Влияние климатических факторов на свойства углепластика на полифениленсульфидном связующем

Введение

Полимерные композиционные материалы на основе термопластичной матрицы, армированной углеродными волокнами, представляют интерес для авиационной промышленности, так как могут обеспечить жесткость и легкость произведенных из них деталей (рис. 1). Углепластики на термопластичном связующем используются для производства неответственных и малонагруженных агрегатов и элементов воздушных судов: лобовиков крыла, зализов мотогондол, панелей люков, перегородок, напольных панелей и т. п. [1–18].

Рисунок 1. Элементы конструкции крыла из углепластика на полифениленсульфидном связующем для аэробуса А340

При эксплуатации эти агрегаты и элементы конструкции подвергаются воздействию различных климатических факторов: повышенная влажность, пониженные и повышенные температуры и т. п. В связи с этим необходимо проводить ускоренные климатические испытания материалов, в процессе которых они подвергаются воздействию повышенных температур, водной и влажностной сред [16–27].

В ряде работ [18–21, 23–27] описана проблематика поведения термопластов, армированных углеродными волокнами, подверженных воздействию различных сред. Так, углепластики с различными термопластичными матрицами: полиамидной, полиэфирэфиркетонной, полисульфонной – характеризуются высоким уровнем сохранения свойств и высокой стойкостью к воздействию повышенных температур и различных сред.

Работы [21–23] посвящены исследованию зарубежных марок углепластиков на полифениленсульфидном связующем. Показано, что пластик на основе полифениленсульфида марки Rithon, армированный волокнами марки 3К фирмы Toho Co., в результате тепловлажностного старения при различных температурах характеризуется снижением прочности при растяжении на 5–8%, при изгибе – на 17–25% и ударной вязкости – на 9–12% [21, 22]. В работе [23] исследовано влияние выдержки в воде при 80°С на прочность при сжатии углепластика и показано, что он характеризуется повышением прочности на 13%, что противоречит традиционным представлениям.

Цель работы – проведение исследования влияния различных сред на свойства углепластика на полифениленсульфидной матрице и определение его эксплуатационных характеристик.

Материалы и методы

Углепластик на основе однонаправленной углеволокнистой ленты фирмы Toho Со. и полифениленсульфидного связующего фирмы Ticona получают прямым компрессионным прессованием при температуре 330°С и давлении 1,5 МПа на гидравлическом прессе типа ORMA.

Образцы для испытаний изготавливались с помощью циркулярной пилы, в качестве режущего инструмента использовался алмазный диск. Размеры образцов определяли согласно требованиям ГОСТ, по которым проводились испытания.

Исследование влаго- и водопоглощения углепластика проводили по ГОСТ 12020–72; тепловлажностное старение и воздействие циклических перепадов температур – по ГОСТ 9.707–81; тепловое старение – по ГОСТ 9.024–74.

Испытания на сжатие проводили на образцах с квазиизотропной и однонаправленной укладкой по ГОСТ 25.602–80.

Температуру стеклования углепластика определяли по изменению зависимости тангенса угла механических потерь от температуры на крутильном маятнике «Релаксометр РМ-05» в диапазоне температур от 30 до 260°С, при скорости нагрева 5 К/мин и частоте 0,35 Гц.

Результаты и обсуждение

Продолжительное воздействие различных сред и температур в значительной степени влияет на свойства материалов. Характер изменения свойств материалов в процессе климатического воздействия позволяет определить их эксплуатационные характеристики и рекомендовать материал для того или иного типа изделий. Статья посвящена изучению особенностей поведения углепластика при воздействии на него различных климатических факторов.

Для определения влияния водо- и влагонасыщения на свойства углепластика образцы подвергали воздействию соответствующих сред в течение 30 сут. В табл. 1 приведены результаты испытаний углепластика до и после экспозиции.

Таблица 1

Прочность при сжатии углепластика после экспозиции в воде

и влажной среде и тепловлажностного старения

* Относительно исходного значения.

Видно, что уровень сохранения свойств углепластика достаточно высок. Так, образцы пластика с однонаправленной укладкой характеризуются снижением прочности при сжатии на 7 и 10% после 24 ч и 30 сут экспозиции в воде соответственно и на 3% после экспозиции во влажной среде. Сохранение прочности при сжатии углепластика с квазиизотропной укладкой находится на уровне 91% после 24 и 30 сут экспозиции в воде и 93% после 30 сут воздействия влажной среды.

Как и следовало ожидать, после экспозиции во влажной среде в обоих случаях наблюдается более высокий уровень сохранения прочности при сжатии углепластика по сравнению с результатами испытаний после выдержки в воде.

В табл. 1 также приведены значения привеса, который имели образцы непосредственно перед определением остаточной прочности при сжатии после экспозиции в соответствующих средах. Полученные значения привеса образцов хорошо коррелируют с результатами, полученными при определении остаточной прочности при сжатии. После 24 ч выдержки в воде однонаправленные образцы имеют привес 0,021%, а образцы с квазиизотропной укладкой 0,05%, уровень сохранения свойств у этих образцов равен 93 и 91% соответственно. В результате экспозиции в течение 30 сут в воде сохранение прочности в обоих случаях находится на уровне 90‒91%, а привес образцов практически одинаков и составляет 0,11–0,12%.

