ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРА КАЛАНДРОВ НА СОХРАНЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ПРИ ПРОПИТКЕ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ПРЕПРЕГА

Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2020-0-9-61-67
УДК 678.747.2
Ю. А. Гусев, О. Н. Твердая
ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРА КАЛАНДРОВ НА СОХРАНЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ПРИ ПРОПИТКЕ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ПРЕПРЕГА

Приведены результаты работ, выполненных во ФГУП «ВИАМ» в рамках исследований влияния зазора каландров на сохранение свойств углеродного волокна при пропитке однонаправленного препрега. Представлены прочностные свойства при растяжении углепластика на основе однонаправленного препрега, изготовленного без зазора и с зазором каландров. В результате можно заключить, что для выбранных объектов исследования такой технологический параметр, как зазор, при пропитке однонаправленных материалов не оказывает влияния на сохранение прочностных характеристик углеродного волокна.

Ключевые слова: полимерный композиционный материал, расплавное связующее, углеродные жгуты, пропитка, однонаправленный препрег, автоклавное формование, углепластик, прочностные свойства полимерных композиционных материалов, polymer composite material, melt binder, carbon tows, impregnation, unidirectional prepreg, autoclave molding, carbon fiber, strength properties of polymer composite materials.

Введение

Значительную часть полимерных композиционных материалов (ПКМ), применяемых в деталях и узлах авиационной техники, изготавливают из расплавных препрегов. Расплавные препреги, по сравнению с растворными, имеют ряд существенных преимуществ, таких как возможность получения более точного содержания связующего в препрегах, отсутствие в препреге летучих растворителей, что позволяет исключить появление повышенной пористости в пластиках, а также сократить выбросы вредных веществ в атмосферу [1–4].

Препрег представляет собой полуфабрикат, состоящий из тканого или однонаправленного (жгутового) наполнителя на основе углеродных, стеклянных, органических волокон или их сочетаний, пропитанного термореактивным (расплавным или растворным) или термопластичным связующим. Расплавные препреги получают на специализированных пропиточных линиях. В зависимости от конструкции пропиточные линии могут или обеспечивать совмещение готовой пленки расплавного связующего с наполнителем, или непосредственно получать пленку связующего с различной поверхностной плотностью и совмещать с наполнителем в процессе пропитки одновременно. Пропиточные линии, обеспечивающие одновременное получение пленки расплавного связующего и совмещение ее с наполнителем, являются более производительными и менее трудоемкими в части процесса получения готового препрега, применяемого для изготовления деталей и узлов авиационной техники [5–8].

В данной статье представлены результаты работы по изготовлению однонаправленного препрега на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) и расплавного связующего ВСЭ-1212 производства ФГУП «ВИАМ» на пропиточной линии, позволяющей одновременно получать пленку расплавного связующего и совмещать ее с наполнителем.

Принципиальная схема работы такой пропиточной машины следующая. Подогретые брикеты связующего помещают в узел нанесения связующего (коутер), где оно доводится до нужной температуры, а затем через систему валов коутера переносится в виде пленки на силиконизированные бумажные подложки, которые в свою очередь совмещаются с наполнителем. Далее для обеспечения пропитки наполнитель, совмещенный с подложками, проходит через систему ламинаторов, каландров и нагревательных столов. Ламинаторы обеспечивают совмещение подложек с наполнителем, каландры за счет выставленных зазоров – степень пропитки наполнителя расплавным связующим, а нагревательные столы – поддержание требуемой температуры в процессе получения препрега. После прохода последнего каландра подложки могут быть отобраны от пропитанного наполнителя, и готовый препрег совмещается с полиэтиленовой пленкой, проходя через еще один ламинатор. В данном случае полиэтиленовая пленка служит для разделения слоев препрега в рулоне между собой. Однако возможен и вариант с отбором только одной бумажной подложки и заменой ее на полиэтиленовую пленку.

При пропитке однонаправленных материалов важным технологическим параметром является зазор каландров. При правильно подобранном значении зазоров совмещенная с наполнителем пленка расплавного связующего не остается на поверхности наполнителя, а входит внутрь наполнителя, тем самым пропитывая его. Зазоры каландров также влияют на равномерность распределения наполнителя в препреге – при слишком больших зазорах возможно образование в структуре препрега зазоров между жгутами, т. е. участков препрега, не заполненных наполнителем [9–11].

При изготовлении однонаправленных препрегов на основе углеродных волокон при пропитке без зазора каландров существует вероятность повреждения однонаправленного наполнителя и, как следствие, снижения его упруго-прочностных свойств.

 

Материалы и методы

Для оценки вероятности повреждения углеродного волокна при пропитке без зазора каландров решено изготовить однонаправленный препрег на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K и расплавного связующего ВСЭ-1212 при зазоре и без зазора каландров [12, 13].

