close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Сохраняемость служебных характеристик полимерных композиционных материалов для мотогондолы авиационных двигателей при воздействии климатических и эксплуатационных факторов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Николаев Евгений Владимирович
СОХРАНЯЕМОСТЬ СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ
МОТОГОНДОЛЫ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ
ВОЗДЕЙСТВИИ КЛИМАТИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ФАКТОРОВ
05.16.09 – материаловедение (машиностроение)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2016 г.
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном
предприятии
«Всероссийский
научно-исследовательский
институт
авиационных материалов» ГНЦ Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ»
ГНЦ РФ).
Научный руководитель:
Гращенков Денис Вячеславович
кандидат технических наук,
начальник НИО ФГУП «ВИАМ»
Официальные оппоненты:
Литвинов Валерий Борисович
доктор технических наук, профессор,
советник генерального директора
АО
«РТ-Химические
технологии
композиционные материалы»
и
Далинкевич Андрей Александрович
доктор химических наук,
главный научный сотрудник
ОАО
«Центральный
научноисследовательский институт специального
машиностроения»
Центральный
научно-исследовательский
институт
Военно-воздушных
сил
Министерства
обороны
Российской
Федерации
Защита состоится «27» сентября 2016 г. в 16:00 часов на заседании
диссертационного советаД 403.001.01 при ФГУП «Всероссийский научноисследовательский институт авиационных материалов» по адресу: 105005,
г. Москва, ул. Радио, д. 17. Тел 8 (499) 267-86-09, e-mail: admin@viam.ru,
internet:www.viam.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГУП «ВИАМ».
Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения принять участие в
заседании диссертационного совета или прислать свой отзыв на автореферат
в двух экземплярах, заверенных печатью организации, по указанному адресу
на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан «___» __________ 2016 года.
Ведущая организация:
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук
Шишимиров М.В.
© Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ
РФ), 2016
© Николаев Е.В., 2016
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Обеспечение безопасности эксплуатации авиационной техники
предъявляет крайне жесткие требования к надежности материалов,
используемых в конструкциях изделий, в которых с целью удовлетворения
современных требований повышения энерговооруженности, снижения массы
изделий все шире применяются полимерные композиционные материалы
(ПКМ). Однако климатические факторы оказывают существенное влияние на
свойства ПКМ и применение этого класса материалов связано с решением
целого круга сложных научно-технических проблем, в частности, с
обеспечением сохранения гарантированного уровня основных служебных
характеристик материалов при эксплуатации изделий в различных
климатических зонах. С целью обеспечения ресурса и надежности
авиационной техники требуется решение ряда задач. Проектирование
изделий с использованием ПКМ должно учитывать ряд требований,
связанных с особенностями структуры и свойств данного класса материалов,
обусловленных старением: изменение свойств во времени и их зависимость
от окружающих условий. Указанные требования сформулированы в
Авиационных Правилах, например,параграфы 25.603, 25.609, 25.613. Для
доказательства соответствия указанным требованиям, все полимерные
композиционные материалы (ПКМ) должны испытываться на воздействие
внешних климатических факторов (температура, влажность, солнечное
излучение, осадки и др.) как при ускоренных испытаниях, так и в натурных
климатических условиях.
В рамках создания перспективного двигателя ПД-14 для ближне –
среднемагистрального самолета МС-21 разработана мотогондола двигателя,
состоящая на 65 % из ПКМ (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема мотогондолы двигателя ПД-14 и ПКМ, входящие в ее
состав
Цель работы:
Исследование, прогнозирование и обоснование сохраняемости свойств
основных служебных характеристик полимерных композиционных
материалов нового поколения, изготавливаемых на основе эпоксидной
матрицы, использованных в конструкции мотогондолы двигателя ПД-14, на
стойкость к воздействию климатических и эксплуатационных факторов.
Основные задачи:
1. Разработка методик проведения тепловлажностного и теплового
старения, расчетно-экспериментального метода прогнозирования ресурса
ПКМ, предназначенных для изготовления деталей мотогондолы двигателя
ПД-14.
