Климатические воздействия как оценка ремонтопригодности изделий из углепластика
Исследованы механические характеристики и показатели влагопереноса монолитных и трехслойных сотовых образцов на основе углепластика ВКУ-30К.Р14535 в исходном состоянии, после механического ударного повреждения, после ремонта и натурных климатических испытаний в условиях умеренно теплого климата. Освещена проблема «чувствительности» полимерных композиционных материалов (ПКМ) к ударным повреждениям. Отмечены результаты научно-исследовательской работы по исследованию свойств ряда ПКМ авиационного назначения с механическими повреждениями в различных климатических условиях.
Введение
Композиционные материалы, без сомнения, можно отнести к категории наиболее востребованных продуктов современного промышленного производства. В первую очередь их применяют в высокотехнологичных отраслях, в том числе авиационно-космической [1].
Рост объемов применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) нового поколения в конструкциях авиационной техники (АТ) актуализирует и выводит на первый план обеспечение ее безопасности, надежности и экономической эффективности. При этом значительно увеличивается объем работ, связанных с ее обслуживанием и ремонтом. Одной из причин роста является особенность ПКМ – их высокая «чувствительность» (снижение показателей прочности) к ударным воздействиям, характерным для эксплуатации АТ в различных климатических условиях [2–28]. Следует отметить, что отсутствуют статистические данные по изменению свойств ПКМ нового поколения при эксплуатации в составе конструкции АТ, что делает невозможным прогнозирование поведения ПКМ при их эксплуатации. При этом сведения об изменении механических свойств ПКМ нового поколения в реальных условиях эксплуатации представляют большой интерес для специалистов различного профиля [29, 30]
С учетом вышеизложенного проведены работы по исследованию свойств ряда ПКМ авиационного назначения с механическими повреждениями в различных климатических условиях. В работах [16–18, 25] представлены результаты, которые показали, что в монолитных образцах с механическими повреждениями коэффициент диффузии и предельное влагонасыщение возрастают на 20–70%. При этом после экспонирования в течение 6–18 мес в четырех климатических зонах разрушающее напряжение при сжатии уменьшается на 5–7%. Проведенные исследования также показали, что на начальном этапе экспонирования пяти марок ПКМ среднее изменение коэффициента диффузии влаги в 5 раз больше, а после 18 мес экспонирования – в 3 раза превышает изменение предела прочности при сжатии.
На основе этих исследований разработан стандарт организации СТО 1-595-591-483–2015 «Климатические испытания ПКМ с регламентированными повреждениями при ударе» [24].
Большой практический интерес, наряду с оценкой повреждений элементов конструкции АТ в результате механических ударных нагрузок, представляет определение состояния поврежденных конструкций из ПКМ после восстановительного ремонта с оценкой их климатической стойкости.
Ремонт является одним из четырех важнейших элементов, влияющих на повышение эксплуатационной надежности АТ и, как следствие, на увеличение ее эффективности. В этой связи исследованы механические характеристики и показатели влагопереноса монолитных и трехслойных сотовых образцов на основе углепластика ВКУ-30К.Р14535 в исходном состоянии, после механического ударного повреждения и после ремонта с учетом климатического воздействия.
Материалы и методы
Для проведения исследований изготовлены монолитные образцы из углепластика ВКУ-30К.Р14535, чей вид и габаритные размеры регламентируются требованиями, указанными в ГОСТ 33496–2015 «Испытания на сопротивление повреждению при ударе падающим грузом», а также ГОСТ 33495–2015 (ASTM D7136/D7136М) «Механические испытания на сжатие после удара». Образцы выполнены длиной 150±0,25 мм, шириной 100±0,25 мм, толщиной 4,5±0,25 мм с квазиизотропной схемой армирования [45°/0°/-45°/90°]32 (рис. 1, а). Углепластик изготовлен из клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.Р14535.45 (ТУ1-595-14-1304–2012).

