Препреги и стеклопластики на основе связующего ВСР-3М и стеклотканей для применения в составе конструкций лопастей вертолетов

Введение

В настоящее время ведущие зарубежные производители вертолетов, такие как Eurocopter, Agusta Westland, Sikorsky, Bell, в своих разработках используют широкий спектр полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях лопастей несущих и рулевых винтов [1–3].

Применение ПКМ в конструкциях вертолета обусловлено рядом преимуществ по сравнению с металлами (алюминиевыми сплавами) [4–7], а именно:

– высоким уровнем удельных характеристик прочности как статической, так и длительной при относительно низкой плотности по сравнению с алюминиевыми сплавами;

– высокой стойкостью к концентраторам напряжений, технологическим и эксплуатационным дефектам, позволяющей иметь «мягкий и длительный» характер разрушений;

– отсутствием возможности коррозионных повреждений, которые у металлов приводят к возникновению усталостных трещин с последующим катастрофическим разрушением лопасти.

Преимущества лопастей из ПКМ по сравнению с металлическими общеизвестны, однако слабым звеном при производстве лопастей всегда являлись «недолгоживущие» препреги на основе связующих растворного типа – например, ЭДТ-10П (3–5 сут при температуре 20 °С), а также низкопроизводительная, экологически опасная, энергоемкая растворная технология их производства [8].

Кроме того, опыт эксплуатации вертолетов с лонжеронами несущих лопастей из стеклопластика ВПС-18 (на связующем ЭДТ-10) в странах с тропическим климатом показал наличие такого явления, как значительный «стояночный свес» лопастей, вызываемый изменением упруго-прочностных свойств материала при естественном нагреве, что, очевидно, связано с недостаточной теплостойкостью связующего ЭДТ-10П в стеклопластике ВПС-18 [9–11].

С учетом этих проблем для лопастей вертолетов нового поколения в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны и нашли применение препрег и однонаправленный стеклопластик конструкционного назначения марки ВПС-31 на основе стеклянного ровинга РВМПН10-1200-14 и расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М, работающий в диапазоне температур от –60 до +80 °С, включая условия эксплуатации, характеризующиеся повышенной температурой и влажностью (тропические условия) [12–15]. Изделия получают методом намотки или выкладки препрега с последующим формованием в автоклаве или прессе. Материал предназначен для изготовления силовых элементов летательных аппаратов, а также высоконагруженных изделий авиационной техники.

В связи с тем, что для реализации конструктивного решения по изготовлению современных лопастей из ПКМ необходим комплекс материалов на основе единого связующего и наполнителей не только однонаправленной, но и тканой структуры, возникла необходимость разработки препрегов и ПКМ на основе эпоксидного расплавного связующего ВСР-3М и тканых стеклонаполнителей различного функционального назначения типа Т-25(ВМП), Т-10 и стеклоткани артикула 120.

В данной статье представлены основные результаты выполнения работы по разработке таких материалов: описана последовательность действий при разработке препрегов, начиная с определения расчетных значений весового содержания связующего в препрегах, обеспечивающих в стеклопластиках заданный уровень свойств. Особое внимание уделено описанию процесса изготовления препрегов на основе расплавных связующих по технологии hot-melt на установке пропитки тканей расплавным методом. Описан процесс выбора основных параметров техпроцесса (температур и зазоров пропитывающих и калибрующих узлов установки), гарантирующих получение препрегов с расчетными весовыми характеристиками и в итоге получение стеклопластиков с заданными свойствами. Приведены результаты исследования свойств препрегов, полученных по выбранным технологическим режимам, и изготовленных из них стеклопластиков.

Материалы и методы

В данной работе разработаны и исследованы препреги и стеклопластики на основе расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М и стеклонаполнителей:

– конструкционной стеклоткани марки Т-25 (на основе высокопрочных волокон ВМП) для усиления комлевой части лопасти;

– конструкционной стеклоткани типа Т-10 (на основе нитей стекла Е) и стеклоткани артикула 120 для изготовления конструкций противообледенительной системы лопасти.

