CC BY
42
ВИАМ/2014-Тр-11 -04
УДК 678.84
Б01: 10.18577/2307-6046-2014-0-11 -4-4
ТЕПЛОСТОЙКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ ТЕКСТОЛИТЫ
И.Ф. Давыдова кандидат технических наук
Н.С. Кавун
кандидат технических наук
Ноябрь 2014
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научно-исследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
УДК 678.84
DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11 -4-4
И.Ф. Давыдова1, Н.С. Кавун1
ТЕПЛОСТОЙКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ ТЕКСТОЛИТЫ
Исследованы свойства стеклотекстолитов на основе полиимидного связующего и различных наполнителей. Показано, что комбинированный материал с использованием в наружных слоях углеродной ткани обладает высокой механической прочностью, теплостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами и малым износом.
Ключевые слова: стеклопластики, углепластики, органопластики, комбинированные материалы, механические свойства, теплофизические свойства, коэффициент трения, износ.
I.F. Davydova, N.S. Kavun
HEAT-RESISTANT ANTI-FRICTION TEXTOLITES
Properties of fiberglass laminates on a base of polyimide binder and various fillers were studied. It was shown, that a combined material with carbon fabric in external layers has high mechanical strength, heat resistance, anti-friction properties and high durability.
Keywords: glassefibers, carbonplastics, organoplastics, combined materials, mechanical properties, thermal-physical properties, friction coefficient, deterioration.
1Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
В качестве антифрикционных материалов в некоторых случаях используются неметаллические материалы, такие как древесно-слоистые и текстолиты, которые применяются для подшипников скольжения, втулок, для защиты проводов тросов управления самолета и других целей. Однако существующие текстолиты не всегда обеспечивают заданные требования.
Так, в конструкциях шасси самолетов такие материалы подвергаются одновременному воздействию высоких температур и трению и должны изготовляться из материала, обладающего высокой механической прочностью, теплостойкостью и антифрикционными свойствами [1-4]. Помимо этого, материал должен работать длительно (до 1000 ч) и кратковременно (до 100 ч) при температурах 300 и 350°С соответственно, с сохранением при этом прочности при сжатии на уровне 120 МПа и прочности при смятии на уровне 100 МПа.
Текстолитовые материалы на основе хлопчатобумажных волокон не могут длительно работать при высоких температурах. Использование в качестве наполнителя более теплостойких стеклянных тканей повышает прочностные свойства материала и его теплостойкость. Известно большое количество слоистых материалов типа стеклопластиков, которые обладают достаточной прочностью при высоких температурах, малой теплопроводностью и могут быть использованы для силовых и теплоизоляционных деталей (втулки, прокладки, кронштейны и др.). Однако существенным недостатком стеклопластиков является их абразивность и, вследствие этого, невозможность использования их в сочетании с вращающимися элементами.
Цель работы - создание теплостойкого материала, который обладал бы одновременно высокой прочностью, хорошими теплоизоляционными и конструкционными свойствами и, кроме того, перерабатывался бы общепринятыми для слоистых пластиков методами.
Материалы и методы
Поставленная задача решена путем создания комбинированного материала, в котором отдельные слои выполняли определенные функции. Стеклопластик обеспечивает высокую теплостойкость, механическую прочность и теплоизолирующие свойства, а наружные слои из углепластика или пластика на основе арамидной ткани - малый коэффициент трения.
В связи с тем, что одним из основных требований, предъявляемых к разрабатываемому материалу, является высокая термостойкость, необходимо выбрать такое связующее для его изготовления, которое давало бы возможность получить теплостойкий материал с повышенной механической прочностью и хорошими теплоизоляционными свойствами.
С этой точки зрения особый интерес представляли полиимиды, в цепь которых входили ароматические и гетероциклические кольца, а содержание алифатических связей минимально или равно нулю.
В ряду полимеров с гетероциклами в цепи наиболее видное место занимают поли-имиды. Им присущи такие отличные свойства, как высокая термостойкость, хорошие механические свойства и диэлектрические показатели в широком диапазоне температур, высокая радиационная стойкость и др. [5-10].
По термостойкости полиимиды превосходят большинство изученных гетероарома-тических линейных полимеров, в то же время они обладают хорошей устойчивостью к термоокислительной деструкции при повышенных температурах.
С учетом этого, в качестве связующего при разработке антифрикционного материала для элементов конструкций шасси выбрано полиимидное связующее СП-97с, которое обеспечивало получение стеклопластика, работающего в течение 2000 и 400 ч при температурах 300 и 350°С соответственно, сохраняющего после термостарения в этих условиях высокую механическую прочность [1 1-14].
