КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ РАСПЛАВНЫХ СВЯЗУЮЩИХ И ТКАНЕЙ PORCHER
advertisement
Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Конструкционные стеклопластики на основе расплавных связующих и тканей PORCHER (доклад на конференции «Российские полимерные композиционные материалы нового поколения для изделий авиационно-космической техники разработки «ВИАМ- PORCHER», Москва, ВИАМ, 13-14 ноября 2013 г.) И.И. Соколов, М.И. Вавилова ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов», г. Москва В статье представлены сведения о конструкционных стеклопластиках на основе новых расплавных связующих и тканей фирмы Porcher Ind. Приведены свойства стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Показаны перспективы применения таких материалов при изготовлении средненагруженных элементов изделий авиационной техники. Ключевые слова: стеклопластик, расплавные связующие, конструкционные свойства, углеродные ткани PORCHER В настоящее время сохраняется тенденция увеличения объема применения полимерных композиционных промышленности. Благодаря материалов сочетанию в авиационной комплекса и других высоких отраслях механических, диэлектрических и теплофизических характеристик, экономической доступности и ряду других ценных свойств широкое применение традиционно находят полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе стеклянных наполнителей - стеклопластики 1. В составе стеклопластиков в зависимости от типа конструкций и области их применения в качестве армирующего компонента применяются стеклянные наполнители различной структуры и химического состава. Разнообразие видов стеклянных наполнителей дает возможность создания стеклопластиков с широким диапазоном упругопрочностных свойств. 1 Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Использование стеклянных армирующих наполнителей на основе волокон алюмомагнийсиликатного состава (типа ВМП или S2, следуя зарубежной классификации) позволяет повысить упруго-прочностные характеристики стеклопластиков на 15-20 % по сравнению с материалами на основе наполнителей из алюмоборосиликатного стекла марки Е. Применение стеклянных наполнителей, обработанных современными аппретирующими составами, приводит к увеличению прочностных характеристик стеклопластиков еще на 10-15%, что особенно проявляется в условиях воздействия повышенных температур и влажности. Результаты испытаний стеклопластиков на основе эпоксидного связующего с различных наполнителей представлены в табл. 1 и на рис. 1. Таблица 1. Свойства эпоксидных стеклопластиков Стеклоткань Характеристика Температура испытаний, °С Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4с 1 2 3 4 5 Прочность при изгибе, МПа 20 120 170 815 685 525 980 825 675 1050 910 770 Прочность при растяжении, МПа 20 650 745 925 Модуль упругости при растяжении, ГПа 20 32 35 40 Применение стеклянных наполнителей типа ВМП позволило создать материалы для изготовления средненагруженных деталей, таких как лопасти винтов самолетов и вертолетов, баллоны с рабочим давлением 400 и более атмосфер и др. Водопоглощение, % 0,3 0,25 0,2 За 1 сутки 0,15 За 30 суток 0,1 0,05 0 Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4С Рис. 1. Водопоглощение эпоксидных стеклопластиков 2 Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 На основе различных видов стеклянных наполнителей и полимерных связующих во ФГУП «ВИАМ» разработан широкий спектр материалов, нашедших применение в изделиях авиационной техники. Разработка эпоксидного стеклопластика СТ-69Н(М) обеспечила создание средненагруженных элементов внешнего контура летательных аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения – обтекателей РЛС, створок шасси и грузовых отсеков, капотов. С применением стеклопластика СТ-69Н(М) изготавливаются силовая панель реверса, кожух задней подвески реверса звукопоглощающей конструкции двигателей семейства ПС-90А2. Эпоксидные стеклопластики марок ВПС-33, ВПС-34 применяются при изготовлении обшивок трехслойных панелей, люков, дверей, створок. На основе стеклопластика ВПС-33 изготавливается кожух сопла звукопоглощающей конструкции мотогондолы двигателя ПС-90А. Применение однонаправленных стеклянных наполнителей позволило создать высокопрочные стеклопластики с прочностью при растяжении до 1600 МПа и модулем упругости до 50 ГПа для изготовления лонжеронов лопастей вертолетов, лопастей винтовентиляторных двигателей самолетов и т.