Следует отметить, что в случае образцов с квазиизотропной укладкой, изготовленных для испытания по ГОСТ 25.602–82, на первых этапах экспозиции наблюдается более активное влагопоглощение по сравнению с однонаправленными образцами. Это, вероятно, связано с тем, что диффузия воды вдоль направления волокна проходит легче, чем поперек. Облегчение процесса диффузии воды внутрь образцов пластика с квазиизотропной укладкой также обеспечивается большим содержанием дефектов на его сторонах, подвергнутых механической обработке, по сравнению с однонаправленными образцами.

Таким образом, можно наблюдать, что однонаправленный пластик в меньшей степени подвержен воздействию воды и влажной среды в отличие от пластика с квазиизотропной укладкой.

Необходимо отметить, что по приведенным выше характеристикам углепластик может конкурировать с отечественными и зарубежными аналогами. В работе [1] приведены значения водопоглощения за 24 ч экспозиции, которое составило 0,09% у пластика КТМУ-1 и 0,31% у КТМУ-2, а сохранение прочности при сжатии этих материалов после 30 сут экспозиции в воде находится на уровне 97 и 95% соответственно. В работах [21–23] зарубежные аналоги исследуемого углепластика в результате тепловлажностного старения характеризуются снижением прочности при растяжении на 5–8%, при изгибе – на 17–25% и ударной вязкости – на 9–12%.

На рис. 2 приведены кривые водо- и влагопоглощения в зависимости от продолжительности экспозиции (испытание проведено на стандартных образцах). Видно, что углепластик характеризуется низкими  равновесными значениями влаго- и водопоглощения: 0,107 и 0,12% соответственно, а его насыщение наступает на 45 сут в обоих случаях. Причем поглощение пластиком влаги и воды в первые 10 сут экспозиции находится практически на одном уровне, что свидетельствует о насыщении преимущественно участков образцов, предварительно подвергнутых механической обработке и имеющих наибольшее количество дефектов.

 Рисунок 2. Кинетические зависимости водо- (1) и влагопоглощения (2) углепластика

Тепловлажностное старение углепластика в течение 30 сут сопровождалось снижением его прочности при сжатии на 6%, что свидетельствует о стойкости материала к воздействию влаги при повышенных температурах.

На рис. 3 приведены зависимости тангенса угла механических потерь от температуры образцов углепластика после их экспозиции в различных средах. Видно, что после выдержки в воде и тепловлажностного старения наблюдается тенденция к повышению температуры стеклования углепластика. Это может свидетельствовать о протекании релаксационных процессов в полимерной матрице.

Рисунок 3. Зависимость тангенса угла механических потерь от температуры углепластика: 1 – в исходном состоянии; 2 – после 24 ч водопоглощения; 3 – после 30 сут тепловлажностного старения

В результате проведенного исследования можно сделать вывод о том, что углепластик устойчив к воздействию воды и влажной среды, в точисле и при повышенных температурах, имеет высокий уровень сохранения свойств и конкурентоспособен по приведенным характеристикам с зарубежными и отечественными аналогами.

В табл. 2 приведены результаты влияния теплового старения и циклического перепада температур на прочность при сжатии углепластика с квазиизотропной укладкой. Из представленных данных следует, что углепластик характеризуется высоким уровнем сохранения прочности при сжатии. После воздействия циклических перепадов температур от -60 до +160°С в течение 5 и 10 циклов прочность при сжатии углепластика снижается на 5 и 9% соответственно. На рис. 4 приведены графики зависимости тангенса угла механических потерь после термоциклирования, на которых можно наблюдать смещение температуры стеклования углепластика в область более высоких температур – на ~10°С.

Таблица 2

Прочность при сжатии углепластика после воздействия климатических факторов

при температуре испытания 20°С

* Относительно исходного значения.

В результате теплового старения углепластика в течение 500 ч при температурах 160 и 180°С наблюдается сохранение прочности при сжатии на уровне 83 и 93% соответственно. Для того чтобы выявить причины такого поведения углепластика, необходимо обратиться к зависимостям тангенса механических потерь от температуры (см. рис. 4). Представленные зависимости демонстрируют, что в результате выдержки при 180°С повышение температуры стеклования происходит на ~15°С, в то время как в результате экспозиции при 160°С увеличение температуры стеклования происходит на ~10°С. Таким образом, выдержка углепластика при повышенных температурах сопровождается не только деструктивными процессами, но и релаксацией, позволяющей снять внутренние напряжения. Причем более высокая температура экспозиции пластика способствует более активному протеканию релаксации внутренних напряжений.

 Рисунок 4. Зависимость тангенса угла механических потерь от температуры углепластика: 1 – в исходном состоянии; 2, 3 – после 500 ч выдержки при температуре 180 и 160°С; 4, 5 – после термоциклирования при перепаде температур от -60 до +160°С в течение 5 и 10 циклов

Таким образом, углепластик продемонстрировал высокий уровень стойкости к воздействию повышенных температур и их циклическому перепаду, что позволяет рекомендовать его для эксплуатации в широком диапазоне температур – от -60 до +160°С.

Заключение

Исследуемый углепластик характеризуется высокой стойкостью к воздействию воды и влажной среды, имеет высокий уровень сохранения свойств.

Углепластик мало подвержен воздействию теплового старения и циклических перепадов температур и может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне – от -60 до +160°С.

Использованный в работе углепластик может быть рекомендован для производства малонагруженных и неответственных элементов и агрегатов воздушных судов: лобовиков крыла, зализов мотогондол, панелей люков, перегородок.