Рис. 1. Внешний вид монолитных образцов из углепластика ВКУ-30К.Р14535 (а) и трехслойных сотовых образцов (б)
Изготовлены также трехслойные сотовые образцы (рис. 1, б) с обшивкой из клеевых препрегов КМКУ-3м.150.Р14535.45 и КМКС-4м.175.Т64.55 (ТУ1-595-14-1065–2009) и алюминиевого сотового заполнителя АМг2-Н-2,5-30 (01-11-10) (ОСТ1 00728–75). Препрег КМКС-4м.175.Т64.55 является защитным слоем между углеродным наполнителем и алюминиевым сотовым заполнителем – для исключения разрушения углеродных волокон от соприкосновения их с сотовым заполнителем при формовании и защиты их от коррозии в процессе эксплуатации. Вид и габаритные размеры трехслойных сотовых образцов регламентируются требованиями, указанными в ГОСТ 33496–2015 «Испытания на сопротивление повреждению при ударе падающим грузом» и ГОСТ Р 56809–2015 «Определение предела прочности на сжатие параллельно плоскости «сэндвич»-конструкций». Образцы выполнены длиной 150±0,25 мм, шириной 100±0,25 мм, толщиной 12,8±0,25 мм, обшивки в них имеют квазиизотропную схему армирования [45°/0°/-45°/90°]8[0°/0°]2. Сотовый заполнитель уложен таким образом, что клеевые полосы параллельны направлению основы тканого наполнителя в обшивках. Анализ работ [3–8, 31–37] показывает, что наиболее распространенные и информативные повреждения в результате ударного воздействия – вмятины и пробоины. В монолитных конструкциях вмятина сопровождается наличием сколов, забоин и расслоением по толщине конструкции. В трехслойных сотовых конструкциях вмятина сопровождается помимо вышесказанного повреждением сотового заполнителя и его отслоением от обшивки. Пробоина в монолитных и трехслойных сотовых конструкциях включает все вышесказанное, а также частичное разрушение армирующего волокна. В трехслойных сотовых конструкциях пробоина сопровождается повреждением верхней обшивки и сотового заполнителя. С учетом вышеизложенного подобрана энергия удара, соответствующая для монолитных и трехслойных сотовых образцов дефектам типа вмятина и пробоина:
Вид дефекта | Вид образца | Энергия удара, Дж |
Вмятина | Монолитный | 14,5 (0,5Еа*) |
| Трехслойный сотовый | 7,5 (Еа) |
Пробоина | Монолитный | 39,0 (1,25Еа) |
| Трехслойный сотовый | 15 (2Еа) |
* Еа – энергия, поглощенная образцом в процессе удара (ГОСТ 33496–2015).
Путем ударного воздействия свободно падающим грузом нанесены искусственные повреждения на монолитные и трехслойные сотовые образцы по ГОСТ 33496–2015 (рис. 2).
По результатам эхо-импульсного контроля монолитных образцов установлено (рис. 3, а), что энергия удара 14,5 Дж вызывает повреждение поверхности площадью S=1142 мм2, а при 39,0 Дж – S=5430 мм2. По результатам импендансного контроля трехслойных сотовых образцов установлено (рис. 3, б), что энергия удара 7,5 Дж вызывает повреждение их поверхности площадью S=572 мм2, а при 15,0 Дж – S=961 мм2.
После определения границ повреждения в образцах и c учетом отечественного и зарубежного опыта проведен их ремонт препреговым способом при повышенной температуре методом вакуумного формования, с использованием материалов, аналогичных материалам для исходных образцов. Схемы ремонта монолитных и трехслойных сотовых образцов представлены на рис. 4 и 5. Зону повреждения образцов по периметру обрабатывали со скосом. С учетом результатов, полученных при анализе научно-технической литературы [35–37], и габаритных размеров ремонтируемых образцов угол скоса для монолитных образцов выбран 22 градуса по периметру зоны разрушения (рис. 6, а), а для трехслойных сотовых образцов 3 градуса (рис. 6, б). Формирование скоса в зоне ремонта проводили на фрезерном станке с ЧПУ. Толщина ремонтных накладок из ПКМ составляла для монолитных образцов 2 мм, а для трехслойных сотовых образцов 1 мм. Перед проведением ремонта поверхность образцов, подлежащих склеиванию с ремонтной вставкой и ремонтными накладками, зашкуривали наждачной бумагой до значения шероховатости соответствующей 6 классу шероховатости. На рис. 7 представлены отремонтированные монолитные и трехслойные сотовые образцы.
Рис. 2. Внешний вид образцов с ударным повреждением:
а, б – соответственно лицевая и тыльная сторона монолитных образцов (слева направо: пробоина, вмятина); в, г – трехслойный сотовый образец с вмятиной ипробоиной соответственно
(Еа – энергия удара)

Рис. 3. Ультразвуковой контроль монолитных и трехслойных сотовых образцов после ударного воздействия:
а – C-сканы монолитных образцов; б – размеченная граница повреждений трехслойных
сотовых образцов (Еа – энергия удара)

Рис. 4. Схема проведения ремонта монолитных образцов:
1 – ремонтируемая конструкция; 2 – слои клеевого препрега, формирующие ремонтную
заплату; 3 – слои клеевого препрега, формирующие ремонтную накладку; 4 – клеевая пленка

