Анализ данных натурных климатических испытаний, совмещенных с приложением эксплуатационных факторов, неметаллических материалов (обзор)

Введение

В настоящее время увеличивается доля применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях изделий авиационной техники, так как их использование позволяет снизить массу и повысить ресурс воздушного судна (ВС). При жестких условиях эксплуатации ВС предъявляются высокие требования к надежности ПКМ авиационного назначения. Основной интерес представляют материалы, уровень прочностных свойств которых за период эксплуатации снижается не более чем на 10–20%. К таким ПКМ относятся углепластики, стеклопластики и органопластики [1–4].

В условиях реальной эксплуатации на материалы одновременно воздействуют как механические нагрузки (циклические и статические), так и климатические факторы. В исследованиях [5–8] показано, что существенное влияние на срок эксплуатации ПКМ оказывает не механическое воздействие, а процессы коррозии и старения, вызванные воздействием факторов внешней среды (температуры, влажности, солнечной радиации).

Проведение климатических испытаний, оценка сохраняемости механических характеристик материалов для обеспечения безопасной эксплуатации ВС и, в частности, проверка эффективности защиты изделий от старения и коррозии относятся к приоритетным стратегическим направлениям развития материалов и технологий [9, 10].

Для каждого типа ВС цикличность воздействия факторов внешней среды и нагрузок индивидуальна – гражданские бо́льшую часть времени проводят в полете, военные - в условиях стоянки на земле. Прогнозирование срока службы материала происходит в несколько этапов. Для изделий и образцов материалов существуют два основных вида климатических испытаний:

– натурные испытания на открытых атмосферных площадках климатических станций, находящихся в различных климатических поясах, позволяющие оценить поведение материалов в условиях хранения на земле;

– лабораторные испытания для оценки стойкости материалов при воздействии искусственно созданных эксплуатационных факторов – высокие (до +200°С) и пониженные (до -60°С) температуры, термоудар, воздействие солевого тумана и проч., в том числе механических нагрузок [11].

Испытания проводятся на образцах материалов, затем на конструктивно-подобных элементах, на макете конструкций и последний этап испытаний заключается в наблюдении, обследовании и проверке состояния материалов в составе эксплуатирующегося ВС [12].

В данной статье приведены примеры проведения климатических испытаний ПКМ в условиях, приближенных к условиям эксплуатации, показывающие значительное влияние совместного воздействия климатических факторов и механических напряжений на образцы материалов по сравнению с климатическим воздействием без приложения нагрузок.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления18. «Климатические испытания для обеспечения безопасности и защиты от коррозии, старения и биоповреждений материалов, конструкций и сложных технических систем в природных средах» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Факторы, влияющие на изменение свойств полимерных

композиционных материалов

Проведение испытаний в лабораторных условиях обеспечивает получение сведений, необходимых для оценки изменения свойств материалов при воздействии климатических факторов. Но как было показано в работах [5, 7, 13], результаты, получаемые при лабораторных испытаниях, слабо коррелируют с результатами, полученными при натурных климатических испытаниях, и носят оценочный характер. Важным фактором, влияющим на свойства ПКМ, является статическое нагружение. В исследованиях [5, 7, 13], проведенных на углепластике КМУ-11ТР на основе эпоксидного связующего ЭДТ-69Н и углеродной ткани УТ 900-2.5, показано влияние статического нагружения в натурных климатических и лабораторных условиях на изменение свойств углепластика.

Согласно ГОСТ 9.707 процессы старения, протекающие в материале, должны быть идентичны как при испытаниях в лабораториях, так и в натурных условиях, поэтому температура испытаний материалов в условиях хранения (открытая площадка) выбирается следующим образом: максимальная температура воздуха по ГОСТ 15150 плюс перегрев материала, в том числе вследствие действия солнечной радиации. Влажность определяется из эффективных значений температурно-влажностного комплекса для предполагаемых условий эксплуатации.

Условия проведения исследования: лабораторные испытания при температуре 60°С, φ=85% и натурные климатические испытания в течение 0,5 года на открытой площадке в условиях промышленной атмосферы умеренного климата (климатическая станция ВИАМ, г. Москва) в свободном состоянии и при статическом нагружении, сопоставимом с 0,4 и 0,6 от разрушающей нагрузки (σ_разр) (табл. 1).