2. Исследование процессов взаимодействия сорбированной влаги и
эпоксидной матрицы; оценка влияния сорбированной влаги на прочностные
характеристики ПКМ, температуру стеклования и её интервал, протекание
процессов релаксации в полимерной матрице.
3. Исследование процессов релаксации при проведении температурновременного ресурса в течение 10 000 часов, прогнозирование и оценка
изменения физико-механических свойств ПКМ на основе эпоксидной
матрицы на срок до 80 000 часов.
4. Исследование влияния климатических факторов при экспозиции в
натурных условиях различных климатических зон на прочностные
характеристики ПКМ и изменение микрорельефа их поверхности.
Научная новизна:
1. Установлено, что применение метода ИК-спектроскопии Фурье
позволяет определить характер взаимодействия молекул воды с
функциональными группами макромолекул полимера и показано, что
сорбируемая влага приводит к изменению структуры эпоксидной матрицы в
ПКМ, и как следствие к изменению характера зависимостей теплового
коэффициента линейного расширения и относительного удлинения от
температуры, а также прочностных характеристик от влагосодержания.
2. Определена наиболее чувствительная к воздействию климатических
факторов и эксплуатационных температур характеристика для ПКМ на
основе эпоксидной матрицы – прочность при межслоевом сдвиге, по
изменению которой возможно прогнозирование ресурса материала в
заданных условиях эксплуатации.
3. Установлено, что для ПКМ на основе эпоксидной матрицы контроль
изменения коэффициента теплового линейного расширения от температуры
при длительном воздействии эксплуатационных температур позволяет
оценить стабильность структуры материала и определить возможность
прогнозирования значений ресурсных характеристик.
4. Показано, что значение энергии активации процесса старения,
полученное
на
основе
форсированных
тепловых
испытаний
конструкционных ПКМ на основе эпоксидной матрицы, позволяет
обоснованно установить прогнозное значение ресурсных характеристик в
заданных условиях эксплуатации.
5. Показано, что при экспозиции в натурных условиях различных
климатических зон процессы структурирования в углепластике и
стеклопластике на основе одной и той же эпоксидной матрицы протекают с
различной скоростью, что влечет за собой различия в изменении
прочностных характеристик и рельефа поверхности.
Практическая значимость:
С учетом результатов исследований разработаны:
- ММ 1.595-20-450-2014 «Проведение тепловлажностных испытаний углеи стеклопластиков на основе связующих ВСЭ-1212 и ВСТ-1208»;
- ММ 1.595-20-461-2015 «Проведение теплового старения для оценки
ресурса работы ПКМ на основе связующих ВСЭ-1212 и ВСТ-1208»;
- ММ 1.595-20-467-2015 «Методика оценки сохраняемости свойств ПКМ
для прогнозирования ресурса материалов деталей мотогондолы двигателя
ПД-14»;
- Внесены дополнительные сведения №4 в паспорт № 1897 на
стеклопластик ВПС-48/7781 по результатам исследования свойств после
воздействия теплового старения;
- Внесены дополнительные сведения № 5 в паспорт № 1895 на углепластик
ВКУ-39 по результатам исследования свойств после воздействия теплового
старения.
Личный вклад соискателя:
Все исследования и испытания проведены непосредственно соискателем
или под его непосредственным руководством. Полученные результаты были
применены
для
разработки
методик
испытаний
полимерных
композиционных материалов новой мотогондолы двигателей ПД-14 для
установления
их
стойкости
к
воздействию
климатических
и
эксплуатационных факторов, а также ресурса при температуре эксплуатации.
Положения, выносимые на защиту:
Методическая часть работы, посвященная созданию методик,
регламентирующих выбор наиболее чувствительных характеристик
исследуемых ПКМ для проведения ускоренных климатических испытаний,
результаты испытаний по влиянию максимального влагосодержания на
изменение прочностных характеристик, выбор режимов форсированного
теплового старения для определения энергии активации последующего
проведения расчетно-экспериментальным методом прогнозирования ресурса
эксплуатации ПКМ в составе изделия.
