Загрузил Lil Droid

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ РАСПЛАВНЫХ СВЯЗУЮЩИХ И ТКАНЕЙ PORCHER

реклама
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Конструкционные стеклопластики на основе расплавных связующих и
тканей PORCHER
(доклад на конференции «Российские полимерные композиционные материалы
нового поколения для изделий авиационно-космической техники разработки
«ВИАМ- PORCHER»,
Москва, ВИАМ, 13-14 ноября 2013 г.)
И.И. Соколов, М.И. Вавилова
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных
материалов», г. Москва
В статье представлены сведения о конструкционных стеклопластиках на
основе новых расплавных связующих и тканей фирмы Porcher Ind. Приведены
свойства стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур,
влажности и различных агрессивных сред. Показаны перспективы применения
таких материалов при изготовлении средненагруженных элементов изделий
авиационной техники.
Ключевые
слова:
стеклопластик,
расплавные
связующие,
конструкционные свойства, углеродные ткани PORCHER
В настоящее время сохраняется тенденция увеличения объема применения
полимерных
композиционных
промышленности.
Благодаря
материалов
сочетанию
в
авиационной
комплекса
и
других
высоких
отраслях
механических,
диэлектрических и теплофизических характеристик, экономической доступности и ряду
других ценных свойств широкое применение традиционно находят полимерные
композиционные материалы (ПКМ) на основе стеклянных наполнителей - стеклопластики
1.
В составе стеклопластиков в зависимости от типа конструкций и области их
применения в качестве армирующего компонента применяются стеклянные наполнители
различной структуры
и химического состава. Разнообразие видов стеклянных
наполнителей дает возможность создания стеклопластиков с широким диапазоном упругопрочностных свойств.
1
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Использование
стеклянных
армирующих
наполнителей
на
основе
волокон
алюмомагнийсиликатного состава (типа ВМП или S2, следуя зарубежной классификации)
позволяет повысить упруго-прочностные характеристики стеклопластиков на 15-20 % по
сравнению с материалами на основе наполнителей из алюмоборосиликатного стекла марки
Е. Применение стеклянных наполнителей, обработанных современными аппретирующими
составами, приводит к увеличению прочностных характеристик стеклопластиков еще на
10-15%, что особенно проявляется в условиях воздействия повышенных температур и
влажности. Результаты испытаний стеклопластиков на основе эпоксидного связующего с
различных наполнителей представлены в табл. 1 и на рис. 1.
Таблица 1.
Свойства эпоксидных стеклопластиков
Стеклоткань
Характеристика
Температура
испытаний, °С
Т-10-14
Т-10(ВМП)-14
Т-10(ВМП)-4с
1
2
3
4
5
Прочность при
изгибе, МПа
20
120
170
815
685
525
980
825
675
1050
910
770
Прочность при
растяжении, МПа
20
650
745
925
Модуль упругости
при растяжении, ГПа
20
32
35
40
Применение стеклянных наполнителей типа ВМП позволило создать материалы
для изготовления средненагруженных деталей, таких как лопасти винтов самолетов и
вертолетов, баллоны с рабочим давлением 400 и более атмосфер и др.
Водопоглощение, %
0,3
0,25
0,2
За 1 сутки
0,15
За 30 суток
0,1
0,05
0
Т-10-14
Т-10(ВМП)-14 Т-10(ВМП)-4С
Рис. 1. Водопоглощение эпоксидных стеклопластиков
2
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
На основе различных видов стеклянных наполнителей и полимерных связующих
во ФГУП «ВИАМ» разработан широкий спектр материалов, нашедших применение в
изделиях авиационной техники. Разработка эпоксидного стеклопластика СТ-69Н(М)
обеспечила создание средненагруженных элементов внешнего контура летательных
аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения – обтекателей РЛС,
створок шасси и грузовых отсеков, капотов. С применением стеклопластика
СТ-69Н(М) изготавливаются силовая панель реверса, кожух задней подвески реверса
звукопоглощающей
конструкции
двигателей
семейства
ПС-90А2.
