Влияние пространственной ориентации наполнителя в однонаправленных углепластиках на характеристики тепловыделения при горении

Введение

По мере развития материаловедения постоянно возрастает применение полимерных материалов в различных отраслях промышленности. Максимальное увеличение объемов использования полимерных материалов для изготовления различных конструктивных элементов наблюдается в отраслях, где наиболее важно получить лучшие весовые характеристики, а именно – в авиационной промышленности и космонавтике [1, 2].

Однако полимерные материалы, по сравнению с широко используемыми конструкционными сплавами на основе железа, алюминия или титана, имеют значительно более высокую способность к воспламенению, т. е. являются более пожароопасными. В связи с этим одним из важнейших направлений развития полимерного материаловедения, наряду с получением более высоких физико-механических характеристик, является создание полимерных связующих, обеспечивающих улучшение пожарной безопасности полимерных композиционных материалов (ПКМ) и конструктивных элементов на их основе [3, 4].

При создании ПКМ с улучшенными характеристиками пожарной безопасности основное внимание уделяется показателям полимерного связующего (термостойкость, теплота сгорания, коксовое число, содержание связующего в ПКМ, режимы переработки) [5, 6]. Но при этом практически не учитываются состав и структура армирующего наполнителя, так как считается, что стеклянный или углеродный наполнитель в условиях пожара является инертным, не деструктирует, не образует горючих газов и не воспламеняется. Например, в работе [7] показано, что влиянием типа переплетения на характеристики пожаробезопасности можно пренебречь при условии сохранения одной и той же поверхностной массы наполнителя (ткани стеклянные, углеродные или из термостойких органических волокон) и его химической природы.

Однако имеется ряд данных, подтверждающих, что инертный наполнитель, хотя напрямую не участвует в процессах горения, тем не менее может влиять на изменение пожарной безопасности ПКМ. Например, в работах [8, 9] показано, что наличие наполнителя (стеклоткань, стекловолокно) приводит к снижению термостойкости полимерной матрицы на 10–20 °С.

В работе [10] исследована устойчивость углеродных волокон к окислению. В работе [11] изучено влияние типа наполнителя (стеклянные или углеродные волокна) на характеристики горючести. Показано существенное изменение характеристик в зависимости как от типа, так и от структуры и поверхностной плотности наполнителя.

В работах [12–14] сначала расчетным путем установлено, а затем экспериментально доказано, что при одном и том же содержании связующего и толщине образца в зависимости от поверхностной плотности стеклонаполнителя существенно меняется кинетика прогрева, термодеструкции и последующего тепловыделения при горении стеклопластика.

При проведении испытаний на горючесть текстильных материалов (ткани, ковры) в соответствии с требованиями авиационных норм [15–18] обязательным условием является определение характеристик образцов, вырезанных вдоль как продольного (по основе), так и поперечного (по утку) направления. В настоящее время необходимость проведения испытаний ПКМ с различной схемой армирования в авиационных нормах, как и в действующих вспомогательных документах (Aircraft Materials Fire Test Handbook, Advisory Circular, Technical Standard Order, Methods of Compliance, Policy Statement) Федерального авиационного управления (FAA) США, не прописана. Не предусмотрено учитывать влияние структуры армирования ПКМ и в предложенных к введению FAA изменениях в авиационные нормы и рекомендательные циркуляры.

Фактически единственным зарубежным исключением является комплекс работ, посвященных исследованию влияния схемы изготовления аддитивных материалов на характеристики горючести [19–22]. В этих работах исследовано влияние изготовления образцов вдоль различных осей (X, Y или Z), а также схемы (узора) заполнения, например линейная, сотовая, гексагональная, крестообразная с различными углами наклона. Показано существенное изменение как длины прогорания, так и продолжительности остаточного горения в зависимости от направления и структуры изготовления образца.

В отечественной работе [23] показано, что структура армирования (однонаправленная, орто- или квазиизотропная) может оказывать влияние на характеристики пожарной опасности стеклопластика – изменяются характеристики горючести, дымообразования и тепловыделения при горении.

