Влияние внешней среды на свойства углепластика ВКУ-27Л

Введение

Развитие авиационной техники требует совершенствования и внедрения новейших материалов и технологий их изготовления. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) прочно завоевали место среди конструкционных материалов в авиационной промышлености [1]. Их использование взамен металлических сплавов позволяет снизить массу конструкции, повысить ресурс эксплуатации, снизить трудоемкость изготовления и материалоемкости. Уменьшение массы авиационных конструкций путем использования новых материалов позволит снизить потребление топлива и увеличить полезную нагрузку (число пассажиров и полезного груза) [2–5].

Иностранные фирмы, такие как Airbus и Boeing, проводят исследования с целью увеличения объема использования углепластиков до 60% от массы конструкции летательных аппаратов. В настоящий момент фирма Airbus – лидер по количеству применения ПКМ. В конструкции самолета А350 композиты занимают около 53% от массы планера. Российские авиастроители также стремятся увеличить объемы использования углепластиков в элементах конструкции новых изделий – ПАО «Компания «Сухой» в самолете SSJ NG и ПАО «Корпорация «Иркут» в самолете МС-21. Решение этой проблемы вполне реально с учетом высоких механических свойств углепластиков и высокого уровня развития технологий [6, 7].

При использовании и хранении на изделия из ПКМ воздействуют температура и влажность окружающей среды. В зависимости от применения изделия из ПКМ подвергаются либо продолжительному и непрерывному воздействию температуры и влажности окружающей среды, либо кратковременным воздействиям этих факторов. Значения температуры и влажности зависят от климатической зоны и ряда других факторов, напрямую 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 действию температуры и влаги, которое может быть весьма разнообразным как по интенсивности, так и по продолжительности, проводятся в специальных автоматических тепловлажностных камерах [8–14].

Целью данной работы является исследование стабильности свойств углепластика, полученного методом автоклавного формования, при воздействии факторов внешней среды (температуры и повышенной влажности) и эксплуатационных жидкостей (топливо, масло, противообледенительная жидкость, растворители).

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Объектом исследования является изготовленный методом автоклавного формования конструкционный углепластик ВКУ-27Л на основе равнопрочной углеродной ткани Porcher (арт. 14535) с поверхностной плотностью 130±5 г/м² и связующего марки ВСТ-1208. Далее приведены физико-механические характеристики конструкционного углепластика ВКУ-27Л, изготовленного методом автоклавного формования:

Внешний вид углепластика ВКУ-27Л

Углепластик марки ВКУ-27Л (см. рисунок) рекомендуется для изготовления конструкций гражданской авиационной техники, в том числе деталей силовых конструкций планера: крыла, центроплана, элементов механизации, звукопоглощающих конструкций двигателя. Углепластик марки ВКУ-27Л может эксплуатироваться в диапазоне температур от -60 до +170°С с кратковременным забросом температуры до 190°С. Уровень сохранения свойств углепластика ВКУ-27Л при максимальной рабочей температуре 170°С составляет: 98% – по пределу прочности при растяжении, 85% – по пределу прочности при сжатии и 74% – по пределу прочности при изгибе.

Исследование влияния внешней среды (температуры, влажности) и эксплуатационных жидкостей на свойства углепластика ВКУ-27Л проводили в указанных далее условиях.

Тепловое старение образцов проводили в воздушном термостате при температуре 170°С. Максимальное отклонение температуры от заданной для термостата не превышало ±0,5°С.

Ускоренное тепловлажностное старение углепластика исследовали в соответствии с ГОСТ 9.707–81 при температуре 60°С и относительной влажности 85%. Испытания проводили в камере тепловлажностного старения 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 изгибе и сдвиге.

Влагостойкостьобразцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре и влажности 98%. Определяли изменение пределов прочности углепластика при изгибе и сдвиге и привес образца в результате поглощения влаги в соответствии с ГОСТ 4650–80.

Водостойкость образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в воде. Определяли изменение пределов прочности углепластика при изгибе и сдвиге и привес образца в результате поглощения воды в соответствии с ГОСТ 4650–80.