Таблица 1

Результаты исследований свойств углепластика КМУ-11ТР

после испытаний в лабораторных и натурных климатических условиях

Обоснованный выбор условий проведения испытаний в лабораториях является важной задачей при квалификационных испытаниях. Результаты многих исследований (как отечественных, так и зарубежных) показывают отсутствие корреляции результатов натурных и лабораторных испытаний по оценке климатической стойкости материалов. Как видно из данных табл. 1, статические нагрузки оказывают существенное влияние на изменение свойств ПКМ. Отмечается также различие результатов испытаний в лабораторных и натурных условиях.

Солнечная радиация оказывает существенное влияние на разрушение полимеров, но максимальный вред наносят лучи ультрафиолетовой (УФ) части спектра. Объяснение этому факту состоит в том, что УФ-лучи, приводящие к фотодеструкции поверхности материала, имеют достаточную энергию для разрушения межатомных связей в молекуле полимера, что приводит к повышению хрупкости изделий, их выгоранию и снижению механических свойств. Это обусловлено большими погрешностями при измерении механических характеристик, так как при этом толщина деградированного слоя учитывается при проведении испытаний на прочность.

В процессе деградации поверхностных слоев материала образуются дефекты и места-концентраторы напряжений. В работе [14] описана роль дефектов в формировании комплекса прочностных свойств материалов, а также описано понятие масштабного фактора – зависимости прочностных характеристик от размеров и формы образца. Чем толще образец, тем больше его поверхность и больше количество опасных дефектов, сосредоточенных на поверхности, и тем меньше относительная прочность образца. В тонком образце меньше поверхность и количество дефектов, поэтому прочность будет больше. Но каждый дефект на поверхности в тонком образце особенно опасен, в связи с этим у тонких образцов разброс показателей прочности увеличивается.

Кроме того, по мере диффузии влаги в полимерную матрицу образуется градиент ее концентрации по толщине материала и на границе раздела полимер–наполнитель, из-за чего возникают дополнительные внутренние напряжения в объеме композита и на границе раздела, что может приводить к деформации изделия из ПКМ [15]. В работе [15] также показано, что уровень напряжений в материале существенно влияет на кинетику диффузии влаги. При этом имеется граница некоторой зоны, в которой можно считать справедливым закон Фика. За пределами указанной зоны наблюдается резкое отклонение кинетической кривой от положения, предсказываемого на основании закона Фика. В связи с этим ставится под сомнение правильность стандартных методик оценки работоспособности ПКМ, находящихся в непосредственном контакте с влажной средой, на образцах в свободном, ненагруженном состоянии с последующим обобщением результатов исследований поведения материала в нагруженном состоянии. Подтверждение этому нашлось при испытаниях тормозных щитков изделия Ан-72, проведенных в условиях теплого влажного климата (г. Батуми) [16]. По результатам пятилетних натурных климатических испытаний, включающих усталостно-климатическое воздействие с приложением повторно-статических нагрузок эксплуатационного уровня, было выявлено более существенное снижение прочности материалов конструкции по сравнению с материалами, прошедшими натурную экспозицию в ненагруженном состоянии.

Климатические испытания полимерных композиционных материалов

с приложением механических напряжений

В настоящее время испытаниям ПКМ на стойкость к совместному воздействию механических нагрузок и климатических факторов уделяется недостаточно внимания ввиду отсутствия соответствующей нормативной документации. Практически не проводятся испытания и отсутствует информация о влиянии динамических механических (циклических) и других эксплуатационных нагрузок (тепловых, коррозионных и др.) на свойства ПКМ при старении в природных средах. В то же время, исходя из знаний о механизме деградации свойств эпоксикомпозитов при эксплуатации в климатических условиях, следует ожидать, что, например, циклические механические нагрузки по степени влияния являются более агрессивным фактором, нежели статические.

В течение 2004 г. также выполнялось исследование влияния совместного (последовательного) воздействия эксплуатационных климатических факторов с параметрами, характеризующими работу материала в конструкции, на изменение основных служебных характеристик, определяющих работоспособность композиционного пластика конструкционного назначения [17]. При проведении эксплуатационно-климатических испытаний очередность воздействий сочетала температурные испытания по наработке теплового ресурса и механические испытания циклическим нагружением. Критерием работоспособности ПКМ являлось изменение уровня основных служебных свойств. Изучение влияния эксплуатационно-климатических факторов в данной последовательности проводилось на двух конструкционных материалах – углепластике и стеклопластике.

