Препреги стеклопластиков и препрег углепластика на основе связующего ВСЭ-67 для применения в составе конструкций лопастей вертолетов

Введение

Иностранные производители авиационной техники, такие как «Сикорский Эйркрафт», «Эйрбас» и «Бэлл», используют полимерные композиционные материалы (ПКМ) с конца 1970-х гг. В СССР фирма «Камов» к тому моменту уже 25 лет применяла ПКМ для изготовления лопастей несущего винта [1–4].

Данные материалы нашли широкое применение в конструкциях лопастей вертолетов зарубежных и российских производителей благодаря ряду преимуществ по сравнению с металлическими материалами [5–11]:

– высокий уровень удельных упруго-прочностных характеристик, в том числе статической прочности и сопротивления усталости;

– возможность варьирования свойствами в зависимости от ориентации волокон наполнителя, что обеспечивает в конструкции оптимальное соответствие схем нагружения изделия и армирования ПКМ;

– высокая коррозионная стойкость;

– повышение экономичности конструкций вертолетной техники благодаря снижению массы изделий и энерговооруженности труда, увеличению дальности полета и грузоподъемности.

Опыт отечественных и зарубежных производителей показывает, что использование ПКМ уменьшает массу летательных аппаратов на 25–50 %, материалоемкость – в 1,6–3,5 раза, трудоемкость – в 1,5–3 раза, энергоемкость – в 8–10 раз, увеличивает коэффициенты использования материала с 0,3 до 0,85, ресурса – в 1,5–3 раза [8].

Для получения узлов вертолетов, как правило, применяют угле- и стеклопластики, чаще всего на основе связующих из эпоксидных смол. Они характеризуются доступностью, легкостью переработки, имеют высокий уровень механических свойств и хорошую адгезию к армирующим наполнителям.

Поскольку объем использования и уровень требований к свойствам ПКМ для авиационной промышленности и вертолетостроения растут, необходимо совершенствовать применяемые и разрабатывать новые материалы, процессы и методы изготовления продукции. Важными требованиями к материалам для ответственных конструкций являются воспроизводимость характеристик в процессе производства и сохранение заданных свойств в течение срока эксплуатации изделия в условиях окружающей среды (особенно при повышенных влажности и температуре).

В качестве наполнителей применяют однонаправленные углеродные волокна ЛУ-П/0,1, ЛУ-П/0,2, ЭЛУР-П, ВМН-4, УКН-П, стеклоровинги марок РВМПН10-1200-14 и стеклоткани марок Т-25, Т-10. До сих пор используют эпоксидные связующие растворного типа марок 5-211-БН, ЭТФ, ЭНФБ, ЭДТ-10П.

В Российской Федерации в вертолетах марки Ка лонжерон лопастей несущего винта изготавливают из стеклотекстолита СК-5-211БП (на основе стеклянной ткани Т-25(ВСП)-78 и растворного эпоксидного связующего 5-211-Б) и углепластика КМУ-3Л (на основе однонаправленной углеродной ленты ЛУ-П/0,2-А и растворного эпоксидного связующего 5-211-Б) [12].

В вертолетах семейства Ми при изготовлении лопастей несущего и рулевого винтов используют однонаправленные препреги с наполнителями в виде стеклонитей ВМС-6, стеклотканей марок Т-25, Т-10 и растворного связующего ЭДТ-10П; гибридные однонаправленные препреги с наполнителем из стеклонитей ВМС-6, углеродных жгутов УКН-3К и растворного связующего УП-2227.

Однако производство препрегов на основе традиционно используемых связующих растворного типа базируется на энергоемкой, экологически небезопасной, низкопроизводительной технологии. К тому же такие препреги (например, на основе связующих 5-211-Б, ЭДТ-10) обладают рядом недостатков, которые негативно влияют на качество и стабильность характеристик лопастей несущего винта вертолета [13, 14]:

– ограниченная жизнеспособность (от 3 до 12 сут при температуре 20 °С);

– практически неконтролируемая и неуправляемая высокая текучесть связующих при формовании детали;

– использование большого количества токсичных органических растворителей;

– сложность удаления растворителя в полном объеме во время сушки препрега из-за образующейся пленки полимера;

– избирательная адсорбция компонентов связующего поверхностью пропитываемого наполнителя;

– наличие существенных остатков растворителей в препреге (до 5–8 %), что является причиной образования пористости в деталях и, как следствие, снижения уровня и увеличения разброса механических характеристик (в том числе сопротивления усталости), снижения стойкости к воздействию окружающей среды.

