CC BY
52
B.И. Постнов, А.И. Сатдинов,
C.В. Стрельников, А.И. Антонов, Е.А. Вешкин
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА НА КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ
Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с технологической подготовкой производства изделий из ПКМ. Показано, что недостаточное внимание к подготовке производства приводит к снижению качества получаемых изделий.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, технологическая подготовка производства.
Успехи авиационной техники последних лет неразрывно связаны с использованием новых материалов, среди которых значительное место занимают полимерные композиционные материалы (ПКМ). Эти материалы, обладающие исключительным сочетанием конструкционных, технологических и специальных свойств, не только доказали свою эффективность по сравнению с другими конструкционными материалами, но и открыли уникальные возможности для разработки более совершенной техники нового поколения.
Использование ПКМ в авиационной технике позволяет достичь не только повышения показателя весового совершенства летательных аппаратов, но и улучшения летно-технических характеристик, повышения надежности и ресурса конструкций. Успех применения ПКМ в силовых конструкциях обусловлен значительным их преимуществом по удельной прочности и жесткости, исключительным сочетанием конструкционных, теплофизических, специальных свойств по сравнению с изделиями из традиционных материалов.
Эффективная реализация достоинств этих материалов в конструкциях требует решения комплекса задач, связанных не только с конструированием изделия, выбором материалов, но и с точным соблюдением технологических режимов при изготовлении.
Известны случаи, когда отдельные компоненты ПКМ (препреги, сотовые заполнители, пленочные клеи) имеют максимальные физико-механические характеристики, а в сочетании друг с другом в готовом агрегате дают соединение с низкими значениями прочностных характеристик. В большинстве случаев такое положение объясняется тем, что в процессе производства деталей не были соблюдены параметры технологического процесса.
В данной статье изложены результаты исследований влияния фактора подготовки производства при технологическом процессе: герметизация системы оснастка-вакуумный мешок.
При автоклавном формовании изделий из ПКМ необходимо создание вакуума под вакуумным мешком для постоянного удаления воздуха и выделяющихся летучих веществ из межслойного пространства выложенных слоев препрега и предварительного их уплотнения. Особенно необходимо вакуумирование на начальной стадии автоклавного формования при подъеме температуры до 80-100°С в период наиболее интенсивного выделения летучих веществ. При отсутствии эффективного вакуумирования качество и механические свойства материала в детали снижаются. Необходимо, чтобы вакуум поддерживался равномерным по всему объему пакета слоев препрега как для детали, так и для образца-свидетеля. При производстве ПКМ из-за негерметичности оснастки-вакуумного мешка наблюдаются темные пятна на стеклопластиках и красноватые - на углепластиках, образующиеся из-за окисления связующего вследствие постоянного поступления в зону формования рабочей среды автоклава.
Возможно создание «кажущегося вакуума» под негерметичным мешком путем постоянного отсоса воздуха вакуумными насосами большой мощности. Это не приводит к улучшению качества композиционных материалов, так как реальная величина вакуума не будет соответствовать показателю вакуума в месте установки датчика запи-
сывающего прибора, и в местах негерметичности увеличивается степень окисления связующего. В этих деталях появляются пористость, расслоение, непроформовка, т. е. видимые и устраняемые дефекты, и, что еще хуже, снижение качества ПКМ, его механических характеристик, которое не обнаруживается на стадии контроля - так как образец-свидетель мог находиться в зоне достаточного разрежения, - а проявляется в процессе эксплуатации самолета. Достижение требуемой величины вакуума в системе оснастка-вакуумный мешок определяется состоянием оснастки, полимерной пленки вакуумного мешка и герметизирующего шва. Обычно для вакуумных мешков используется пленка ППНТ, технологические свойства которой зависят от внешних условий (температура, влажность), механических нагрузок. Пленка ППНТ, изготовленная на основе полиамида-6, обладает существенным разбросом прочностных (в пределах 40,0-82,5 и 33,3-95,7 МПа в продольном и поперечном направлении соответственно) и деформационных свойств (удлинение в в пределах 80-440 и 100-460% в продольном и поперечном направлении соответственно) даже в пределах одного рулона (требования по ТУ: ов>40 МПа и 8>200%). Такая нестабильность свойств ППНТ часто приводит к нежелательным разрушениям ее в процессе формования деталей из ПКМ и возникновению в них дефектов, несовместимых с эксплуатационной надежностью. Известно, что относительное удлинение пленки ППНТ связано с наличием в ней влаги, оказывающей на нее пластифицирующее действие. Проведенные исследования в рамках данной работы показали, что в исходных образцах пленки ППНТ содержание влаги находится в пределах 1,8%, а после помещения данных образцов в воду происходит их увлажнение до полного насыщения: 8,56%.