п. В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» проводятся работы по применению зарубежных стеклянных наполнителей при изготовлении стеклопластиков для изделий авиационной техники. Так, компания Porcher Ind. (Франция) поставляет на российский рынок широкую гамму стеклянных наполнителей для производства ПКМ. Стеклянные ткани фирмы Porcher характеризуются приемлемой стоимостью, высоким качеством текстильных характеристик (отсутствие провисания, равномерное натяжение, отсутствие складок и перекосов, наличие сигнальных (цветных) стеклянных нитей), а также высокой стабильностью свойств по всей рабочей поверхности. Следует отметить широкий марочный ассортимент стеклянных наполнителей фирмы Porcher с поверхностной плотностью от 17 до 612 г/м2, обработанных аппретами, обеспечивающими хорошее адгезионное взаимодействие волокна с эпоксидными и другими видами полимерных матриц; различной структуры – полотняного, сатинового, саржевого переплетения и химического состава – на основе стеклянных волокон из стекла марок Е, S2 разной линейной плотности (табл. 2). 3 Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Таблица 2. Марки стеклянных тканей фирмы Porcher Ind. Марка ткани Распределение нитей, % Отечественный аналог Основа Уток Вид переплетения ткани Поверхностная плотность, г/м2 120 (Е) Т-64(ВМП) 51 49 Сатин 105 7781 (Е) Т-10 52 48 Сатин 296 6781 (S2) Т-10(ВМП) 52 48 Сатин 300 6522 (S2) Т-25(ВМП) 52 48 Полотно 120 6576 (S2) Т-60(ВМП) 90 10 Сатин 360 Для получения стеклопластиков конструкционного назначения, работающих при повышенных температурах, в качестве полимерных основ использовались новые высокодеформативные расплавные эпоксидные и цианэфирные связующие, разработанные ФГУП «ВИАМ» 2-5. Результаты исследования основных физикомеханических свойств стеклопластиков на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212, цианэфирного связующего ВСТ-1208 и стеклянных тканей фирмы Porcher представлены в таблице 3 6-8. Таблица 3. Свойства стеклопластиков на основе расплавных связующих Наименование свойств ВСЭ-1212/ 7781 ВСЭ-1212/ 120 ВСТ-1208/ 6781 ВСТ-1208/ 6522 ВСТ-1208/ 6576 Плотность, г/см3 1,85 – 1,9 1,8 – 1,85 1,85 – 1,9 1,7 – 1,75 1,75 – 1,8 Прочность при растяжении, МПа 450 410 510 430 1100 Прочность при сжатии, МПа 645 635 605 390 980 Прочность при изгибе, МПа 865 660 820 525 1850 Прочность при межслоевом сдвиге, МПа 65 45 55 35 70 Температура эксплуатации,С - 60 120 - 60 120 - 60 160 - 60 160 - 60 160 4 Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Проведены исследования стеклопластиков на основе расплавных связующих и стеклянных наполнителей фирмы Porcher в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. На рис. 2 представлены значения прочности при межслойном сдвиге на примере стеклопластика ВПС-48/7781 на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклянной ткани арт. 7781 при различных температурах испытаний. Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового старения (2000 ч) термовлажностного старения (3 мес.) представлен на рис. 3. Рис. 2. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 Рис. 3. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и термовлажностного старения 5 и Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС48/7781 после воздействия различных агрессивных сред в течение 3 мес. представлен на рис. 4. Полученные результаты наглядно демонстрируют, что разработанные стеклопластики обладают высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, в том числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и агрессивных сред, что в значительной мере связано с использованием в качестве армирующего наполнителя стеклянных тканей фирмы Porcher. Установлено сохранение не менее 60 % от исходных значений упруго-прочностных характеристик стеклопластиков после воздействия указанных эксплуатационных факторов. Рис. 4. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после воздействия агрессивных сред Разработанные стеклопластики не уступают по своим характеристикам стеклопластикам зарубежных производителей, например, М21/37%/7581, М21/45%/120 фирмы Hexel (США) и могут найти широкое применение при создании средненагруженных конструкций перспективных летательных аппаратов гражданского и военного назначения 9. 