Введение

Развитие авиационной техники невозможно без совершенствования и внедрения новых материалов и технологий их производства. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) прочно завоевали место среди конструкционных материалов в авиационной промышлености [1]. Их применение взамен металлических сплавов обеспечивает снижение массы конструкций, повышение ресурса эксплуатации, снижение трудоемкости изготовления и материалоемкости. Снижение массы авиационных конструкций благодаря применению новых материалов дает возможность снизить потребление топлива, увеличить полезную нагрузку (количество пассажиров и полезного груза) [2–4].

Зарубежные фирмы, такие как Airbus и Boeing, проводят исследования с целью увеличения объема применения углепластиков до 60% массы конструкции летательных аппаратов. В настоящее время фирма Airbus является лидером по объему применения ПКМ. В конструкции самолета А350 они составляют 53% массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы применения углепластиков в элементах конструкции новых изделий: ОАО Компания «Сухой» – в SSJ NG и ОАО «Корпорация „Иркут”» – в МС-21. Решение этой задачи вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и современного уровня развития технологий [5].

В настоящее время в России и за рубежом проводятся исследования, направленные на разработку материалов и технологий, позволяющих снизить затраты при изготовлении изделий из ПКМ [6, 7]. Это связано с тем, что для изготовления высоконагруженных авиационных конструкций из ПКМ используют преимущественно метод автоклавного формования. Недостатком автоклавного метода формования изделий является необходимость предварительного изготовления препрегов, что требует дополнительных трудо- и энергозатрат и снижает экологическую безопасность производства. При автоклавном формовании также невозможно изготовить детали с высоким качеством внешней и внутренней поверхности.

За рубежом для изготовления ПКМ широко применяют технологию пропитки под давлением (RTM), которая позволяет изготавливать детали сложной формы за одну технологическую операцию без предварительного изготовления препрега. Детали, изготавливаемые методом RTM, имеют высокую точность по геометрии и толщине и хорошее качество поверхности как с внешней, так и с внутренней стороны. Использование метода пропитки под давлением позволяет автоматизировать производство, улучшить условия труда и повысить качество продукции [8–11].

При изготовлении деталей методом RTM полимерное связующее поступает под давлением в герметичную форму, в которой находится сухой пакет армирующего волокнистого наполнителя (рис. 1). Затем осуществляется отверждение связующего при повышенной температуре, после чего готовая деталь извлекается из формы. Связующие, которые используются для изготовления деталей методом пропитки под давлением, должны отвечать определенным требованиям по уровню вязкости (≤0,5 Па·с) и иметь необходимую для проведения технологического процесса жизнеспособность [12–14].

Рис. 1. Схема изготовления детали из ПКМ методом пропитки под давлением (RTM)

При выборе технологических параметров изготовления деталей методом RTM важно обеспечить равномерное распределение связующего в объеме армирующего наполнителя, исключить возможность образования пустот, пор и непропитанных участков, поскольку любое нарушение монолитности композиционного материала может привести к снижению его работоспособности в условиях воздействия факторов внешней среды в процессе хранения и эксплуатации.

Целью данной работы является исследование стабильности свойств углепластика, полученного методом пропитки под давлением, при воздействии факторов внешней среды (температуры и повышенной влажности) и эксплуатационных жидкостей (топливо, масло).

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом RTM конструкционный углепластик ВКУ-35 на основе равнопрочной углеродной ткани российского производства с поверхностной плотностью 240±40 г/м² и модифицированного эпоксидного связующего марки ВСЭ-17. Физико-механические характеристики углепластика ВКУ-35 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства конструкционного углепластика ВКУ-35,

изготовленного методом пропитки под давлением

Углепластик ВКУ-35 предназначен для эксплуатации при температуре от -60 до +150°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-35 при максимальной рабочей температуре 150°С составляет: 100% – для предела прочности при растяжении, 81% – для предела прочности при сжатии, 89% – для предела прочности при изгибе.