Эпоксидные
стеклопластики марок ВПС-33, ВПС-34 применяются при изготовлении обшивок
трехслойных панелей, люков, дверей, створок. На основе стеклопластика ВПС-33
изготавливается кожух сопла звукопоглощающей конструкции мотогондолы двигателя
ПС-90А. Применение однонаправленных стеклянных наполнителей позволило создать
высокопрочные стеклопластики с прочностью при растяжении до 1600 МПа и модулем
упругости до 50 ГПа для изготовления лонжеронов лопастей вертолетов, лопастей
винтовентиляторных двигателей самолетов и т.п.
В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» проводятся работы по применению
зарубежных стеклянных наполнителей при изготовлении стеклопластиков для изделий
авиационной техники. Так, компания Porcher Ind. (Франция) поставляет на российский
рынок широкую гамму стеклянных наполнителей для производства ПКМ. Стеклянные
ткани фирмы Porcher характеризуются приемлемой стоимостью, высоким качеством
текстильных
характеристик
(отсутствие
провисания,
равномерное
натяжение,
отсутствие складок и перекосов, наличие сигнальных (цветных) стеклянных нитей), а
также высокой стабильностью свойств по всей рабочей поверхности. Следует отметить
широкий марочный ассортимент стеклянных наполнителей фирмы Porcher с
поверхностной
плотностью
от
17
до
612
г/м2,
обработанных
аппретами,
обеспечивающими хорошее адгезионное взаимодействие волокна с эпоксидными и
другими видами полимерных матриц; различной структуры – полотняного, сатинового,
саржевого переплетения и химического состава – на основе стеклянных волокон из
стекла марок Е, S2 разной линейной плотности (табл. 2).
3
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Таблица 2.
Марки стеклянных тканей фирмы Porcher Ind.
Марка
ткани
Распределение
нитей, %
Отечественный
аналог
Основа
Уток
Вид
переплетения
ткани
Поверхностная
плотность, г/м2
120 (Е)
Т-64(ВМП)
51
49
Сатин
105
7781 (Е)
Т-10
52
48
Сатин
296
6781 (S2)
Т-10(ВМП)
52
48
Сатин
300
6522 (S2)
Т-25(ВМП)
52
48
Полотно
120
6576 (S2)
Т-60(ВМП)
90
10
Сатин
360
Для получения стеклопластиков конструкционного назначения, работающих при
повышенных температурах, в качестве полимерных основ использовались новые
высокодеформативные
расплавные
эпоксидные
и
цианэфирные
связующие,
разработанные ФГУП «ВИАМ» 2-5. Результаты исследования основных физикомеханических свойств стеклопластиков на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212,
цианэфирного
связующего
ВСТ-1208
и
стеклянных
тканей
фирмы
Porcher
представлены в таблице 3 6-8.
Таблица 3.
Свойства стеклопластиков на основе расплавных связующих
Наименование
свойств
ВСЭ-1212/
7781
ВСЭ-1212/
120
ВСТ-1208/
6781
ВСТ-1208/
6522
ВСТ-1208/
6576
Плотность, г/см3
1,85 – 1,9
1,8 – 1,85
1,85 – 1,9
1,7 – 1,75
1,75 – 1,8
Прочность
при
растяжении, МПа
450
410
510
430
1100
Прочность
при
сжатии, МПа
645
635
605
390
980
Прочность
при
изгибе, МПа
865
660
820
525
1850
Прочность
при
межслоевом
сдвиге, МПа
65
45
55
35
70
Температура
эксплуатации,С
- 60  120
- 60  120
- 60  160
- 60  160
- 60  160
4
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Проведены исследования стеклопластиков на основе расплавных связующих и
стеклянных наполнителей фирмы Porcher в условиях воздействия повышенных
температур, влажности и различных агрессивных сред. На рис. 2 представлены
значения прочности при межслойном сдвиге на примере стеклопластика ВПС-48/7781
на основе
эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклянной ткани арт. 7781 при
различных температурах испытаний. Характер изменения прочности при межслойном
сдвиге
стеклопластика
ВПС-48/7781
после
теплового
старения
(2000
ч)
термовлажностного старения (3 мес.) представлен на рис. 3.
