Разработка композиционного материала клеевого на основе альтернативного углеродного жгутового наполнителя марки UMT49S-12К-ЕР и клеевого связующего марки ВСК-14-3

Введение

Авиация и авиастроение представляют собой высокоразвитый раздел в экономике государства, который вносит значительный вклад в увеличение валового внутреннего продукта (ВВП), используя при этом в своей деятельности наукоемкие технологии и продукцию – в частности, высокоэффективные материалы и передовые производственные технологии их получения.

Главными целевыми ориентирами стратегии развития ОАО «Объединенная авиастроительная корпорация» (ОАО «ОАК») являются разработка и производство самолетов, а также достижение и удержание долгосрочной конкурентоспособности авиастроительного комплекса России на глобальном рынке авиационной техники. Для достижения целевых ориентиров в области военной авиации главная задача для ОАО «ОАК» – сделать возможным создание и серийное производство воздушных суден исключительно на основе внутренних производственных мощностей изготовления продукции путем использования отечественных разработок. При этом важно создавать материалы, учитывая использование компонентов внутрирыночного производства и сохраняя при этом независимость от западных производителей [1–3].

Одной из важнейших целей в стратегическом направлении развития материалов для различных отраслей промышленности и технологий их переработки на долгосрочный период (до 2030 г.) является обеспечение мирового уровня и глобальной конкурентоспособности российских материалов и технологий [4].

В перспективных направлениях по развитию науки и техники в XXI в. важную роль играет отрасль полимерных композиционных материалов (ПКМ). При этом вектор развития ПКМ на мировом рынке направлен на исследование армирующих компонентов, связующих для ПКМ и технологий их переработки, что в первую очередь влияет на развитие и производство высокотехнологичной, наукоемкой продукции со значительной частью инновационной составляющей [5]. Тенденция по увеличению применения в современном самолетостроении полимерных композиционных материалов взамен традиционных металлов и сплавов обусловлена уникальными свойствами ПКМ: высокими упруго-прочностными характеристиками в сочетании с низкой плотностью, неподверженностью коррозии, широкими возможностями переработки, высокими диэлектрическими свойствами. При этом за счет использования ПКМ в авиастроении существенно снижается весовая нагрузка конструкции планера, увеличиваются ее живучесть и ресурс, снижаются затраты на производство и эксплуатацию воздушных суден [6, 7].

Производство ПКМ нового поколения – одно из самых быстро развивающихся в мире направлений, имеющее существенное значение при интенсификации ВВП в каждом регионе мира. Если в конструкции современных самолетов различных модификаций, разработанных ранее, объемы применения ПКМ составляли не более 11%, то в настоящее время при проектировании изделий новой техники (рис. 1) предусматривается более широкое использование этих материалов – до 25–50%. В частности, в конструкциях планеров Airbus A350 XWB и Boeing 787 объем применения ПКМ составляет >50% [8, 9].

Наиболее широкий потенциальный рынок среди ПКМ имеют углепластики, при производстве которых в качестве армирующих наполнителей используют углеродные волокнистые материалы различных текстильных форм, а также высокопрочные углеродные жгуты [10].

В последнее время при разработке полимерных композиционных материалов нашли большое применение клеевые препреги, в которых пропитку тканевого наполнителя (стеклоткань, углеродная ткань) осуществляют расплавом эпоксидного клеевого связующего по безрастворной технологии [11].

Рис. 1. Конструкция современного самолета

ФГУП «ВИАМ» обладает широкой номенклатурой разработанных конструкционных композиционных материалов клеевых (КМК), которые находятся в строгой зависимости от используемых компонентов, входящих в их состав, и отличаются значительным спектром свойств.

Применение КМК, разработанных во ФГУП «ВИАМ», позволило оптимизировать технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых и слоистых конструкций из неметаллических материалов, которая была доступна только с использованием метода раздельного формования. Так, за счет использования препрегов с увеличенным содержанием клеевого связующего стало возможным производить формование обшивки с одновременным приклеиванием ее к сотовому заполнителю. При этом, помимо снижения трудоемкости в паре и увеличения производительности, такая технология существенным образом повысила ресурс, живучесть и герметичность клееных конструкций, а также увеличила весовую эффективность [12, 13].

