Прочность углепластиков после воздействия эксплуатационных факторов

Введение

Применение полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности углепластиков, в современных летательных аппаратах увеличивается с каждым годом, и требования к таким материалам только возрастают. Основные преимущества, которыми обладают углепластики, ‒ низкая плотность и, как следствие, сниженная масса конструкции, высокая прочность и др. [1‒9].

В области авиастроения особенно актуально изучение надежности узлов из ПКМ в условиях комплексного воздействия эксплуатационных факторов. Необходимо оценивать пригодность и долговечность материалов, применяемых при создании деталей, поломка которых может негативно отразиться на безопасности. Это требование содержится в авиационных нормах АП-25 п. 25.603(с) [10] и подразумевает учет воздействия окружающих условий во время эксплуатации изделий [11].

Особенно жесткие требования предъявляются к конструкционным углепластикам, которые обеспечивают живучесть воздушного судна. Помимо знакопеременных нагрузок, на протяжении всего жизненного цикла летательных аппаратов (25‒30 лет) [12] в периоды полетов и стоянок они подвержены климатическим нагрузкам, таким как температура, относительная влажность воздуха, атмосферные осадки, солнечная радиация и циклическое изменение температуры окружающего воздуха, а также воздействию прочих условий окружающей среды, особенно в странах с тропическим и морским климатом [13]. При совокупном воздействии эти факторы инициируют процессы старения и способствуют химическим изменениям в полимерах, что в конечном итоге может привести к снижению прочности материалов за время работы изделий в течение 25–30 лет [14].

Климатические факторы, основные из которых ‒ температура и влажность, оказывают значительное влияние на долговечность, механические и эксплуатационные характеристики ПКМ. Повышение температуры вызывает снижение прочности и жесткости, увеличение эластичности и деформации ползучести. Низкая температура, наоборот, повышает хрупкость и снижает ударопрочность. Контакт ПКМ с водой и влажностью приводит к набуханию матрицы, ухудшению адгезии между матрицей и армирующим волокном, увеличению массы материала и снижению прочностных характеристик. Осуществление климатических испытаний помогает оценить соответствие материалов требованиям производства изделий и обеспечить контроль за их характеристиками [9, 15, 16].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан ряд углепластиков на основе тканых и высокопрочных углеродных жгутовых наполнителей как российского производства, так и производства стран Европы и КНР. Представляет интерес проведение оценки изменения свойств различных марок углепластиков разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ после воздействия эксплуатационных факторов. В данной работе представлены результаты исследования физико-механических свойств семи марок ПКМ на основе однонаправленного углеродного волокна после воздействия повышенной температуры.

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

Материалы и методы

Свойства углепластиков зависят от свойств наполнителя и связующего, входящих в их состав.

Наполнитель для углепластиков может выпускаться в виде различных тканых или нетканых структур, одна из наиболее распространенных – углеродный жгут. Жгуты представляют собой пучки, состоящие из большого (1000 и более) количества элементарных непрерывных моноволокон. Другая популярная форма наполнителя – ленты, которые состоят из нитей основы – жгутов, уложенных рядом и связанных в поперечном направлении малопрочным утком. Для таких однонаправленных наполнителей практически исключены перегибы волокон в продольном направлении, что является их преимуществом перед тканями. Распространены также однонаправленные ткани, в которых переплетенный уток используется только для технологической связи жгутов между собой [17]. Некоторые свойства жгутов, лент и тканей, используемых в данном исследовании, приведены далее.

Отличительная особенность марок лент ЭЛУР-П – низкая линейная плотность, которая позволяет получать углепластики с толщиной монослоя 0,08–0,13 мм. В углеродной ткани фирмы Porcher (арт. 14535) с поверхностной плотностью 135 г/м² углеродные нити основы, составляющие 97,5 % ткани, переплетены стеклянным утком. Углеродная ткань арт. Ст-11088 представляет собой аналог ткани фирмы Porcher (арт. 14535). Углеродные жгуты марок УВ49S-12K и UMT49S-12K получены из полиакрилонитрильного прекурсора (ПАН-прекурсор) и имеют стандартный модуль упругости, а также повышенную прочность. Линейная плотность у жгута марки УВ49S-12K составляет 800 текс, у жгута марки UMT49S-12K – 760 текс.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан ассортимент эпоксидных клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками: вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными, под общей маркой ВСК-14, которые используются в качестве полимерных матриц при создании углепластиков [18–20]. Свойства связующих представлены в таблице.

Клеевые связующие представляют собой однородную пластическую массу, их характерной особенностью является низкое содержание летучих продуктов – не более 2,0 % (по массе). Температура стеклования связующих составляет от 140 до 205 °С в зависимости от состава [21].