Рис. 2. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781
Рис. 3. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после
теплового и термовлажностного старения
5
и
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС48/7781 после воздействия различных агрессивных сред в течение 3 мес. представлен
на рис. 4.
Полученные
результаты
наглядно
демонстрируют,
что
разработанные
стеклопластики обладают высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, в том
числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и агрессивных сред,
что в значительной мере связано с использованием в качестве армирующего
наполнителя стеклянных тканей фирмы Porcher. Установлено сохранение не менее 60
% от исходных значений упруго-прочностных характеристик стеклопластиков после
воздействия указанных эксплуатационных факторов.
Рис. 4. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после
воздействия агрессивных сред
Разработанные стеклопластики не уступают по своим характеристикам
стеклопластикам зарубежных производителей, например, М21/37%/7581, М21/45%/120
фирмы
Hexel
(США)
и
могут
найти
широкое
применение
при
создании
средненагруженных конструкций перспективных летательных аппаратов гражданского
и военного назначения 9.
6
Научный электронный журнал
«Новости материаловедения. Наука и техника»
№5, 2013
Список литературы
1. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и
ракетной технике // Стекло и керамика. 2012. №4. С 1-7.
2. 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.
3. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие
для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения // Авиационные
материалы и технологии. 2012. № 5.
4. Бабин А.Н. Связующие для полимерных композиционных материалов нового
поколения // Труды ВИАМ. 2013. № 4 (электронный журнал).
5.
Эпоксидная
композиция
для
изготовления
изделий
из
полимерных
композиционных материалов методом вакуумной инфузии: пат. № 2488612 Рос.
Федерация; опубл. 27.07.2013.
6. Железняк В.Г., Чурсова Л.В., Григорьев М.М., Косарина Е.И. Исследование
повышения сопротивляемости ударным нагрузкам полицианурата с модификатором на
основе линейных термостойких полимеров // Авиационные материалы и технологии.
2013. № 2.
7. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных
композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ. 2013. № 4
(электронный журнал).
8. Раскутин А. Е., Соколов И. И. Углепластики и стеклопластики нового поколения
// Труды ВИАМ. 2013. № 4 (электронный журнал).
9. 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.
7
Марки отечественных стеклянных тканей
Количество нитей на 1 см, н/см
Основа
Уток
Вид переплетения
ткани
Т-10
36 + 1
20 ± 1
Сатин
№ 14, парафиновая эмульсия
Т-10 (ВМП)
36 + 1
20 ± 1
Сатин
№ 14, № 4с
Т-64 (ВМП)
22 + 1
24 ± 1
Сатин
№ 78, № 14
Т-25(ВМП)
10 + 1
6±1
Полотно
№ 78, № 14, парафиновая
эмульсия
Т-60(ВМП)
28 + 1
6±1
Полотно
№ 14
Т-15
24 + 1
18 ± 1
Сатин
№ 76
Т-45
22 + 1
16 ± 1
Сатин
№ 76
Марка
ткани
Вид замасливателя и
аппретирующего вещества
Физико-механические характеристики стеклянных тканей
Разрывная нагрузка Н (кгс), не
менее
Основа
Уток
Марка
ткани
Номинальная
масса единицы
площади, г/м2
Номинальная
толщина ткани,
мм
Т-10
290
0,23
2450 (250)
1570 (135)
Т-10 (ВМП)
310
0,25
3135 (320)
1765 (180)
Т-64 (ВМП)
100
0,09
880 (90)
490 (50)
Т-25(ВМП)
365
0,25
3920 (400)
295 (30)
Т-60(ВМП)
235
0,22
2545 (260)
-
Т-15
160
0,19
785 (80)
685 (70)
Т-45
216
0,26
1175 (120)
785 (80)
Свойства эпоксидных стеклопластиков
С
Стеклоткань
Наименование
свойств
Температура
испытания, °С
Т-10-14
Т-10(ВМП)-14
Т-10(ВМП)-4с
Прочность
р
при
р изгибе,,
МПа
20
120
170
815
685
525
980
825
675
1050
910
770
20
650
745
925
20
32
35
40
Прочность при
растяжении, МПа
МП
Модуль упругости при
растяжении, ГПа
Установлено, увеличение до 20 %
упруго-прочностных характеристик
стеклопластиков при применении
стеклоткани на основе волокон типа
ВМП, в сравнении с ПКМ на основе
ткани из стекла марки Е, особенно при
повышенных температурах.
