CC BY
49
УДК 678.83
П.М. Шульдешова, Г.Ф. Железина
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ И ЗАПЫЛЕННОСТИ
СРЕДЫ НА СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ ОРГАНОПЛАСТИКОВ
Герметичные конструкционные органопластики нового поколения ВКО-19, ВКО-19Л на основе арамид-ного волокна Русар и расплавного связующего обладают повышенной устойчивостью к поглощению влаги и атмосферным условиям, сохраняют высокий уровень конструкционной прочности и выносливости после эрозионного воздействия твердыми частицами при эксплуатации в условиях запыленности.
Ключевые слова: органопластик, арамидные волокна, полимерные композиционные материалы, эрозия.
Pressure-tight structural organic plastics VKO-19 and VKO-19L of the new generation are based on Rusar ara-mid fibers and melted matrix and possess an increased resistance to absorption of moisture and atmosphere impacts. They keep a high level of structural strength and endurance after erosive attacks by solids at operation under dust loading.
Key words: organic plastics, aramidfibers, polymer composites, erosion.
Сохранение работоспособности при воздействии факторов внешней среды - необходимое условие для применения полимерных композиционных материалов в составе авиационных конструкций [1]. Конструкционные органопластики используются для изготовления деталей внешнего контура самолетов и вертолетов, а также в качестве обшивок лопастей несущего винта вертолетов. В процессе эксплуатации эти конструкции могут подвергаться воздействию жестких атмосферных условий (высокой влажности, перепадам температур), а также ударному и эрозионному воздействию различных частиц: капель дождя, града, песка и мелких камней [2-4].
В данной работе рассмотрены вопросы повышения стойкости арамидных органопластиков к атмосферным условиям, а также приведены результаты исследований работоспособности этого класса материалов в условиях повышенной запыленности внешней среды.
Органопластики с повышенной атмосферной стойкостью
Опыт эксплуатации органопластиков в составе авиационных конструкций показывает, что эти материалы имеют достаточно высокую эксплуатационную надежность в различных климатических зонах - календарный срок эксплуатации составляет 10-15 лет. Однако в сравнении с композитами на основе стеклянных и углеродных волокон органопластики на основе арамидного волокна в большей степени сорбируют атмосферную влагу. Несмотря на то, что по уровню сохранения конструкционных свойств при влагонасыщении органопластики не уступают угле- и стеклопластикам, повышенное водопоглощение традиционно считается основным недостатком этих материалов [5-7].
Работы последних лет были направлены на повышение влагостойкости органопластиков пу-
тем оптимизации их состава и технологии изготовления. С этой целью разработаны атмосферо-стойкие органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л на основе арамидного волокна второго поколения Русар (взамен волокна СВМ) и безрастворного связующего, используемого в виде пленки или расплава [8, 9]. Органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л отличаются типом армирующей ткани. В составе органопластика ВКО-19 использована ткань сатинового переплетения, обладающая высокой подвижностью текстильной структуры, что позволяет изготовлять детали сложной кривизны. Органопластик ВКО-19Л - листовой материал, армированный тканью саржевого переплетения с равновесной текстильной структурой. Использование такой ткани в качестве армирующего наполнителя позволяет исключить коробление тонколистовых обшивок из органопластика ВКО-19Л.
Необходимость использования безрастворного связующего обусловлена тем, что органопластики, изготовляемые по типовой растворной технологии (Органит 12Т, Органит 16Т/Рус и др.), имеют повышенную пористость из-за невозможности полного удаления растворителя. Использование безрастворного связующего позволило обеспечить минимальную пористость органопластика и его герметичность, а также применить для его изготовления экологически безопасную (безрастворную) технологию, что отвечает современным требованиям охраны окружающей среды [10, 11].
При разработке технологии изготовления органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л особое внимание уделяли процессу совмещения высоковязкого связующего, содержащего полисульфоновый каучук, с тканью из арамидного волокна Русар. Для обеспечения равномерного распределения полимерной матрицы в объеме композита проводили пропитку ткани связующим под вакуумом при повышенной температуре, изготовление органо-
пластика проводили методом автоклавного формования [12, 13].
Известно, что стабильность механических свойств полимерных композитов в тепловлаж-ностных условиях зависит от стойкости к поглощению влаги, что, в свою очередь, зависит от сорбционной активности компонентов (волокна и полимерной матрицы), их объемного соотношения, плотности и других факторов [14-17]. Для оценки эксплуатационной надежности и атмосферной стойкости органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л проведены исследования свойств материалов после длительного воздействия теплового и термовлажностного старения, а также после экспозиции в различных климатических зонах (умеренно теплый климат в г. Геленджик, умеренно холодный климат в г. Москва). Условия проведения испытаний и свойства органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л после воздействия факторов внешней среды представлены в табл. 1.
