Свойства и назначение полимерных композиционных материалов на основе клеевых препрегов
Приведены свойства композиционных материалов клеевых (КМК) на основе широкого ассортимента клеевых препрегов на стекло- и угленаполнителях. Приведены сведения о преимуществах и особенностях технологического процесса изготовления элементов ПКМ из клеевых препрегов. Указано назначение КМК – для изготовления деталей из ПКМ, в том числе сотовой конструкции одинарной и двойной кривизны, предназначенных для эксплуатации при температурах 80–175°С.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Совершенствование аэродинамических характеристик планера летательных аппаратов с одновременным обеспечением весовой эффективности во многом решается путем применения в конструкциях авиационной техники полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1]. Благодаря своим уникальным свойствам они нашли широкое применение в силовых конструкциях авиакосмической и других видов техники, в конструкции планера, объем их применения в настоящее время достиг 50%, что позволило снизить массу на 20–25% [2].
В последнее время интенсивно развиваются работы по созданию нового класса конструкционных материалов на основе долгоживущих клеевых препрегов (материалы КМК), в которых в качестве связующего расплавного типа для пропитки стекло- и угленаполнителей широко используются модифицированные высокопрочные пленочные клеевые композиции с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и т. д.) [3].
Отличительной особенностью клеевых препрегов является возможность изготовления за одну технологическую операцию высоконагруженных сотовых (слоистых) конструкций из неметаллических материалов одинарной и сложной кривизны [4].
Технология имеет существенные преимущества перед традиционными технологиями формования деталей такого типа. Основное преимущество разработанной технологии – достижение герметичности и весовой эффективности деталей и агрегатов из ПКМ и, как следствие, повышение живучести и ресурса работы клееных конструкций, что отвечает стратегическим направлениям развития авиационных материалов и технологий [5, 6]. В результате применения клеевых препрегов также достигается значительное повышение трещиностойкости конструкций, уменьшение количества выбросов вредных веществ в атмосферу благодаря использованию безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. В процессе изготовления деталей обеспечивается существенное сокращение количества технологических операций и за счет этого – снижение трудоемкости работ [7, 8].
Композиционные материалы на основе клеевых препрегов марок КМКС (на основе стеклонаполнителей) и КМКУ (на основе угленаполнителей) обладают широким спектром свойств в зависимости от физико-механических характеристик клеевых связующих и наполнителей, используемых в их составе [9].
Среди номенклатуры клеевых препрегов марок КМКС особо следует отметить препреги марок КМКС-2м.120 и КМКС-4.175 (табл. 1) на стеклонаполнителях марок Т-10 и Т-15, с использованием которых ведущими КБ (филиал ПАО «Компания «Сухой» «ОКБ Сухого», АО «РСК «МиГ») разработаны новые конструкции радиопрозрачных обтекателей [10, 11].
Таблица 1
Основные свойства стеклопластиков на основе клеевых препрегов марок КМКС-2м.120
Свойства | Значения свойств для клеевого препрега марки КМКС | |||
2м.120.Т10 | 2м.120.Т15 | 2м.120.Т60 | 2м.120.Т64 | |
Рабочие температуры, °С | -60÷+120 | -60÷+120 | -60÷+120 | -60÷+120 |
Плотность стеклопластика, г/см3 | 1,8–1,9 | 1,5–1,6 | 1,7–1,8 | 1,74–1,84 |
Предел прочности при растяжении, МПа: – по основе – по утку |
570 245 |
385 240 |
1500 75 |
750 410 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа: – по основе – по утку |
27,5 17,5 |
19,0 17,0 |
42,0 11,5 |
31,0 22,0 |
Предел прочности при сжатии, МПа – по основе – по утку |
555 380 |
560 390 |
900 210 |
720 440 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа: – по основе – по утку |
760 480 |
440 380 |
1400 130 |
940 565 |
Ударная вязкость, кДж/м2 | 240 | 160 | 210 | 230 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 69 | 55 | 80 | 77 |
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц | 4,76 | 4,19 | 4,46 | 4,82 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц | 0,015 | 0,017 | 0,024 | 0,027 |
Благодаря применению в составе клеевых препрегов стеклоткани марки Т-64 (ВМП) на основе высокомодульных волокон и кварцевой ткани марки ТС-8/3-К-ТО взамен тканей Т-10 и Т-15, а также теплостойкого до 175°С клеевого связующего разработаны композиционные материалы с повышенным уровнем диэлектрических и теплофизических свойств (табл. 2), что позволило применить их в конструкции обтекателей новых изделий авиационной техники [12].
