Оценка возможности применения вибропоглощающего материала на основе полиуретана в качестве уплотнителей

Введение

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) широко применяются в производстве авиационной, автомобильной, корабельной, специальной и других видах техники в составе широкого ассортимента деталей и конструкций в качестве как конструкционных, так и функциональных материалов, а также материалов со специальными свойствами [1–6]. Так, у отдельных образцов самолетной техники доля ПКМ в составе достигает 50 % и более, а в вертолетной – до 90–93 %.

Практически любой узел авиационной или иной техники требует применения уплотнительных материалов, работоспособных в среде масел, топлив, воздуха, влаги, воды, при воздействии озона и т. п. Например, в качестве уплотнительных прокладок в авиационной технике, как правило, используются резины и парониты, которые имеют ограниченный ресурс работы вследствие процессов старения материала [7–17]. Механизм герметизации данного типа уплотнительных деталей, прежде всего, связан с высокоэластичными свойствами резины, позволяющими обеспечивать плотное соприкосновение контактирующих поверхностей при необходимом уровне прижимного усилия. В результате упрощается процесс сборки деталей и оптимизируется размер уплотнительного узла [7, 11]. Кроме того, применение резин обеспечивает большую степень герметичности конструкции по сравнению с другими материалами для уплотнений. Уплотнительные детали, изготовленные из резин, работают преимущественно в условиях деформации сжатия и обеспечивают герметичность соединения как подвижных, так и стационарных частей конструкций. Для каждого конкретного узла воздушного судна также выбирают отдельную марку резины в зависимости от контактной среды и температур эксплуатации [11, 12, 14, 16]. Например, для работы в условиях экстремально низких температур используют морозостойкие резины [18], изготавливаемые, как правило, на основе каучуков с низкой температурой стеклования, в которых невозможны или затруднены процессы кристаллизации. Благодаря наличию в основной цепи каучука ненасыщенных двойных (СКД, СКИ, НК, БСК и БК) и простых эфирных связей (ПОЭ, ПОМ, ЭХГК и силоксановый каучук) обеспечивается повышение морозостойкости резин. Наименее морозостойкими являются каучуки, в основной цепи которых нет двойных связей, а в боковых цепях есть полярные группы (СКФ, АК и ХСПЭ). Резины из каучуков, содержащих двойные связи в главной цепи, имеют промежуточную морозостойкость. В случае экстремально высоких температур (вплоть до 500 °С) используют резины на основе силоксановых каучуков и их производных, кремнийорганических лестничных высокомолекулярных блок-сополимеров и т. д. Для обеспечения стойкости уплотнительных элементов к горюче-смазочным материалам применяют различные типы нитрильных каучуков [14, 16].

В отличие от резин, Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) работоспособен в широком температурном диапазоне (от –60 до +260 °С), однако при этом обладает ползучестью (хладотекучестью) в условиях воздействия рабочего давления и повышенных температур [19, 20]. Уплотнения из Фторопласта-4 в процессе эксплуатации выдавливаются в зазоры фланцевых соединений, что существенно ограничивает срок их службы и возможность эффективного применения в качестве прокладок.

Одним из путей устранения недостатков у применяемых в настоящее время уплотнительных материалов является их армирование различными наполнителями: дискретными и непрерывными стекло-, угле- и органическими волокнами [6, 9]. В результате на смену традиционным полимерным и эластомерным материалам пришли слоистые пластики – например, уплотнительные прокладки, выполненные из стеклопластиков, которые применяются в качестве компенсаторов в конструкции нервюры крыла самолетов современных воздушных судов, таких как SSJ-100.

Второй путь снижения деформативности уплотнений – комбинирование деформируемых и жестких материалов. Например, для повышения механических свойств деталей используют полиимидные пленки или тканые стеклянные наполнители с нанесенным фторопластовым покрытием. На основе таких покрытий разработаны многослойные уплотнительные материалы ПМФ-Л и ВТП-2П [21, 22]. Полиимидофторопласт ПМФ-Л – многослойный материал, состоящий из термосваренных пленок на основе полиимида с фторопластовым покрытием марок ПМФ-351 и ПМФ-352 с одной или двух сторон. В этом многослойном материале полиимидные пленки обеспечивают прочностные характеристики и ограничивают ползучесть, а слои из фторопласта Ф-4МБ – эластичность и адгезию между слоями.

Материал марки ВТП-2П состоит из термосваренных слоев фторлакоткани Ф-4Д-Э01 на основе стеклоткани Э01 и фторопластового покрытия Ф-4Д и предназначен для изготовления уплотнительных прокладок неподвижных фланцевых соединений пневмо-, гидро- и топливных агрегатов высокого давления с максимальной рабочей температурой до 260 °С. Применение фторполимерных пленок и композиционных многослойных материалов на их основе позволяет повысить надежность и ресурс работы изделий авиационной техники [21, 22].

