Выбор композиционного материала в тонкостенных конструкциях, работающих при повышенных температурах

Введение

Углепластики представляют собой класс по­лимерных конструкционных материалов, ос­нову которых составляют полимеры, арми­рованные углеродными волокнами. Данным конструкционным материалам присуще со­четание таких свойств, как высокие удельные прочность и жесткость, низкие коэффициенты линейного термического расширения и тре­ния, высокая износоустойчивость и устойчи­вость к воздействию агрессивных сред, терми­ческому и радиационному ударам, повышен­ные теплопроводность и электрофизические свойства, высокая усталостная прочность при статических и динамических нагрузках [1].

В работах [2, 3] было упомянуто влия­ние наполнителей на устойчивость и стабиль­ность к высоким температурам композицион­ных материалов. В статье [2] изучена степень влияния различных наполнителей, в частности углеродных, стеклянных и арамидных, на тер­моокислительную устойчивость полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе эпоксидного связующего. Было показано, что наибольшей степенью влияния на данную ха­рактеристику обладают углеродный и арамид­ный наполнители. Авторы работы [3] отмеча­ют, что углеродное волокно заметно влияет на термоокислительную устойчивость и термо­стабильность ПКМ.

Ввиду вышеуказанных свойств основные области применения углепластиков - оборон­ные отрасли промышленности (прежде всего используются для производства авиационной и ракетостроительной техники).

Целью данной работы стало изучение физико-механических свойств композицион­ных материалов, армированных углеродными и арамидными волокнами.

Прочностные характеристики полимерных композиционных материалов

Прочностные свойства являются одними из важных параметров, определяющих эксплу­атационное назначение изготавливаемого ма­териала. Определение механических характе­ристик композиционных материалов проводи­ли с учетом теплового воздействия вплоть до 150 °C. Данные композиционные материалы состоят в основном из двух компонентов - свя­зующего и армирующего наполнителя - с су­щественно различными физическими харак­теристиками, имеющими разную зависимость механических характеристик от температуры. В большинстве случаев температурная стой­кость армирующих волокон выше стойкости связующего. Это обусловливает то, что тем­пературная зависимость физических характе­ристик ПКМ, таких как модуль упругости и предел прочности, имеет разный вид, связан­ный с условиями нагружения. При растяже­нии основную нагрузку несут волокна, ори­ентированные вдоль вектора нагрузки. Таким образом, роль связующего заключается в рав­номерном распределении нагрузки, и тогда его малая температурная стойкость несуще­ственно снижает интегральные характеристи­ки композита. В процессе сжатия ухудшение физико-механических свойств связующего при повышении температуры приводит к тому, что работающие на сжатие армирующие волок­на теряют устойчивость прямо пропорциональ­но ухудшению их связи между собой. Таким об­разом, необходимо изучать механические харак­теристики материала отдельно для растяжения и отдельно для сжатия образцов из ПКМ.

Механические характеристики определя­ли путем нагружения образцов испытательной машиной при фиксированной температуре с постоянной скоростью перемещения и непрерывной деформации образца. По полученной зависимости «нагрузка - перемещение» строи­ли диаграмму «напряжение - деформация» для конкретной температуры испытания. Линей­ный участок диаграммы позволяет определить модуль упругости материала образца.

Особенностью конструкции из ПКМ яв­ляется тот факт, что ее материал формируется одновременно с самой конструкцией, посколь­ку свойства композита определяются укладкой армирующих волокон, соотношением компонен­тов, технологией формования и полимеризации. Наличие различного рода соединений имеет решающее значение в обеспечении прочности конструкции. Поэтому результаты испытаний простейших образцов, с помощью которых мож­но определить физико-механические свойства композита, напрямую не позволяют распростра­нить характеристики на конструкцию целиком.

Имеющийся опыт в разработке конструк­ций из ПКМ с хорошо известными характери­стиками можно распространить на близкие по условиям работы конструкции из других, новых композиционных материалов. Следовательно, поведение новой конструкции моделируется на основании имеющейся конструкции анало­гичного типа с хорошо известными характери­стиками. Таким образом, детальное понимание условий работы близкой по функциональному назначению конструкции из хорошо технологи­чески отработанного композита позволяет с вы­сокой степенью достоверности прогнозировать поведение новой конструкции из ПКМ с дру­гими свойствами на основе сравнительных ха­рактеристик, используемых в конструкции ком­позитов. Поэтому важно не только определить абсолютные физические свойства композита на простейших образцах, но и иметь именно их сравнительные характеристики для разных об­разцов ПКМ, изготовленных по характерному для конкретного варианта техпроцессу [4-6].