Таблица 2
Основные свойства стеклопластиков радиотехнического назначения
на основе клеевых препрегов марок КМКС-4.175
Свойства | Значения свойств для клеевого препрега марки КМКС | |||
4.175.Т10 | 4.175.Т15 | 4м.175.Т64 | 4к.175.ТС8/3 | |
Плотность стеклопластика, г/см3 | 1,8–1,9 | 1,5 | 1,65 | 1,62 |
Предел прочности при растяжении, МПа: – по основе – по утку |
605 315 |
450 230 |
730 410 |
720 425 |
Модуль упругости при растяжении по основе, ГПа | 29 | 21,8 | 30 | 28 |
Предел прочности при сжатии, МПа: – по основе – по утку |
630 390 |
560 390 |
720 450 |
600 275 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа: – по основе – по утку |
760 470 |
435 375 |
950 600 |
840 590 |
Ударная вязкость, кДж/м2 | 210 | 170 | 270 | 233 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 75 | 50 | 80 | 75 |
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц | 4,2 | 3,7 | 4,82 | 3,6 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц | 0,015 | 0,014 | 0,027 | 0,008–0,013 |
Стеклопластики на основе стеклоткани Т-10 обладают высокими физико-механическими характеристиками, однако наполнитель часто характеризуется наличием поверхностных дефектов (складок, гофров), которые образуются при изготовлении препрегов на современном оборудовании. Дефекты на поверхности вызывают разброс значений по содержанию связующего в препреге и соответственно – значительный разброс величины физико-механических характеристик отформованных деталей и агрегатов из ПКМ (в том числе разброс значений радиотехнических характеристик обтекателя сотовой конструкции) [13]. Во ФГУП «ВИАМ» разработан композиционный материал на основе клеевого связующего с теплостойкостью 120°С и стеклоткани марки Ст-62005 фирмы «ХК Композит» специальной текстильной формы (аналог ткани Т-10), обеспечивающий сохранение прочности при растяжении (σв) при температуре 120°С на уровне 90% от исходной прочности (вместо 70% – для материала КМКС-2м.120.Т10 на основе стеклоткани Т-10-14) [14]. Прочностные характеристики разработанного материала представлены в табл. 3.
Таблица 3
Прочностные характеристики* композиционных материалов клеевых
Свойства | Значения свойств для материала марки | |
КМКС-2м.120.Ст-62005 (разработанный) | КМКС-2м.120.Т10 (аналог) | |
Предел прочности, МПа: – при растяжении, МПа
– при сжатии
– при межслойном сдвиге
– при изгибе |
590–670 636 535–660 600 74–82 78 855–895 873 |
545–645 570 535–600 555 63,5–73,5 69,0 740–765 760 |
Модуль упругости при изгибе, ГПа | 27–29 28 | 24,0–25,0 24,5 |
Прочность при отрыве обшивки от сот, МПа | 4,8–5,5 4,9 | 4,5–5,5 4,8 |
* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.
Видно, что стеклопластик на основе отечественной стеклоткани Ст-62005 превосходит по своим прочностным характеристикам стеклопластик на основе стеклоткани Т-10-14. При этом стеклоткань марки Ст-62005 обладает хорошей драпируемостью и не образует поверхностных дефектов (складок, гофров) при изготовлении препрега.
Среди композиционных материалов на основе угленаполнителей, рекомендованных для длительной работы при температуре 150°С, наиболее высоким уровнем свойств по этому показателю обладает углепластик из клеевого препрега КМКУ-3м.150.УОЛ(У) на основе отечественной углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300Р улучшенной текстильной формы и клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.Р14535, изготовленного из однонаправленной ленты фирмы Porcher арт. 14535, Франция (табл. 4). Следует отметить, что эти материалы рекомендованы к применению в конструкции истребителя пятого поколения Т-50 и обеспечивают создание агрегатов, сочетающих сотовые и монолитные элементы [15, 16].
Таблица 4
Сравнительные показатели* свойств материалов
Свойства | Значения свойств для материала марки | |
КМКУ-3м.150.УОЛ(У) | КМКУ-3м.150.Р14535 | |
Предел прочности при растяжении, МПа: – по основе
– по утку |
1430–1780 1600 26–46 36 |
1600–1840 1700 40–70 52 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа: – по основе
– по утку |
123–133 128 9,2–11,0 9,8 |
120–123 121 8–10 9,2 |
Предел прочности при сжатии, МПа: – по основе
– по утку |
965–1410 1115 195–275 230 |
1050–1240 1130 274–315 301 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 85–100 97 | 90–97 95 |
Толщина монослоя, мм | 0,14 | 0,14 |
* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.
