Свойства клея ВК-106 для крепления термоусаживаемых трубок в конструкции электрических жгутов
Исследованы свойства эпоксидного клея ВК-106, предназначенного для соединения при температуре плавления изделий из термоусаживаемых материалов с оболочками электрических жгутов и корпусами электрических разъемов с последующим отверждением при комнатной температуре. Приведены данные сравнительного анализа прочностных характеристик клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-106, до и после воздействия внешних факторов.
Введение
В настоящее время в авиационной промышленности для соединения изделий из термоусаживаемых материалов (например, трубок) c оболочками жгутов и корпусами электрических разъемов нашел широкое применение эпоксидный клей марки Adhesive S-1125 Kit 8 производства фирмы TE Connectivity (США), который поставляется расфасованным в сдвоенные картриджи. В готовом для использования виде клей Adhesive S-1125 Kit 8 представляет собой пастообразный состав, который отверждается при комнатной температуре. Клей Adhesive S-1125 Kit 8 работоспособен в интервале температур от –60 до +150 °С и выдерживает кратковременное (до 5 мин) воздействие температур от 200 до 250 °С. Клей является ремонтопригодным и позволяет производить демонтаж клеевого соединения при проведении ремонтных работ по замене термоусаживаемых трубок. Однако в настоящее время клей Adhesive S-1125 Kit 8 на отечественный рынок не поставляется, в связи с чем необходимо его импортозамещение на российский аналог [1].
В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ранее разработан ряд эпоксидных клеев холодного отверждения, которые нашли широкое применение в авиационной промышленности [2–8]. Клей ВК-9 холодного отверждения (ТУ 1-595-14-842–2004) применяется для клеевых, клеесварных и клеерезьбовых соединений из стали, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, неметаллических материалов в конструкциях, работающих при температурах от –60 до +125 °С длительно. В составе клееных конструкций одноразового действия клей выдерживает воздействие температур до 250 °С. Клей ВК-9 при склеивании алюминиевого сплава типа Д16-АТ обеспечивает прочность соединения 14,7; 4,9 и 2,9 МПа при температурах 20, 125 и 150 °С соответственно. Клей ВК-27 холодного отверждения (ТУ 1-595-14-692–2008) широко используется для выполнения клеевых и клееклепаных соединений в конструкциях из алюминиевых и титановых сплавов, сталей и композиционных материалов, работающих в интервале температур от –60 до +80 °С длительно (1000 ч), при температуре 180–250 °С – кратковременно (30 мин). За счет наличия эластификатора клей ВК-27 в сравнении с клеем ВК-9 обеспечивает более высокий уровень прочностных характеристик при склеивании металлических и полимерных композиционных материалов: 24; 7 и 4 МПа при температурах 20, 80 и 125 °С соответственно. Быстроотверждающийся эпоксидный пастообразный клей холодного отверждения марки ВК-93 (ТУ 1-595-12-943–2008) предназначен для оперативного ремонта, в том числе в полевых условиях, деталей и агрегатов из металлических и композиционных материалов (стекло- и углепластиков), имеет начальную прочность ≥7 МПа через 5 ч после начала отверждения. После полного отверждения при комнатной температуре прочность клеевых соединений достигает 28,0; 14,5 и 10,5 МПа при температурах 20, 80 и 100 °С соответственно. Клей рекомендован для применения в диапазоне температур от –60 до +80 °С и характеризуется устойчивостью к воздействию климатических факторов [9–15].
Однако опробование клеев холодного отверждения перечисленных марок взамен импортного клея Adhesive S-1125 Kit 8 показало, что они не обеспечивают склеивания термоусаживаемых материалов с температурой плавления ≥200 °С с металлами и термопластами и не являются ремонтопригодными.