Известно, что на основании характери­стик монослоя существует возможность мо­делировать любую укладку с произвольным количеством слоев и с произвольными углами их армирования. Для этого проводятся испы­тания образцов с однонаправленной укладкой. На этапе становления теоретических разрабо­ток в области прочности композитов исполь­зовались именно характеристики монослоя для проведения прочностных расчетов. Но в процессе развития композитной отрасли и на­копления фактического материала было уста­новлено, что характеристики реального ПКМ с конкретными толщинами и укладками, отфор­мованного по конкретной технологии, имеют существенные отличия от теории. Это обуслов­лено применяемой при изготовлении изделий технологией. Поэтому характеристики монос­лоя имеют скорее оценочный, а не определя­ющий характер. Именно для учета влияния технологии в испытаниях используют укла­дочные образцы, изготовленные по директив­ной технологии, планируемой к применению при изготовлении реального изделия. Иными словами, испытание укладочных образцов по­зволяет получить данные, которые требуются для наиболее точного расчета конструкции, обеспечивающего заданные запасы прочности и жесткости [7-9].

Объекты исследования

В сравнительных испытаниях использовали образцы, изготовленные с применением сле­дующих типов связующих:

• «Алюмоэпокси» представляет собой двухкомпонентную систему, состоящую из смеси эпоксидно-диановой смолы и активно­го разбавителя, модифицированной наночастицами оксида алюминия и отвердителя триэтаноламинтитаната [10-12];
• CR-122 - двухкомпонентная эпоксид­ная система, состоящая из эпоксидно-диановой смолы и отвердителя аминного типа;
• CR-122 (наномодифицированный Ni) представляет собой двухкомпонентную эпок­сидную систему, состоящую из эпоксидно-диановой смолы, наномодифицированной нике­лем, и отвердителя аминного типа;
• CR-122 (наномодифицированный Cu) является двухкомпонентной эпоксидной систе­мой, состоящей из эпоксидно-диановой смолы, наномодифицированной медью, и отвердителя аминного типа;
• Epolam 2092 - двухкомпонентная эпок­сидная система, состоящая из смеси модифици­рованных эпоксидных смол различной функци­ональности и циклоалифатического аминного отвердителя.

В сравнительных испытаниях использо­вали образцы, изготовленные с применением следующих типов армирующих материалов:

• UD-130, который представляет собой углеродную ленту на основе однонаправлен­ного углеродного волокна типа T800, облада­ющего высокой прочностью и жесткостью, а также низкой плотностью;
• CBM 56313 - саржа алмазного плетения (8/3) на основе арамидного волокна, обладаю­щего высокой прочностью и низкой плотно­стью.

Подготовка образцов

Образцы изготавливали по одному из приве­денных ниже методов:

• прямое прессование;
• формование с эластичной диафрагмой (вакуумный метод);
• инфузионный процесс (разновидность пропитки под давлением).

Прямое прессование представляет со­бой один из методов, используемых для пере­работки полимеров, в том числе для изделий из полимерных композиционных материалов. По этому технологическому процессу изготав­ливали образцы серий 11, 12 (рис. 1).

Рис. 1. Технологический процесс изготовления образцов серий 11 и 12 на связующем Epolam 2092

Для реализации этого процесса необ­ходимо изготовить специальную оснастку - пресс-форму. Пресс-форма может быть метал­лической или композитной. Заготовка прессу­емой детали в виде препрега, предварительно пропитанного связующим, укладывается в ниж­нюю часть пресс-формы, затем оснастка смыка­ется, устанавливается под пресс, при этом дав­ление непосредственно действует на материал, который находится в оформляющей полости формы и подвергается нагреву. По окончании процесса полимеризации изделие извлекают из оснастки и обрабатывают механически. Дан­ный метод позволяет получать монолитные из­делия высокой точности и воспроизводимости.

Вакуумным методом в настоящее время производят более 50 % изделий из ПКМ.

Процесс заключается в том, что после выкладки препрега во внутреннюю полость матрицы ее закрывают герметичной эластич­ной диафрагмой, из-под которой откачивают воздух. Формующее давление (равное атмос­ферному) воздействует на всю поверхность заготовки, прижимая ее к внутренней полости матрицы до окончания основного процесса отверждения связующего. Вакуумным мето­дом изготовлены образцы серий № 1-4, 13, 14 на связующем «Алюмоэпокси» (рис. 2).