Клеевые связующие обладают рядом преимуществ перед другими связующими из-за их способности формировать пленку. Использование таких связующих дает возможность получать препреги стабильного качества, сочетающие как вязкоупругие характеристики традиционных связующих, так и адгезионные свойства, характерные для клеев. Это позволяет отказаться от применения пленочного клея при создании конструкций, в том числе сотовых.

Углепластики на основе клеевых препрегов обладают улучшенными характеристиками сопротивления усталости, долговечностью и сохранением высокой прочности после воздействия различных факторов окружающей среды. Процессы, связанные с использованием клеевых препрегов в промышленном производстве, характеризуются высокой степенью повторяемости и минимальным количеством контрольных действий [22].

Изучение ПКМ на основе клеевых препрегов началось в 1990-х гг. Первоначально был разработан углепластик на основе клеевого препрега марки КМКУ-1.80, пригодный для использования при температуре 80 °С. Применение различных клеевых связующих с отличающимся составом и характеристиками в сочетании с разнообразными наполнителями из углеродного волокна позволило расширить ассортимент ПКМ, произведенных из клеевых препрегов [23, 24]. Разработаны следующие марки препрегов: КМКУ-2м.120 с рабочей температурой 120 °С, КМКУ-3м.150 с рабочей температурой 150 °С [11].

Для исследования использовали углепластики с однонаправленной углеродной лентой ЭЛУР-П-А в качестве наполнителя:

• КМКУ-1.80.Э0,1 на основе эпоксидного клеевого связующего ВСК-14-1 с рабочей температурой 80 °С;
• КМКУ-2м.120.Э0,1 на основе эпоксидного клеевого связующего ВСК-14-2м с рабочей температурой 120 °С;
• ВКУ-17КЭ0,1 на основе эпоксидного клеевого связующего ВСК-14-3 с рабочей температурой 150 °С (клеевой препрег КМКУ-3.150.Э0,1).

Использовали также другие углепластики на основе связующего ВСК-14-3 с жгутовыми наполнителями с количеством филаментов 12000 (номинал 12К):

• ВКУ-30К.Р14535 ‒ клеевые препреги КМКУ-3м.150.Р14535 на основе однонаправленных углеродных тканей Porcher (арт. 14535) и арт. Ст-11088;
• ВКУ-30К.УВ49(S) ‒ клеевой препрег КМКУ-3м.150.УВ49 на основе углеродного жгута УВ49S-12K;
• ВКУ-30К.UMT49 ‒ клеевой препрег КМКУ-3м.150.UMT49 на основе углеродного жгута UMT49S-12K.

Проведена экспозиция образцов углепластиков на термическое старение при максимальных рабочих температурах в течение 500 и 1000 ч.

Для исследования влияния воздействия повышенной температуры на физико-механические характеристики углепластиков проведены испытания при комнатной температуре (до и после климатических экспозиций), а также при максимальной рабочей температуре ‒ определены пределы прочности при растяжении (ГОСТ 25.601–80), сжатии (ГОСТ 25.602–82) и статическом изгибе (ГОСТ 4648–71, ГОСТ 25.604–82).

Результаты и обсуждение

Исследование свойств углепластиков проводили на образцах, изготовленных из клеевых препрегов автоклавным методом формования с конечными температурами отверждения 125 и 175 °C.

На рис. 1 представлены диаграммы, показывающие уровень сохранения свойств для углепластиков на основе углеродной ленты ЭЛУР-П-А и клеевых связующих марок ВСК-14-1, ВСК-14-2м и ВСК-14-3 со схемами армирования [0°] и [0°/90°/±45°] при растяжении, сжатии и статическом изгибе, при максимальных рабочих температурах 80, 120 и 150 °C соответственно.

Видно, что уровень сохранения прочности углепластиков относительно исходных значений с использованием углеродной ленты ЭЛУР-П-А при растяжении со схемой армирования [0°] составляет 79,5±1,5 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 79,5±4,5 %; при сжатии со схемой армирования [0°]: 70,0±3,0 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 73,0±3,0 %; при изгибе со схемой армирования [0°]: 86,0±4,0 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 79,5±0,5 %. Высокий уровень сохранения прочностных показателей при рабочей температуре, а также небольшой разброс значений свойств в интервале рабочих температур свидетельствуют о стабильности свойств материала, а изменение матрицы позволяет получать углепластики с прогнозируемым уровнем свойств при рабочих температурах 80, 120 и 150 °C.

На рис. 2 представлены диаграммы, показывающие уровень сохранения свойств для углепластиков на основе связующего ВСК-14-3 и наполнителей на основе тканей Porcher (арт. 14535), арт. Ст-11088 и жгутов УВ-12K и UMT49S-12K со схемами армирования [0°] и [0°/90°/±45°] при испытаниях при максимальной рабочей температуре 150 °C.