В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ выполнена научно-исследовательская работа, в рамках которой разработан клей марки ВК-106 холодного отверждения с характеристиками на уровне импортного аналога – клея Adhesive S-1125 Kit 8. Клей ВК-106 обладает тиксотропными свойствами, легко и равномерно наносится на склеиваемые поверхности, не стекая с них, не содержит растворителя и поэтому не требует открытой выдержки после нанесения, имеет продолжительную жизнеспособность (не менее 2 ч). Излишки клея после термоусадки термоусаживаемого изделия (трубки) легко удаляются. Последующее отверждение клеевых соединений проводится при температуре 20±3 °С. Клей ВК-106 работоспособен при температурах от –60 до +150 °С, выдерживает кратковременное воздействие температуры 175 °С и является ремонтопригодным, что позволяет при необходимости выполнять замену термоусаживаемого элемента в конструкции электрического жгута.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [16–22].
Материалы и методы
Объект исследований – клей марки ВК-106 (ТУ 20.52.10-081-07545412–2022).
Механические характеристики при сдвиге определяли по ГОСТ 14759–69. Воздействие термического старения изучали в соответствии с СТО 1-595-20-101–2016, тепловлажностного старения – ГОСТ 9.707–81, изменения температуры среды (термоциклирования) – ГОСТ 9.707–81, условий камеры тропического климата – СТП 1-595-20-100–2002.
Результаты и обсуждение
Клей марки ВК-106 представляет собой полимерную композицию на основе эпоксидной смолы и включает смесь наполнителей, определяющих оптимальный уровень его технологических свойств. Клей поставляется в виде комплекта из двух компонентов, которые тщательно перемешиваются перед употреблением, а также расфасованным в сдвоенные картриджи (по аналогии с импортным клеем Adhesive S-1125 Kit 8). Клей ВК-106 предназначен для соединения электрических разъемов с электрическими жгутами с помощью изделий (в основном трубок) из термоусаживаемых материалов с температурой плавления до 200 °С в самолетостроении.
Исследованы механические характеристики клея ВК-106 в исходном состоянии и после экспозиции в условиях действия внешних факторов, в том числе термического старения, термоциклирования, факторов, имитирующих климатические условия (вода, влага, тепловлажностное старение, условия камеры тропического климата) [23–28].
В табл. 1 представлены данные, отражающие зависимость свойств клея ВК-106 от температуры в диапазоне от –60 до +175 °С.
Таблица 1
Механические свойства соединений, выполненных клеем ВК-106, в исходном состоянии
Склеиваемые материалы | Прочность клеевых соединений при сдвиге*, МПа, при температуре испытания, °С | ||||
–60 | 20 | 100 | 150 | 175 | |
Алюминиевый сплав Д16-АТ (Ан.Окс.хром) | 8,1–11,8 9,5 | 14,2–18,7 16,0 | 8,7–10,9 9,8 | 2,9–3,6 3,3 | 2,1–3,1 2,5 |
Медный сплав М1 (травленый) | – | 15,3–16,2 15,5 | – | 3,0–3,5 3,2 | – |
* В числителе указан диапазон значений, в знаменателе – среднее значение. | |||||
Свойства клея ВК-106 в исходном состоянии, а также характер их изменения в зависимости от температуры испытаний соответствуют основным показателям импортного аналога – клея Adhesive S-1125 Kit 8.
Уровень сохраняемости свойств клеевых соединений, изготовленных с применением клея ВК-106, относительно свойств в исходном состоянии при температуре 20 °С составляет 91 и 86 % после термического старения при температуре 100 °С в течение 500 и 1000 ч соответственно (табл. 2). Уровень прочностных показателей при температуре испытаний 20 °С после выдержки при температуре 150 °С в течение 100 ч практически не изменился.
Таблица 2
Прочность при сдвиге соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром),
выполненных клеем ВК-106, после термического старения
Температура старения, °С | Продолжительность старения, ч | Прочность при сдвиге*, МПа, при температуре испытания, °С | |
20 | 150 | ||
100 | 500 | 14,1–15,0 14,5 | 3,7–3,9 3,8 |
1000 | 13,4–14,3 13,8 | 3,2–4,1 3,5 | |
150 | 100 | 16,3–17,2 16,6 | 3,7–4,5 4,2 |
* В числителе указан диапазон значений, в знаменателе – среднее значение. | |||
Анализ характера изменения прочностных показателей клея ВК-106 после термического старения относительно показателей прочности в исходном состоянии при температуре испытаний 150 °С показал следующее. После воздействия температуры 100 °С в течение 500 ч прочностные показатели увеличились на 15 %, 100 °С в течение 1000 ч – на 6 %, 150 °С в течение 100 ч – на 27,3 %.