Основными служебными характеристиками, позволяющими оценить влияние эксплуатационно-климатических факторов на материал, были выбраны механические характеристики – пределы прочности при изгибе и сжатии, которые определяли при комнатной и рабочих температурах.

Возможности испытательного оборудования при проведении эксперимента позволили осуществить последовательное воздействие эксплуатационно-климатических факторов на исследуемые материалы в виде следующих блоков:

– тепловой ресурс – при температуре 80°С в течение 1300 ч;

– климатическое воздействие

– термовлажностное старение при температуре 50°С и φ=80±3% – до равновесного влагосодержания;

– циклическое изменение температуры при -60⇄+80°С в течение 2 ч (30 циклов);

– усталостное нагружение при σ_в=0,4σ_разр в течение 10⁴ циклов с частотой ~(5–8) Гц;

– УФ-облучение.

Анализ результатов испытаний исследованных материалов показал, что из всех эксплуатационно-климатических воздействий наибольшее снижение прочностных свойств материалов происходит после термовлажностного старения.

В Батумском филиале ВИАМ в 1977–1991 гг. также проходили испытания ПКМ на стендах, размещенных в открытых климатических условиях, – создавались статические растягивающие или изгибающие нагрузки с уровнями нагружения 0,2–0,7 от разрушающих. В работе [18] приведены данные о том, что экспозиция образцов углепластика в натурных климатических условиях в нагруженном состоянии в течение 3 лет привела к снижению прочности при изгибе – до 30%, по сравнению с экспозицией в тех же условиях, но без нагрузки.

Долговечность элементов конструкций из ПКМ при совместном воздействии климатических факторов и механических нагрузок зависит от уровня нагружения [19, 20]. Так, при нагрузке, составляющей ˃80% от предельной, долговечность определяется только величиной нагрузки, диапазон нагрузок 60–80% является переходным, а при нагрузках ˂60% от предельной долговечность зависит от замедляющегося во времени процесса накопления дефектов и воздействия агрессивных климатических факторов. Данные, приведенные в статьях [19, 20], показывают существенное влияние уровня растягивающего напряжения и продолжительности экспонирования в теплом влажном климате на изменение прочностных характеристик стеклотекстолита КАСТ-В.

При определении изменения состояния материалов в процессе длительной эксплуатации основное внимание уделяется контролю их механических свойств [18, 21]. При испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг механические характеристики ПКМ определяют со значительными погрешностями. На величину измеряемого показателя заметное влияние оказывают форма и размеры образцов, степень анизотропии материала, локализация места разрушения образца, способ закрепления, качество захватов и т. д.

В тех случаях, когда требуется существенно увеличить точность и достоверность измеренного механического показателя ПКМ, целесообразно использовать метод продольного изгиба, предложенный в работе [22]. Этот метод был разработан для массовых испытаний стеклопластиковых стержней круглого сечения и подтвердил свои преимущества по сравнению с измерением прочности и деформативности плоских образцов углепластиков [23]. Достоинством метода является то, что места крепления в захватах не подвергаются перенапряжению, а разрушение всегда происходит в рабочей зоне образца. Проведенные экспериментальные исследования доказали [18, 21], что длительная прочность и долговечность при постоянных или циклических нагрузках более чувствительны к старению ПКМ, чем обычные стандартные показатели временно́й прочности при растяжении, сжатии и изгибе. Информативность испытаний возрастет, если в климатических условиях нагружать не только образцы композитов, но и типовые конструктивные элементы из ПКМ [21, 24]. Важно выбрать такие параметры нагружения, чтобы циклические нагрузки локализовались в местах клеевых, клееклепаных и других соединений конструктивных элементов, изготовленных из ПКМ. Это требование легко достигается с помощью метода продольного изгиба [22].

Результаты испытаний по определению прочности и модулей упругости современных стеклопластиков и углепластиков на основе клеевых препрегов, вычисленных стандартными методами и методом продольного изгиба приводятся в табл. 2. Показатели прочности при продольном изгибе имеют наиболее высокие значения при незначительных разбросах определяемых величин. Сочетая выдержку ПКМ в натурных климатических условиях с наложением статических или циклических нагрузок и термоциклов, характерных для условий полетов, с определением влагосодержания и механических показателей образцов, на которые оказывают влияние температура и влажность внешней окружающей среды, можно с большей точностью прогнозировать сроки эксплуатации этих материалов в элементах внешнего контура авиационной техники.