Как показали результаты исследований, органопластики ВКО-19, ВКО-19Л имеют повышенную устойчивость к поглощению влаги (водопоглощение - не более 2%) и высокий уровень сохранения прочности после воздействия факторов внешней среды (не менее 83%). После климатического старения на поверхности органопластика наблюдается частичное выкрашивание связующего (см. рисунок), при этом арамидные волокна остаются неразрушенными.
Отличительной особенностью органопласти-ков ВКО-19 и ВКО-19Л по сравнению с типовыми органопластиками является их герметичность (нулевая воздухопроницаемость) при малой толщине (табл. 2).
Определение воздухопроницаемости органо-пластиков проводили с помощью вакуумной камеры путем замера падения разряжения воздуха за определенное время. Расчет проводили по формуле:
В=^(1 - Рф), (1)
где В - воздухопроницаемость, л/(ч м2); К - коэффициент, учитывающий параметры прибора; Рср - среднее арифметическое значение давления по вакуумметру, кН/м2.
Герметичность органопластиков особенно важна при изготовлении тонколистовых обшивок трехслойных сотовых панелей, используемых в конструкции вертолетов. Герметичные органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л существенно превосходят по механическим свойствам применяемый в настоящее время для аналогичных целей органо-пластик Органит 11ТЛ: повышение удельной ударной вязкости на 70%, прочности при межс-лойном сдвиге - на 28%, длительной прочности -на 40% и т. д. Поэтому применение герметичных органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л позволит обеспечить надежность трехслойных сотовых конструкций и, в частности, хвостовых отсеков
лопастей несущего винта вертолетов в условиях теплого влажного климата.
Эрозионная стойкость конструкционных органопластиков
При взлете и посадке летательных аппаратов, особенно на грунтовых аэродромах, их обшивки подвергаются абразивно-ударному воздействию твердых частиц пыли, песка, мелких камней, поднимающихся со взлетно-посадочных полос и травмирующих внешние поверхности изделия. Известно, что органопластики обладают высокой ударостойкостью [18, 19], поэтому одно из перспективных направлений их применения - пылезащитные устройства для вертолетных двигателей. Изучение поведения органопластиков при эрозионных воздействиях - важная задача, связанная с созданием подобных конструкций.
В данной работе эрозионную стойкость орга-нопластиков оценивали путем измерения потери массы или уменьшения толщины материала после эрозионного воздействия. Кроме того, принимая во внимание, что эрозионные повреждения поверхности, являясь концентратами напряжений, могут снижать прочностные и ресурсные характеристики изделия, определяли уровень сохранения свойств органопластика после эрозионных воздействий.
Испытания на эрозионную стойкость проводили на газодинамической установке. Органопла-стик подвергался воздействию потока частиц оксида алюминия размером 50 мкм со скоростью 190 м/с. Критерием эрозионной стойкости служила интенсивность массовой эрозии (1т) - отношение массы унесенного с единицы площади материала к массе падающих частиц. Для сравнения аналогичным испытаниям подвергали образцы стеклопластика.
Показатели эрозионной стойкости органо- и стеклопластиков различного состава приведены в табл. 3.
Известно, что процесс разрушения полимерных композиционных материалов является энергоемким, поскольку сопровождается множественными разрушениями армирующих волокон и полимерной матрицы [20]. Эрозионная стойкость арамидных органопластиков зависит от химической природы и деформативных свойств связующего. Так, с увеличением относительного удлинения 5 эпоксидного связующего с 4 до 9% эрозионная стойкость органопластика возрастает на 27%. В зависимости от типа связующего значительно меняется характер разрушения арамидного волокна в зоне, подвергавшейся эрозионному воздействию. Как показали микроструктурные исследования, при использовании хрупкого анилинофор-мальдегидного связующего эрозионное разрушение органопластика сопровождается сильным продольным расщеплением волокна СВМ, а в случае эпоксидных связующих наряду с расщеп-
Таблица 1
Влияние факторов внешней среды на свойства органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л
Условия экспозиции Продолжи- Предел Предел прочности при
тельность прочности при статическом изгибе
экспозиции растяжении
МПа
ВКО-19Л ВКО-19 ВКО-19Л
В исходном состоянии - 750 505 510
Тепловое старение при температуре, °С:
80 2000 ч 690 510 -
4000 ч - - 495
100 2000 ч 655 520 -
4000 ч - - 505
Термовлажностное старение (при 60°С, ф=85%) 2 мес 660 520 -
Тропическая камера* 3 мес 625 500 -
6 мес - - 485
Естественное старение в умеренно теплом 1 год 670 - 500
климате (г. Геленджик)
* Режим тропической камеры: 8 ч при 50°С и ф=100% + 12 ч при 20±5°С и ф=100% + 8 ч при 20±5°С и ф=65%.