К разрабатываемым препрегампредъявлялось требование по величине отклонения показателя весового содержания связующего ВСР-3М – не более 4 % от выбранного номинала весового содержания, что должно обеспечить достаточную стабильность свойств в стеклопластиках.

Образцы разрабатываемых препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 изготавливали по расплавной технологии на установке пропитки тканей расплавным методом.

В процессе исследования технологических режимов изготовления отбирали пробы препрегов (по длине и ширине рулонов) размером 100×100 мм для определения физико-химических свойств препрегов по ГОСТ Р 56796–2015, ММ 1.595-11-138–2002 и ГОСТ Р 56755–2015.

Стеклопластики для проведения испытаний (в виде плит) изготавливали методом послойной выкладки заготовок препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 размером 300×300 мм со схемой армирования наполнителей [0°] и последующим формованием в высокотемпературном автоклаве. Из плит вырезали образцы для определения физико-механических свойств стеклопластиков, испытания проводили в соответствии с ГОСТ Р 56682–2015, ГОСТ Р 57739–2017 и ГОСТ Р 56785–2015.

Результаты и обсуждение

В связи с тем, что ПКМ на основе препрегов являются слоистыми материалами, структура которых образуется путем послойной выкладки листов препрега с ориентацией основы наполнителя в соответствии с заданной конструктором схемой армирования, отвечающей схеме нагружения изделия, главным вопросом для конструктора при выборе такого материала для изготовления конкретного изделия из ПКМ является вопрос ‒ что представляет собой монослой и каковы его свойства? Монослой (точнее, его толщина или толщина слоя отвержденного препрега) и заданное количество слоев будут определять геометрические параметры изделия, а стабильность этих параметров ПКМ – разбросом значений показателя толщины монослоя. Что касается свойств монослоя, то их уровень будет определяться соотношением «связующее‒армирующий наполнитель». В препрегах это соотношение характеризуется показателем весового содержания, или массовой доли связующего в препреге. В композитах основной характеристикой соотношения «связующее–армирующий наполнитель» является показатель объемного содержания наполнителя. Эта важнейшая характеристика используется в процессе разработки ПКМ при прогнозировании (с использованием закона аддитивности) его физико-механических свойств (плотности, упруго-прочностных свойств, толщины монослоя).

С целью выбора оптимального соотношения «связующее–армирующий наполнитель» в препрегах и ПКМ на первом этапе работы проведен расчет номинальных значений массовой доли связующего в каждом из разрабатываемых препрегов, исходя из типового объемного содержания наполнителя в стеклопластиках конструкционного назначения ~50 %. Соответствующая этому показателю массовая доля связующего, как правило, обеспечивает в изделии получение сплошной, монолитной, беспористой структуры (связующего для этого вполне достаточно), и в то же время упруго-прочностные свойства композита достаточно высоки. Необходимые расчеты выполняли с использованием формул, приведенных в ГОСТ Р 56682–2015. Таким образом, расчетные номинальные значения массовой доли связующего составили:

– для стеклопластика на основе препрега ВСР-3М/Т-25: ~32 %;

– для стеклопластика на основе препрега ВСР-3М/Т-10: ~32 %;

– для стеклопластика на основе препрега ВСР-3М/120: ~36 % (содержание связующего было увеличено, так как данный материал является не конструкционным, а электроизоляционным, для которого типовое объемное содержания наполнителя ~45 %).

В связи с тем, что связующие расплавного типа (в отличие от растворных связующих) практически не вытекают при формовании изделий, полученные значения массовой доли связующего в стеклопластиках можно принять также для препрегов в качестве исходных данных для проведения исследований с целью отработки технологических режимов получения препрегов с заданной (расчетной) массовой долей связующего, причем эти значения при необходимости можно скорректировать по результатам испытаний физико-механических свойств ПКМ.

С учетом того, что отклонение по массовой доле связующего в каждом из препрегов не должно превышать 4 % от выбранного номинала, необходимо провести исследования и окончательно выбрать технологические режимы изготовления, обеспечивающие получение препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 с массовой долей связующего в пределах 32±4 % и препрега ВСР-3М/120 с – в пределах 36±4 %.