Во ФГУП «ВИАМ» разработан и успешно внедрен в производство клеевой препрег марки КМКУ-3м.150.Р14535 с прочностью при растяжении не менее 1400 МПа на основе однонаправленной углеродной ленты артикула 14535 полотняного плетения фирмы Porcher Industries (Франция) и безрастворного клеевого связующего марки ВСК-14-3, который нашел применение при производстве сложных, крупногабаритных деталей наружных обшивок панелей крыла и средней части фюзеляжа, а также деталей горизонтального оперения летательных аппаратов российской компании ПАО «Компания «Сухой» [14].

В связи с недоступностью поставок углеродных волокон марки HTS45 E23 12K фирмы Toho Tenax (Токио, Япония) на территорию Российской Федерации, которые используются в качестве основы при производстве углеродной ленты артикула 14535 фирмы Porcher Industries, возникла необходимость их замены на альтернативные волокна, с учетом сырьевой и ресурсной возможности внутреннего рынка, имеющие аналогичные свойства.

В целях осуществления независимости по использованию углеродных армирующих наполнителей ряда зарубежных фирм составлено техническое задание (ТЗ) по разработке технологии изготовления препрегов на основе альтернативных углеродных наполнителей и связующих российского производства.

В данной статье представлены результаты основных физико-механических характеристик разработанного ПКМ по реализации ТЗ в условиях опытно-промышленного производства ФГУП «ВИАМ». Показаны результаты лабораторных климатических испытаний в сопоставлении с разработанным ранее углепластиком марки ВКУ-30К.Р14535. Рассмотрена возможность применения разработанного ПКМ при изготовлении деталей методом автоматизированной выкладки лент (препрегов) – Automated Tape Laying (ATL).

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

Применение современных пропиточных линий при производстве ПКМ позволяет обеспечивать содержание связующего в препрегах в пределах ±3%, что реализуется точностью технологических узлов оборудования, приводящей к снижению разброса по его содержанию [15].

На производственных мощностях ФГУП «ВИАМ» (установка Coatema BL-2800 – рис. 2) проведена отработка технологических режимов изготовления клеевых препрегов марки КМКУ-3м.150.UMT49 с различным содержанием связующего марки ВСК-14-3: (39±2)% – для монолитных конструкций, (63±2)% – для сотовых конструкций, с целью обеспечения содержания связующего в препреге, отличающегося не более чем на ±2% от номинальной величины, и получения препрегов надлежащего качества (без видимых дефектов – перетяжки, раздвижки волокон).

Рис. 2. Установка по изготовлению калиброванных прецизионных препрегов Coatema 
BL-2800 (Германия)

В данной статье использованы следующие нормативные документы: ГОСТ 25.601–80, ГОСТ 25.602–80, ГОСТ 25.604–82, ГОСТ 15139–69, ГОСТ 9.707–81, РД 50-675–88 [16–21].

Лабораторные тепловлажностные испытания образцов проводили по ГОСТ 9.707–81 путем экспозиции в автоматических климатических камерах фирмы Climats (Москва, Россия) при температуре 60 °С и относительной влажности φ=85%.

Результаты и обсуждение

По результатам предварительных испытаний подготовлены и оформлены изменения к ряду нормативных документов на разрабатываемый материал. Оформлено изменение №4 к техническим условиям на клеевой препрегТУ1-595-14-1304–2012 «Препреги клеевые марок КМКУ-3м.150.Р14535 и КМКУ-3м.150.UMT49».

Основные требования ТЗ к клеевому препрегу марки КМКУ-3м.150.UMT49 (ТУ1-595-14-1304–2012) и образцам из углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 на его основе представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные свойства для клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.UMT49

и для образцов из углепластика марки ВКУ-30К.UMT49

В рамках реализации ТЗ во ФГУП «ВИАМ» проведена работа по общей квалификации (паспортизации) углепластика конструкционного назначения марки ВКУ-30К.UMT49, получаемого методом ручной или механизированной выкладки безуточного препрега с последующим формованием в автоклаве, из препрегов на основе отечественного высокопрочного углеродного жгутового наполнителя марки UMT49S-12K фирмы UMATEX и клеевого связующего марки ВСК-14-3 с определением комплекса свойств. Основные механические характеристики для образцов из данного углепластика, полученные по результатам проведенной паспортизации, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные механические свойства (средние значения) для образцов из углепластика

марки ВКУ-30К.UMT49 при различных температурах испытаний

При анализе физико-механических свойств для образцов из углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 со схемами армирования [0]_n, [90]_n, [0/-45/90/+45]_n выявлено, что сохранение значений прочности при температуре испытаний 150 °С составило:

– при растяжении – от 64 до 94%;

– при сжатии – от 73 до 94%;

– при статическом изгибе – от 60 до 84%;

– при межслойном сдвиге – 66%,

относительно значений при температуре 20 °С.