В работе [24] исследовано влияние структуры армирования углепластика (однонаправленная или квазиизотропная) и расположения волокон ([0°] или [90°]) при однонаправленном армировании и доказано существенное изменение характеристик горючести как по продолжительности остаточного (самостоятельного) горения, так и по длине прогорания. В качестве объяснения влияния схемы армирования (вырезки образцов) на характеристики горючести углепластика с однонаправленной структурой армирования показано существенное изменение теплопроводности в продольном (вдоль жгутов основы), поперечном (вдоль утка) и перпендикулярном (трансверсальном) направлениях. Поскольку очаг пламени воздействует на середину нижней торцевой части поверхности образца, то в зависимости от схемы армирования ([0°] или [90°]) существенно меняются кинетика его прогрева по длине и ширине и, как следствие, область термодеструкции, место и интенсивность выхода горючих продуктов, условия их воспламенения.

В отличие от испытаний на горючесть, при испытаниях на дымообразование или тепловыделение образец нагревается тепловым потоком заданной интенсивности в поперечном (трансверсальном) направлении относительно его плоскости. Поэтому ранее предполагали, что изменение схемы армирования ([0°], [90°], ортотропная или квазиизотропная) не должно оказывать существенного влияния на эти характеристики пожарной опасности, хотя при переходе от однонаправленной к ортотропной или квазиизотропной схеме армирования могут меняться условия выхода на поверхность образующихся газообразных продуктов термодеструкции. Но принципиальных различий между результатами испытаний образцов с вертикальной [0°] или горизонтальной [90°] схемами армирования быть не должно.

Однако поджигание образцов при проведении испытаний на тепловыделение и дымообразование осуществляется в нижней части лицевой поверхности вертикально установленного образца маленькой пилотной горелкой и, следовательно, может меняться кинетика распространения пламени и охвата огнем всей поверхности испытываемого образца. Этот эффект должен быть больше при испытаниях на тепловыделение при горении вследствие как большей в 4 раза площади образцов (размер образцов для испытаний на тепловыделение и дымообразование составляет 150×150 и 75×75 мм соответственно), так и точечного воздействия пламени от пилотной горелки.

Все большее применение в авиационной отрасли получают углепластики и трехслойные сотовые панели на их основе [25–27]. Поэтому решено оценить возможное влияние схемы армирования углепластиков на показатели тепловыделения. Этому исследованию посвящена данная работа.

Работа выполнена в рамках реализации научного направления 2. «Фундаментально-ориентированные исследования, квалификация материалов, неразрушающий контроль», комплексной научной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [28].

Материалы и методы

В качестве объектов исследований выбраны отечественные углепластики на основе эпоксидного связующего [29], жгутового наполнителя и однонаправленной ткани из углеродного жгута российского производства. В данных материалах отечественный углеродный наполнитель заменяет ранее использовавшийся импортный [30]. Для проведения исследований изготовлены по три партии плит каждой толщины с однонаправленной структурой армирования. Из каждой плиты в соответствии с нормативной документацией вырезаны образцы размером (150±1)×(150±1) мм, за исключением отдельных случаев, описанных далее.

В данном исследовании толщина образцов углепластика с однонаправленной структурой армирования на основе углеродного волокна составила ~3 мм (структура армирования [0°]₁₅), толщина образцов углепластика с однонаправленной структурой армирования на основе однонаправленной углеродной ткани: ~2,3; ~3 и ~4 мм (структуры армирования [0°]₁₃, [0°]₁₅ и [0°]₂₀ соответственно).

Огневые испытания на тепловыделение при горении проводили в соответствии с методом, описанным в ГОСТ Р 57928–2017 и изложенным в Части IV Приложения F российских авиационных норм НЛГ-25. Для проведения испытаний в соответствии с требованиями авиационных норм используется специализированное оборудование – работающий по термопарному методу модифицированный проточный калориметр типа OSU (ASTM E906 Конфигурация А) с установленным тепловым режимом: тепловой поток на образец 35 кВт/м² (±5 %), расход воздуха через установку 40 л/с (±5 %).