Исследование технологических режимов изготовления препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 проводили на пропиточной установке расплавным методом. Процесс изготовления препрегов на основе расплавных связующих по технологии hot-melt на этой установке заключается в ряде последовательных операций, заложенных в технологический процесс ее работы: нанесение расплава связующего на бумажные технологические подложки (коутеры), совмещение пленки связующего с армирующим наполнителем с помощью серии нагревательных столов и каландров, охлаждение препрега на «холодном» столе, удаление технологических бумажных подложек с помощью деламинатора, нанесение защитной полиэтиленовой пленки с помощью валов ламинатора и намотке готового препрега на картонную гильзу на намоточном устройстве.

Технологические режимы изготовления препрегов представляют собой совокупность параметров пропиточной установки для пропитки тканей расплавным методом: температур нагрева валов устройств нанесения связующего из расплава (коутеров) и вспомогательных нагревательных плит, температур и зазоров калибрующих устройств установки (валов и каландров), скорости протяжки ленты препрега (скорости линии). Эти параметры должны обеспечить достаточную стабильность реологических свойств расплава связующего в процессе нанесения его на подложку для получения препрегов с заданными весовыми характеристиками (поверхностной плотностью препрега и массовой долей связующего в нем); качественную пропитку наполнителей, которые позволят изготовить изделия из ПКМ на основе данных препрегов монолитной, беспористой структуры и с требуемым (заданным) уровнем физико-механических характеристик, а также  иметь приемлемую производительность процесса. При этом (в данном конкретном случае) указанные параметры техпроцесса должны обеспечивать стабильное содержание связующего ВСР-3М с отклонениями от выбранного номинального значения не более ±4 %.

Перед началом исследований с целью выбора оптимальных технологических режимов изготовления препрегов на установке пропитки тканей расплавным методом, обеспечивающих получение расчетных номинальных значений массовой доли связующего, предварительно выполнен ряд необходимых расчетов величин:поверхностных плотностей пленки связующего в препрегах,поверхностных плотностей самих препрегов, толщин монослоя стеклопластиков.

Расчет значений параметра поверхностной плотности пленки связующего выполняли исходя из расчетных номинальных значений массовой доли связующего и поверхностной плотности каждого наполнителя (с учетом разброса этого показателя в пределах требований соответствующих технических условий на стеклоткани). Получены следующие интервалы допустимых значенийповерхностной плотности пленки связующего, которые использовались при пропитке для настройки зазора между валами устройств нанесения (коутеров) расплава связующего ВСР-3М на бумажную подложку:

– для препрега ВСР-3М/Т-25: 164–180 г/м²;

– для препрега ВСР-3М/Т-10: 131–141 г/м²;

– для препрега ВСР-3М/120: 56–62 г/м².

Расчет прогнозируемой толщины монослоя [16] стеклопластиков на основе разрабатываемых препрегов проводили на основе значений поверхностной и объемной плотности каждого наполнителя и его объемного содержания в композите.

Полученные величины использовали для установления оптимальных зазоров калибрующих устройств установки (валов и каландров). Зазоры в каландрах обеспечивают равномерное распределение связующего в препрегах и качественное совмещение с наполнителями, зазоры в ламинаторах ‒ совмещение (прикатку) наполнителя с бумажными подложками и полиэтиленовой защитной пленкой. Все зазоры определяли для каждого препрега исходя из толщины монослоя его стеклопластика с учетом толщин бумажной подложки и полиэтиленовой пленки.

Получены следующие расчетные значения толщин монослоя:

– для препрега ВСР-3М/Т-25: 0,28 мм;

– для препрега ВСР-3М/Т-10: 0,23 мм;

– для препрега ВСР-3М/120: 0,09 мм.

Расчет величины поверхностной плотности препрегов проводили для каждого препрега исходя из выбранного номинала массовой доли связующего и поверхностной плотности соответствующей стеклоткани. По этому показателю контролировали правильность выбранных параметров техпроцесса. Получены следующие значения требуемой поверхностной плотности препрегов:

– для препрега ВСР-3М/Т-25: 515–560 г/м²;

– для препрега ВСР-3М/Т-10: 408–446 г/м²;

– для препрега ВСР-3М/120: 154–175 г/м².