Рис. 5. Схема проведения ремонта трехслойных сотовых образцов:
1 – ремонтируемая верхняя обшивка; 2 – сотовый заполнитель; 3 – нижняя обшивка;
4 – ремонтная вставка сотового заполнителя; 5 – два слоя клеевого препрега марки КМКС;
6 – полимерная паста – синтактик; 7 – клеевая пленка; 8 – слои клеевого препрега, формирующие заплату; 9 – слои клеевого препрега, формирующие накладку

Рис. 6. Вид монолитных (а) и трехслойных сотовых образцов (б) с подготовленной зоной ремонта (Еа – энергия удара)

Рис. 7. Вид монолитных (а) и трехслойных сотовых образцов (б) после ремонта (слева направо: вмятина, пробоина)
Для проведения климатических испытаний исходные, подвергнутые удару и отремонтированные монолитные и трехслойные сотовые образцы выставлены на натурные климатические испытания в условиях умеренного теплого климата (рис. 8).

Рис. 8. Стенд с образцами в условиях умеренного теплого климата
Для сравнительной оценки состояния монолитных и трехслойных сотовых образцов в работе использовали следующие методы:
– механические испытания на сжатие после удара (ГОСТ 33495–2015);
– механические испытания на сжатие (ГОСТ 25.602–80);
– испытания на сопротивление повреждению при ударе падающим грузом (ГОСТ 33496–2015);
– ультразвуковые исследования монолитных образцов из ПКМ (ТР1.2.2215–2011);
– ультразвуковые исследования трехслойных сотовых образцов (ПИ1.2.841–2016);
– измерение характеристик влагонасыщения (СТО1-595-591-483–2015).
Результаты и обсуждение
На рис. 9 представлены результаты влияния натурных климатических испытаний на предел прочности при сжатии и наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца. Видно, что предел прочности при сжатии экспонированных образцов снижается на 44%, а наибольшая нагрузка, предшествующая его разрушению снижается на 22% по отношению к значениям в исходном состоянии.
На рис. 10 представлены результаты влияния энергии удара на прочность при сжатии углепластика ВКУ-30К.Р14535. Испытания проводились при повышенной температуре (150°С). Видно, что после ударного воздействия с энергией 14,5 Дж предел прочности при сжатии монолитных образцов снизился на 49% от значения в исходном состоянии, а после воздействия с энергией 39,0 Дж – на 65%. Следует также отметить, что после экспозиции в течение 3 мес в условиях умеренного теплого климата предел прочности при сжатии монолитных образцов снизился на 60 и 69% от исходных значений соответственно.

Рис. 9. Диаграмма влияния натурных климатических испытаний на предел прочности при сжатии (■) и наибольшую нагрузку (■), предшествующую разрушению образца по ГОСТ 25.602–80, при температуре 150°С

Рис. 10. Диаграмма предела прочности при сжатии (при температуре 150°С) образцов (■) и наибольшей нагрузки (■), предшествующей их разрушению по ГОСТ 33495–2015, при энергии удара 14,5 (а) и 39,0 Дж (б)
После ремонта прочность при сжатии монолитных образцов составила соответственно 207 и 165 МПа. Однако следует отметить, что монолитные образцы после ремонта представляют собой неоднородные клеесборные конструкции, поэтому следует оценивать качество проводимого ремонта не по значению предела прочности при сжатии после удара, а по их наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. После ремонта процент сохранения наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, составил от исходного значения 112 и 93% соответственно.
Для исследования влияния энергии удара на влагонасыщение проведено моделирование влагопереноса в ПКМ с использованием варианта одномерного закона Фика с постоянными граничными условиями, аналогично моделированию, проведенному в работе [26].
На рис. 11 представлен пример графического представления кинетики сорбции и десорбции влаги в монолитных и трехслойных сотовых образцах после 3 мес климатических испытаний в условиях умеренного теплого климата на стадиях предварительной сушки, увлажнения при относительной влажности 96±2% и последующей сушки при температуре 60°С.