В настоящее время одним из перспективных направлений является разработка энергосберегающих технологий. В связи с этим в институте проведены работы по снижению температуры отверждения клеевых препрегов [17].
Так, разработаны стеклопластики марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К на основе клеевых препрегов КМКС-1с.80.Т60 и КМКС-1с.80.ТС8/3-К с использованием высокомодульных и кварцевых стеклонаполнителей с температурой отверждения 140±5°С (вместо 175±5°С), которые предназначены для изготовления агрегатов из ПКМ сотовой конструкции за одну технологическую операцию, в том числе радиотехнического назначения (обтекатели), работоспособных при температурах от -60 до +80°С [18]. Прочностные свойства стеклопластиков марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К приведены в табл. 5.
Таблица 5
Прочностные свойства стеклопластиков марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К
Свойства | Значения свойств для материала марки | |
ВПС-44К.Т60 | ВПС-45К.ТС8/3-К | |
Предел прочности при растяжении, МПа: – по основе – по утку |
1395 34 |
670 350 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа: – по основе – по утку |
40 6,1 |
23 10 |
Предел прочности при сжатии, МПа: – по основе – по утку |
805 150 |
580 360 |
Модуль упругости при сжатии, ГПа | 45 | 22 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа | 1135 | 1010 |
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа | 36 | 21 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 62 | 60 |
Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц | 4,38 | 3,62 |
Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц | 0,016 | 0,013 |
Разработан также углепластик марки ВКУ-34КУОЛ(У) на основе клеевого препрега КМКУ-5м.150.УОЛ(У) с пониженной температурой отверждения 150–160°С (вместо 180±5°С) и нового углеродного наполнителя улучшенной текстильной формы марки УОЛ-300Р, свойства которого представлены в табл. 6.
Таблица 6
Физико-механические характеристики* композиционного материала
марки ВКУ-34КУОЛ(У)
Свойства | Значения свойств для материала марки ВКУ-34КУОЛ(У) |
Предел прочности при растяжении, МПа: – по основе
– по утку |
1580–1900 1700 38–44 42 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа: – по основе
– по утку |
120–130 125 8,0–8,8 8,4 |
Предел прочности при сжатии, МПа: – по основе
– по утку |
950–1050 1020 215–230 220 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа | 1940–2260 2030 |
Модуль упругости при статическом изгибе, ГПа | 125–140 130 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа | 83–87 85 |
Толщина монослоя, мм | 0,14 |
* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.
Проведены испытания образцов углепластика марки ВКУ-34КУОЛ(У) на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).45 на прочность при сжатии после длительного воздействия климатических факторов: влагостойкость (при влажности φ=98%), тропикостойкость, термостарение при 150°С в течение 500 и 1000 ч, грибостойкость.
Установлено, что сохранение прочности при сжатии после длительного воздействия различных факторов (φ=98%, тропическая камера, грибостойкость, термостарение) при 20°С составило 87–97%, при 150°С: 68–74%.
Проведены исследования прочности клеевых соединений при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сот с использованием клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 в исходном состоянии и после выдержки в камере тропиков, а также после воздействия влажности (φ=98%) в течение 1 и 3 мес.
Установлено, что после 3 мес выдержки образцов в камере тропиков процент сохранения прочности при сдвиге при температуре испытания 20°С составил 82%, при температуре испытания 150°С: 68%, что свидетельствует о тропикостойкости материала. Сохранение прочности клеевых соединений при сдвиге после воздействия влаги в течение 3 мес при температуре испытания 20°С составило 84%, а при 150°С: 70%, в результате чего можно сделать вывод о влагостойкости материала.
Проведены испытания клеевых соединений на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 на прочность при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя после их выдержки при температуре 150°С в течение 500 и 1000 ч.
Значения прочности при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сот клеевых соединений после термостарения в течение 1000 ч при 150°С остались на уровне исходных значений. Таким образом, проведя анализ полученных результатов, можно сделать вывод, что клеевые соединения на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 устойчивы к длительному воздействию температуры до 150°С.