Вследствие ограниченной производительности испытательного оборудования весь объем образцов физически невозможно было испытать в один день. Для обеспечения максимальной воспроизводимости результатов все образцы из одной партии испытывали в один день при одной и той же настройке и калибровке оборудования. По возможности испытания образцов материалов одной и той же толщины также старались провести в один день.

В соответствии с требованиями авиационных норм, должны быть испытаны не менее трех образцов каждого вида. Для проведения исследований два одинаковых образца из каждой партии устанавливали в держатели образца с одной ориентацией наполнителя (вертикальной или горизонтальной), а третий образец испытывали с иной (перпендикулярной по отношению к другим образцам) ориентацией.

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

Результаты и обсуждение

Полученные результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

При анализе полученных данных можно отметить следующее.

Для образцов углепластика на основе углеродного волокна (табл. 1) с горизонтальным расположением армирующего наполнителя по сравнению с вертикальным можно отметить более низкие значения максимальной интенсивности выделения тепла при более раннем наступлении пика, а также более высокие значения общего количества тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания. Однако эти различия невелики и близки к величине разброса данных между параллельными испытаниями. Для образцов этого углепластика по характеристике максимальной интенсивности выделения тепла (пик) для установленных в держателе образцов с горизонтальным расположением волокон углеродного наполнителя по сравнению с вертикальной ориентацией отмечается меньшее тепловыделение (на ~7 кВт/м², или 5 %). Различие между образцами с различной ориентацией наполнителя по величине общего количества выделившегося тепла составляет ~4,5 кВт∙мин/м², или 6 %.

Для углепластика на основе однонаправленной углеродной ткани (табл. 2) на данном этапе исследований не выявлено различий между вертикальной и горизонтальной ориентацией наполнителя в испытываемом образце по характеристикам общего количества тепла, выделившегося за первые 2 мин испытания, и времени наступления максимальной интенсивности тепловыделения. Для образцов этого углепластика различие между значениями максимальной интенсивности выделения тепла в зависимости от ориентации наполнителя более существенное. Зачастую разница между параллельными испытаниями в зависимости от ориентации наполнителя достигает 10–20 единиц и возрастает по мере увеличения толщины образца. Различие по максимальной интенсивности тепловыделения при вертикальном и горизонтальном направлении армирования для образцов толщиной 2,3 мм составляет ~7 кВт/м² (5,5 %), толщиной 2,9 и 3,9 мм: ~17 кВт/м² (12 и 10 % соответственно).

Зафиксированным исключением из этого наблюдения является результат испытания первого из партии 2 образца толщиной 2,3 мм. Значения максимальной интенсивности выделения тепла образцов с вертикальной и горизонтальной ориентацией основы в этой партии практически равны. Это можно объяснить тем, что образец с вертикальной ориентацией основы наполнителя имел немного меньшую массу по сравнению с двумя другими образцами из этой же партии.

Результат испытаний образца углепластика на основе однонаправленной углеродной ткани толщиной 2,9 мм из партии 1 с вертикальным армированием не совсем корректный (в табл. 2 выделен жирным шрифтом), так как для испытаний был изготовлен образец меньшего размера (142×142 мм вместо 150×150 мм) и в держателе образец был закреплен выше инициирующей воспламенение нижней пилотной горелки. Вследствие этого пламя нижней воспламеняющей (пилотной) горелки на образец почти не воздействовало, воспламенение образца произошло позже и с меньшей интенсивностью.

Заключения

Установлено, что для углепластиков с однонаправленной структурой армирования при испытаниях на тепловыделение при горении существует различие в максимальной интенсивности выделения тепла в зависимости от пространственной ориентации наполнителя.

Образцы, которые при закреплении в держателе были установлены таким образом, что осуществлялось горизонтальное расположение армирующих волокон (жгутов, основы однонаправленной ткани), имели меньшую интенсивность выделения тепла по сравнению с вертикальной структурой армирования.

Величина различия между данными максимальной интенсивности выделения тепла для однонаправленного углепластика на основе углеродной ткани возрастает при увеличении толщины с 2,3 до 2,9 и 3,9 мм.

В зависимости от толщины материала разница между образцами с различной пространственной ориентаций наполнителя по характеристике максимальной интенсивности выделения тепла составляет от 5 до 12 %.