Видно, что уровень сохранения прочности углепластиков относительно исходных значений общей марки ВКУ-30К на основе углеродных наполнителей из углеродного жгута номиналом 12К при растяжении со схемой армирования [0°] составляет 98,5±1,5 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 96,0±4,0 %; при сжатии со схемой армирования [0°]: 71,5±3,5 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 87,5±7,0 %; при изгибе со схемой армирования [0°]: 84,5±11,5 %, со схемой армирования [0°/90°/±45°]: 85,5±1,5 %. Следует отметить снижение прочности при сжатии у углепластиков общей марки ВКУ-30К на основе тканых наполнителей (арт. 14535 и Ст-11088) со схемой армирования [0°], которое, вероятно, вызвано наличием уточной нити в составе наполнителя.

Для определения устойчивости углепластика марки ВКУ-30К на основе углеродных наполнителей из углеродного жгута номиналом 12К к воздействию внешних факторов проведен анализ изменения прочности образцов из углепластика с незащищенными торцами со схемой армирования [0°/90°/±45°] при изгибе (по ГОСТ 25.604‒82) и сжатии (по ГОСТ 25.602‒80) после теплового старения при максимальной рабочей температуре. Экспозиция с незащищенными торцами позволяет в лабораторных условиях имитировать локальное разрушение ПКМ и определить уровень прочности образца из ПКМ при экспозиции в заданных условиях [11, 14]. Результаты испытаний прочностных характеристик материалов после воздействия перечисленных внешних факторов в сравнении с исходными средними значениями приведены на рис. 3. Представлен уровень сохранения свойств углепластиков на основе связующего ВСК-14-3 и наполнителей номиналом 12К после климатической экспозиции – термического старения при температуре 150 °C в течение 500 и 1000 ч.

Видно, что уровень сохранения прочности углепластиков на основе углеродных наполнителей из углеродного жгута номиналом 12К общей марки ВКУ-30К относительно исходных значений при сжатии со схемой армирования [0°/90°/±45°] после термического старения при температуре 150 °C в течение 500 ч составляет 93,0±7,0 %, в течение 1000 ч: 93,0±7,0 %; при изгибе со схемой армирования [0°/90°/±45°] после термического старения при температуре 150 °C в течение 500 ч: 95,5±2,5 %, в течение 1000 ч: 87,5±11,5 %.

Наибольшее уменьшение значений прочности при изгибе – на 23 % у углепластиков с однонаправленными тканями Porcher (арт. 14535) и арт. Ст-11088 после экспозиции 1000 ч, которое, вероятно, вызвано наличием уточной нити в составе наполнителя. Свойства углепластиков с жгутовыми наполнителями после термического старения остаются почти неизменными.

Заключения

Проведен анализ свойств разработанных в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ углепластиков на основе клеевых препрегов с рабочими температурами 80, 120 и 150 °C.

Углепластики на основе углеродной ленты ЭЛУР-П-А и клеевых связующих марок ВСК-14-1, ВСК-14-2м и ВСК-14-3 отличаются высокими эксплуатационными характеристиками. Эти материалы сохраняют прочностные показатели при рабочих температурах, что свидетельствует о стабильности свойств в процессе теплового старения.

Одним из ключевых факторов, влияющих на поведение углепластиков, является тип связующего. Изменение матрицы связующего без замены углеродного наполнителя позволяет варьировать свойства материала – например, повышать термостойкость, сохраняя при этом механические характеристики. Это дает возможность создавать конструкции с предсказуемыми и стабильными свойствами под воздействием различных температур.

Таким образом, комплексный подбор связующего в углепластиках на основе углеродной ленты ЭЛУР-П-А является эффективным инструментом для получения материалов с необходимыми техническими характеристиками и стабильными эксплуатационными свойствами.

Представленные данные показывают, что применение современных углеродных наполнителей номиналом 12К без изменения матрицы приводит к увеличению прочностных свойств материала во всем диапазоне рабочих температур. Следует особо подчеркнуть, что образцы, в которых применен углеродный наполнитель без уточной нити и с однонаправленной укладкой, показывают лучшее сохранение упруго-прочностных характеристик. При этом необходимо понимать, что в реальных изделиях углеродный наполнитель всегда укладывается анизотропно, что существенно влияет на конечные свойства. Несмотря на это, приведенная информация является важной и ее необходимо учитывать разработчикам при создании новых образцов изделий или модернизации имеющихся.

Кроме того, низкая вариативность свойств подтверждает однородность и качество производства. Такой подход обеспечивает долговечность изделий и позволяет широко применять данные материалы в авиации, машиностроении и других сферах, где важна высокая прочность и устойчивость к механическим воздействиям при высоких температурах.