Рис. 11. Кинетика сорбции и десорбции влаги на стадиях предварительной сушки, увлажнения и последующей сушки монолитных (а) и трехслойных сотовых образцов (б); точки – экспериментальные значения; кривые – модель по закону Фика, аналогичная модели в работе [26]: при энергии удара 0,5Еа (1); 1,25Еа (2); Еа (3); 2Еа (4); без удара (5)

Рис. 12. Влияние энергии удара (Еа) на коэффициент диффузии влаги монолитных (а)
и трехслойных сотовых образцов (б) после выдержки в условиях умеренного теплого климата
в течение 3 (■) и 6 мес (■)
Результаты измерений показателей влагопереноса (рис. 12) подтверждают общую закономерность, установленную в работах [16–18, 25]: с увеличением энергии механического удара возрастает коэффициент диффузии влаги в ПКМ. В частности, этот показатель возрастает в 2 раза в монолитных образцах размером 150×100 мм после ударных повреждений с энергией 14,5 Дж. При более высокой энергии удара (39,0 Дж) этот показатель возрастает в 5 раз.
Заключения
1. Экспериментально обоснована выбранная технология ремонта монолитных и трехслойных сотовых образцов после калиброванных ударных повреждений.
2. Изучено влияние энергии удара на прочностные показатели и характеристики влагопереноса монолитных образцов в поврежденном состоянии и после ремонта. Коэффициент диффузии влаги монолитных образцов после ремонта снижается на 16% при энергии удара 0,5Ea и на 33% при энергии удара 1,25Ea – по сравнению с исходным состоянием (с ударным повреждением) после 3 мес натурной экспозиции, и снижается на 52% при энергии удара 0,5Ea и на 71% при энергии удара 1,25Ea – по сравнению с исходным состоянием (с ударным повреждением) после 6 мес натурной экспозиции в условиях умеренного теплого климата.
3. Изучено влияние энергии удара на трехслойные сотовые образцы на характеристики влагопереноса в поврежденном состоянии и после ремонта. Коэффициенты диффузии влаги трехслойных сотовых образцов после ремонта снижаются на 57% при энергии удара Ea и на 55% при энергии удара 2Ea – по сравнению с исходным состоянием (с ударным повреждением) после 3 мес натурной экспозиции, и снижаются на 84% при энергии удара Ea и 92% при энергии удара 2Ea – по сравнению с исходным состоянием (с ударным повреждением) после 6 мес натурной экспозиции в условиях умеренного теплого климата.
4. Показано, что климатическое воздействие в условиях умеренного теплого климата продолжительностью 3 мес оказывает дополнительное влияния на снижение прочностных показателей в исходном и поврежденном состоянии исследованных образцов. Показано, что климатическое воздействие в условиях умеренного теплого климата продолжительностью 3 и 6 мес оказывает дополнительное влияния на увеличение показателей влагопереноса в поврежденном состоянии и уменьшение их после ремонта.
5. Полученные результаты характеристик влагопереноса могут быть использованы для оценки ремонтопригодности изделий из углепластика и ПКМ в целом.
Исследования в данном направлении будут продолжены. Полученные результаты могут быть рекомендованы для восстановления эксплуатационной надежности конструкций из ПКМ для АТ.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-29-18029.
- Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки – основа инноваций // Крылья Родины. 2016. №5. С. 8–18.
- Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Бабин А.Н., Мухаметов Р.Р., Панина Н.Н. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. №2. С. 37–42.
- MIL-HDBK-336-2. Military Handbook for Military Aircraft Nonnuclear Survivability. Washington, DC: Department of Defense, 1983. 505 p.
- Стюарт Д. Руководство по композитам для авиакосмической промышленности. URL: https://www.twirpx.com/file/2019248/ (дата обращения: 28.06.2019).
- DOT/FAA/AR-TN06/57. Best Practice in Adhesive-Bonded Structures and Repairs. U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, 2007. 58 p.
- DOT/FAA/AR-08/54. Guidelines for the Development of a Critical Composite Maintenance and Repair Issues Awareness Course. U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, 2009. 240 p.
- DOT/FAA/AR-00/47. Material Qualification and Equivalency for Polymer Matrix Composite Material Systems. U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, 2001. 119 p.
- DOT/FAA/AR-03/74. Bonded Repair of Aircraft Composite Sandwich Structures. U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, 2004. 121 p.
- Singh N.K., Rawat P., Singh K.K. Impact response of quasi-isotropic asymmetric carbon fabric/epoxy laminate infused with MWCNTs // Journal of Material Science. 2016. Vol. 2016. Article ID 7541468.
- ASTM Standard D7137. Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. ASTM International, 2012. 16 p.
- Berketis K., Tzetzis D. The compression-after-impact strength of woven and non-crimp fabric reinforced composites subjected to long-term water immersion ageing // Journal of Material Science. 2010. Vol. 45. No. 20. P. 5611–5623.