Таблица 2
Воздухопроницаемость тонколистовых обшивок из органопластиков различных марок
Тип связующего Марка органопластика Толщина, мм Продолжительность испытания, ч Воздухопроницаемость л/(ч-м2)
Расплавное ВКО-19Л 0,44 360 0
Растворное Органит 7Т Органит 16Т-Рус Органит18Т-Рус 0,45 0,48 0,44 120 240 160 130 145 150
Таблица 3
Эрозионная стойкость полимерных композиционных материалов
Тип материала Состав материала Интенсивность массовой эрозии 1т 102 Характер разрушения армирующих волокон
Армирующий наполнитель Связующее
Органопластик Ткань из арамидного волокна СВМ Эпоксианилино-фенолформальдегидное (5=2,5%) 0,413 Расщепление волокон
Эпоксидное (5=4,0%) 0,614 Расщепление и смятие волокон
Эпоксидное (5=7,0%) 0,557
Эпоксидное (5=9,0%) 0,487 Преобладающее смятие волокон
Полиуретановый каучук 0,174 Смятие волокон
Стеклопластик Кремнеземная ткань Фенолформальдегидное (5=2,5%) 1,05 Хрупкий излом волокна
Таблица 4
Влияние глубины эрозии на несущую способность и выносливость органопластика
Глубина эрозии, мкм Разрушающая нагрузка, Н Число циклов до разрушения при пульсирующем растяжении
0 125 38000
400 100 10000
600 86 3600
800 75 700
1000 65 90
Таблица 5
Потеря выносливости органо- и стеклопластиков в зависимости от глубины эрозии
Относительная глубина эрозии (глубина эрозии/толщина образца) Потеря выносливости М,схЛ¥э
стеклопластик органопластик
0,14 10 4
0,24 22 7
0,20 40 10
0,30 - 14
0,38 - 20
х200 х200 хЮОО
Структура поверхности органопластика ВКО-19Л в исходном состоянии (а) и после старения (б)
лением наблюдается пластическое деформирование волокна СВМ в поперечном направлении. При испытаниях стеклопластика наблюдали более интенсивное разрушение стекловолокна по сравнению с арамидным и меньшую эрозионную стойкость стеклопластиков.
Влияние условий эрозионного воздействия (скорости, размеров частиц, угла соударения, продолжительности эрозионного воздействия) на эрозионную стойкость органопластиков исследовали на установке аэродинамического типа. В качестве абразива использовали шлиф-порошки М10 и 10Н с размером частиц в основной фракции 44 и 108 мкм соответственно. Удельный расход частиц составлял 4,4 и 7,8 кг/(м2с) при скоростях воздушного потока 100 и 200 м/с, при этом скорость частиц в потоке соответственно была равна 97 и 160 м/с. Эрозионные испытания проводили при углах соударения частиц с материалом 15, 45, 60 и 90 град. Испытаниям подвергали орга-нопластик Органит 7Т и стеклопластик ВФТ-С.
Интенсивность линейной эрозии рассчитывали по формуле:
/ =
t • Q'
(2)
где 1э - глубина эрозии, мкм; t - продолжительность эрозионного воздействия, с; Q - удельный расход твердых частиц, кг/(м2с).
Установлено, что влияние на эрозионную стойкость полимерных композиционных материалов оказывают скорость и размер частиц. С увеличением скорости частиц с 97 до 160 м/с интенсивность линейной эрозии возрастает в степенной зависимости (при углах соударения, близких к 90 град) и апроксимируется уравнением степенного вида:
- для органопластика Органит 7Т: I = Г10~4и2;
- для стеклопластика ВФТ-С: 1=3 •10"%2.
С уменьшением угла соударения влияние скорости на эрозионную стойкость органо- и стеклопластика уменьшается. С уменьшением размера
частиц от 108 до 44 мкм интенсивность линейной эрозии органопластика снижается в 2-3 раза при углах соударения от 45 до 90 град. Если углы соударения невелики, размер частиц значительно меньше влияет на эрозионную стойкость материала. С увеличением угла соударения интенсивность эрозии органопластика и стеклопластика увеличивается, и максимальное разрушение наблюдается при углах, близких к 90 град.