Однако слоистые ПКМ практически не обладают вибропоглощающими свойствами и имеют низкие значения коэффициента механических потерь (0,001–0,01), определяющего способность к диссипации вибрационной энергии. Это обуславливает их низкую стойкость к вибрационным нагрузкам и может привести к появлению дефектов в виде расслоения слоистых пластиков [6, 9].

Во ФГУП «ВИАМ» разработан листовой вибропоглощающий материал марки ВТП-1В на основе термопласта полиуретанового типа, обладающий высоким уровнем вибропоглощающих характеристик и рекомендованный для изготовления покрытий внутренней поверхности панелей фюзеляжа и эластичных имитаторов силового набора, применяемых для снижения вибраций и шума в салоне транспортных средств [23]. Кроме того, данный материал может быть применен в качестве компенсатора или уплотнительной прокладки между двумя вибрирующими поверхностями. Однако в таком случае, как было показано ранее, он не должен накапливать остаточную деформацию под воздействием сжимающих нагрузок, т. е. не относится к категории хладотекучих.

Цель данной работы – исследование деформации/ползучести вибропоглощающего материала марки ВТП-1В при сжатии в конструкции с болтовыми соединениями для оценки возможности применения уплотнительных прокладок, выполненных из него, в качестве альтернативы слоистым пластикам, в том числе при эксплуатации в среде горюче-смазочных материалов.

Статья подготовлена по результатам работ, выполненных под руководством советника генерального директора «ВИАМ» Р.И. Гирша.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.3. «Материалы и покрытия для защиты от ЭМИ, ударных, вибрационных, акустических и электрических воздействий» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

Объектом исследования являлись образцы листового вибропоглощающего материала марки ВТП-1В, изготовленного методом экструзии через плоскощелевую головку расплава композиции на основе термопластичного полиуретана и специальных добавок. Материал имеет следующие свойства: плотность – не более 1,15 г/см³; прочность при растяжении – не менее 19,6 МПа; относительное удлинение при разрыве – не менее 300 %; коэффициент механических потерь при температуре 20 °С и частоте 100 Гц – не менее 0,2 при измерении методом динамического механического анализа (ДМА) в условиях сдвигового нагружения и не менее 0,08 при измерении методом ДМА в условиях трехточечного изгиба, на подложке из сплава Д16-АТ толщиной 1,0 мм; водопоглощение за 24 ч – не более 2,0 %; категория горючести согласно АП-25 (Приложение F, Часть I) – самозатухающий.

Для проведения исследований из листового материала ВТП-1В вырезали образцы толщиной 1,4 мм (среднее значение) и размером 30×30 мм, которые зажимали между металлическими пластиной и накладками (размером 20×20 мм), выполненными из алюминиевого сплава Д16-АТ толщиной 4 мм, при помощи болтовых соединений с моментом затяжки 1 кг·м.

Конструкция, моделирующая условия работы материала ВТП-1В в качестве уплотнительного материала при сжатии в болтовом соединении, изображена на рис. 1.

Рис. 1. Болтовое соединение, моделирующее условия работы материала марки ВТП-1В
в нервюре крыла

Болтовые соединения выдерживали в течение заданного времени: 5, 10, 15, 20, 25 дней, после чего производили их раскрытие и замер толщины образцов материала ВТП-1В в нескольких точках при помощи электронного микрометра для определения величины остаточной деформации (в соответствии с ГОСТ 17035–86).

После снятия нагрузки и релаксации в течение 6 ч проводили повторный замер толщины образцов.

Исследовали также стойкость образцов материала ВТП-1В к воздействию агрессивных сред в случае его контакта с авиационным топливом. Топливостойкость определяли в соответствии с ГОСТ 12020–2018.

Образцы материала в виде дисков диаметром 50 мм и толщиной 1,4 мм помещали в эксикатор, заполненный топливом ТС-1, и выдерживали в течение 30 сут. Контрольное снятие и взвешивание образцов производили через 1, 3, 7, 14 сут.

Результаты и обсуждение

Внешний вид образца материала ВТП-1В после снятия сжимающей нагрузки представлен на рис. 2. Видно, что образец деформировался и приобрел «подушкообразную» форму.

Рис. 2. Образец материала марки ВТП-1В, извлеченный из болтового соединения

Результаты определения абсолютной и относительной деформации образцов материала ВТП-1В непосредственно после снятия нагрузки приведены на рис. 3.

Рис. 3. Деформация образцов материала марки ВТП-1В после сжатия в болтовом соединении в течение различных промежутков времени непосредственно после снятия нагрузки

Из представленных данных видно, что минимальное значение абсолютной деформации находится на уровне 0,03–0,05 мм, значение относительной деформации при этом составляет 1,4–2,9 %. Наибольших значений абсолютная деформация сжатия достигает в первые 5–10 сут. В дальнейшем происходит увеличение толщины и материал релаксирует, стремясь восстановить исходные размеры.