В случае, когда поверхностная плотность препрега не соответствала данным пределам, проводили корректировку зазора между валами коутеров. При этом в процессе отработки режимов визуально оценивали качество пропитки, дополнительно корректируя зазоры в калибрующих устройствах пропиточной установки (каландрах и ламинаторах) и меняя скорость протяжки.

Температуры нагрева валов устройств нанесения связующего из расплава (коутеров), температуры вспомогательных нагревательных плит и калибрующих устройств установки (валов и каландров) выбирали исходя из реологических свойств связующего ВСР-3М в диапазоне температур от 60 до 135 °C, и его реакционной способности, определенной ранее [8] методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термомеханического анализа. В процессе отработки технологических режимов изготовления разрабатываемых препрегов установлено, что при температуре коутера меньше требуемой качественная пропитка возможна лишь на низких скоростях, что непроизводительно, а при более высокой температуре начинается неконтролируемое нарастание вязкости расплава связующего между валами коутеров вследствие начинающейся полимеризации и весь процесс пропитки становится нестабильным.

Температуру каландров и нагревательных столов также выбирали в соответствии с реологическими характеристиками связующего ВСР-3М. В процессе пропитки установлено, что при температурах плит и каландров меньше требуемой качество пропитки наполнителя становится неудовлетворительным (визуально), и в стеклопластике на основе такого препрега существует вероятность возникновения дефектов (непропитанных областей, повышенной пористости) и, как следствие, снижения прочностных характеристик ПКМ. При температурах плит и каландров больше необходимой препрег становился недостаточно технологичным – более жестким и менее липким.

В соответствии с выбранными технологическими параметрами процессов пропитки на установке для пропитки тканей расплавным методом изготовлены препреги и исследованы их весовые характеристики (табл. 1). Приведены также показатели реакционной способности связующего и время гелеобразования связующего в препрегах.

Таблица 1

Свойства препрегов на основе расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М

и стеклонаполнителей конструкционного и функционального назначения –

тканей марок Т-25, Т-10 и артикула 120

Установлено, что поверхностная плотность изготовленных препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 укладывается в интервалы расчетных значений данного параметра, что свидетельствует о правильности выбранных значений параметров техпроцесса изготовления препрегов. Массовая доля связующего в препрегах не выходит за пределы 32±4 % – для препрегов ВСР-3М/Т-25, ВСР-3М/Т-10 и 36±4 % – для препрега ВСР-3М/120.

Из полученных препрегов в высокотемпературном автоклаве изготовили опытные партии плит стеклопластиков со схемой армирования наполнителей [0°], из которых вырезали образцы и провели испытания. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства стеклопластиков на основе препрегов ВСР-3М/Т-25(ВМП),

ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 в сравнении с аналогами

Анализ результатов, представленных в табл. 2, показывает, что по уровню механических свойств стеклопластики на основе разработанных препрегов ВСР-3М/Т-25(ВМП), ВСР-3М/Т-10 и ВСР-3М/120 практически не уступают материалам-аналогам, применяемым в конструкциях лопастей вертолетной техники, и превосходят их по теплостойкости.

Заключения

Разработанные препреги ПКМ на основе расплавного связующего ВСР-3М и российских наполнителей (конструкционной стеклоткани марки Т-25 (на основе волокон ВМП), стеклотканей типа Т-10 и артикула 120 (на основе нитей стекла Е)) и технологии их изготовленияобеспечивают в стеклопластиках на их основе характеристики прочности и жесткости при растяжении на уровне аналогов по применению и могут быть рекомендованы для применения в конструкциях лопастей – особенно в конструкциях, лонжерон которых изготовлен из однонаправленного стеклопластика марки ВПС-31 на основе стеклянного ровинга РВМПН10-1200-14 и связующего ВСР-3М. При этом материалы на основе связующего ВСР-3М имеют большое преимущество по теплостойкости, что обеспечивает надежность работы изделий в условиях эксплуатации, характеризующихся повышенной температурой и влажностью. Кроме того, применение разработанных препрегов позволит существенно снизить выбросы в атмосферу вредных веществ благодаря использованию расплавного эпоксидного связующего ВСР-3М в технологии их изготовления.