Для проектирования лопастей несущего винта перспективных вертолетов марки Ка необходимо разработать новые материалы на основе наполнителей в виде ткани и однонаправленных лент и расплава связующего. За счет исключения растворителей производство таких препрегов позволяет значительно снизить пористость отвержденного материала, уменьшить энергоемкость процесса в 1,5–2 раза в пересчете на единицу продукции, повысить пожаро- и экологическую безопасность процессов, улучшить условия труда. Длительная жизнеспособность (не менее 1 мес при температуре 20 °С), обусловленная составом связующих расплавного типа, позволяет стабилизировать процесс производства крупногабаритных изделий авиационной техники вне зависимости от цикла намотки-выкладки, а также организовать централизованные поставки препрегов предприятиям отрасли.

Препреги – это, по сути, неотвержденный композиционный материал, который представляет собой листовой полуфабрикат, в значительной степени подготовленный для производства изделий и состоящий из связующего и пропитанных им армирующих волокон. После воздействия повышенной температуры в результате происходящих в связующем химических реакций препрег превращается в теплостойкий конструкционный материал (ПКМ), обладающий благодаря наличию армирующих наполнителей высокой прочностью, уникальной жесткостью и низкой плотностью по сравнению с традиционно применяемыми металлами. Волокно является основным несущим элементом, поэтому композиционный материал более прочный и жесткий в направлении волокон. Связующее (матрица) в составе композита соединяет («склеивает») волокна наполнителя в единое монолитное целое, перераспределяет приложенную нагрузку и поддерживает волокна, что сохраняет их заданное положение и выбранную ориентацию в пространстве. Матрица также сообщает композиту необходимую для сохранения исходных свойств стойкость к воздействию различных агрессивных факторов окружающей среды и определяет заданную максимальную рабочую температуру эксплуатации изделия. Варьируя состав эпоксидного связующего, можно получать материал с различным уровнем характеристик (тепло- и влагостойкость, стойкость к агрессивным средам и атмосферному воздействию) и технологических свойств (жизнеспособность, температура и длительность отверждения, давление формования, вязкость для определенных методов выкладки).

Стабильность толщины плиты ПКМ зависит от свойств исходных материалов (препрега). Небольшое отклонение в толщине слоя препрега может привести к большим отклонениям в размерах общего сечения толстостенных конструкций, а также к повышенной пористости и складкам. Вариация по толщине слоя препрега связана с вариацией весовой доли связующего и массы 1 м² наполнителя.

Толщина монослоя является одним из основных факторов, влияющих на структуру конструкции из ПКМ. Получение требуемой толщины монослоя имеет решающее значение для достижения необходимых объемной доли и размеров волокна в ПКМ, а также позволяет определить и спрогнозировать геометрические параметры конструкции и стабильность свойств. Уровень характеристик одного слоя препрега и ПКМ будет определяться соотношением содержаний наполнителя и связующего.

При разработке ПКМ с заданным комплексом физико-механических свойств в первую очередь необходимо определить составы соответствующих полуфабрикатов – препрегов на основе отечественных наполнителей, т. е. рассчитать оптимальное соотношение содержаний наполнителя и связующего.

В препрегах это соотношение зависит от такого параметра, как весовая доля связующего  – ключевой характеристики, приводимой в технических условиях. Зная величину  и массу 1 м² наполнителя, можно спрогнозировать с достаточной точностью толщину монослоя t_слоя, объемную долю наполнителя V_нап и плотность [15].