При использовании
стеклонаполнителей с нанесенными
современными аппретами отмечается
увеличение прочностных
характеристик стеклопластиков на
10 15%
10-15%.
Водопоглощение эпоксидных стеклопластиков
Конструкционные стеклопластики
СТ-69Н(М), ВПС-30,
СТ-69Н(М)
ВПС-30 ВПС-33,
ВПС-33 ВПС-34 – стеклопластики на основе эпоксидных связующих для
изготовления
средненагруженных
элементов
внешнего
контура
летательных
аппаратов
конструкционного назначения (обшивки трехслойных панелей, люки, двери, створки и др.) как
самостоятельно, так и в сочетании со слоями углепластика. Применяются в конструкции двигателей
семейства ПС-90А2.
ПС-90А2
Панель силовая реверса
Материал: стеклопластик СТ–69Н(М)
и углепластик КМУ–11Э.
Снижение массы на 30%
Кожух сопла звукопоглощающей
конструкции
Материал: стеклопластик ВПС-33.
Снижение массы на 20%
Кожух
у задней
д
подвески
д
реверса
р
р
звукопоглощающей конструкции
Материал: стеклопластик СТ–69Н(М).
Снижение массы на 20%
Свойства конструкционных стеклопластиков
Характеристика
СТ-69Н(М)
ВПС-30
ВПС-33
ВПС-34
ВПС-39П
1850-2000
18501950
18801970
15801730
1500-1600
Прочность при растяжении по
основе, МПа
550
610
600
460
235
Прочность при сжатии по основе,
МПа
485
540
450
370
360
Прочность при изгибе по основе,
МПа
865
820
710
470
405
- 6080
- 60200
- 60150
- 60150
- 6080
Плотность, кг/м3
Температура эксплуатации,С
Марки стеклянных тканей фирмы Porcher Ind
Ind.
Марка
ткани
Отечественный
аналог
Основа
Уток
Вид
переплетения
ткани
Распределение
р д
нитей,, %
Поверхностная
плотность, г/м2
120 (Е)
Т-64(ВМП)
51
49
Сатин
105
6522 (S2)
Т-64(ВМП)
52
48
Полотно
120
7781 (Е)
Т-10
52
48
Сатин
296
6781 (S2)
Т-10(ВМП)
52
48
Сатин
300
6576 (S2)
Т-60(ВМП)
90
10
Сатин
360
Конструкционные стеклопластики
на основе стеклянных тканей фирмы Porcher Ind.
Свойства стеклопластиков
Наименование
свойств
ВСЭ-1212/
7781
ВСЭ-1212/
120
ВСТ-1208/
6781
ВСТ-1208/
6522
ВСТ-1208/
6576
1850 - 1900
1800 - 1850
1850 - 1900
1700 - 1750
1750 – 1800
Прочность при
растяжении по основе,
МПа
450
410
510
430
1100
Прочность при сжатии
по основе, МПа
645
635
605
390
980
Прочность при изгибе
по основе, МПа
865
660
820
525
1850
Прочность при
межслоевом сдвиге по
основе, МПа
65
45
55
35
70
- 60  120
- 60  120
- 60  160
- 60  160
- 60  160
Плотность, кг/м3
Температура
эксплуатации,С
Влияния теплового и термовлажностного старения на свойства
стеклопластика на основе стеклянной ткани
арт 7781 фирмы Porcher Ind
арт.
Ind.
Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781
Сохранение упруго-прочностных
характеристик стеклопластиков не
менее 60 % после воздействия
повышенной
й температуры и влажности
Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и
термовлажностного
р
старения
р
Исследование влияния агрессивных жидкостей на свойства
стеклопластика на основе стеклянной ткани арт. 7781
фирмы Porcher Ind
Ind.
Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после
воздействия агрессивных сред
Стеклопластики на основе нового высокопрочного связующего
с максимальной рабочей температурой 120 °С
Свойства стеклопластика ВПС-48/7781
(связующее ВСЭ-1212/стеклянная ткань арт.7781, Porcher Ind.)
Стеклопластик
ВПС-48/7781
Стеклопластик
М21/37%/7581
фирмы Hexcel
Наименование свойств
Температура
испытаний, °С
Прочность при растяжении,
20
450
445
МПа
120
360
-
20
27
26
20
645
690
120
485
-
Прочность при межслоевом
20
65
-
сдвиге, МПа
120
45
-
-
1 92
1,92
1 92
1,92
Модуль
упругости
при
растяжении,, ГПа
р
Прочность при сжатии, МПа
Плотность г/см3
Плотность,
Свойства стеклопластика ВПС-48/120
ВПС 48/120
(связующее ВСЭ-1212/стеклянная ткань арт.120, Porcher Ind.)
Наименование свойств
Температура
р ур
испытаний, °С
Стеклопластик
ВПС-48/120
ВПС
48/120
Стеклопластик
М21/45%/120
фирмы Hexcel
Прочность при растяжении,
20
410
320
МПа
120
400
-
Модуль упругости при
20
26
25
20
635
675
120
475
-
Прочность при межслоевом
20
45
-
сдвиге, МПа
120
37
-
-
1,81
1,77
растяжении, ГПа
Прочность при сжатии, МПа
Плотность, г/см3
Технологический процесс получения листового (рулонного) цианэфирного
сферопластика и многослойных конструкций на его основе
Смешение компонентов
Намотка сферопластика
на катушку
Изготовление листового сферопластика
Образец отформованной автоклавным
способом многослойной конструкции со
сферопластиком и обшивками из
углепластика
Внешний вид листа сферопластика,
вырезанного из рулона
сдвиг
Образцы многослойных конструкций
после испытаний
Сжатие
10
Физико-механические свойства композиционных материалов
Характеристика
Стеклопластик
Углепластик
Температура испытаний, °С
20
160
20
160
1,89
1,54
865
545
699
661
720
686
730
756
30
50
46
Плотность, г/см3
Прочность при сжатии, МПа
Прочность при растяжении, МПа
Модуль упругости при растяжении,
ГПа
Прочность на статический изгиб, МПа
1060
843
1600
1120
Модуль упругости при изгибе, ГПа
29
25
110
77
Прочность при межслоевом сдвиге,
71
45
80
60
МПа
Примечания: 1. Указаны средние значения характеристик;
2. Свойства стеклопластика приведены в направлении основы ткани;
3. Свойства углепластика с квазиизотропной схемой армирования
приведены в направлении 0
11
Свойства многослойных конструкций (МК) со сферопластиком
ВПЗ-17
Характеристика
МК с обшивками из
МК с обшивками из
стеклопластика
углепластика
Температура испытаний, °С
20
160
20
160
1,2
1,0
250
220
340
360
13
12
27
27
Плотность, г/см3
Прочность при растяжении, МПа
Модуль упругости при растяжении,
ГПа
Прочность при сжатии,
сжатии МПа
315
270
323
238
Модуль упругости при сжатии, ГПа
13
13
29
28
Прочность при изгибе, МПа
531
507
697
483
Модуль упругости при изгибе, ГПа
21
19
37
32
Прочность при межслоевом сдвиге
38
30
54
38
110
125
Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м2
Примечания: 1. Указаны средние значения характеристик;
2 Свойства МК с обшивками из стеклопластика приведены в
2.
направлении основы ткани
12
Характерные виды разрушения образцов многослойных
конструкций после испытаний при сдвиге (а) и сжатии (б)
а)
б)
Характер разрушения конструкций при
ударном воздействии
13
Скачать