Основные упруго-прочностные характеристики среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) [14]:

Количество элементарных волокон (филаментов)

12000

Удлинение при разрыве, %

1,9

Плотность, г/см3

1,8

Предел прочности при растяжении при температуре 20 °С, МПа

5516

Модуль упругости при растяжении при температуре 20 °С, ГПа

290

По результатам анализа массива данных по упруго-прочностным испытаниям однонаправленных ПКМ разработки ФГУП «ВИАМ» видно, что наблюдается следующая тенденция: значения прочностных характеристик при растяжении материалов, полученных на основе однонаправленных препрегов, в направлении приложения нагрузки вдоль основы в среднем в два раза меньше значений применяемого исходного углеродного волокна. На основании этого можно предположить, что средние значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы углепластика, изготовленного на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, будут находиться в диапазоне от 2700 до 2900 МПа и от 140 до 160 ГПа соответственно. В случае существенного повреждения углеродного волокна в процессе пропитки полученные значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы будут существенно ниже приведенных прогнозов [15].

Препрег ВСЭ-1212/H3055 (рис. 1) изготавливали на пропиточной установке Coateama BL-2800, оснащенной двумя каландрами. Вначале установили зазор обоих каландров в диапазоне от 0,40 до 0,50 мм. Затем зазор обоих каландров уменьшили до 0 мм (без зазора) и также изготовили необходимое количество препрега. В итоге оба препрега произвели из одних и тех же партий углеродного волокна и расплавного связующего и в рамках одной и той же пропитки, все остальные параметры пропиточной установки оставались одинаковыми.

 

 

Рис. 1. Препрег ВСЭ-1212/Н3055

 

Полученные препреги раскроили на заготовки для сборки пакетов с использованием автоматизированного раскройного комплекса фирмы Zund (Швейцария), затем из них собрали пакеты для автоклавного формования и провели их вакуумирование. После вакуумирования осуществили автоклавное формование плит углепластика ВСЭ-1212/H3055 по одинаковому режиму. Полученные плиты разрезали на заготовки и приформовали к ним накладки из стеклотекстолита.

Использование накладок при испытаниях углепластиков на основе однонаправленных армирующих наполнителей необходимо для исключения повреждения образцов при испытаниях, обеспечения надежного захвата и устранения проскальзывания в зажимах испытательной машины, что позволяет получить достоверные значения свойств испытываемых материалов.

Заготовки с накладками разрезали на образцы на станке с ЧПУ при постоянном водяном охлаждении в процессе резки, что исключает их перегрев при воздействии на образцы режущего инструмента. Перегрев полимерных композиционных материалов на основе термореактивных расплавных связующих может привести к изменению свойств их полимерной матрицы и, как следствие, к ухудшению упруго-прочностных характеристик самого материала [16].

В случае повреждения углеродного волокна при пропитке без зазора каландров значения предела прочности и модуля упругости при растяжении углепластика с поврежденным углеродным волокном могут быть ниже, чем те же значения углепластика с целым углеродным волокном. Для проверки данного предположения образцы, изготовленные из обоих препрегов, испытали на определение предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы по стандарту ASTM D3039. Решение провести испытания материала на растяжение приняли в связи с тем, что при рассматриваемом методе нагружения основная нагрузка приходится на наполнитель (углеродные волокна) и, как следствие, этот метод позволяет наиболее точно оценить свойства непосредственно углеродного волокна в составе материала.

 

Результаты и обсуждение

В ходе работы по стандарту ASTM D3039 исследовали упруго-прочностные свойства углепластика (предел прочности и модуль упругости при растяжении вдоль основы при температурах 20 и 120 °С), полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором каландров.

Полученные характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055 приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега

с зазором каландров, при комнатной и повышенной температурах

Температура

испытания, °С

Предел прочности при растяжении вдоль основы, МПа

Модуль упругости при растяжении вдоль основы, ГПа

20

2810

165

2910

165

2440

160

2840

175

2750

165

2730

165

2720

165

2640

160

2730*

165*

120

2500

165

2630

160

2550

165

2640

160

2580

160

2100

160

2640

160

2410

165

2506*

162*

* Среднее значение.

 

Полученные характеристики рассматриваемого углепластика, изготовленного из препрега без зазора каландров, приведены в табл. 2.

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором и без зазора каландров, в графическом виде представлены на рис. 2 и 3.

Таблица 2

Характеристики углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега

без зазора каландров, при комнатной и повышенной температурах

Температура

испытания, °С

Предел прочности при растяжении вдоль основы, МПа

Модуль упругости при растяжении вдоль основы, ГПа

20

2720

170

2680

160

2770

170

2670

165

2820

165

2580

160

2720

165

2650

160

2701*

164*

120

2740

155

2820

160

2680

160

2580

160

2690

165

2650

165

2460

160

2660*

161*

* Среднее значение.