Очаги эрозионного разрушения представляют потенциальную опасность для несущей способности и ресурса конструкций. С целью исследования чувствительности органопластиков к эрозионному воздействию определяли их механические свойства до и после эрозионного воздействия. Установлено, что с увеличением глубины эрозии происходит уменьшение разрушающей нагрузки и выносливости органопластика (табл. 4). При этом выносливость снижается значительно интенсивнее, чем разрывная нагрузка. Однако при одинаковой относительной глубине эрозии потеря выносливости органопластика Органит 7Т значительно меньше, чем стеклопластика ВФТ-С (табл. 5).
Таким образом, конструкционные органопластики на основе арамидных волокон имеют высокую стойкость к пылевой эрозии. По сравнению со стеклопластиками органопластики имеют в 3 раза меньшую глубину эрозии при одинаковой скорости эродирующего потока (100 м/с), на 30% более высокую несущую способность в поврежденном состоянии и в 10 раз более высокую выносливость при одинаковой степени эрозионного поражения.
Стойкость конструкционных органопластиков к эрозионному воздействию твердыми частицами и их способность сохранять высокую прочность и ресурс после значительных эрозионных повреждений позволяет рассматривать эти материалы как перспективные для изготовления деталей, работающих в условиях повышенной запыленности и, в частности, для изготовления элементов пылезащитного устройства вертолетного двигателя.
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. Гуняев Г.М., Кривонос В.В., Румянцев А.Ф., Железина Г.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов //Конверсия в машиностроении. 2004. №4 (65). С. 65-69.
3. Гуняев Г.М., Железина Г.Ф., Кривонос В.В, Румянцев А.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов /В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. Полимерные композиционные материалы. 2002. С. 12-20.
4. Железина Г.Ф., Войнов С.И., Плетинь И.И., Вешкин Е.А., Сатдинов Р.А. Разработка и производство конструкционных органопластиков для авиационной техники //Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. №4-2. С. 411-416.
5. Гуняев Г.М., Железина Г.Ф., Зеленина И.В., Кривонос В.В., Кувшинов Н.П., Орлова Л.Г., Сидорова В.В. Авиационные органопластики на основе арамидно-го волокна Русар /Труды 4-й Международной конф. Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). Корпоративные нано- и CALS-технологии в наукоемких отраслях промышленности. М. 2005. С. 739-743.
6. Препрег герметичного органопластика и изделие, выполненное из него: пат. 2395535 Рос. Федерация; опубл. 31.03.2009.
7. Препрег антифрикционного органопластика и изделие, выполненное из него: пат. 2404202 Рос. Федерация; опубл. 31.03.2009.
8. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Полимерные композиционные материалы, полученные путем пропитки пленочным связующим //Все материалы. Энциклопедический справочник. Композиционные материалы. 2011. №11. С. 2-6.
9. Коган Д.И., Чурсова Л.В., Петрова А.П. Технология изготовления ПКМ способом пропитки пленочным связующим //Клеи. Герметики. Технологии. 2011. №6. С. 25-29.
10. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260-265.
11. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для пер-
спективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.
12. Способ получения конструкционного композиционного материала: пат. 2405675 Рос. Федерация; опубл. 15.07.2009.
13. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292-301.
14. Ефимов В.А., Кирилов В.Н., Добрянская О.А., Николаев Е.В., Шведкова А.К. Методические вопросы проведения натурных климатических испытаний полимерных композиционных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 25-31.
15. Старцева Л.Т., Меркулова В.М., Машинская Г.П., Старцев О.В. Закономерности влияния теплого влажного климата на свойства органопластиков /В сб. Авиационные материалы. Вып. «Климатическое старение композиционных материалов». М.: ОНТИ-ВИАМ. 1990. С. 14-22.
16. Mashinskaya G.P., Zhelezina G.F., Senatorova O.G. Laminated Fibrous Metal - Polymer Composites Soviet Advanced Composites Technology Series //Chapman & Hall. 1995. Р. 487-570.
17. Деев И.С., Куршев Е.В., Лонский С.Л., Чурсова Л.В. Влияние длительных климатических испытаний на микроструктуру и характер разрушения полимерных композиционных материалов при силовых воздействиях /Тезисы докладов IX научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». М. 2012. С. 64-65.
18. Железина Г.Ф., Соловьева Н.А., Орлова Л.Г., Войнов С.И. Баллистически стойкие арамидные слоисто-тканые композиты для авиационных конструкций //Все материалы. Энциклопедический справочник. Композиционные материалы. 2012. №12. С. 23-26.
19. Железина Г.Ф. Особенности разрушения органопла-стиков при ударных воздействиях //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 272-277.
20. Деев И.С., Кобец Л.П. Исследование микроструктуры и особенностей разрушения эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе //Материаловедение. 2010. №5. С. 8-16; №6. С. 13-18.