Определено, что предельное насыщение пленки влагой обычно происходит за 5-6 ч, а после того как ее подвергают естественной сушке в условиях производственного помещения, происходит удаление влаги также за 5-6 ч до исходного уровня. Исследование свойств ППНТ в ходе данных экспериментов показало, что с повышением содержания влаги в пленке происходит снижение ов более чем в 2 раза, а 8 при разрыве увеличивается в 5 раз (рис. 1). Уменьшение ов объясняется переходом увлажненного образца в эластичное состояние при малых нагрузках, в то время как разрушение «сухих» образцов требует больших усилий при малых деформациях в этой зоне. Однако, несмотря на прямую зависимость эластичности пленки от количества поглощенной влаги, применение пленки для вакуумных мешков возможно только при соблюдении определенных влажностных условий хранения пленки.
о, МПа е, %
о вах=77,5 МПа
/
отах=46,2 МПа
\
отт=55 МПа
/
От1П=25 МПа
\
£тах=338%
\
£ тах=144%
/
втт=244%
\
£тт=22%
/
I II I II
Рис. 1. Диаграммы изменений свойств пленки ППНТ при ее увлажнении: I - в исходном состоянии (сср=64,4 МПа; вср=67,5%); II - после увлажнения (сср=34 МПа; вср=333%)
Установлено, что оптимальной влажностью воздуха для хранения и применения пленки является фотн=50-70%, так как использование более увлажненной пленки может привести к ее растрескиванию с повышением температуры и давления и разрушению в зонах перехода толщин формуемой детали из ПКМ, резкому спаду вакуумного давления и, как следствие, дефектам в виде расслоений.
Также установлено, что решающую роль играет герметизирующий жгут, используемый для сборки системы оснастка-вакуумная мембрана. Для исследования технологических свойств использовали жгуты AT-200Y (США), 51Г-27, Абрис А, применяемые в серийном производстве при формовании изделий из ПКМ. Установлено, что на герметичность зон соединений мембрана-оснастка большое влияние оказывает шероховатость соединенных поверхностей и степень их обезжиривания. Для устранения этих дефектов возможно применение дополнительной герметизации с помощью жидкого клея (88НП), который является «гидрозатвором» в зонах нарушения герметичного соединения элементов системы оснастка-мембрана. Однако данный способ является затратным по материалам и трудоемкости и может быть использован в особых случаях. Исследования, проведенные с помощью прибора ИПФ-2002, показали, что жгуты АТ-200У и 51Г-27 обладают хорошими пластическими свойствами, обеспечивающими требования процесса автоклавного формования, а жгут Абрис А имеет высокую степень текучести, низкие адгезионные свойства при высоких температурах, что приводит к нарушению герметичности из-за срыва вакуумной мембраны воздушными потоками в автоклаве.
На представленной технологической схеме (рис. 2) показан процесс формования деталей из ПКМ.