 

 

Рис. 2. Предел прочности при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055,
изготовленного из препрега с зазором и без зазора каландров

 

 

Рис. 3. Модуль упругости при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055,
изготовленного из препрега с зазором и без зазора каландров

На основе полученных данных определены характеристики статистического разброса свойств (среднеквадратичное отклонение и коэффициент вариации), которые приведены в табл. 3 и 4. Определено также сохранение свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055 при испытаниях при комнатной и повышенной температурах.

 

Таблица 3

Характеристики статистического разброса свойств

углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега с зазором каландров,

при комнатной и повышенной температурах

Свойства

Температура

испытания, °С

Среднее

значение

Среднеквадратичное

отклонение

Коэффициент вариации, %

Предел прочности при растяжении вдоль основы, МПа

20

2730

143,23

5,25

120

2506

182,36

7,28

Модуль упругости при растяжении вдоль основы, ГПа

20

165

4,63

2,81

120

162

2,59

1,6

 

Таблица 4

Характеристики статистического разброса свойств

углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного из препрега без зазора каландров,

при комнатной и повышенной температурах

Свойства

Температура

испытания, °С

Среднее

значение

Среднеквадратичное

отклонение

Коэффициент вариации, %

Предел прочности при растяжении вдоль основы, МПа

20

2701

73,96

2,74

120

2660

115,33

4,34

Модуль упругости при растяжении вдоль основы, ГПа

20

164

4,17

2,54

120

161

3,45

2,15

 

Результаты испытаний по определению предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы углепластика ВСЭ-1212/H3055 при температуре 120 °С показывают, что сохранение свойств составляет 98% относительно среднего значения каждой характеристики, полученной при температуре 20 °С.

Полученные низкие коэффициенты вариации свидетельствуют о небольшом разбросе значений, что подтверждает стабильность свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055.

 

Заключения

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что упруго-прочностные свойства (предел прочности и модуль упругости при растяжении вдоль основы при температурах 20 и 120 °С) углепластика ВСЭ-1212/H3055, полученного из препрега на основе корейского углеродного волокна H3055 и расплавного связующего ВСЭ-1212, изготовленного на пропиточной линии Coateama BL-2800 с зазором каландров, находятся на одном уровне с показателями рассматриваемых упруго-прочностных свойств углепластика ВСЭ-1212/H3055, изготовленного без зазора каландров.

Следует также отметить, что полученные значения предела прочности и модуля упругости при растяжении вдоль основы препрега обеих партий находятся в спрогнозированном диапазоне – от 2900 до 2700 МПа и от 160 до 140 ГПа соответственно, что позволяет сделать вывод об отсутствии каких-либо существенных повреждений углеродного волокна в процессе пропитки, как с зазором, так и без зазора каландров.