Результаты экспериментальных исследований:
1. Доказано отсутствие химического взаимодействия полимерной
матрицы на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и сорбированной
влаги.
2. Установлено влияние сорбированной влаги на структуру и
прочностные свойства полимерных композиционных материалов.
3. Рассчитаны значения энергии активации процесса теплового старения
по наиболее чувствительной характеристике – пределу прочности при
межслоевом сдвиге.
4. Установлено влияние длительного воздействия температуры
эксплуатации на структуру и прочностные свойства полимерных
композиционных материалов, рекомендованных для изготовления
мотогондолы двигателя ПД – 14 и проведен прогнозный расчет.
5. Установлено изменение прочностных свойств ПКМ при экспозиции в
различных климатических зонах в течение 1 года и зависимость изменения
свойств с метеопараметрами.
Достоверность и обоснованность результатов исследования:
Применение для исследования стандартных поверенных и аттестованных
средств измерения, методов исследования (термомеханического анализа
(ТМА), ИК-спектроскопии Фурье) и испытаний (механические согласно
системе ГОСТ и ASTM, климатические лабораторные и натурные), которые
надежно зарекомендовали себя в мировой практике, всесторонние
исследования большого количества образцов обеспечивают достоверность и
обоснованность результатов исследования.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на конференциях:
- Научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования и
последние достижения в области защиты от коррозии, старения и
биоповреждений материалов и сложных технических систем в различных
климатических условиях», Геленджик 2016;
- Международная научно-практическая конференция «Современное
состояние и перспективы развития производства композиционных
материалов в России», Москва, 2014 г.;
- Конференция «Ядерный магнитный резонанс в композиционных
материалах», Москва, 2014 г.;
- Международная научно-техническая конференция «Разработка
эффективных авиационных, промышленных, электротехнических и
строительных материалов и исследование их долговечности в условиях
воздействия различных эксплуатационных факторов», Москва, 2013 г.;
- Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и
технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития
России», Москва, 2012 г.;
- “XXXVI и XXXVIII Гагаринские чтения – международная молодежная
научная конференция”;
- IX научная международная конференция по гидроавиации
«Гидроавиасалон - 2012», Геленджик, 2012 г.
Внедрение результатов работы:
Разработанные методики прошли аттестацию и используются во ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ при проведении климатических испытаний ПКМ,
рекомендованных для изготовления мотогондолы двигателя ПД-14.
Работы по данным методикам проводятся на трех уникальных
климатических испытательных комплексах, расположенных во ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ:
- комплекс натурных климатических испытаний, расположенный в
условиях промышленной атмосферы умеренного климата (Московский центр
климатических испытаний имени Г.В. Акимова), введенный в эксплуатацию
в апреле 2011 года после реконструкции;
- комплекс лабораторных климатических испытаний, который
воспроизводит весь диапазон температур, относительной влажности,
циклического воздействия температур и солнечной радиации различных
климатических зон;
- комплекс тепловых ресурсных испытаний образцов материалов с
рабочим диапазоном температур от 40 °С до 1500 °С.
Публикации:
Всего опубликовано 28 работ в печатных и электронных изданиях (15
статей и 13 тезисов докладов), из них по результатам диссертации
опубликовано 5 печатных работ в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объём работы:
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по
диссертации, списка литературы из 113 наименований, содержит рисунков
55, таблиц 14. Общий объём диссертации 123 страницы машинописного
текста.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и
задачи исследований, отражены основные достигнутые результаты, которые
выносятся на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.
Глава 1 – Литературный обзор
В литературном обзоре приводится анализ состояния научнотехнической литературы по изучению воздействия эксплуатационных и
климатических факторов в натурных и лабораторных условиях. Показано
влияние основных климатических факторов, таких как сорбированная влага,
температура, солнечная радиация, а также их совместное воздействие.
Приведены примеры совместного влияния климатическихфакторов в
сочетании со статической и циклической нагрузкой.
Выполнен анализ процесса сорбции влаги в полимерные материалы,
рассмотрены различные подходы к описанию механизма данного процесса.