 Рис. 2. Внешний вид углепластика ВКУ-35

Равнопрочная углеродная ткань, использованная для армирования углепластика ВКУ-35 (рис. 2), наиболее пригодна для изготовления деталей методом RTM. При ее применении в качестве армирующего наполнителя значительно упрощается процесс сборки и пропитки пакетов для деталей сложной формы, чем при использовании однонаправленных углеродных армирующих наполнителей. Связующее ВСЭ-17, разработанное в ВИАМ применительно к технологии RTM, имеет необходимые технологические характеристики: вязкость связующего при нагреве до температуры переработки (95°С) составляет ˂0,5 Па·с (рис. 3, а) и жизнеспособность связующего при этой температуре составляет 135 мин (рис. 3, б), что достаточно для проведения процесса пропитки под давлением.

Рис. 3. Зависимость вязкости связующего ВСЭ-17 от температуры (а) и продолжительности нагрева при температуре 95°С (б)

Образцы углепластика ВКУ-35 для проведения исследований изготавливали  на оборудовании фирмы Magnum Venus Plastech Ltd.

При эксплуатации и хранении изделия из ПКМ подвергаются воздействию температуры и влажности окружающего воздуха. В зависимости от конкретного применения изделия из ПКМ подвергаются либо длительному и непрерывному воздействию температуры и влажности окружающего воздуха, либо кратковременным воздействиям этих факторов. Значения температуры и влажности зависят от климатической зоны и ряда других факторов, непосредственно связанных с назначением изделия и, следовательно, с условиями эксплуатации. О стойкости ПКМ к совместному или последовательному воздействию температуры и влажности можно судить по изменению их эксплуатационных свойств. Испытания на стойкость полимерных материалов или изделий из них к воздействию температуры и влаги, которое может быть весьма разнообразным как по интенсивности, так и по продолжительности, проводятся в специальных автоматических тепловлажностных камерах [15–19].

Исследование влияния внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-35 проводили в указанных ниже условиях:

– тепловое старение – в воздушном термостате при температуре 150°С (максимальное отклонение температуры от заданного для термостата значения не превышало ±0,5°С);

– ускоренное тепловлажностное старение – в соответствии с ГОСТ 9.707–81 при температуре 60°С и относительной влажности 85% в камере «Climats» (Франция) с автоматическим поддержанием заданного режима испытаний (погрешность поддержания температуры составляла ±2°С, погрешность влажности: ±3%); после экспозиции в камере определяли прочность углепластика при сжатии;

– климатическое старение – в камере тропического климата по циклическому режиму испытаний: 8 ч (при 50±5°С, j=100%)+12 ч (при 20±5°С, j=100%)+8 ч (при 20±5°С, j=65%), который имитирует тепловлажностное воздействие, характерное для тропического климата; после экспозиции в камере определяли прочность углепластика при сжатии;

– влагостойкость исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре и влажности 98%; затем определяли изменение предела прочности углепластика при сжатии и привес образца в результате поглощения влаги в соответствии с ГОСТ 4650–80;

– водостойкость исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в воде; затем определяли изменение предела прочности углепластика при сжатии и привес образца в результате поглощения воды в соответствии с ГОСТ 4650–80;

– топливостойкость исследовали после выдержки в течение 30 сут при комнатной температуре в топливе ТС-1; затем определяли изменение предела прочности при сжатии и привес образца в результате сорбции топлива в соответствии с ГОСТ 12020–72;

– маслостойкость исследовали после выдержки в течение 30 сут при комнатной температуре в масле ИПМ-10; затем определяли изменение предела прочности при сжатии и привес образца в результате сорбции в соответствии с ГОСТ 12020–72.

Механические испытания углепластиков проводили на испытательных машинах Тиратест-2200 и RKM-50 в соответствии с ГОСТ 25.602–80 (предел прочности при сжатии).

Результаты

В табл. 2 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-35 после экспозиции в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в течение 90 сут уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-35 при сжатии составляет 82 (при 20°С) и 69% (при испытании при рабочей температуре 150°С) по сравнению с исходными значениями при указанных температурах.