6 Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника» №5, 2013 Список литературы 1. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной технике // Стекло и керамика. 2012. №4. С 1-7. 2. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 2. С. 38-42. 3. 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. № 5. 4. Бабин А.Н. Связующие для полимерных композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ. 2013. № 4 (электронный журнал). 5. Эпоксидная композиция для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии: пат. № 2488612 Рос. Федерация; опубл. 27.07.2013. 6. Железняк В.Г., Чурсова Л.В., Григорьев М.М., Косарина Е.И. Исследование повышения сопротивляемости ударным нагрузкам полицианурата с модификатором на основе линейных термостойких полимеров // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 2. 7. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ. 2013. № 4 (электронный журнал). 8. Раскутин А. Е., Соколов И. И. Углепластики и стеклопластики нового поколения // Труды ВИАМ. 2013. № 4 (электронный журнал). 9. 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. 7 Марки отечественных стеклянных тканей Количество нитей на 1 см, н/см Основа Уток Вид переплетения ткани Т-10 36 + 1 20 ± 1 Сатин № 14, парафиновая эмульсия Т-10 (ВМП) 36 + 1 20 ± 1 Сатин № 14, № 4с Т-64 (ВМП) 22 + 1 24 ± 1 Сатин № 78, № 14 Т-25(ВМП) 10 + 1 6±1 Полотно № 78, № 14, парафиновая эмульсия Т-60(ВМП) 28 + 1 6±1 Полотно № 14 Т-15 24 + 1 18 ± 1 Сатин № 76 Т-45 22 + 1 16 ± 1 Сатин № 76 Марка ткани Вид замасливателя и аппретирующего вещества Физико-механические характеристики стеклянных тканей Разрывная нагрузка Н (кгс), не менее Основа Уток Марка ткани Номинальная масса единицы площади, г/м2 Номинальная толщина ткани, мм Т-10 290 0,23 2450 (250) 1570 (135) Т-10 (ВМП) 310 0,25 3135 (320) 1765 (180) Т-64 (ВМП) 100 0,09 880 (90) 490 (50) Т-25(ВМП) 365 0,25 3920 (400) 295 (30) Т-60(ВМП) 235 0,22 2545 (260) - Т-15 160 0,19 785 (80) 685 (70) Т-45 216 0,26 1175 (120) 785 (80) Свойства эпоксидных стеклопластиков С Стеклоткань Наименование свойств Температура испытания, °С Т-10-14 Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4с Прочность р при р изгибе,, МПа 20 120 170 815 685 525 980 825 675 1050 910 770 20 650 745 925 20 32 35 40 Прочность при растяжении, МПа МП Модуль упругости при растяжении, ГПа Установлено, увеличение до 20 % упруго-прочностных характеристик стеклопластиков при применении стеклоткани на основе волокон типа ВМП, в сравнении с ПКМ на основе ткани из стекла марки Е, особенно при повышенных температурах. При использовании стеклонаполнителей с нанесенными современными аппретами отмечается увеличение прочностных характеристик стеклопластиков на 10 15% 10-15%. Водопоглощение эпоксидных стеклопластиков Конструкционные стеклопластики СТ-69Н(М), ВПС-30, СТ-69Н(М) ВПС-30 ВПС-33, ВПС-33 ВПС-34 – стеклопластики на основе эпоксидных связующих для изготовления средненагруженных элементов внешнего контура летательных аппаратов конструкционного назначения (обшивки трехслойных панелей, люки, двери, створки и др.) как самостоятельно, так и в сочетании со слоями углепластика. Применяются в конструкции двигателей семейства ПС-90А2. ПС-90А2 Панель силовая реверса Материал: стеклопластик СТ–69Н(М) и углепластик КМУ–11Э. Снижение массы на 30% Кожух сопла звукопоглощающей конструкции Материал: стеклопластик ВПС-33. Снижение массы на 20% Кожух у задней д подвески д реверса р р звукопоглощающей конструкции Материал: стеклопластик СТ–69Н(М). Снижение массы на 20% Свойства конструкционных стеклопластиков Характеристика СТ-69Н(М) ВПС-30 ВПС-33 ВПС-34 ВПС-39П 1850-2000 18501950 18801970 15801730 1500-1600 Прочность при растяжении по основе, МПа 550 610 600 460 235 Прочность при сжатии по основе, МПа 485 540 450 370 360 Прочность при изгибе по основе, МПа 865 820 710 470 405 - 6080 - 60200 - 60150 - 60150 - 6080 Плотность, кг/м3 Температура эксплуатации,С Марки стеклянных тканей фирмы Porcher Ind Ind. Марка ткани Отечественный аналог Основа Уток Вид переплетения ткани Распределение р д нитей,, % Поверхностная плотность, г/м2 120 (Е) Т-64(ВМП) 51 49 Сатин 105 6522 (S2) Т-64(ВМП) 52 48 Полотно 120 7781 (Е) Т-10 52 48 Сатин 296 