Рассмотрен вопрос взаимодействия сорбированной влаги с полимерными
материалами, состояния сорбированной влаги в полимере и ее влияние на
процессы релаксации внутренних напряжений, изменения прочностных
свойств, температурыи интервала стеклования. Предложен математический
подход к описанию воздействия климатических факторов на полимерные
материалы. Литературный обзор составлен на основании 113
опубликованных источников.
Глава 2 - Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования были выбраны: эпоксидное
связующее и конструкционные полимерные композиционные материалы
авиационного назначения на его основе; расплавное эпоксидное связующее
ВСЭ-1212, состоящее из модифицированного функционального эпоксидного
олигомера, полифункционального олигомера, аминного ароматического
отвердителя и термопласта; углепластик ВКУ-25 на основе импортного
однонаправленного жгутового безуточного наполнителя Toho Tenax HTS 40
12К E23 с массовой долей 66 – 68 % масс; углепластик ВКУ39 на основе
углеродной ткани Porcher артикул 3692 с массовой долей 60-68% масс;
стеклопластик ВПС–48/7781 на основе стеклоткани фирмы Porcher артикул
7781 (аналог стеклоткани Т-10) с массовой долей 61-65% масс.
Были разработаны методики проведения лабораторных климатических
испытаний полимерных композиционных материалов для мотогондолы
двигателя ПД-14 на воздействие повышенной температуры и влажности,
теплового старения, методика расчета энергии активации процесса старения
полимерных композиционных материалов и прогноза ресурса материала при
температуре эксплуатации.
В качестве методики исследования взаимодействия сорбированной
влаги и полимерной матрицы была выбрана ИК-спектроскопия Фурье, для
исследования процессов релаксации в полимерной матрице был использован
метод
ТМА.
Испытания
физико-механических
характеристик
стеклотекстолитов и углепластиков проводили с применением стандартных
методов на испытательной машине Zwick.
Глава 3 - Результаты экспериментов и их обсуждение
Исследование влияния сорбированной влаги на эпоксидную матрицу
связующего ВСЭ – 1212 и углепластик ВКУ-25 на его основе
Проведено исследования кинетикиотносительного изменения массы на
стадии сорбции (при внешних условиях, температура 60 оС и относительная
влажность 85%, в течение 180 суток) и десорбции (при температуре внешней
среды60 оС, в течение 112 суток) эпоксидной полимерной матрицы на основе
связующего ВСЭ-1212до достижения равновесного влагосодержания
(рисунок 2).
Рисунок 2 - Кинетика сорбции - десорбции влаги эпоксидной полимерной
матрицей связующего ВСЭ -1212
С учетом представленной на рисунке 2 кинетики видно, что после завершения процесса десорбции влаги масса полимерной матрицы не вернулась к исходному значению. Было выдвинуто предположение о наличии связанной влаги в полимерной матрице, для подтверждения которого исследована ее структура методом ИК-спектроскопии Фурье. На рисунке 3 представлены спектры, эпоксидной полимерной матрицы связующего ВСЭ-1212, полученные в исходном состоянии и после 10, 20, 30 суток выдержки при предельном влагосодержании.
Рисунок 3 – ИК-спектры эпоксидной полимерной матрицы на основе связующего ВСЭ-1212 на различных этапах сорбции влаги
Спектр поглощения воды в ИК-области представлен основными полосами валентных колебаний (~3000-3600 см-1).
В процессе сорбции воды наблюдается рост пиков, характерных для
валентных колебаний ОН-групп в водородных связях, в области 3400 см-1.
Также наблюдается уменьшение пика в области 3600 см-1 – пик характеризует свободные гидроксильные группы полимерной матрицы (R-O-H). Значительных изменений спектральных пиков, соответствующих другим функциональным группам полимерной матрицы, не наблюдается. Следовательно,
процесс гидролиза под действием повышенной температуры и влажности не
происходит.