Топливостойкость образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в топливе ТС-1. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции топлива, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020–72.

Маслостойкость образцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в масле ИПМ-10 и МС-8П. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020–72.

Стойкость к противообледенительной жидкостиобразцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре в противообледенительной жидкости Арктика ДГ. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020–72.

Стойкость к растворителямобразцов из углепластика исследовали после выдержки в течение 90 сут при комнатной температуре  денатурированном спирте и нефрасе. Определяли изменение пределов прочности при изгибе и сдвиге и привес образца в результате сорбции, испытания проводили в соответствии с ГОСТ 12020–72.

Механические испытания углепластиков проводили на испытательной машине Zwick/Roel Z400 в соответствии с ASTM D 7264/D 7264M (предел прочности при изгибе) и ASTM D 2344/D 2344M (предел прочности при сдвиге).

Результаты и обсуждение

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после выдержки в камере тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85% показаны в табл. 1. Выявлено, что выдержка в вышеуказанных условиях на протяжении 90 сут влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 99% – при 20°С и 94% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания.

Таблица 1

Результаты испытаний углепластика ВКУ-27Л после экспозиции в камере

тепловлажностного старения при температуре 60°С и относительной влажности 85%

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после теплового старения при 170°С показаны в табл. 2. Выявлено, что выдержка в вышеуказанных условиях на протяжении 2000 ч влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 98% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания.

Таблица 2

Результаты испытаний углепластика ВКУ-27Л после теплового старения при 170°С

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на водостойкость показаны в табл. 3. Выявлено, что выдержка в воде на протяжении 90 сут образцов из углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 98% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 88% – при 20°С и 87% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,6% от первоначального показателя.

Таблица 3

Водостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на влагостойкость показаны в табл. 4. Выявлено, что выдержка в среде с повышенной влажностью (98%) на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 93% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 100% – при 20°С и 91% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,5% от первоначального показателя.

Таблица 4

Влагостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на топливостойкость показаны в табл. 5. Выявлено, что выдержка в топливе ТС-1 на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 95% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет: 100% – при 20°С и 91% – при 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.

Таблица 5

Топливостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на маслостойкость показаны в табл. 6. Выявлено, что выдержка в масле ИПМ-10 на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 97% – при 20°С и 96% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя. Выявлено, что выдержка в масле МС-8П на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 97% – при 20°С и 100% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.

Таблица 6

Маслостойкость образцов из углепластика ВКУ-27Л

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на стойкость к противообледенительной жидкости показаны в табл. 7. Выявлено, что выдержка в противообледенительной жидкости Арктика ДГ на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 100% – при 20°С и 99% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,1% от первоначального показателя.

Таблица 7

Стойкость углепластика ВКУ-27Л к противообледенительной жидкости

Значения механических характеристик углепластика ВКУ-27Л после испытания на стойкость к растворителям показаны в табл. 8. Выявлено, что выдержка в растворителе (денатурированный спирт) на протяжении 90 сут образцов углепластика с незакрытыми торцами влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности при изгибе составляет: 82% – при 20°С и 84% – при 170°С, а при сдвиге составляет 100% – при 20 и 170°С в сравнении с контрольными показателями при температуре испытания. Увеличение массы образца углепластика составило 0,2% от первоначального показателя.

Таблица 8

Стойкость углепластика ВКУ-27Л к растворителю

Заключения

Исследовано воздействие факторов внешней среды (температуры и влажности) и эксплуатационных жидкостей на основные свойства углепластика ВКУ-27Л, изготовленного методом автоклавного формования. Выявлено, что выдержка в камере тепловлажностного старения влияет на уровень механических характеристик – показатель сохранения прочности составляет не менее 94%, при воздействии максимальной рабочей температуры 170°С в течение 2000 ч – не менее 98%, при воздействии эксплуатационных жидкостей – не менее 82% (при испытаниях при комнатной и максимальной рабочей температуре 170°С).