Ризб=0,08-0,09 МПа
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
Рис. 2. Технологическая схема формования детали ПКМ: 1 - оснастка; 2 - пакет слоев препрега; 3 - слои дренажной ткани; 4 - антиадгезионная пленка (цулага) с перфорацией; 5 - вакуумная пленка; 6 - герметизирующий жгут; 7 - вакуумная линия
Избыточное давление Ризб, воздействующее на деталь через пленку вакуумного мешка, зависит от остаточного давления Рвак в вакуумной линии и потерь Дпот за счет негерметичности всей системы. Обычно потери в вакуумном насосе и линии незначительны, поэтому Рвак>0,095 МПа, а допустимые значения Ризб должны быть не менее 0,08-0,095 МПа, т. е.
Ризб=Рвак-Дпот>0,08-0,095 МПа;
Дпот_Дплен+Доснастки+Дзона стыков,
где Дплен - потери давления из-за микротрещин, разрушения от температурного и манометрического режима, дефектов от производства пленки (посторонние включения) и др.; Доснастки - потери давления из-за негерметичности поверхности оснастки, дефектов на поверхности (риски, забоины, торцевые расслоения для КМ); Дзона стыков - потери давления из-за плохой липкости и пластичности герметизирующей ленты «Герлен», плохого контакта ленты с поверхностью пленки ППНТ и оснастки, связанного с плохим обезжириванием, а также из-за просчета в оформлении компенсационных зон, учитывающих профиль и габариты формуемой детали из ПКМ.
Таким образом, были выявлены основные причины, препятствующие обеспечению требуемой величины вакуума в системе оснастка-вакуумный мешок, и найдены пути их устранения, хотя создание гидрозатвора жидким клеем в зоне соединения вакуумного мешка с оснасткой ведет к повышению трудоемкости. Однако это повышение трудоемкости незначительно в сравнении со снижением трудоемкости при поиске мест негерметичности в системе оснастка-вакуумный мешок.
В.Т. Минаков, В.И. Постнов, Н.И. Швец, О.Б. Застрогина, В.И. Петухов, К.В. Макрушин
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ С ПОЛИМЕРНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ГОРЯЧЕГО ОТВЕРЖДЕНИЯ
Рассмотрены особенности технологии изготовления трехслойных сотовых панелей с полимерным заполнителем-сферопластом горячего отверждения ВПЗ-15. Показано преимущество применения заполнителей горячего отверждения в производстве панелей интеръера самолетов.
Ключевые слова: трехслойные сотовые панели, заполнителъ-сферопласт.
При изготовлении трехслойных сотовых панелей интерьера используется несколько видов компонентов: препреги на основе тканых наполнителей и полимерного связующего, из которых изготовляются обшивки (которые могут служить также носителем клеевой композиции), сотовые заполнители различных видов, предназначенные для придания панели высокой жесткости при минимальной массе, а также высокопрочный полимерный заполнитель-сферопласт (ВПЗ), предназначенный для заполнения ячеек сот по периметру панели и зон в местах установки элементов крепления с целью предотвращения повреждения в местах приложения сосредоточенных нагрузок (рис. 1).
Полимерный заполнитель -композиция, состоящая из дисперсных неорганических или органических веществ (наполнителей), равномерно распределенных в непрерывной фазе полимерной матрицы с образованием гетерофазной системы. Отличительной особенностью таких систем является образование границы раздела фаз наполнитель-полимер, которая также оказывает влияние на свойства полимерного заполнителя. Наполнители позволяют в широких пределах регулировать технологические (вязкость, липкость) и физико-механические свойства (плотность, прочность, модуль упругости, теплоизоляция) полимерных заполнителей. В качестве матрицы полимерного заполнителя используются эпоксидные или фенольные связующие. Наиболее часто наполнителями служат полые стеклянные микросферы, применение которых обусловлено их невысокой стоимостью и низкой плотностью, что дает возможность значительно снизить плотность готового полимерного заполнителя. Полимерные заполнители, применяющиеся в авиационных интерьерных панелях, должны быть легкими с плотностью в пределах 500-800 кг/м3 и иметь достаточную
а) б)
Рис. 1. Заполнение полимерным заполнителем-сферопластом торца трехслойной панели (а) и зоны под установку крепежа (б)