Приложенное внешнее давление, воздей­ствуя на материал заготовки через эластичную диафрагму, выполняет следующие функции:

• уплотняет слои армирующего материала;
• обеспечивает глубокую пропитку воло­кон связующим;
• выдавливает из межслойных пустот пу­зырьки воздуха;
• удаляет избыток смолы из слоев мате­риала.

Инфузионный процесс - это наиболее современный метод, позволяющий получать изделия сложной геометрической формы с ми­нимальным наличием внутренних дефектов и пустот, является разновидностью процессов пропитки под давлением.

Процесс заключается в том, что после выкладки сухого армирующего материала во внутреннюю полость выклеечной оснастки ее закрывают герметичной эластичной диафраг­мой, из-под которой откачивают воздух. Также под эту герметичную диафрагму устанавлива­ются система подачи связующего и проводник связующего в виде сетки. После откачки воз­духа из внутренней полости пакета туда пода­ют связующее, замещающее собой образовав­шийся вакуум. Таким образом, формируется структура материала, практически не имеющая внутренних воздушных полостей. Формующее давление (равное атмосферному) воздействует на всю поверхность заготовки, прижимая ее к внутренней полости матрицы до окончания основного процесса отверждения связующего.

Для реализации инфузионного процес­са необходимо использовать специальное свя­зующее с низкой вязкостью. Полимеризация связующего происходит при небольших тем­пературах порядка 50...60 °C, затем изделие извлекают из оснастки и проводят дополиме- ризацию в термошкафу при температурах около 100. 120 °C. Образцы серий 5-10 изготовлены с помощью инфузионного процесса (рис. 3).

Для определения оптимального режима отверждения каждого из связующих использо­вался метод гель-фракции. Он основан на спо­собности растворимой (непрореагировавшей) части связующего (золь-фракции) вымываться растворителем и заключается в количественном определении золь-фракции, не связанной в полимерную сетку (гель-фракции). Компо­ненты связующих смешивали в рекомендуе­мых соотношениях, отверждали и термообра- батывали.

Отверждение и термообработку для ис­пытаний проводили по одному из приведенных ниже режимов (табл. 1).

Пробы от полученных образцов после отверждения выдерживали при температуре (20 ± 2) °С в течение 16 ч, далее помещали в экстрактор Сокслета и экстрагировали в аце­тоне в течение 6 ч. Затем пробы высушивали до постоянной массы и снова экстрагировали. Извлечение растворимой части навески счита­ли полным, если при ее периодическом взвеши­вании получали повторяющиеся результаты.

Методика проведения испытаний

Для проведения механических испытаний об­разцов использовали универсальную машину Zwick/Roel Z100.

Системы измерения деформации испы­тательной машины основаны на принципах контактного и бесконтактного измерения пе­ремещений на базовой длине рабочей части образца. В процессе испытаний записываются перемещения траверсы синхронно со значени­ями нагрузки.

Скорость нагружения (скорость переме­щения траверсы) является регулируемым па­раметром и устанавливается перед процессом испытаний в соответствии с рекомендованны­ми значениями для конкретного вида испыта­ний. Испытательная машина укомплектована штатным программным комплексом testXpert, обеспечивающим проведение испытаний с контролем всех параметров машины, возмож­ностью построения диаграммы нагружения в реальном времени и протоколированием ре­зультатов испытания для последующей обра­ботки.

Для проведения испытаний при повы­шенной температуре используют температур­ную камеру, обеспечивающую температур­ный диапазон испытаний -80.. .250 °C. Камера оборудована системой нагрева и поддержания температуры в процессе испытаний, контро­лируемой двумя термодатчиками и конвектив­ным нагревателем.

Обработка результатов и вычисление ис­комых характеристик σ и Е осуществляется в соответствии с указаниями, приведенными в ГОСТ Р 56785-2015 [13] для испытаний на растяжение и ГОСТ 33519-2015 [14] для ис­пытаний на сжатие.

Обобщенные относительные результаты испытаний по образцам

Особенностью проведения испытаний явля­ется необходимость предварительного про­грева образца вместе с захватами до рабочей температуры в течение 10-20 мин для вырав­нивания температурного поля и исключения температурных деформаций в силовой цепоч­ке испытательной машины.