- Park H., Kong C. A study on low velocity impact damage evaluation and repair technique of small aircraft composite structure // Composites. Part A. 2011. Vol. 42. No. 9. P. 1179–1188.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. 1. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. №11. С. 19–26.
- Каблов Е.Н., Кириллов В.Н., Жирнов А.Д., Старцев О.В., Вапиров Ю.М. Центры для климатических испытаний авиационных ПКМ // Авиационная промышленность. 2009. №4. С. 36–46.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Старцев В.О., Панин С.В., Старцев О.В. Сорбция и диффузия влаги в полимерных композитных материалах с ударными повреждениями // Механика композитных материалов. 2015. Т. 51. №6. С. 1081–1094.
- Старцев В.О., Махоньков А.Ю., Котова Е.А. Механические свойства и влагостойкость ПКМ с повреждениями // Авиационные материалы и технологии. 2015. №S1 (38). С. 49–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-49-55.
- Старцев В.О., Маханьков А.Ю., Панин С.В., Старцев О.В. и др. Разрушение при сжатии и влагоперенос в полимерных композиционных материалах с механическими повреждениями // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. №7. С. 2–81.
- Gomez-del Rio T., Zaera R., Barbero E., Navarro C. Damage in CFRPs due to low velocity impact at low temperature // Composites. Part B. 2005. Vol. 36. No. 1. P. 41–50.
- Perez A., Gil L., Oller S. Non-destructive testing evaluation of low velocity impact damage in carbon fiber-reinforced laminated composites // Ultragarsas (Ultrasound). 2011. Vol. 66 (2). P. 21–27.
- Imielinska K., Guillaumat L. The effect of water immersion ageing on low-velocity impact behaviour of woven aramid–glass fibre/epoxy composites // Composites Science and Technology. 2004. Vol. 64. No. 13–14. P. 2271–2278.
- Saito H., Kimpara I. Damage evolution behavior of CFRP laminates under post-impact fatigue with water absorption environment // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. No 6. P. 847–855.
- Aoki Y., Yamada K., Ishikawa T. Effect of hygrothermal condition on compression after impact strength of CFRP laminates // Composites Science and Technology. 2008. Vol. 68. No. 6. P. 1376–1383.
- Панин С.В., Старцев В.О., Курс М.Г., Варченко Е.А. Развитие методов климатических испытаний материалов для машиностроения и строительства в ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. №10. С. 50–61.
- Старцев В.О. Климатическая стойкость полимерных композиционных материалов и защитных покрытий в умеренно-теплом климате: дис. … д-ра техн. наук. М.: ВИАМ, 2018. 308 с.
- Старцев В.О., Ильичев А.В. Влияние энергии механического удара на сорбцию и диффузию влаги в полимерных композиционных материалах при варьировании размеров образцов // Механика композитных материалов. 2018. Т. 54. №2. С. 219–232.
- Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 412–423.
- Постнов В.И., Стрельников С.В. Опыт восстановления эксплуатационной надежности авиационных конструкций из ПКМ // Ремонт, восстановление, модернизация. 2014. №4. С. 12–19.
- Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. №2 (51). С. 47–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-47-58.
- Каблов Е.Н., Старцев В.О., Иноземцев А.А. Влагонасыщение конструктивно-подобных элементов из полимерных композиционных материалов в открытых климатических условиях с наложением термоциклов // Авиационные материалы и технологии. 2017. №2 (47). С. 56–68. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-2-56-68.
- Виленц В.С., Андреев С.В., Дементьева Л.А. Ремонт сотовых клееных конструкций из композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. Вып.: Ремонтные технологии в авиастроении. 2002. С. 65–70.
- Румянцев А.Ф., Гуняев Г.М., Уральский М.П. Технологические дефекты в полимерных композитах и степень их опасности для работоспособности конструкций из углепластиков // Авиационные материалы и технологии. Вып.: Ремонтные технологии в авиастроении. 2012. С. 41–53.
- Куликов В.В., Петрова А.П. Анализ типов дефектов в клеевых соединениях авиационной техники и их ремонт // Клеи. Герметики. Технологии. 2011. №5. С. 24–27.
- Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из ПКМ и методы их выявления. Ч. 1. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2007. №4. С. 23–32.
- Самолет Ан-124-100. Руководство по технической эксплуатации 1.4001.0000.000.000 РЭ6. URL: http://www.aviadocs.net/RLE/An-124-100/CD1/RYE/An-124-100_RYE6.pdf (дата обращения: 28.06.2019).
- Ил-96-300. Руководство по технической эксплуатации. URL: http://www.aviadocs.net/RLE/IL-96-300/CD1/RTYE/IL-96-300_RTYE_kn2.pdf (дата обращения: 28.06.2019).
- Фролов Л.М. Войсковой ремонт авиационной техники: учеб. пособие для инженерно-технического состава ВВС. М.: Воен. изд-во, 1991. 479 с.