Кроме того, такой технологический параметр, как зазор каландров, при пропитке исследованного однонаправленного материала на основе среднемодульного углеродного волокна H3055-12K производства фирмы Hyosung (Республика Корея) и расплавного связующего ВСЭ-1212 производства ФГУП «ВИАМ» не оказывает влияния на сохранение упруго-прочностных характеристик углеродного волокна.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Борщев А.В., Хрульков А.В., Халтурина Д.С. Изготовление низкопористого полимерного композиционного материала для применения в слабо- и средненагруженных конструкциях // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2014. №7. Ст. 03 URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 02.06.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-3-3.
2. Lo J., Nutt S. Method for in situ analysis of volatiles generated during cure of composites // Composites. Part A. 2019. V. 123. August. P. 141–148.
3. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
4. Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. 2019. №7–8. С. 54–58.
5. Ali R., Iannace S., Nicolais L. Effects of processing conditions on the impregnation of glass fibre mat in extrusion/calendering and film stacking operations // Composites Science and Technology. 2003. Vol. 63. Issue 15. P. 2217–2222.
6. Раскутин А.Е. Российские полимерные композиционные материалы нового поколения, их освоение и внедрение в перспективных разрабатываемых конструкциях // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 349–367. DOI 10.18577/2071-9140-2017-0-S-349-367.
7. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36–39.
8. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения // Защита и безопасность. 2014. №4. С. 28–29.
9. Сатдинов Р.А., Вешкин Е.А., Постнов В.И., Стрельников С.В. О технологии изготовления препрега // Клеи, герметики и технологии. 2020. №4. С. 26–31. DOI: 10.31044/1813-7008-2020-0-4-26-3.
10. Раскутин А.Е. Стратегия развития полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 344–348. DOI 10.18577/2071-9140-2017-0-S-344-348.
11. Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Бабин А.Н., Мухаметов Р.Р., Панина Н.Н. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. №2. С. 37–42.
12. Платонов А.А., Душин М.И. Конструкционный углепластик ВКУ-25 на основе однонаправленного препрега // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2015. №11. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 02.06.2020). DOI: 0.18577/2307-6046-2015-0-11-6-6.
13. Гуняева А.Г., Сидорина А.И., Курносов А.О., Клименко О.Н. Полимерные композиционные материалы нового поколения на основе связующего ВСЭ-1212 и наполнителей, альтернативных наполнителям фирм Porcher Ind. и Toho Tenax // Авиационные материалы и технологии. 2018. №3 (52). С. 18–26. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-18-26.
14. Hyosung Advanced Materials Product catalogue. 2020. URL:http://www.hyosungadvancedmaterials.com/resources/front/en/files/tansome_catalog_2020.pdf (дата обращения: 02.06.2020).
15. Старцев В.О., Махоньков А.Ю., Котова Е.А. Механические свойства и влагостойкость ПКМ с повреждениями // Авиационные материалы и технологии. 2015. №S1. С. 49–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-49-55.
16. Исходжанова И.В., Быценко О.А., Антюфеева Н.В., Столянков Ю.В. Оценка влияния различных видов реза на качество поверхности образцов из полимерных композиционных материалов методом количественного анализа видеоизображений // Композиты и наноструктуры. 2014. Т. 6. №4. С. 238–244.
1. Borshchev A.V., Khrulkov A.V., Halturina D.S. Manufacturing polymer composite material with low porosity for use in low- and mediumloaded structures. Trudy VIAM, 2014, no. 7, paper no. 03. Available at: http://viam-works.ru (accessed: June 2, 2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-3-3.
2. Lo J., Nutt S. Method for in situ analysis of volatiles generated during cure of composites. Composites Part A, 2019, vol. 123, pp. 141–148.
3. Kablov E.N. Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030». Aviacionnye materialy i tehnologii, 2015, no. 1 (34), pp. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
4. Kablov E.N. VIAM: new generation materials for PD-14. Krylya Rodiny, 2019, no. 7-8, pp. 54–58.
5. Ali R., Iannace S., Nicolais L. Effects of processing conditions on the impregnation of glass fiber mat in extrusion/calendering and film stacking operations. Composites Science and Technology, 2003, vol. 63, is, 15m pp. 2217–2222.
6. Raskutin A.E. Russian polymer composite materials of new generation, their exploitation and implementation in advanced developed constructions. Aviacionnye materialy i tehnologii, 2017, no. S, pp. 349–367. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-349-367.
7. Kablov E.N. Composites: Today and Tomorrow. Metally Evrazii, 2015, no. 1, pp. 36–39.
8. Kablov E.N. New generation materials. Zashchita i bezopasnost, 2014, no. 4, pp. 28–29.
9. Satdinov R.A., Veshkin E.A., Postnov V.I., Strelnikov S.V. About prepreg manufacturing technology. Klei, germetiki. Tekhnologii, 2020, no. 4, pp. 26–31. DOI: 10.31044/1813-7008-2020-0-4-26-3.
10. Raskutin A.E. Development strategy of polymer composite materials. Aviacionnye materialy i tehnologii, 2017, no. S, pp. 344–348. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-344-348.
11. Kablov E.N., Chursova L.V., Babin A.N., Mukhametov R.R., Panina N.N. Developments of FSUE «VIAM» in the field of melt binders for polymer composite materials. Polimernye materialy i tekhnologii, 2016, vol. 2, no. 2, pp. 37–42.
12. Platonov A.A., Dushin M.I. Carbon composites VKU-25 based on unidirectional prepregs. Trudy VIAM, 2015, no. 11, paper no. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: June 2, 2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-6-6.
13. Gunyayeva A.G., Sidorina A.I., Kurnosov A.O., Klimenko O.N. Polymeric composite materials of new generation on the basis of binder VSE-1212 and the filling agents alternative to ones of Porcher Ind. and Toho Tenax. Aviacionnye materialy i tehnologii, 2018, no. 3 (52), pp. 18–26. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-18-26.
14. Hyosung Advanced Materials Product catalog. 2020. Available at: http://www.hyosungadvancedmaterials.com/resources/front/en/files/tansome_catalog_2020.pdf (accessed: June 02, 2020).
15. Startsev V.O., Mahonkov A.Yu., Kotova E.A. Mechanical properties and moisture resistance of PCM with damages. Aviacionnye materialy i tehnologii, 2015, no. S1, pp. 49–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-49-55.
16. Ishodzhanova I.V., Bytsenko O.A., Antyufeeva N.V., Stolyankov Yu.V. Assessment of the influence of various types of cut on the surface quality of samples made of polymer composite materials by the method of quantitative analysis of video images. Kompozity i nanostruktury, 2014, vol. 6, no. 4, pp. 238–244.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.