Соотношение содержаний наполнителя и связующего в ПКМ выражают через объемную долю наполнителя V_нап (один из ключевых параметров композитов). Чем больше объемная доля армирующего наполнителя V_нап, тем выше уровень упруго-прочностных характеристик изделия из ПКМ. При этом объем связующего должен быть достаточным для того, чтобы обеспечить сплошную беспористую структуру композита. В противном случае наблюдается снижение сопротивления усталости и стойкости материала к воздействию факторов окружающей среды.

Кроме заданных весовых и упруго-механических характеристик композиционное изделие должно отвечать требованиям к толщине и другим геометрическим размерам. Поскольку изделие собирается путем послойной выкладки препрега в соответствии с расчетной схемой армирования, особое значение приобретает толщина одного слоя отформованного препрега (монослоя композита). Эта величина зависит от весовых характеристик (массы 1 м², объемной плотности) и объемной доли V_нап наполнителя в составе композита [15]. Толщину изделия конструктор рассчитывает, исходя из показателяt_слоя, среднее значение которого указано в технических условиях. Стабильность геометрических характеристик получаемого изделия будет зависеть от допустимого разброса толщины отформованного слоя препрега t_слоя.

После определения оптимального состава композита путем расчетов, изготовления и исследования экспериментальных образцов препрегов и ПКМ необходимо решить технологические задачи – подобрать и отработать режимы производства препрегов.

Материалы и методы

Исследованы характеристики препрегов и ПКМ – стеклопластиков ВПС-74/ Т-64(ВМП)-78, ВПС-74 и углепластика ВКУ-70 на основе расплавного эпоксидного связующего марки ВСЭ-67 и наполнителей соответственно:

– стеклоткани марки Т-64(ВМП)-78 конструкционного назначения (из высокопрочных волокон марки ВМП) – для производства обшивок хвостовой части лопасти;

– однонаправленного стеклоровинга марки РВМПН10-1200-14 – для производства силовой части лонжерона;

– углеродного однонаправленного наполнителя марки UMT49S-12К-EP – для производства силовой части лонжерона.

Основные характеристики, которым должны соответствовать ПКМ, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики полимерных композиционных материалов

при температуре 20 °С

К весовой доле связующего в препрегах  предъявляли дополнительное требование: для обеспечения приемлемой стабильности характеристик разрабатываемых материалов отклонение (разброс) от принятого среднего (номинального) значения не должно превышать 4 %.

Образцы препрегов ВСЭ-67/Т-64(ВМП)-78, ВСЭ-67/РВМПН10-1200-14 и ВСЭ-67/UMT49S-12К-ЕР изготавливали по расплавной технологии Hot Melt на пропиточной установке. Для контроля процесса и исследования физико-химических характеристик препрегов из полученных рулонов отбирали пробы размером 100×100 мм. Характеристики препрегов определяли по ГОСТ Р 56796–2015, ММ 1.595-11-138–2002 и ГОСТ Р 56755–2015.

Для испытаний свойств стеклопластиков ВПС-74/Т-64(ВМП)-78, ВПС-74 и углепластика ВКУ-70 из соответствующих препрегов ВСЭ-67/Т-64(ВМП)-78, ВСЭ-67/РВМПН10-1200-14 и ВСЭ-67/UMT49S-12К-EP методом выкладки собраны пакеты размером 300×300 мм со схемой армирования слоев [0°], из которых методом вакуум-автоклавного формования изготовлены плоские плиты. Для определения характеристик ПКМ из плит вырезали образцы, которые исследовали в соответствии с ГОСТ 15139–69, ГОСТ Р 56682–2015, ГОСТ Р 56753–2015, ГОСТ Р 56785–2015, ГОСТ Р 56812–2015, ГОСТ Р 56805–2015, ГОСТ Р 57745–2017, ГОСТ 32658–2014.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Весовую долю связующего в препрегах  рассчитывали при объемной доле наполнителя V_нап в ПКМ: 50 % – для стеклопластиков и 60 % – для углепластика. Полученные значения весовой доли связующего (табл. 2) обеспечивают бездефектную, беспористую структуру и высокий уровень характеристик ПКМ. Расчеты выполняли согласно формулам, приведенным в ГОСТ Р 56682–2015.

