Устойчивость органических стекол к односторонним температурным воздействиям Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

По сравнению с зарубежным аналогом - стеклом марки Плексиглас ОБ 245 и ОБ 249 фирмы «Рём» (Германия) - оргстекло ВОС-1 имеет превосходство в теплостойкости, термостабильности и рабочей температуре на 20-25°С*.

На основании результатов определения оптических, физико-механических свойств, «серебростойкости», термостабильности и испытаний стойкости оргстекла к циклическим термоударам при температурах до 160°С на образцах и отформованных моделях остекления даны рекомендации по условиям эксплуатации оргстекла ВОС-1 в деталях остекления летательных аппаратов в интервале температур от -60 до +160°С в условиях одностороннего нагрева, в том числе при перепаде температур 140/80°С - длительно (до 500 ч), при 160/80°С - циклами по 5-10 мин в течение 500 лётных часов.

Выпуск оргстекла ВОС-1 осуществляется на опытном заводе ФГУП «НИИ Полимеров».

По стоимости оргстекло ВОС-1 имеет значительные преимущества: в 1,5-2 раза дешевле серийно применяемого оргстекла АО-120 и в 40 раз дешевле фторакрилатных теплостойких оргстекол.

УДК 666.117

И.В. Мекалина, Т.С. Тригуб, Е.Г. Сентюрин

УСТОЙЧИВОСТЬ ОРГАНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ К ОДНОСТОРОННИМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

В процессе эксплуатации органические стекла подвергаются различным температурным воздействиям, приводящим к образованию на поверхности напряжений. Одним из наиболее опасных температурных воздействий является возникновение напряжений в органическом стекле под действием термоударов - мгновенных смен температуры на внешней стороне детали остекления. В момент воздействия термоударов в органическом стекле возникают временные напряжения, величина которых прямо пропорциональна перепаду температур, температурному коэффициенту расширения, модулю упругости. В диапазоне температур, близком к температуре стеклования материала, под действием термоударов могут возникать остаточные напряжения, - в зависимости от температурных условий эти напряжения могут быть сжимающими (возникает упрочняющий эффект закалки) или растягивающими, способными вызывать растрескивание и разрушение материала. При этом если закалочные остаточные напряжения, связанные с неравномерным охлаждением и изменением размеров в зависимости от температурного коэффициента расширения материала, не могут увеличиваться при воздействии повторных термоударов, то напряжения, возникающие из-за усадок в материале, увеличиваются во времени при повторных циклах термоударов по закону, характеризующему термоусадку материала при данной температуре.

Проведено исследование органических стекол (как материалов - без учета их конструктивного оформления) на стойкость к температурным воздействиям по методике «Исследование органических стекол на стойкость к термоударам». Методика заключается в последовательном проведении следующих операций: разогрев металлического индентора до заданной температуры, приложение основания разогретого индентора к поверхности оргстекла, снятие индентора, охлаждение стекла в естественных условиях до комнатной температуры. При локальном кратковременном нагреве поверхности материала при температурах, не вызывающих в материале усадки и структурных изменений, тонкий поверхностный слой ра-

*Каталог компании «Rohm GmbH», MIL- PRF - 8184Г от 5 октября 1998 г.

зогреваемого материала стремится расшириться, однако этому расширению препятствуют холодные внутренние слои и слои материала по периметру локального разогрева. В результате в разогревающейся части материала возникают напряжения сжатия, а по периметру разогретой зоны - напряжения растяжения. Охлаждение в зависимости от скорости приводит или к постепенному снижению этих напряжений, или - при быстром охлаждении - к смене знака, резкому росту напряжений, а уже затем к их уменьшению. При повышении температуры испытаний и приближении ее к температуре размягчения (стеклования - Тс), в материале будут возникать не только временные, но и остаточные напряжения, сохраняющиеся в материале и после выравнивания температуры по полю и толщине. Возникновение остаточных напряжений фиксировалось количественно (с помощью воздействия растворителя - ацетона) по времени до появления первых трещин («серебра»).

Для исследования были выбраны акрилатные стекла марок СО-120, А0-120, СО-120Т, СО-133К, 2-55, Т2-55 и модифицированное новое оргстекло ВОС-1.

Испытания проводились в температурном диапазоне от 100 до 180°С в зависимости от марки оргстекла. По результатам эксперимента построены зависимости времени до появления первых трещин «серебра» от температуры индентора. На рис. 1 представлена такая зависимость (с применением ацетона) при однократном воздействии индентором. Для всех оргстекол прослеживается тенденция сокращения времени до появления трещин «серебра» при повышении температуры индентора и при приближении ее к величине Тс оргстекла, что говорит об увеличении значения напряжений растяжения. При дальнейшем повышении температуры индентора напряжения достигают максимального значения, а затем уменьшаются, что связано с процессами релаксации напряжений при температурах выше Тс на 20-40°С. Сравнение органических стекол при температурах, одинаково превышающих соответствующие значения Тс: С0-120, СО-120Т, А0-120 - при 140°С, СО-133К и ВОС-1 - при 160°С, показало, что наиболее «серебростойкими» являются оргстекла А0-120 и ВОС-1. Наиболее опасной рабочей температурой для органических стекол является температурный интервал Тс+(10-20)°С [1].