Испытания на сжатие и растяжение по типам образцов проводили при температурах 20, 100, 150 °С.

Испытания на растяжение проводили с замером перемещений по траверсе и с помо­щью видеоэкстензометра. Замер механическим экстензометром осуществлялся при комнатной температуре и до нагрузки 10 кН. Данный за­мер выполнили для оценки точности других методов определения деформаций.

В табл. 2 приведены результаты испы­таний. В каждой серии было испытано по 5 образцов.

Видно, что при температуре 150 °С все типы образцов, за исключением двух, фак­тически теряют свои прочностные характе­ристики, их σ_сж не превышает 80 МПа, что практически исключает возможность исполь­зования в силовых элементах конструкции. Исключение составляют образцы со связую­щим «Алюмоэпокси», которые показали значение σ = 135,5 МПа при 150 °С, что позволяет использовать связующее в высоконагруженных конструкциях, работающих в условиях повышенных температур. Также хорошие по­казатели у образцов со связующим Epolam 2092, которые сохраняют σ на уровне 293 МПа, что делает его эффективным при изготовлении оснастки.

Влияние температуры на модуль упру­гости не так существенно, однако при расчете конструкций, работающих на устойчивость, следует принимать во внимание понижение жесткости от температуры почти на 30 %. По­ведение однонаправленных образцов на основе «Алюмоэпокси» в этом случае практически не отличается от образцов с другими связующи­ми. Однако при этом заметны существенно лучшие характеристики укладочных образ­цов на основе «Алюмоэпокси» по сравнению с другими связующими, причем и в зоне вы­соких температур, и в холодном состоянии. Приведенный факт свидетельствует о более высоких механических характеристиках свя­зующего «Алюмоэпокси», таких как модуль сдвига G, и о возможности проявления адге­зивных свойств.

Для более наглядного представления за­висимости характеристик ПКМ от температу­ры были построены графики для σ_сж и E при сжатии в относительных величинах. На рис. 4 по оси ординат отложено процентное значение показателя, за 100 % принято его значение при комнатной температуре. Таким образом, гра­фики характеризуют относительное ухудшение свойств образца по сравнению с начальными в зависимости от температуры.

Влияние температуры на σ_εχ практически идентично для всех образцов, за исключением образцов со связующим «Алюмоэпокси» и со связующим Epolam 2092 (см. рис. 4). В данном случае наглядно показано, что большинство материалов при нагреве до 150 °С сохранило свои свойства на уровне 10 % от исходных, Epolam 2092 - на 50 %, «Алюмоэпокси» - на 20-30 % для укладочного и однонаправленного образца соответственно.

Характерной особенностью связующего «Алюмоэпокси» является то, что при темпера­туре около 100 °С оно теряет до 60 % свойств, однако при дальнейшем повышении темпера­туры падение свойств существенно замедля­ется. Такое поведение характерно как для од­нонаправленного, так и укладочного образцов.

Аналогичный график для модуля упруго­сти E при сжатии представлен на рис. 5.

Из сравнения результатов испытаний при растяжении образцов углепластика и органо­пластика видно, что при температуре 20 °С СВМ превосходит UD-130 по прочности на 4 %, однако с увеличением температуры до 100 °С прочность UD-130 уже выше СВМ на 11 %, а при 150 °С - на 26 %, т. е. теплостойкость UD-130 при растяжении существенно выше. При сжатии характеристики UD-130 значитель­но выше вплоть до температуры 150 °С, чем у CBM. Однако имеется разница в модуле упругости. Как при сжатии, так и при растя­жении, во всем температурном диапазоне мо­дуль Юнга E для UD-130 в 1,5-3,0 раза выше, чем у СВМ.

Графики для σ_ρ и E при растяжении в от­носительных величинах показаны на рис. 6, 7 соответственно.

Учитывая, что высокий модуль - опре­деляющая характеристика для тонкостенных конструкций, работающих в условиях возмож­ной потери устойчивости, следует отметить, что более выгодно использовать углеродный наполнитель, чем арамидный.

Вывод

Исходя из полученных температурных зави­симостей σ и E для композитных образцов на углеродной и арамидной основе со связу­ющим «Алюмоэпокси», дальнейшие работы по созданию проектируемого изделия с уче­том условий его функционирования целесо­образно проводить с углеродным материалом UD-130 и связующим «Алюмоэпокси».