Клеевые препреги на основе тканей Porcher – перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ
Приведены свойства композиционных материалов клеевых (КМК) на основе углеродных наполнителей фирмы PorcherInd. Изложены основные свойства разработанных материалов. Показаны их преимущества по сравнению с существующими.
За годы деятельности лаборатории клеев под руководством к.т.н. В.П. Батизата на основе выполненных в ВИАМ фундаментальных и прикладных исследований в области физики и химии многокомпонентных полимерных систем создан класс высокопрочных пленочных клеев конструкционного назначения. В дальнейшем использование полимерной основы высокопрочного пленочного клея в качестве клеевого связующего для пропитки стекло- или угленаполнителей было положено в основу создания принципиально новых материалов – долгоживущих клеевых препрегов и композиционных материалов (стекло- и углепластиков) на их основе [1].
На основе клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными) и различных наполнителей отечественного производства (углеродных тканей, лент, стеклотканей, в том числе на основе высокомодульных и кварцевых волокон) создан ассортимент клеевых препрегов марок КМКУ (на угленаполнителях) и КМКС (на основе стеклонаполнителей) [2].
Клеевые препреги позволили реализовать разработанную в ВИАМ высокоэффективную технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых и слоистых конструкций из неметаллических материалов. На рисунке представлены этапы технологического процесса изготовления трехслойной сотовой конструкции с использованием клеевых препрегов, отличительной особенностью которого является то, что формование обшивки и ее приклеивание к сотовому заполнителю происходит одновременно – за одну технологическую операцию, при этом в процессе изготовления сотовой конструкции взамен пленочного клея используют клеевой препрег с увеличенным содержанием связующего [3].
С использованием этой технологии возможно изготовление деталей сложной формы двойной кривизны, в том числе сочетающих в конструкции сотовые и слоистые элементы. В результате применения клеевых препрегов достигается снижение цикла изготовления конструкций в 2–3 раза, трудоемкости изготовления сотовых конструкций – на 40–50%, количества оснастки – в 1,5–2 раза, массы конструкции – на 30–50%. Реализация данной технологии обеспечивает герметичность конструкций из ПКМ, повышение трещиностойкости на 40–50% [4].
При создании гражданских самолетов «Сухой-Суперджет-100» и МС-21 была выдвинута задача по разработке полимерных композиционных материалов (ПКМ) с новым комплексом свойств, отвечающих ужесточенным требованиям, учитывающим эксплуатацию изделий во всеклиматических условиях. Для выполнения этой задачи проведена модификация состава клеевого связующего, что позволило повысить температуру стеклования клеевой матрицы в составе ПКМ до 155°С [5].
Так, при сочетании модифицированного связующего с углеродными наполнителями отечественного и импортного производства (фирма Porcher Ind., Франция) отработана технология получения клеевых препрегов марки КМКС-2м.120 и на их основе разработаны композиционные материалы (стеклопластики), длительно работоспособные при температуре 120°С. За счет использования импортных наполнителей достигнуто повышение некоторых характеристик углепластиков, в том числе прочность углепластика при растяжении (табл. 1) [6].
Схема технологического процесса изготовления трехслойной сотовой конструкции
Из представленных в табл. 1 данных видно, что углепластик на основе клеевого препрега марки КМКУ-2м.120.Р4510 превосходит по основным свойствам углепластик на основе отечественной углеродной ленты ЭЛУР-П марки КП. Углепластик на основе равнопрочной ткани фирмы Porcher арт. 2009 также характеризуется высокими прочностными свойствами.
Для новой техники ОАО «ОКБ Сухого» с превосходящими тактико-техническими характеристиками потребовалось создать ПКМ с более высоким уровнем теплостойкости [7]. Для этих целей разработано клеевое связующее с температурой стеклования 180°С. В качестве углеродных наполнителей клеевых препрегов использовались углеродные ленты марок ЭЛУР-П-КП, УОЛ-300Р и УОЛ-300Р(У) улучшенной текстильной формы с повышенными прочностными характеристиками. Свойства композиционных материалов представлены в табл. 2 [8]. Углепластики на основе клеевых препрегов марок КМКУ-3.150 и КМКУ-3м.150 характеризуются сохранением прочностных характеристик на уровне исходных в диапазоне температур от 20 до 150°С после воздействия различных агрессивных факторов (влаги, воды), что соответствует техническим требованиям к ПКМ [9].
Таблица 1
Основные физико-механические характеристики углепластиков
на основе клеевого препрега марки КМКУ-2м.120 на различных наполнителях
Показатель | Значения показателей для марок клеевого препрега | ||
КМКУ-2м.120.Э0,1 | КМКУ-2м.120.Р4510 | КМКУ-2м.120.Р2009 | |
Диапазон рабочих температур, °С | -130÷+120 | -60÷+120 | -60÷+120 |
Плотность углепластика, г/см3 | 1,43 | 1,4–1,47 | 1,51 |
Предел прочности при растяжении, МПа: |
|
|
|
по основе | 880 | 1950 | 920 |
по утку | 44 | 60 | 800 |
Модуль упругости при растяжении,ГПа: |
|
|
|
по основе | 113 | 125 | 67 |
по утку | 8,1 | 9,0 | – |
Предел прочности при сжатии, МПа: |
|
|
|
по основе | 880 | 990 | 900 |
по утку | 115 | 170 | 700 |
Модуль упругости при сжатии, ГПа | 108 | 125 | 66 |
Ударная вязкость, кДж/м2 | 70 | – | – |
Трещиностойкость при растяжении, | 75 | – | – |
Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа | 78 | 77 | 75 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа | 1200 | 2050 | 1230 |
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа | 125 | – | 59 |
Для применения материалов в конструкции перспективного многоцелевого истребителя (ПМИ) выдвинута задача по разработке углепластика на основе однонаправленного углеродного волокнистого наполнителя фирмы Porcher Ind. арт. 14535, который обеспечит толщину монослоя углепластика на уровне толщины монослоя углепластика ВКУ-17КУОЛ(У), и клеевого связующего ВСК-14-3. Композиционный материал со схемой армирования [0°]n [10, 11] должен обладать уровнем физико-механических свойств не ниже свойств углепластика ВКУ-17КУОЛ(У) из клеевого препрега КМКУ-3м.150.УОЛ(У).45:
Предел прочности при растяжении, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1400–1600
Модуль упругости при растяжении, ГПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120–140
Предел прочности при сжатии, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000–1200
Предел прочности при статическом изгибе, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1600–1800.