Установлен характер воздействия переменных температур (10 циклов по режиму: 150 °С в течение 4,5 ч, 20 °С в течение 18,5 ч, –60 °С в течение 1 ч) на прочность соединений, выполненных клеем ВК-106, при температурах испытаний 20 и 150 °С (табл. 3).
Таблица 3
Прочность при сдвиге соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром),
выполненных клеем ВК-106, после термоциклирования
Температура испытания, °С | Прочность при сдвиге*, МПа |
20 | 14,4–16,7 15,4 |
150 | 3,1–4,7 3,8 |
* В числителе указан диапазон значений, в знаменателе – среднее значение. | |
Показано, что клей ВК-106 способен выдерживать циклический перепад температур: уровень сохраняемости прочностных показателей при сдвиге после экспозиции в условиях действия термоциклирования относительно исходных прочностных показателей при температуре испытаний 20 °С составил 96,3 %. Прочностные показатели образцов с клеем ВК-106 после экспозиции в условиях термоциклирования при температуре испытаний 150 °С повысились на 15 %.
Выполнена оценка характера изменения прочностных показателей образцов под воздействием климатических факторов – влаги, воды, тепловлажностной среды (при температуре 60 °С и влажности 85 %), условий камеры тропического климата, натурной экспозиции в условиях действия климата г. Москвы и г. Геленджика (табл. 4).
Таблица 4
Прочность соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром), выполненных клеем ВК-106,
после воздействия климатических факторов
Воздействующий фактор | Продолжительность выдержки | Прочность при сдвиге*, МПа, при температуре испытания, °С | |
20 | 150 | ||
Влажность 98 % | 30 сут | 14,5–17,5 16,0 | 3,0–3,5 3,2 |
Вода | 14,5–17,5 16,0 | 3,0–3,5 3,2 | |
Тепловлажностная среда | 3 мес. | 11,0–14,5 13,0 | 2,4–2,7 2,6 |
Камера тропического климата | 12,5–15,0 13,5 | 2,3–2,8 2,5 | |
Умеренный климат промышленной атмосферы (г. Москва) | 6 мес. | 15,5–18,5 16,0 | 2,4–3,0 2,8 |
Умеренно теплый климат приморской атмосферы (г. Геленджик) | 11,0–15,5 13,5 | 2,7–3,4 3,0 | |
* В числителе указан диапазон значений, в знаменателе – среднее значение. | |||
Более агрессивным является воздействие на образцы с клеем ВК-106 тепловлажностной среды, условий камеры тропического климата и натурных испытаний в умеренно теплом климате приморской атмосферы (г. Геленджик) (при температуре испытаний 20 °C). Снижение прочности образцов по отношению к контрольным показателям после действия климатических факторов при температуре испытаний 20 °С составило 16–19 %. Прочность образцов сохранилась на более высоком уровне после экспозиции в воде и влаге.
Оценка коррозионной агрессивности показала, что клей ВК-106 может применяться в контакте с титановыми сплавами, нержавеющими сталями, конструкционными сталями с гальваническими покрытиями и алюминиевыми сплавами с анодно-оксидными покрытиями с учетом допустимых нагревов для контактирующих материалов.
Отработана технология использования клея ВК-106 для соединения термоусаживаемых элементов с электрическими разъемами. На рис. 1–5 представлены этапы технологического процесса изготовления конструктивно-подобного образца «термоусаживаемая трубка + электрический разъем» с использованием клея ВК-106.
Рис. 5. Конструктивно-подобный образец «термоусаживаемый элемент + электрический разъем», изготовленный с использованием клея ВК-106
Опробование конструктивно-подобного образца «термоусаживаемый элемент + электрический разъем» показало, что клей ВК-106 обладает сочетанием оптимальных технологических свойств и прочностных характеристик в составе клеевых соединений. Клей ВК-106 является тиксотропным составом, не стекает с поверхности склеиваемых материалов, удобен для нанесения, не течет в процессе термоусадки трубки, работоспособен в широком диапазоне температур. Кроме того, установлено, что клей ВК-106 является ремонтопригодным и позволяет при необходимости выполнять ремонт по замене термоусаживаемой трубки [29–34].