Таблица 2

Сравнение прочности и модуля упругости новых ПКМ на основе клеевых препрегов

* Стеклопластик КМКС-4.175.Т1С.8/3.

Для изучения поведения материалов в конструкции и установления связи между механическими потерями и прикладываемой изгибной нагрузкой в условиях умеренно теплого климата (г. Геленджик) проводили испытания конструктивно-подобных образцов сотовых конструкций из ПКМ при совместном воздействии климатических факторов и нагрузки по разработанной методике с определением модуля упругости.

Экспозицию образцов сотовых конструкций, состоящих из двух обшивок с промежуточным слоем из сотопласта, припрессованного к обшивкам, проводили в течение 12 мес на открытой площадке в натурных условиях умеренно теплого климата Геленджикского центра климатических испытаний (ГЦКИ) в свободном и нагруженном состояниях (0,25; 0,5; 0,75 от σ_в.и) в специальных приспособлениях-струбцинах (см. рисунок). Размер образцов для механических испытаний обусловлен ОСТ1 90265–78 и составлял 400×75 мм. Каждая обшивка образца содержала два слоя клеевого препрега КМКС-4.175.Т10.55, один слой КМКС-2.120.Т10.55 на основе эпоксидного клея ВК-36Р и стеклянную конструкционную ткань Т-10-80. Материал сотового заполнителя – соты стеклянные ССП-1-35 Н-10. Заделку боковых граней осуществляли с помощью клеевого препрега КМКС-4.175.Т10.55 одновременно с изготовлением сотовой панели.

Схема нагружения панелей в приспособлениях-струбцинах (L – расстояние между центрами образцов (максимальный прогиб), мм; K – расстояние между образцами в месте приложения усилия, мм)

Проведены испытания по определению механических свойств при четырехточечном изгибе (предела прочности при изгибе σ_в.и и модуля упругости Е) образцов из сотовых конструкций (табл. 3).

Таблица 3

Результаты исследования механических свойств трехслойных сотовых панелей

при четырехточечном изгибе после 12 мес экспозиции на открытой площадке ГЦКИ

Результаты испытаний показывают, что нагрузка 0,75σ_в.и является критической для данного вида испытаний конструктивно-подобных образцов сотовых конструкций из ПКМ, а наибольшие потери механических свойств наблюдались на образцах при изгибе с нагрузкой 0,5σ_в.и. Установлено, что при равновесном влагосодержании 0,41% от исходной массы образца прочность при изгибе снизилась на 9–15% (при 20°С), в зависимости от нагрузки, по сравнению с исходной (83 МПа). Модуль упругости практически не изменился для всех условий нагружения.

Заключения

1. Проведенный обзор научно-технической литературы показывает, что старение ПКМ является комплексным процессом, в связи с чем необходимы не только изучение влияния отдельных агрессивных факторов, но также учет их совместного ускоряющего воздействия на долговечность материалов. Наиболее важными факторами воздействия являются: УФ-воздействие, влагонасыщение, повышенные температуры, термоциклирование и механические нагрузки.

2. Длительная экспозиция ПКМ с различными уровнями нагружения в условиях статического изгиба приводит к ускорению процессов старения и разрушению структуры композита, т. е. эффект старения при нагружении образцов больше, чем без приложения нагрузок.

3. На основании проведенных исследований можно выделить следующие приоритетные направления в области испытаний ПКМ в части оценки стойкости к воздействию внешних факторов:

– для достоверной оценки поведения ПКМ в предполагаемых условиях эксплуатации при проведении климатических испытаний необходим учет и воспроизведение характерных механических напряжений;

– при проведении испытаний нужен контроль изменения внутренних напряжений, необходимых для оценки деформационных характеристик материала;

– при проведении климатических испытаний, совмещенных с механическим нагружением, необходим контроль изменения свойств, происходящего в материале под воздействием климатических факторов и статических/динамических напряжений;

– необходима разработка и актуализация имеющейся нормативной документации по проведению климатических испытаний, совмещенных с механическими нагружениями, в том числе и испытаний крупногабаритных конструктивно-подобных образцов.