Композиционные материалы клеевые марок КМКС и КМКУ нашли широкое применение в конструкции изделий авиационной техники. Однако они относятся к классу полимерных горючих материалов, что делает невозможным их применение в интерьере самолета (в частности, для изготовления панелей пола). В связи с этим одним из ключевых направлений на данный момент является создание новых КМК на основе связующего пониженной горючести с теплостойкостью 80°С и отечественных стекло- и угленаполнителей. Разработка позволит использовать эти материалы для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ монолитной и сотовой конструкции и применить их не только в салоне самолета (панели пола), но и для агрегатов наружного контура, что обеспечит снижение пожароопасности изделия [19]. Работы во ФГУП «ВИАМ» в данном направлении уже проводятся.
Композиционные материалы клеевые на основе клеевых препрегов внедрены в конструкцию многих изделий авиакосмической техники ведущих КБ [20, 21]. Они широко применяются в конструкциях изделий авиакосмического комплекса: ПАО «Компания «Сухой» (самолет «Сухой Суперджет 100»), АО «РСК МиГ» (самолеты серии МиГ всех модификаций), в самолетах ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», ПАО «Туполев», ПАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева», вертолетах АО «Камов», ракетной технике ОАО «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» и других [22].
К деталям и агрегатам, в которых применены композиционные материалы на основе клеевых препрегов, относятся: панели фюзеляжа, створки шасси, обтекатели, отдельные детали механизации крыла и оперения, воздухозаборный канал сотовой конструкции и т. д. [23, 24].
Имеющийся в настоящее время опыт длительной эксплуатации (более 25 лет) клееных конструкций в составе изделий авиационной техники подтверждает высокий уровень свойств ПКМ на основе клеевых препрегов [25].
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- История авиационного материаловедения. ВИАМ – 80 лет: годы и люди / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2012. 520 с.
- 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.
- Петрова А.П., Лукина Н.Ф. Применение адгезионных грунтов и систем модификации поверхности при склеивании // Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №9. С. 24–28.
- Петрова А.П., Лукина Н.Ф. Влияние адгезионных грунтов на ресурсные характеристики клеевых соединений // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. №11. С. 20–23.
- Препрег и изделие, выполненное из него: пат. 2427594 Рос. Федерация; опубл. 23.07.13.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
- Петрова А.П., Донской А.А., Чалых А.Е., Щербина А.А. Клеящие материалы. Герметики: справочник / под ред. А.П. Петровой. СПб.: Профессионал, 2008. С. 589.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328–335.
- Антюфеева Н.В., Журавлева П.Л., Алексашин В.М., Куцевич К.Е. Влияние степени отверждения связующего на физико-механические свойства углепластика и микроструктуру межфазного слоя углеродное волокно/матрица // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №12. С. 26–30.
- Петрова А.П., Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Авдонина И.А., Тюменева Т.Ю., Жадова Н.С. Клеи для авиационной техники // РЖХ. 2010. Т. LIV. №1. C. 46–52.
- 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.
- Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Петрова А.П. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19–24.
- Аниховская Л.И., Минаков В.Т. Клеи и клеевые препреги для перспективных изделий авиакосмической техники // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2002: юбилейный науч.-технич. сб. М.: МИСиС–ВИАМ, 2002. С. 315–326.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Тюменева Т.Ю. Свойства клеев и клеящих материалов для изделий авиационной техники // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №1. С. 14–24.
- Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков А.А., Куцевич К.Е. Основные свойства и назначение ПКМ на основе клеевых препрегов // Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов: тез. докл. XIX Междунар. науч.-технич. конф. Обнинск: ОНПП «Технология», 2010. С. 11–12.
- Морозов Б.Б. Применение полимерных композиционных материалов в изделиях разработки ОКБ Сухого // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 31–36.
- Хрычев Ю.И., Шкодинова Е.П., Дементьева Л.А. Разработка технологического процесса изготовления радиопрозрачного обтекателя из клеевых препрегов типа КМКС-2м.120 // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 43–47.
- Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Кириенко Т.А., Чурсова Л.В. Клеевые связующие для деталей из ПКМ сотовой конструкции // Клеи. Герметики. Технологии. 2016 (в печати).
- Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19–21.
- Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Аниховская Л.И., Лукина Н.Ф. Композиционные материалы клеевые на основе стеклянных и углеродных наполнителей // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №1. С. 24–27.
- Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Лаборатория «Клеи и клеевые препреги» – достижения и перспективы // Клеящие материалы авиационного назначения: сб. докл. конф. М.: ВИАМ, 2013. С. 1–5.
- Lukina N.F., Dementeva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V., Kutsevich K.E. Adhesive prepregs and composite materials on their basis // Russian Journal of General Chemistry. 2011. V. 81. №5. С. 1022–1024.
- Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Влияние полисульфонов различного строения на свойства клеевых материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №4. С. 6–8.