Поскольку помимо высокой теплостойкости и прочности материал должен был обладать малым коэффициентом трения, представлялось целесообразным использовать для поверхностных слоев комбинированного материала пластики из углеродных или арамидных тканей, изготовленных на основе того же связующего [15-19].
В качестве наполнителя для стеклопластика выбрана бесщелочная стеклоткань алюмоборосиликатного состава марки Т-10-80.
Для углепластика были опробованы две марки углеродных тканей (УТЭП, УТМ-8) и одна марка графитированной ткани (ТГ-1).
На основе указанных тканей и полиимидного связующего изготовлены пластики, которые затем испытывались как в исходном состоянии и при повышенных до 350°С температурах, так и после термостарения при 300 и 350°С.
Результаты
Результаты испытаний пластиков представлены в табл. 1.
Таблица 1
Свойства пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*_
Наполнитель Напряжение при изгибе, ЧПа
при температуре, °С после термостарения при 300°С в течение, ч после термостарения при 350°С в течение, ч
20 300 350 50 100 50 100
УТЭП 97 64 52 41 20 Материал претерпевает большие усадки
УТМ-8 130 110 113 28 23 То же
ТГ-1 100 94 90 90 90 93 86
* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.
В связи с тем, что в процессе термостарения пластики на основе углеродных тканей УТЭП и УТМ-8 претерпевали большие усадки, представлялось целесообразным проверить влияние длительного термостарения при высоких температурах на их усадку и на основании полученных результатов установить оптимальный вариант наполнителя для углепластика.
Усадка пластиков определялась на дисках 050 мм. Результаты определения усадки приведены в табл. 2.
Таблица 2
Усадка пластиков на основе углеродных и графитированной тканей*_
Наполнитель Усадка(%) при термостарении образцов при 300°С в течение, ч
100 500 1000
УТЭП 3,8 18,6 21,6
УТМ-8 4,2 17,1 18,6
ТГ-1 0 0 0
* В пластике в смежных слоях направление основы чередовалось с направлением утка.
Как видно из данных табл. 1 и 2, оптимальным наполнителем для углепластиков является графитированная ткань марки ТГ-1, на основе которой получены пластики с более высокой механической прочностью при повышенных температурах и практически нулевой усадкой.
В табл. 3 представлены свойства пластика, изготовленного на основе графитированной ткани ТГ-1, причем ткань во всех слоях пластика располагалась по основе.
Таблица 3
Механические и теплофизические свойства пластика на основе ткани ТГ-1
(плотность 1250 кг/м3)
Напряжение при изгибе, МПа
при температуре, °С после термостарения при 300°С в течение, ч после термостарения при 300°С в течение, ч
20 300 350 400 100 500 1000 1500 2000 50 10
147 136 116 106 136 134 130 116 110 100 93
Теплофизические свойства
Температура испытания, °С X, Вт/(м К) а-107, м2/с с, кДж/(кг К) а-106, К-1
20 0,37 0,168 0,18 1,2-2,5
50 0,38 0,162 0,19 (от 20 до 100°С)
100 0,39 0,140 0,23 2,5
150 0,41 0,112 0,25 (от 110 до 300°С)
200 0,41 0,110 0,30
250 0,41 0,110 0,32
300 0,41 0,110 0,30
В качестве арамидных опробованы ткани саржевого переплетения из нитей №10,7 и №45. Результаты испытаний пластиков на их основе представлены в табл. 4.
Таблица 4
Свойства пластиков на основе арамидных тканей_
Вид нити Напряжение при изгибе, МПа
при температуре, °С после термостарения
при 300°С в течение, ч
20 300 350 400 100 500 1000
№10,7 87 52 40 37 47 30 20
№45 97 82 56 57 45 43 40
Видно, что пластики на основе арамидных тканей из нити №45 имели более высокую прочность, в связи с чем для комбинированного материала в последующем использованы арамидные ткани из этой нити.
Комбинированный материал изготовлялся путем сочетания пропитанной полии-мидным связующим СП-97с стеклоткани и поверхностных слоев из графитированной или арамидной ткани, пропитанных тем же связующим, с последующим одновременным прессованием по режиму, разработанному для стеклотекстолита СТП-97с. Во всех случаях армирующий наполнитель составлял 72-75% (по массе), а связующее соответственно 25-28% (по массе), причем количество слоев стеклоткани определялось толщиной готового материала, а количество листов графитированной или арамидной ткани всегда равнялось четырем - по 2 слоя с каждой стороны.
Сравнительные свойства комбинированных материалов, изготовленных с зованием в наружных слоях графитированной ткани ТГ-1 и арамидной ткани №45, приведены в табл. 5 и 6.