Результаты повторного определения абсолютной и относительной деформации образцов материала ВТП-1В после снятия нагрузки и релаксации в течение 6 ч приведены на рис. 4.

Рис. 4. Деформация образцов материала марки ВТП-1В после сжатия в болтовом соединении в течение различных промежутков времени после снятия нагрузки и релаксации

В результате проведенных измерений установлено, что абсолютная деформация образцов материала ВТП-1В относительно исходных значений находится на уровне 0,02–0,03 мм. Кроме того, из представленных на рис. 4 данных видно, что четкой зависимости восстановления толщины образцов материала от продолжительности их выдержки под давлением не наблюдается. Относительная деформация образцов при этом составляет 0,7–1,4 %, что свидетельствует об отсутствии у материала марки ВТП-1В склонности к хладотекучести и накоплению остаточных деформаций.

Для контрольного сравнения изменений деформационных свойств монолитного материала со слоистым аналогом в тех же условиях исследованы образцы материала ВТП-1В, соединенные с армирующим слоем, состоящим из нескольких монослоев препрега на основе стеклоткани.

Изменение толщины образцов материала марки ВТП-1В-А после снятия нагрузки (в числителе – минимальное и максимальное значения, в знаменателе – среднее):

Из приведенных данных видно, что толщина образцов после выдержки под давлением в течение 5 сут практически не меняется, относительная деформация составляет 0,4 %), но при этом восстановления до исходных размеров после релаксации также не наблюдается.

Таким образом, наличие армирующего слоя положительным образом сказывается на стойкости материала к деформациям под воздействием сжимающих нагрузок, однако связано с дополнительными стадиями технологического процесса по его нанесению.

Результаты исследования топливостойкости образцов материала ВТП-1В в течение 1–30 сут приведены на рис. 5. Видно, что максимальное насыщение материала топливом ТС-1 происходит в течение первых 7 сут и достигает значения ~9,8 %, а в дальнейшем стабилизируется – зависимость выходит на плато, и увеличение массы образцов относительно исходных значений колеблется в пределах 9,6–9,8 %.

Рис. 5. Зависимость изменения массы образцов материала марки ВТП-1В от продолжительности выдержки в топливе ТС-1 относительно исходных значений

Следует отметить, что топливостойкость образцов материала марки ВТП-1В соответствует уровню свойств материалов аналогичного назначения. Например, данный показатель уплотнительного материала марки ВТЭП-1Л аналогичной химической природы составляет 11 % за 3 сут.

Интересный результат получен при исследовании образцов материала ВТП-1В (толщиной 1,6 мм), выдержанных в топливе ТС-1 в течение 50 сут. Абсолютная деформация материала после выдержки под сжимающей нагрузкой в течение 5 сут непосредственно после раскрытия болтовых соединений составила 0,08 мм, относительная деформация 4,8 %, а после релаксации в течение 6 ч значения изменились крайне незначительно: 0,07 мм и 4,3 % соответственно. В этой связи интересно исследовать зависимость восстановления геометрических размеров от исходной толщины материала, в том числе после их выдержки в топливе.

При оценке возможности применения вибропоглощающего материала ВТП-1В в качестве уплотнения установлено, что материал характеризуется низким уровнем деформирования под нагрузкой и частично восстанавливает исходную форму после ее снятия. Показано также, что материал устойчив к воздействию агрессивных жидкостей типа топлива ТС-1 (привес за 30 сут находится на уровне 9,6 %) и не склонен к значительным деформациям под нагрузкой в топливонасыщенном состоянии. Таким образом, материал может быть применен для изготовления уплотнений, эксплуатируемых в воздушной среде и среде топлив. Следует также отметить, что наличие у него вибропоглощающих свойств может способствовать повышению стойкости к вибрации уплотнительных соединений на его основе. Преимуществом предлагаемого материала является более технологичное изготовление деталей с возможностью варьирования и получения листов дискретной толщины.

Заключения

Проведены исследования влияния нагружения на деформативность материала марки ВТП-1В. Установлено, что материал при воздействии нагрузки деформируется в пределах 3 % с последующим восстановлением формы после ее снятия. Восстановление геометрических размеров образцов материала ВТП-1В после снятия нагрузки свидетельствует об отсутствии у него хладотекучести.

Наличие армирующего слоя положительным образом сказывается на стойкости материала ВТП-1В к деформациям вследствие сжимающих нагрузок.

Величина набухания материала марки ВТП-1В в топливе ТС-1 соответствует уровню свойств материалов, рекомендованных для применения в конструкции уплотнительных устройств.

Для дальнейших исследований представляет интерес изучение зависимости восстановления геометрических размеров материала от его исходной толщины, в том числе после выдержки в среде топлива.

Результаты, полученные в процессе исследований, свидетельствуют о возможности применения материалов типа ВТП-1В и ВТП-1В-А в качестве уплотнительных элементов конструкций, эксплуатируемых в воздушной среде и среде топлив.