Проведено сравнение полученных свойств для углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 со свойствами для серийно применяемого углепластика марки ВКУ-30К.Р14535 на основе однонаправленной углеродной ленты артикула 14535 фирмы Porcher и безрастворного клеевого связующего марки ВСК-14-3 (табл. 3).

Таблица 3

Основные свойства (средние значения) для углепластика марки ВКУ-30К.UMT49

в сравнении с углепластиком марки ВКУ-30К.Р14535 со схемой армирования [0]₈

при температуре испытания 20 °С

Установлено, что разработанный углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 по своим свойствам удовлетворяет требованиям ТЗ (прочность при растяжении при температуре 20 °С – не менее 1500 МПа; прочность при сжатии – не менее 1050 МПа; толщина монослоя (0,14±0,01) мм; максимальная рабочая температура 150 °С) и находится на уровне свойств для углепластика марки ВКУ-30К.P14535. При этом по показателю прочности при сжатии углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 на 8% превосходит углепластик марки ВКУ-30К.Р14535.

При создании ПКМ применительно к изделиям авиационной техники важно учитывать, что эксплуатация такой техники проходит в различных климатических условиях. Так, наибольшее влияние на величину срока службы изделий из ПКМ оказывают процессы старения под воздействием многочисленных факторов окружающей среды. На физико-механические характеристики ПКМ негативно влияет влага, при этом с увеличением влагосодержания возможно существенное уменьшение прочностных характеристик материалов, а в контакте с металлом еще и образование коррозии [22, 23].

Таким образом, при проведении квалификации ПКМ важной задачей является изучение изменения физико-механических свойств в процессе влагонасыщения путем экспозиции образцов в специальных термовлажностных камерах при определенных условиях экспонирования.

Проведено сравнение полученных свойств для углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 со свойствами для углепластика марки ВКУ-30К.Р14535 при одинаковых условиях экспонирования в термовлажностной камере (табл. 4).

Таблица 4

Основные свойства (средние значения) для углепластика марки ВКУ-30К.UMT49

в сравнении с углепластиком марки ВКУ-30К.Р14535 со схемами

армирования [0/-45/90/+45]_4sпосле тепловлажностного (ускоренного)

старения (Т=60 °С и j=85%) в течение 1 мес

При анализе физико-механических свойств для образцов из углепластиков марок ВКУ-30К.UMT49 и ВКУ-30К.Р14535 со схемой армирования [0/-45/90/+45]_n на сжатие выявлено, что сохранение значений прочности образцов из углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 при температуре испытания 20 °С составило 106%, при температуре 150 °С достигло 91%. В свою очередь у образцов из углепластика марки ВКУ-30К.Р14535 при аналогичных условиях данный показатель составил 88% при температуре 20 °С и 88% – при температуре 150 °С относительно исходных значений.

Вместе с тем при изучении прочностных свойств для образцов из углепластиков марок ВКУ-30К.UMT49 и ВКУ-30К.Р14535 со схемой армирования [0/-45/90/+45]_n на изгиб выявлено, что сохранение значений прочности для образцов из углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 при температуре испытания 20 °С составило 100%, при температуре 150 °С достигло 75%. В свою очередь у образцов из углепластика марки ВКУ-30К.Р14535 при аналогичных условиях данный показатель составил 88% при температуре 20 °С и 63% – при температуре 150 °С относительно исходных значений.

В соответствии с вышеизложенным для углепластика марки ВКУ-30К.UMT49 после тепловлажностного (ускоренного) старения (Т=60 °С и j=85%) в течение 1 мес, по сравнению с углепластиком марки ВКУ-30К.Р14535, характерно более высокое сохранение прочностных свойств. Таким образом, углепластик марки ВКУ-30К.UMT49, по сравнению с углепластиком марки ВКУ-30К.Р14535, является более влагостойким.