Результаты испытаний основных физико-механических свойств однонаправленного углепластика на основе однонаправленного углеродного наполнителя фирмы Porcher Ind. арт. 14535 в сравнении со свойствами углепластика ВКУ-17КУОЛ(У) из клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.УОЛ(У).45 представлены в табл. 3.
Таблица 2
Основные физико-механические характеристики углепластиков
с теплостойкостью до 150°С
Показатель | Значения показателей для марок клеевого препрега | ||
КМКУ-3.150.Э0,1 | КМКУ-3м.150.УОЛ | КМКУ-3м.150.УОЛ(У) | |
Диапазон рабочих температур, °С | -60÷+150 | -60÷+150 | -60÷+150 |
Плотность углепластика, г/см3 | 1,4–1,5 | 1,5 | 1,5 |
Предел прочности при растяжении, МПа: |
|
|
|
по основе | 900 | 1330 | 1600 |
по утку | 46 | 41 | 36 |
Модуль упругости при растяжении,ГПа: |
|
|
|
по основе | 120 | 130 | 128 |
по утку | – | 8 | 9,8 |
Предел прочности при сжатии, МПа: |
|
|
|
по основе | 1025 | 995 | 1100 |
по утку | 155 | 200 | 230 |
Модуль упругости при сжатии, ГПа | 110 | – | – |
Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа | 82 | 90 | 95 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа | 1545 | 1800 | 2010 |
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа | – | 105 | 110 |
По результатам проведенных исследований, представленных в табл. 3, установлено, что разработанный углепластик ВКУ-30К.Р14535 из клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.Р14535 на основе однонаправленной углеродной ленты фирмы Porcher арт. 14535 и связующего ВСК-14-3 по своим свойствам находится на уровне свойств углепластика ВКУ-17КУОЛ(У), а по некоторым характеристикам (прочности при растяжении, прочности при изгибе) превосходит свойства углепластика ВКУ-17КУОЛ(У) [12, 13].
Таблица 3
Сравнительные физико-механические характеристики углепластиков
с теплостойкостью до 150°С
Показатель | Значения показателей для марок углепластика | |
ВКУ-17КУОЛ(У) | ВКУ-30К.Р14535 | |
Диапазон рабочих температур, °С | -60÷+150 | -60÷+150 |
Плотность углепластика, г/см3 | 1,5 | 1,5 |
Предел прочности при растяжении, МПа: |
|
|
по основе | 1600 | 1800 |
по утку | 36 | 52 |
Модуль упругости при растяжении,ГПа: |
|
|
по основе | 128 | 121 |
по утку | 9,8 | 9,2 |
Предел прочности при сжатии, МПа: |
|
|
по основе | 1100 | 1280 |
по утку | 230 | 301 |
Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа | 95 | 105 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа | 2010 | 2240 |
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа | 110 | 119 |
Клеевые препреги являются в настоящее время одними из наиболее востребованных материалов. Они широко применяются для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ в конструкциях изделий авиакосмического комплекса: ОАО «ОКБ Сухого» (истребитель пятого поколения Т-50), ОАО «ГСС» (самолет «Сухой-Суперджет-100»), ФГУП «РСК МиГ», ФГУП «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», АНТК им. А.Н. Туполева, ОАО «Камов», ОАО «РКК «Энергия им. С.П. Королева» и других [14].
- Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 174–183.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328–335.
- 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.
- Хрычев Ю.И., Шкодина Е.П., Магин Н.А., Дементьева Л.А., Хайретдинов Р.Х., Куцевич К.Е. Разработка технологического процесса изготовления радиопрозрачного обтекателя из клеевых препрегов типа КМКС-2м.120 //Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №2. С. 27–30.
- Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Свойства и назначение клея ВК-36РМ для авиационной техники //Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №8. С. 5–6.
- Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19–21.
- Сытый Ю.В., Сагомонова В.А., Кислякова В.И., Большаков В.А. Новые вибропоглощающие материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 51–54.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития полимерных композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Котова Е.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и композиционные материалы на их основе //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 53–56.
- Препрег и изделие, выполненное из него: пат. 2427594 Рос. Федерация; опубл. 23.07.13.
- Lukina N.F., Dement’eva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V., Senatorova O.G., Sidel’nikov V.V., Kutsevich K.E. Аdhesive prepregs and composite materials on their basis //Russian Journal of General Chemistry. 2011. V. 81. №5. Р. 1022–1024.
- Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Петрова А.П. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов //Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19–24.
- Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков А.А., Куцевич К.Е. Основные свойства и назначение ПКМ на основе клеевых препрегов /В сб. тезисов докладов XIX Международной науч.-технич. конф. «Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск. 2010. С. 11–12.
- 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.