Таблица 2

Расчетные значения характеристик препрега

При формовании ПКМ расплавные связующие в отличие от связующих на основе растворителя практически без потерь остаются внутри плиты (не вытекают неконтролируемо), поэтому расчетные значения весовой доли связующего в композите можно использовать для препрегов: 

Режимы производства препрегов ВСЭ-67/Т-64(ВМП)-78, ВСЭ-67/РВМПН10-1200-14 и ВСЭ-67/UMT49S-12К-ЕР с выбранными весовыми параметрами исследовали на пропиточной установке. Принцип производства препрегов по технологии Hot Melt основан на предварительном равномерном нанесении (распределении) расплава связующего на поверхность подложки – антиадгезионной бумаги. Образующаяся из связующего пленка совмещается с полотном наполнителя путем трехступенчатого каландрирования при температурах, обеспечивающих хорошую пропитываемость наполнителя. Необходимое качество препрега достигается за счет плотного контакта между компонентами, что определяет уровень и стабильность свойств изделия из ПКМ [16].

Для выбора «правильных» режимов производства препрегов на пропиточной установке расплавным методом предварительно рассчитали массу 1 м² пленок для связующего и препрегов, а также толщину одного слоя отвержденных препрегов.

Величину и интервалы допустимых значений массы 1 м² пленки связующего для каждого материала определяли с учетом выбранных значений весовой доли связующего и массы 1 м² наполнителя (учитывая возможные колебания значений этого показателя в пределах, указанных в технических условиях). Данный параметр позволил установить величины зазоров между поверхностями валов в узле распределения расплава связующего (коутеров) при нанесении на антиадгезионную бумагу.

Для контроля технологического процесса рассчитывали массу 1 м² пленок препрегов, исходя из принятой весовой доли связующего (с учетом допустимых отклонений) и массы 1 м² наполнителя.

Толщину одного слоя отвержденного препрега (среднее, или номинальное значение) [15] вычисляли с учетом выбранных значений объемной доли наполнителей в ПКМ и их поверхностной плотности (номинального значения по техническим условиям). При отработке технологии данный параметр позволил определить необходимые для качественной пропитки зазоры пропитывающих и калибрующих узлов установки.

С учетом полученных данных отработали режимы производства пленки связующего ВСЭ-67 на установке для пропитки препрегов. Для получения расчетного значения массы 1 м²препрега корректировали зазор между поверхностями валов в узле распределения расплава связующего (коутеров). Качество пропитки отрабатывали, меняя зазоры в каландрах и ламинаторах, а также скорость пропитки наполнителей.

Характеристики препрегов, изготовленных по установленным технологическим режимам, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства препрегов на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-67

и наполнителей Т-64(ВМП)-78, РВМПН10-1200-14 и UMT49S-12К-EP

Показано, что разработанная технология позволяет изготавливать препреги ВСЭ-67/Т-64(ВМП)-78, ВСЭ-67/РВМПН10-1200-14 и ВСЭ-67/UMT49S-12К-ЕР с расчетными значениями весовой доли связующего и массы 1 м²препрега.

Толщина монослоя и модуль упругости при растяжении композитов на основе полученных препрегов ВСЭ-67/Т-64(ВМП)-78, ВСЭ-67/РВМПН10-1200-14 и ВСЭ-67/UMT49S-12К-ЕР соответствуют предъявляемым требованиям (табл. 4).

Таблица 4

Свойства полимерных композиционных материалов

ВПС-74, ВПС-74 и ВКУ-70 при температуре испытаний 20 °С

Заключения

Исследованы препреги и ПКМ на основе расплавного связующего ВСЭ-67 и отечественных наполнителей: стеклоткани Т-64(ВМП)-78 конструкционного типа (на основе высокопрочных волокон марки ВМП), однонаправленного стеклоровинга РВМПН10-1200-14 иуглеродного однонаправленного наполнителя UMT49S-12К-EP. Разработана технология изготовления препрегов с установленными весовыми параметрами. Уровень физико-механических характеристик ПКМ на основе полученных препрегов позволяет рекомендовать их для применения в лопастях перспективных вертолетов.