION

© 2012 D.I. Kogan1, M.I. Dushin1, A.N. Borshchev1, E.A. Veshkin2, P.A. Abramov2, K.V. Makrushin2

1 State Research Center 'All-Russian Institute of Aviation Materials" (VIAM), Moscow 2 The Ulyanovsk Scientific-Technological Center VIAM

The article consider the properties of structural carbon fiber manufactured under vacuum impregnation Keywords: infusion, permeability, CFRP

Dmitri Kogan, Candidate of Technical Sciences, Leading Engineer. E-mail: admin@viam.ru

Michail Dushin, Candidate of Technical Sciences, Leading Research Staff Member. Artem Borshev, engineer.

Evgeny Veshkin, Chief of Sector. E-mail: untcviam@viam.ru Petr Abramov, Leading Engineer. Konstantin Makrushin, Leading Engineer.