6781 (S2) Т-10(ВМП) 52 48 Сатин 300 6576 (S2) Т-60(ВМП) 90 10 Сатин 360 Конструкционные стеклопластики на основе стеклянных тканей фирмы Porcher Ind. Свойства стеклопластиков Наименование свойств ВСЭ-1212/ 7781 ВСЭ-1212/ 120 ВСТ-1208/ 6781 ВСТ-1208/ 6522 ВСТ-1208/ 6576 1850 - 1900 1800 - 1850 1850 - 1900 1700 - 1750 1750 – 1800 Прочность при растяжении по основе, МПа 450 410 510 430 1100 Прочность при сжатии по основе, МПа 645 635 605 390 980 Прочность при изгибе по основе, МПа 865 660 820 525 1850 Прочность при межслоевом сдвиге по основе, МПа 65 45 55 35 70 - 60 120 - 60 120 - 60 160 - 60 160 - 60 160 Плотность, кг/м3 Температура эксплуатации,С Влияния теплового и термовлажностного старения на свойства стеклопластика на основе стеклянной ткани арт 7781 фирмы Porcher Ind арт. Ind. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 Сохранение упруго-прочностных характеристик стеклопластиков не менее 60 % после воздействия повышенной й температуры и влажности Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и термовлажностного р старения р Исследование влияния агрессивных жидкостей на свойства стеклопластика на основе стеклянной ткани арт. 7781 фирмы Porcher Ind Ind. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после воздействия агрессивных сред Стеклопластики на основе нового высокопрочного связующего с максимальной рабочей температурой 120 °С Свойства стеклопластика ВПС-48/7781 (связующее ВСЭ-1212/стеклянная ткань арт.7781, Porcher Ind.) Стеклопластик ВПС-48/7781 Стеклопластик М21/37%/7581 фирмы Hexcel Наименование свойств Температура испытаний, °С Прочность при растяжении, 20 450 445 МПа 120 360 - 20 27 26 20 645 690 120 485 - Прочность при межслоевом 20 65 - сдвиге, МПа 120 45 - - 1 92 1,92 1 92 1,92 Модуль упругости при растяжении,, ГПа р Прочность при сжатии, МПа Плотность г/см3 Плотность, Свойства стеклопластика ВПС-48/120 ВПС 48/120 (связующее ВСЭ-1212/стеклянная ткань арт.120, Porcher Ind.) Наименование свойств Температура р ур испытаний, °С Стеклопластик ВПС-48/120 ВПС 48/120 Стеклопластик М21/45%/120 фирмы Hexcel Прочность при растяжении, 20 410 320 МПа 120 400 - Модуль упругости при 20 26 25 20 635 675 120 475 - Прочность при межслоевом 20 45 - сдвиге, МПа 120 37 - - 1,81 1,77 растяжении, ГПа Прочность при сжатии, МПа Плотность, г/см3 Технологический процесс получения листового (рулонного) цианэфирного сферопластика и многослойных конструкций на его основе Смешение компонентов Намотка сферопластика на катушку Изготовление листового сферопластика Образец отформованной автоклавным способом многослойной конструкции со сферопластиком и обшивками из углепластика Внешний вид листа сферопластика, вырезанного из рулона сдвиг Образцы многослойных конструкций после испытаний Сжатие 10 Физико-механические свойства композиционных материалов Характеристика Стеклопластик Углепластик Температура испытаний, °С 20 160 20 160 1,89 1,54 865 545 699 661 720 686 730 756 30 50 46 Плотность, г/см3 Прочность при сжатии, МПа Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Прочность на статический изгиб, МПа 1060 843 1600 1120 Модуль упругости при изгибе, ГПа 29 25 110 77 Прочность при межслоевом сдвиге, 71 45 80 60 МПа Примечания: 1. Указаны средние значения характеристик; 2. Свойства стеклопластика приведены в направлении основы ткани; 3. Свойства углепластика с квазиизотропной схемой армирования приведены в направлении 0 11 Свойства многослойных конструкций (МК) со сферопластиком ВПЗ-17 Характеристика МК с обшивками из МК с обшивками из стеклопластика углепластика Температура испытаний, °С 20 160 20 160 1,2 1,0 250 220 340 360 13 12 27 27 Плотность, г/см3 Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Прочность при сжатии, сжатии МПа 315 270 323 238 Модуль упругости при сжатии, ГПа 13 13 29 28 Прочность при изгибе, МПа 531 507 697 483 Модуль упругости при изгибе, ГПа 21 19 37 32 Прочность при межслоевом сдвиге 38 30 54 38 110 125 Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м2 Примечания: 1. Указаны средние значения характеристик; 2 Свойства МК с обшивками из стеклопластика приведены в 2. направлении основы ткани 12 Характерные виды разрушения образцов многослойных конструкций после испытаний при сдвиге (а) и сжатии (б) а) б) Характер разрушения конструкций при ударном воздействии 13