Заключения
Разработан эпоксидный клей марки ВК-106, предназначенный для соединения при температуре плавления изделий из термоусаживаемых материалов с оболочками электрических жгутов и корпусами электрических разъемов с последующим отверждением клеевого соединения при температуре 20 °С.
Установлено влияние внешних факторов, в том числе термического старения, термоциклирования, воды, влаги, тепловлажностного старения, условий камеры тропического климата, натурных испытаний, на характер изменения прочностных характеристик клеевых соединений. Проанализирован характер изменения прочностных свойств клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-106, после воздействия внешних факторов в сравнении с исходными показателями.
Приведены этапы технологического процесса изготовления конструктивно-подобного образца «термоусаживаемый элемент + электрический разъем», изготовленного с использованием клея ВК-106. Подтверждена возможность использования клея по данному назначению.
Таким образом, клей ВК-106, предназначенный для использования в конструкции электрических жгутов, имеет оптимальное сочетание технологических и физико-механических характеристик. Клей ВК-106 обладает тиксотропными свойствами, за счет чего не стекает со склеиваемых поверхностей, работоспособен в диапазоне температур от –60 до +150 °С, является ремонтопригодным. Все перечисленные свойства позволяют рекомендовать клей ВК-106 для замены эпоксидного клея марки Adhesive S-1125 Kit 8 производства фирмы TE Connectivity (США), который в настоящее время широко используется для аналогичных целей.
Благодарности
Авторы выражают благодарность О.А. Стародубцевой за участие в разработке клея ВК-106.
- TE Connectivity. URL: https://www.te.com/usa-en/product-657863-000html (дата обращения: 21.03.2024).
- Каблов Е.Н. Основные направления развития материалов для авиакосмической техники XXI века // Перспективные материалы. 2000. № 3. С. 27–36.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки // Вестник Российской академии наук. 2020. Т. 90. № 4. С. 331–334.
- Каблов Е.Н. Роль фундаментальных исследований при создании материалов нового поколения // Тез. докл. XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии: в 6 т. СПб., 2019. Т. 4. С. 24.
- Каблов Е.Н., Лаптев А.Б., Прокопенко А.Н., Гуляев А.И. Релаксация полимерных композиционных материалов под длительным действием статической нагрузки и климата (обзор). Часть 1. Связующие // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 4 (65). Ст. 08. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-4-70-80.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 231–242.
- Антипов В.В., Серебренникова Н.Ю., Коновалов А.Н., Нефедова Ю.Н. Перспективы применения в авиационных конструкциях слоистых металлополимерных материалов на основе алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 45–53. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-45-53.
- Авиационные материалы: справочник в 13 т. / под ред. Е.Н. Каблова. 7-е изд., доп. и перераб. М.: ВИАМ, 2019. Т. 10: Клеи, герметики, резины, гидрожидкости, ч. 1: Клеи, клеевые препреги. 276 с.
- Петрова А.П., Малышева Г.В. Клеи, клеевые связующие и клеевые препреги: учеб. пособие / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2017. 472 с.
- Петрова А.П., Донской А.А. Клеящие материалы. Герметики. СПб.: Профессионал, 2008. 589 с.
- Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 2. С. 38–42.
- Петрова А.П. Вспенивающиеся клеи и их применение в авиастроении // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 1. С. 2–5.
- Исаев А.Ю., Павлюк Б.Ф., Петрова А.П., Лукина Н.Ф., Балабанова О.С. Влияние модификации эпоксидных клеев холодного отверждения эластомерами на ресурсную прочность клеевых соединений // Труды ВИАМ. 2020. № 9 (91). Ст. 03. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-9-27-34.
- Малышева Г.В., Гращенков Д.В., Гузева Т.А. Оценка технологичности использования клеев и клеевых препрегов при изготовлении трехслойных панелей // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 4 (53). С. 26–30. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-4-26-30.
- Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Аниховская Л.И. Клеи и материалы на их основе для ремонта конструкций авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2002. № 1. С. 61–65.