i 1

< к N ! i ............ ................ >

ч ч ч ч ч 1, 1 \ \ \ \ 3 4

L ' ч , N \ V. „1

Г ''

Рис. 1. Зависимость времени до появления трещин «серебра» (по ацетону) от температуры индентора при однократном воздействии на оргстекла ВОС-1 (Т2-55М) (1); А0-120 (2); 100 110 120 130 140 150 160 170 180°С С0-120 (3); СО-120Т (4); СО-133К (5)

Оценивалась стойкость органических стекол к многократным термоударам (1, 3, 5 циклов). На рис. 2 представлена зависимость времени до появления трещин «серебра» при воздействии ацетона от количества термоударов для оргстекол 2-55, Т2-55 и ВОС-1 в исходном состоянии и после прогрева при 160°С, 50 ч. Установлено, что снижение «серебростой-кости» происходит в первые три цикла, а с увеличением числа циклов наблюдается тенденция восстановления уровня «серебростойкости» для термостабилизированных оргстекол Т5-55 и ВОС-1 в исходном состоянии и после прогрева при 160°С, 50 ч.

Рис. 2. Зависимость времени до появления трещин «серебра» (по ацетону) от количества термоударов (температура индентора 160°С) для оргстекол 2-55, Т2-55 и Т2-55М (ВОС-1) в исходном состоянии (о, □, А соответственно) и после прогрева при 160°С, 50 ч (•, ■, ▲ соответственно )

Количество термоударов

На рис. 3 приведено сравнение органических стекол СО-120, АО-120, СО-133, СО-133 (ориентированное 50%), Т2-55, ВОС-1 по времени до появления микротрещин «серебра» под действием циклических термоударов (температура индентора 160°С). Показано, что высокие и стабильные показатели стойкости к термоударам при температуре 160°С наблюдаются у термостабилизированных оргстекол Т2-55 и ВОС-1. Преимущество по «сере-бростойкости» ориентированных оргстекол проявляется лишь при первых циклах термоударов, с увеличением числа циклов происходит дезориентация поверхностных слоев, при температуре выше Тс «серебростойкость» стекол, например АО-120 и СО-120, находится на одном уровне после 5 циклов.

200 180

160

140

°„ 120

1 100

£ 80

60

40

20 0

Рис. 3. Время до появления микротрещин «серебра» на поверхности оргстекол под действием циклических термоударов (температура индентора 160°С): I I - 1 цикл; ^Н - 3 цикла; I I - 5 циклов

Для того чтобы оценить работоспособность оргстекол при воздействии температурных перепадов и определить возникающие при этом напряжения, проводились испытания с применением нового метода определения «серебростойкости» под действием напряжений и растворителя. По этому методу образец консольно закрепляется, делится на несколько зон, в которых создаются напряжения различного уровня, под действием растворителя определяется время до появления трещин «серебра». Из полученной зависимости видно (рис. 4), что

ш

1л

СО-120 АО-120 СО-133 СО-133 Т2-55 ВОС-1

(ориент. 50%)

наиболее стойкими к поверхностному растрескиванию являются термостабилизированное стекло Т2-55 и модифицированное стекло ВОС-1 (Т2-55М) [2].

200 Г

150

о «

а

<и а И

100

50

\ * \\ 1 ч \ » \ '•• 6

\

< 1 ^ Г-40 ' - ."ч к ^ ^ к-"----i

10 15 20 25 30 35 Напряжение, МПа

40

45

Рис. 4. Зависимость времени до появления трещин «серебра» от уровня напряжения на поверхности оргстекол С0-120(7); АО-120(2); СО-133 (ориент. 50%) (3); СО-133К (4); Т2-55 (5); ВОС-1 (6); СО-133 (7)

Испытания оценки работоспособности органических стекол по этим методикам после различных видов старения показали, что оргстекло ВОС-1 обладает наиболее высокими показателями. Установлено, что при времени до появления трещин «серебра» >3 мин в поверхностных слоях органического стекла ВОС-1 напряжения растяжения составляют 10-15 МПа. Сравнение полученных данных по «серебростойкости» под нагрузкой оргстекла ВОС-1 в исходном состоянии и после воздействия УФО в течение 50 ч, а также после атмосферного старения в течение 6 мес показывает снижение «серебростойкости» в 2 раза, что характерно для сополимерных акрилатных стекол. После теплового старения при 160°С, 50 ч и при 140°С, 500 ч «серебростойкость» при допустимых эксплуатационных напряжениях растяжения (10-15 МПа), образующихся в поверхностных слоях оргстекла, остается на уровне >3 мин (время до появления «серебра»), при напряжениях 20 МПа - увеличивается в 2 раза (по сравнению со стойкостью стекла в исходном состоянии). После теплового старения при 230°С в течение 5 ч «серебростойкость» снижается на 30%, что связано с началом процессов термодеструкции при этой температуре.

Полученные результаты исследований по данным методикам позволяют проводить сравнительную оценку серийных и вновь разрабатываемых или модифицированных оргстекол и контролировать напряженное состояние деталей остекления на различных технологических стадиях переработки и в эксплуатации при выборочном контроле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло.- М.: Химия, 1981, с. 5-31.

2. Гудимов М.М. Трещины серебра на органическом стекле.- М.: ЦИПКК АП, 1997, с. 70-102.