В табл. 3 представлены результаты испытаний углепластика ВКУ-35 после экспозиции в камере тропического климата. Установлено, что после экспозиции в этих условиях в течение 90 сут уровень сохранения прочности углепластика ВКУ-35 при сжатии составляет 88 (при 20°С) и 80% (при испытании при рабочей температуре 150°С) по сравнению с исходными значениями при указанных температурах.

Результаты испытаний углепластика ВКУ-35 после теплового старения при 150°С представлены в табл. 4. Установлено, что после теплового старения в течение 2000 ч уровень сохранения предела прочности при сжатии углепластика ВКУ-35 составляет 78 (при 20°С) и 79% (при 150°С) по сравнению с исходными значениями при этих температурах.

Таблица 2

Испытание углепластика ВКУ-35 после экспозиции в камере тепловлажностного

старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%

Таблица 3

Испытание углепластика ВКУ-35 после экспозиции в камере тропического климата

Таблица 4

Тепловое старение углепластика ВКУ-35 при максимальной рабочей температуре 150°С

В табл. 5 представлены результаты исследования влаго- и водостойкости углепластика ВКУ-35. После выдержки образцов углепластика с незащищенными торцами в воде и в среде с повышенной влажностью (j=98%) уровень сохранения прочности при сжатии составляет 100 (при 20°С) и 74% (при 150°С). Количество поглощенной углепластиком влаги не превышает 0,9% от исходной массы образца.

В табл. 6 представлены результаты исследования топливо- и маслостойкости углепластика ВКУ-35. После выдержки образцов углепластика с незащищенными торцами в топливе ТС-1 и масле ИПМ-10 уровень сохранения прочности при сжатии не меняется при 20°С. Выдержка образцов углепластика в масле ИПМ-10 не вызывает падения прочности при сжатии при рабочей температуре 150°С, а при выдержке в топливе ТС-1 прочность углепластика при сжатии при температуре 150°С снижается на 12% от уровня прочности углепластика при 150°С в исходном состоянии. Привес образцов углепластиков при выдержке их в эксплуатационных жидкостях не превышает 0,06% от исходной массы образцов.

Обобщенные результаты проведенных исследований по влиянию внешней среды и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-35, изготовленного методом пропитки под давлением, представлены в табл. 7 в сравнении со свойствами типового конструкционного углепластика КМУ-11тр, полученного по технологии автоклавного формования. Анализ полученных данных показывает, что углепластик ВКУ-35, изготовленный методом RTM, не уступает углепластику КМУ-11тр по уровню сохранения свойств после воздействия факторов внешней среды. Это свидетельствует о том, что использование метода пропитки под давлением позволяет изготавливать ПКМ с монолитной структурой, в которой отсутствуют поры, внутренние локальные микропустоты и непропитанные участки. Углепластик ВКУ-35, изготовленный методом пропитки под давлением, не уступает по устойчивости к воздействию факторов внешней среды углепластикам, изготовленным типовыми методами формования.

Таблица 5

Влаго- и водостойкость образцов углепластика ВКУ-35

Таблица 6

Топливо- и маслостойкость образцов углепластика ВКУ-35

Таблица 7

Сравнение характеристик углепластика ВКУ-35, изготовленного методом RTM,

и углепластика КМУ-11тр, изготовленного методом автоклавного формования

Обсуждение и заключения

Проведены исследования по влиянию факторов внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на стабильность свойств углепластика ВКУ-35, изготовленного методом пропитки под давлением. Установлено, что уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-35 при тепловлажностном и ускоренном климатическом старении составляет не менее 74%, при воздействии эксплуатационных жидкостей – не менее 88% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 150°С). По устойчивости к воздействию факторов внешней среды углепластик ВКУ-35, изготовленный методом пропитки под давлением, не уступает типовому конструкционному углепластику КМУ-11тр, изготовленному методом автоклавного формования.

Правильный выбор режимов изготовления при использовании метода пропитки под давлением позволяет получать ПКМ с монолитной структурой, в которой отсутствуют поры, внутренние, локальные микропустоты и непропитанные участки, и обеспечивает уровень свойств материалов не ниже, чем у ПКМ, полученных методом автоклавного формования.