- Шершак П.В., Яковлев Н.О., Шокин Г.И., Куцевич К.Е., Попкова Е.А. Метод оценки и факторы, влияющие на качество склеивания обшивки с сотовым заполнителем в конструкциях пола и интерьера воздушных судов // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 2 (59). С. 81–88. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-2-81-88.
- Дементьева Л.А., Тюменева Т.Ю., Шарова И.А. Клеи с пониженной горючестью для авиационной техники // Сб. тр. VІ Междунар. конф. «Полимерные материалы пониженной горючести». Вологда, 2011. С. 102–104.
- Застрогина О.Б., Швец Н.И., Серкова У.А., Вешкин Е.А. Пожаробезопасные материалы на основе феноло-формальдегидных связующих // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. № 7. С. 22–27.
- Ахмадиева К.Р., Петрова А.П., Шошева А.Л., Боков В.В. Теплостойкий полиимидный клей конструкционного назначения // Труды ВИАМ. 2023. № 6 (124). Ст. 02. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 21.02.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-6-15-24.
- Куцевич К.Е., Тюменева Т.Ю., Петрова А.П. Влияние наполнителей на свойства клеевых препрегов и ПКМ на их свойства // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 4 (49). С. 51–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55.
- Застрогина О.Б., Серкова Е.А., Сарычев И.А., Вавилова М.И. Влияние винифлекса российского и китайского производства на свойства связующего ВФТ и стеклотекстолита на его основе // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 3 (60). С. 3–9. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-3-3-9.
- Аниховская Л.И., Минаков В.Т. Клеи и клеевые препреги для перспективных изделий авиакосмической техники // Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932–2002. М.: МИСИС; ВИАМ, 2002. С. 315–325.
- Донской А.А., Баритко Н.В. Самозатухающие герметики низкой плотности // Клеи. Герметики. Технологии. 2006. № 9. С. 10–12.
- Батизат В.П., Аниховская Л.И., Дементьева Л.А. Клеи для склеивания конструкций из металлов и композиционных материалов // Авиационная промышленность. 1983. № 11. С. 15–17.
- Батизат В.П., Аниховская Л.И., Власова В.И. и др. Особенности применения высокопрочных конструкционных клеев // Авиационные материалы. М.: ВИАМ, 1982. С. 207–211.
- Сытый Ю.В., Сагомонова В.А., Кислякова В.И., Большаков В.А. Новые вибропоглощающие материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. С. 51–54.
- Петрова А.П. Основные этапы технологии склеивания // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 2. С. 24–30.
- Фридляндер И.Н., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В., Дементьева Л.А. Композиционные клеевые и слоистые металло-полимерные композиты // Машиностроение: энциклопедия в 40 т. М.: Машиностроение, 2001. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / под ред. И.Н. Фридляндера, Е.Н. Каблова. С. 814–831.
- Каримова С.А., Павловская Т.Г., Петрова А.П. Подготовка поверхности алюминиевых сплавов с применением анодного оксидирования // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 1. С. 34–38.
- Кочергин Ю.С., Григоренко Т.И., Кулик Т.А. Свойства эпоксидных клеев, модифицированных олигосульфонами // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 11. С. 3–7.
- Куршубадзе И.В., Петрова А.П. Работоспособность клеевых соединений в условиях морских субтропиков // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 12. С. 14–17.
- Петрова А.П., Дементьева Л.А., Куцевич К.Е., Бузник В.М. О возможности использования материалов на основе клеевых препрегов в Арктических условиях // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 2. С. 12–16.
- Шведкова А.К., Петрова А.П., Бузник В.М. Климатическая стойкость композиционных материалов на основе клеевых препрегов в континентальных арктических условиях // Клеи. Герметики. Технологии. 2016. № 1. С. 19–25.
- Петрова А.П., Лукина Н.Ф., Исаев А.Ю., Смирнов О.И. Влияние адгезионного грунта ЭП-0234 на свойства клеевых соединений, полученных с применением клея ВК-36 // Труды ВИАМ. 2022. № 6 (112). Ст. 04. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 28.06.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-39-48.