исполь-из нити
Таблица 5
Свойства комбинированного материала на основе ткани ТГ-1 (плотность 1370 кг/м3)
Состав комбинированного материала Свойства Значения свойств
при температуре испытания, °С после термостарения при температуре 300°С в течение, ч после термостарения при температуре 350°С в течение, ч
20 300 350 100 500 1000 50 100
Наполнитель: 6 слоев стеклоткани Т-10-80 и по 2 слоя с каждой стороны графитированной ткани ТГ-1; связующее СП-97с Ов.и, МПа 212 173 153 160 144 140 142 124
Осж, МПа 192 170 150 136 140 130 136 130
Ов, МПа 232 193 190 176 83 80 176 120
Е, ГПа 21,0 21,0 17,5 17,5 16,5 16,0 17,0 15,0
оСм, МПа 235 170 180 170 120 110 180 120
Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,16; износ материала при трении в паре со сталью 30ХГСА: 1,2%
Теплофизические свойства
Температура испытания, °С X, Вт/(м К) а-107, м2/с с, кДж/(кг К)
20 0,26 0,091 0,21
50 0,26 0,085 0,22
100 0,27 0,075 0,26
150 0,28 0,065 0,31
200 0,29 0,065 0,32
250 0,30 0,063 0,35
300 0,31 0,059 0,38
Таблица 6
Свойства комбинированного материала на основе арамидной ткани_
Состав Свойства Значения свойств
комбинированного при температуре после термостарения после термостаре-
материала испытания, °С при температуре 300°С в течение, ч ния при температуре
350°С в течение, ч
20 300 350 100 500 1000 50 100
Наполнитель: Ов.и, МПа 200 160 120 100 70 85 100 55
6 слоев стеклотка- оСж, МПа 190 145 140 120 110 100 90 40
ни ов, МПа 220 170 160 77 - - 110 -
Т-10-80 и по 2 Е, ГПа 16,0 14,0 12,0 12,5 11,0 10,0 13,0 -
слоя Осм, МПа 165 140 100 - - - - -
с каждой стороны
арамиднои ткани из нити №45;
связующее СП-97с
Коэффициент трения в паре со сталью 30ХГСА: 0,27; износ материала при трении в паре со сталью 30ХГСА: 1,7%
Обсуждение и заключения
Исходя из данных расширенных испытаний комбинированных материалов, с учетом комплекса полученных свойств в качестве оптимального варианта выбран комбинированный материал, изготовленный с использованием в качестве поверхностных слоев пластика на основе графитированной ткани марки ТГ-1.
Полученный материал является термостойким вплоть до температуры 350°С, обладает хорошими прочностными и антифрикционными свойствами. Пределы прочности при сжатии и смятии удовлетворяют поставленным требованиям - после термостарения в течение 1000 и 100 ч при температурах 300 и 350°С соответственно осж^130 МПа, Осм-100 МПа.
Коэффициент трения материала в паре со сталью очень небольшой и составляет 0,16 при износе 1,2%.
Таким образом, разработанный материал может быть применен для изготовления теплоизоляционных нагруженных деталей, обладающих способностью скольжения по стальной и другим поверхностям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Ткачук А.И., Гребнева Т.А., Чурсова Л.В., Панина Н.Н. Термопластичные связующие. Настоящее и будущее //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 07 (viam-works.ru).
3. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Деев И.С., Никишин Е.Ф. Свойства полимерных композиционных материалов после воздействия открытого космоса на околоземных орбитах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 2-16.
4. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3-4.
5. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» - инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3-9.
6. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики - многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253-260.
7. Давыдова И.Ф., Каблов Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №7. С. 2-11.
8. Давыдова И.Ф. Кавун Н.С. Термостойкие герметичные стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №11. С. 18-20.
9. Davidova I.F., Kavun N.S. Glass plastics to auiation and roket Engineering. Springer. 2012 (clause in the electronic).
10. Давыдова И.Ф. Кавун Н.С., Швецов Е.П. Базальтопластики для работы при повышенных температурах //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №11. С. 18-24.
11. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., 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.
12. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 36-42.
13. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Огнестойкие стеклопластики в конструкциях мотогондол двигателей самолетов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2011. №7. С. 16-20.
14. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С., Швецов Е.П. Высокотермостойкие карбоносодер-жащие стеклотекстолиты //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №9. С. 18-24.
15. Кондратенко А.Н., Голубкова Т.А. Полимерные композиционные материалы в изделиях зарубежной ракетно-космической техники (обзор) //Конструкции из композиционных материалов. 2009. №2. С. 24-34.
16. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. М.: «HOT». 2008. 820 с.
17. Зорин В.А. Опыт применения композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники //Конструкции из композиционных материалов. 2011. №4. С. 44-58.
18. Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Исаева Н.В., Солнцев С.С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 20-24.
