Климатическая стойкость новых композиционных материалов

ВИАМ/2003-203955
Климатическая стойкость
новых композиционных материалов
В.Н. Кириллов
кандидат технических наук
В.А. Ефимов
кандидат технических наук
Т.Е. Матвеенкова
В.В. Кривонос
Т.В. Гребнева
Е.В. Болберова
Ноябрь 2003
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
журнале «Авиационная промышленность», № 4, 2004 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
в
Климатическая стойкость новых композиционных материалов
В.Н. Кириллов, В.А. Ефимов, Т.Е. Матвеенкова,
В.В. Кривонос, Т.В. Гребнева, Е.В. Болберова
Всероссийский институт авиационных материалов
На
современном
этапе
развития
техники
снижение
массы
и
материалоемкости, увеличение надежности и сроков службы обеспечиваются
применением в конструкциях полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Эволюцию применения ПКМ в изделиях авиационной техники можно
проследить на примере развития гидроавиации. Во втором поколении
самолетов КБ им. Г.М. Бериева (Бе-6, Бе-10, Бe-12) композиционные
материалы применялись лишь для радиопрозрачных антенных обтекателей. В
третьем поколении многоцелевых самолетов-амфибий (Бе-40, Бе-200, Бе-103)
значительное
число
высоконагруженных,
ответственных
агрегатов
спроектировано из современных ПКМ. Они применены в значительной части
элементов планера и оборудования самолетов: из материала КМУ-10Э
выполнены руль высоты, направления, элерон, панели хвостовой части крыла
и закрылок; из гибридного материала ГКМ-4 выполнены поплавки и пилоны
их крепления; из стеклопластика СТ-69Н – носовая часть и значительная
доля верхней обшивки центроплана [1].
Высокие требования к надежности авиационной техники ставят задачу
обеспечения ресурса работоспособности конструкций из ПКМ на этапе
проектирования изделия. Это достигается выбором материалов с требуемым
уровнем свойств на стадии их изготовления и также обеспечением
гарантированного уровня этих характеристик до конца срока эксплуатации
изделия. В статье представлены данные по естественному старению в
различных
климатических
зонах
перспективных
композиционных
материалов с широким спектром наполнителей и связующих и проведено
сопоставление их с результатами лабораторных исследований.
Наиболее достоверные сведения о процессах старения и связанных с ними
изменениях
механических
характеристик
ПКМ
можно
получить
из
результатов натурных исследований материалов в различных климатических
зонах. В табл. 1 и 2 представлены исходные механические свойства и
результаты натурной экспозиции в умеренной, субтропической и тропической
зонах основных перспективных конструкционных ПКМ на различных
эпоксидных связующих (ЭНФБ-М, ВС 2515, ЭДТ-69Н), а также материалов
радиотехнического назначения на кремнийорганических связующих.
Таблица 1.
Конструкционные материалы
Материал
Характеристики
КМУ-4ЭМ
σ -в
σ в.и
КМУ-9Г-2А
σ -в
τв
КМУ-10Э
σ -в
Исходные
свойства,
МПа
560
420
650
520
1160
710
37
37
1050
780
Сохраняемость свойств, %,
при экспозиции
1 г.
3 г.
4 г.
97
96
93
90
94
–
–
96
93
–
72
74
64
97
–
86
84
75
95
90
–
98
96
102
–
73
59
60
Климатическая
зона
Субтропическая
Тропическая
Субтропическая
Тропическая
Примечание. В числителе приведены значения характеристик при 20°С, а в знаменателе – при 80°С.
Таблица 2.
Радиотехнические материалы
Материал
Характеристики
СТКМ
СК-9ФА
СК-9Х
σ -в
σ в.и
σ -в
σ в.и
σ в.и
σ в.и
Исходные
свойства,
МПа
650
1400
750
1360
2000
1250
СК-9ХК
σ в.и
1590
СК-101
Сохраняемость свойств, %,
при экспозиции
1 г.
3 г.
4 г.
63
43
–
89
105
59
50
–
97
95
72
–
63
109
–
117
107
110
83
–
80
100
102
Климатическая
зона
Тропическая
Тропическая
Субтропическая
Умеренная
Субтропическая
Умеренная
Субтропическая
У
композиционных
конструкционных
материалов
(см.
табл.
2)
наблюдается снижение основных механических характеристик по мере
возрастания
величины
тепловлажностных
комплексов
и
суммарной
солнечной радиации (см. табл. 1). Таким образом, наиболее агрессивными
климатическими
зонами
для
эксплуатации
изделий
являются
зоны
тропического и субтропического климата. В целом, все исследованные
материалы обладают достаточно высокой климатической стойкостью.
Сопоставление
результатов
изменения
механических
свойств
конструкционных композиционных материалов (см. табл. 1) свидетельствует,
что
углепластики
обладают
большей
климатической
стойкостью,
чем
стеклопластики как по сохранности свойств, так и по стойкости поверхностного
слоя к воздействию УФ составляющей солнечного излучения. Согласно
результатам визуального осмотра у углепластиков наблюдаются потеря глянца,
очень незначительное меление поверхности, обращенной к солнцу, даже в
условиях трехлетней экспозиции в тропическом климате. У стеклопластиков на
эпоксидных связующих освещенная поверхность разрушается с оголением ткани
наполнителя уже после годовой экспозиции в условиях субтропического
климата. Дефективность поверхности возрастает с увеличением длительности
экспозиции, поэтому для защиты поверхности стеклопластиковых конструкций
во время эксплуатации необходима система лакокрасочных покрытий.