Исследования коррозионной агрессивности также показали, что углепластик марки ВКУ-30K.UMT49 может применяться в контакте с нержавеющими сталями и титановыми сплавами. Конструкционные стали с гальваническими покрытиями, алюминиевые сплавы с анодно-оксидными покрытиями в контакте с углепластиком марки ВКУ-30K.UMT49 должны быть защищены системами лакокрасочных покрытий и герметиками, при этом сам углепластик должен быть окрашен системой лакокрасочных покрытий.

Исходя из результатов исследований, на углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 разработано дополнение №11 к паспорту №1689 на композиционный материал клеевой марки КМКУ-2м.120.Э0,1.

Отдельно следует отметить возможность применения клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.UMT49 при изготовлении крупногабаритных и ответственных деталей методом ATL. Использование безуточного жгутового наполнителя позволило изготавливать препрег в виде лент шириной 150 мм.

Для поддержания конкурентоспособности с такими крупнейшими производителями авиационной техники, как Boeing и Airbus, отраслевые предприятия авиационной промышленности все чаще применяют при изготовлении крупногабаритных и ответственных деталей из ПКМ методы автоматизированной выкладки лент (Automated Tape Laying – ATL) и автоматизированной выкладки волокон (Automated Fiber Placement – AFP). Использование данных методов позволяет предприятиям существенно увеличить скорость и точность выкладки препрегов [24, 25]. При этом необходимо отметить, что в настоящее время в деталях силовых конструкций планера, конструкций механизации крыла и элементов хвостового оперения изделий авиационной техники используются углепластики на основе препрегов фирм Hexcel и Cytec (США) [26].

Немаловажным показателем препрега является его жизнеспособность, т. е. промежуток времени, при котором материал сохраняет заданные технологические и физико-механические свойства при определенных условиях хранения [27]. Так, для подтверждения жизнеспособности разработанного клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.UMT49 проведены повторные испытания на определение прочностных характеристик после хранения материала в течение трех месяцев при температуре от 8 до 25 °С, которые показали сохранение свойств в пределах 97%. Однако следует отметить, что жизнеспособность зарубежных аналогов, применимых к ATL-технологии при тех же условиях хранения, составляет не более 1 мес [28].

Заключения

Разработана технология изготовления на установке Coatema BL-2800 клеевых препрегов марки КМКУ-3м.150.UMT49 на основе отечественного углеродного жгутового наполнителя марки UMT49S-12К-EP с различным содержанием связующего марки ВСК-14-3: (39±2)% – для монолитных конструкций, (63±2%) – для сотовых конструкций. Выбраны режимы, обеспечивающие получение качественных препрегов (без видимых дефектов – перетяжки, раздвижки волокон) с отклонением по весовому содержанию клеевого связующего марки ВСК-14-3 не более ±2%.

Для обеспечения поставки клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.UMT49 разработано изменение №4 к ТУ1-595-14-1304–2012 «Препреги клеевые марок КМКУ-3м.150.Р14535 и КМКУ-3м.150.UMT49».

Установлено, что разработанный углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 по своим свойствам удовлетворяет требованиям ТЗ (прочность при растяжении при температуре 20 °С – не менее 1500 МПа; прочность при сжатии – не менее 1050 МПа; толщина монослоя (0,14±0,01) мм; максимальная рабочая температура 150 °С) и находится на уровне прочностных характеристик углепластика марки ВКУ-30К.P14535.

По результатам исследований на углепластик марки ВКУ-30К.UMT49 разработано дополнение №11 к паспорту №1689 на композиционный материал клеевой марки КМКУ-2м.120.Э0,1, который рекомендован к опробованию для изготовления деталей конструкционного назначения (в том числе интегральных и сотовых конструкций за один технологический цикл формования обшивки и склеивания с сотовым заполнителем), работающих в интервале температур от -60 до +150 °С.

Установлено, что по разработанным технологиям возможно получение углепластика с комплексом свойств на уровне зарубежных аналогов. При этом применение данного материала для изготовления изделий авиационной техники позволит провести импортозамещение материалов фирм Hexcel и Cytec (США), снизить экономическую и технологическую зависимость от поставок импортных углеродных наполнителей и будет способствовать созданию новых высокотехнологичных рабочих мест на российских отраслевых предприятиях промышленности.