19. Гуляев И.Н., Власенко Ф.С., Зеленина И.В., Раскутин А.Е. Направления развития термостойких углепластиков на основе полиимидных и гетероциклических полимеров //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 04 (viam-works.ru).
REFERENCES LIST
1. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7-17.
2. Tkachuk A.I., Grebneva T.A., Chursova L.V., Panina N.N. Termoplastichnye svjazujushhie. Nastojashhee i budushhee [Thermoplastic binders. Present and Future] //Trudy VIAM. 2013. №11. St. 07 (viam-works.ru).
3. Kablov E.N., Starcev O.V., Deev I.S., Nikishin E.F. Svojstva polimernyh kompozi-cionnyh materialov posle vozdejstvija otkrytogo kosmosa na okolozemnyh orbitah [Properties of polymer composites after exposure to outer space orbiting the Earth] //Vse materialy. Jenci-klopedicheskij spravochnik. 2012. №11. S. 2-16.
4. Kablov E.N. Himija v aviacionnom materialovedenii [Chemicals in aviation materials] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 3-4.
5. Kablov E.N. Materialy dlja izdelija «Buran» - innovacionnye reshenija formirovanija shestogo tehnologicheskogo uklada [Materials for the product "Buran" - innovative solutions forming the sixth technological order] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №S1. S. 3-9.
6. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki - mnogofunkcional'nye kompozicionnye materialy [GRP - multifunctional composite materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 253-260.
7. Davydova I.F., Kablov E.N., Kavun N.S. Termostojkie negorjuchie poliimidnye stek-lotekstolity dlja izdelij aviacionnoj i raketnoj tehniki [Heat-resistant polyimide incombustible Fiberglass products for the aviation and rocketry] //Vse materialy. Jenciklope-dicheskij spravochnik. 2009. №7. S. 2-11.
8. Davydova I.F. Kavun N.S. Termostojkie germetichnye steklotekstolity [Heat-resistant sealed Fiberglass] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2011. №11. S. 1820.
9. Davidova I.F., Kavun N.S. Glass plastics to auiation and roket Engineering. Springer. 2012 (clause in the electronic).
10. Davydova I.F., Kavun N.S., Shvecov E.P. Bazal'toplastiki dlja raboty pri povyshen-nyh tem-peraturah [Basalt for use at elevated temperatures] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2012. №11. S. 18-24.
11. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija konstrukcionnyh voloknistyh PKM [New polymeric binders for the promising methods for the manufacture of structural fibrous RMB] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38-42.
12. Davydova I.F., Kavun N.S. Stekloplastiki v konstrukcijah aviacionnoj i raketnoj tehniki [GRP in the construction of aviation and rocketry] //Steklo i keramika. 2012. №4. S. 36-42.
13. Davydova I.F., Kavun N.S. Ognestojkie stekloplastiki v konstrukcijah motogondol dvigatelej samoletov [Fire-resistant fiberglass in the construction of aircraft engine nacelles] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2011. №7. S. 16-20.
14. Davydova I.F., Kavun N.S., Shvecov E.P. Vysokotermostojkie karbonosoderzhashhie steklotekstolity [High temperature resistant Fiberglass carbon-containing] //Vse materialy. Jenciklopedicheskij spravochnik. 2012. №9. S. 18-24.
15. Kondratenko A.N., Golubkova T.A. Polimernye kompozicionnye materialy v izdelijah zarubezhnoj raketno-kosmicheskoj tehniki (obzor) [Polymer composite materials in the products of foreign missile and space technology (review)] //Konstrukcii iz kompozi-cionnyh materialov. 2009. №2. S. 24-34.
16. Mihajlin Ju.A. Konstrukcionnye polimernye kompozicionnye materialy [Structural polymer composite materials]. M.: «NOT». 2008. 820 s.
17. Zorin V.A. Opyt primenenija kompozicionnyh materialov v izdelijah aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tehniki [Experience in the application of composite materials in the products aviation and space technology] //Konstrukcii iz kompozicionnyh materialov. 2011. №4. S. 44-58.
18. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Isaeva N.V., Solncev S.S. Perspektivnye vysokotem-peraturnye keramicheskie kompozicionnye materialy [Promising high-temperature ceramic composites] //Rossijskij himicheskij zhur-nal. 2010. T. LIV. №1. S. 20-24.
19. Guljaev I.N., Vlasenko F.S., Zelenina I.V., Raskutin A.E. Napravlenija razvitija ter-mostojkih ugleplastikov na osnove poliimidnyh i geterociklicheskih polimerov [Directions of development of heat-resistant carbon-fiber-based polyimide polymers and heterocyclic] //Trudy VIAM. 2014. №1. St. 04 (viam-works.ru).