Отличительной особенностью материалов радиотехнического назначения
на
кремнийорганических
связующих
является
высокая
стойкость
поверхности к воздействию солнечного излучения. Даже трехлетняя
экспозиция материалов в тропическом климате практически не изменяет
качества
облучаемой
поверхности.
У
композитов
со
стеклянным
наполнителем как на эпоксидной, так и на кремнийорганической матрице в
развитии дефектности материала при натурной экспозиции большую роль
играет межфазный слой, о чем свидетельствует снижение (~40%) прочности
при сжатии, характеризующей состояние связующего и межфазного
(волокно–полимерная
матрица)
слоя.
В
композитах
с
угольным
наполнителем граница раздела наполнитель–связующее является стойкой к
воздействию климатических факторов (см. табл. 1).
Анализируя данные табл. 2, следует отметить, что в материалах на
кремнийорганической матрице в процессе изготовления возникают высокие
внутренние
напряжения.
Высокая
степень
сохранения
исходных
механических свойств, а в некоторых случаях и возрастание прочности в
процессе старения связаны с процессами упорядочения структуры материала
под воздействием температуры и влаги, адсорбированной материалом из
воздуха [2]. Особенно наглядно это проявляется на примере стеклопластика
СК-9Х. В условиях более высоких значений тепловлажностных комплексов
(см. табл. 1) субтропической зоны по сравнению с умеренной происходит
увеличение изгибной прочности материала.
На стадии разработки нового материала оценка климатической стойкости
проводится сравнительными испытаниями нового композита и материалааналога с известной кинетикой изменения основных свойств под воздействием
климатических НТД [3, 4]. Поскольку проведение старения в естественных
условиях занимает длительное время, представляется целесообразным для
ряда материалов провести сопоставление результатов натурной экспозиции с
лабораторными испытаниями по методике влагонасыщения, изложенной в
работе [5], и испытаниями, проведенными по ГОСТ 9.707.
На рис. 1, 2 представлены результаты лабораторных и натурных
исследований
климатической
стойкости
углепластика
КМУ-10Э.
Установлена корреляция изменения механических свойств в области
эксплуатационных температур при натурном старении с результатами
ускоренных лабораторных испытаний (рис. 1), проведенных по ГОСТ 9.707,
и кинетикой изменения механических характеристик в зависимости от
влагосодержания
[5]
(рис.
2).
Следует
влагонасыщения
[5]
существенно
отметить,
выигрывает
с
что
точки
методика
зрения
продолжительности эксперимента. Вся кинетическая кривая σ i =f(ω) может
быть получена за 1–1,5 месяца испытаний, в то время как при ускоренных
испытаниях [2] годовое хранение – эксплуатация материала в составе
изделия – моделируется в среднем 1–1,5-месячной выдержкой образцов в
различных камерах искусственного климата.
Рисунок 1. Зависимость прочности при сжатии от влагосодержания W
углепластика КМУ-10Э (время экспозиции 1 год):
♦ – σ -в при 20°С, ■ – σ -в при 80°С
Рисунок 2. Результаты ускоренных климатических испытаний
углепластика КМУ-10Э: ♦ – σ -в при 20°С, ■ – σ -в при 80°С
На рис. 3, 4 представлены результаты лабораторных и натурных
исследований
климатической
стойкости
стеклопластика
СК-2561С
и
углепластика КМУ-4ЭМ. Данные натурных и лабораторных исследований
углепластика практически совпадают. Результаты натурной экспозиции
стеклопластика в умеренном климате лежат выше кривой, описывающей
необратимые изменения, происшедшие в материале при лабораторных
испытаниях. Это, по-видимому, связано с жестким режимом лабораторных
испытаний, который приводит к большей дефектности межфазного слоя, чем
это происходит в естественных условиях. Для стеклопластиков необходимо
провести коррекцию параметров тепловлажностных испытаний в сторону
снижения температуры и увеличения длительности эксперимента.
Рисунок 3. Зависимость прочности при изгибе от влагосодержания W
стеклопластика СК-2561С: ♦ – σ в.и при 20°С, ■ – σ в.и при 80°С;
1 – влагонасыщенные образцы, 2 – образцы, высушенные при 80○С
Рисунок 4. Зависимость прочности при сжатии от влагосодержания W
углепластика КМУ-4ЭМ при температурах испытания: ♦ – σ -в при 20°С,
■ – σ -в при 80°С; Т ст =210°С – сухого образца, Т ст W =185°С при W=1,02%
Список литературы:
1. Лавро Н.А., Панченко П.В., Винник В.А. Опыт применения полимерных материалов в
гидроавиации: Сб. докладов II научной конференции по гидроавиации «Геленджик–
98». – М.: ВИАМ, 1998.
2. Старцев О.В. Старение полимерных авиационных материалов в теплом влажном
климате. Дисс. ... докт. техн. наук. – М., 1990.
3. ГОСТ 9.707. Материалы полимерные. Методы испытаний на климатическое старение.
4. ГОСТ В.20.57.304. Общие технические требования, методы контроля и испытаний.
Методы оценки соответствия требованиям по надежности.
5. Кириллов В.Н., Ефимов В.А. и др. Влияние влаги на свойства полимерных
композиционных материалов: Сб. докладов II научной конференции по гидроавиации
«Геленджик–98». – М.: ВИАМ, 1998.