После десорбции влаги наблюдается пик в области 3400 см-1, который
выше по значению, чем в исходном состоянии. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что исследованная полимерная матрица является относительно инертной, не вступает в химические реакции или их скорость
очень медленная.
На рисунке 4 представлена кинетика относительного изменения массы
углепластика ВКУ-25 на стадии сорбции (при внешних условиях: температура 60 оС, относительная влажность 85%, в течение 50 суток). Основное изменение массы образцов наблюдается за первые 10 суток процесса сорбции и
составляет 71% от предельного максимального равновесного влагосодержания. Это проявляется в изменении прочностных характеристик, а также интервала и температуры стеклования углепластика.
Рисунок 4 – Кинетика сорбции образцов углепластика ВКУ-25
Изменения прочности при трёхточечном изгибе в процессе сорбции
влаги при температурах испытаний 20 и 80 оС (рабочая температура) приведены на рисунке 5.
Рисунок 5 – Изменение прочности при изгибе образцов углепластика ВКУ-25
в процессе сорбции влаги
Установлено, что при температуре испытаний 20 и 80 °С после 10 суток экспозиции прочность при трехточечном изгибе и межслоевом сдвиге
увеличилась на 10 %. При дальнейшем увеличении количества сорбированной влаги в углепластике прочность при трехточечном изгибе снижается и
при максимальном равновесном влагосодержании после 50 суток экспозиции
возвращается к исходному значению. Прочность при сжатии при температуре испытаний 20 и 80°С в процессе сорбции влаги снижается в течение первых 10 суток экспозиции соответственно на 10-12% и на 2-6% от исходной.
После проведения процесса десорбции влаги, прочность при сжатии возвращается к исходным значениям.
Изменение прочности углепластика при сжатии, межслоевом сдвиге и
изгибе объясняется протеканием процесса релаксации в полимерной матрице
за счет пластифицирующего действия сорбированной влаги. Данное предположение было подтверждено, изменением теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР), интервала и температуры стеклования.
На рисунке 6 показана зависимость изменения ТКЛР углепластика
ВКУ-25 от температуры в исходном состоянии. Температура стеклования в
исходном состоянии составила 157 оС и интервал стеклования от 130 до
162°С. В течение 10 суток сорбции влаги температура стеклования уменьшилась до 142°С, интервал температуры стеклования расширился до 110÷164°С.
При максимальном равновесном содержании температура стеклования
уменьшилась с 157 до 138°С, интервал температуры стеклования расширился
и сместился в зону более низких температур 100÷166°С.
Рисунок 6 - Зависимость ТКЛР эпоксидного углепластика ВКУ-25 от температуры в исходном состоянии
Для определения обратимости воздействия сорбированной влаги на
температуру и интервал стеклования была проведена десорбция влаги при
температуре 60 оС. Результаты испытаний представлены на рисунке 7.
Рисунок 7 - Зависимость ТКЛР от температуры для углепластика ВКУ-25
после десорбции влаги
После проведения десорбции влаги характер и значения (в области рабочих температур) кривых относительного удлинения и ТКЛР вернулись в
исходное состояние. Однако величины пиков на кривой ТКЛР при температурах выше 170 оС снизились, пик при температуре 186,8 оС (в исходном состоянии) сместился в область более низких температур до 177,1 оС, а его значение уменьшилось с 145х10-6/К-1 до 120х10-6/К-1. Значение пика при температуре 194,4 оС (исходное состояние) и 193,5 оС (после сорбции и десорбции)
уменьшилось со 140х10-6/К-1 до 75х10-6/К-1, значение пика при температуре
204,6 оС уменьшилось с 170х10-6/К-1 до 125х10-6/К-1. Данное изменение значений пиков на кривой ТКЛР в зависимости от температуры свидетельствует о
протекании процессов релаксации в полимерной матрице. Восстановление
характеристики ТКЛР после процесса десорбции также подтверждает отсутствие необратимого химического взаимодействия между полимерной матрицей и сорбированной влагой.
Обоснование выбора режимов и проведение теплового старения углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 на основе эпоксидной
матрицы ВСЭ-1212
Расчет энергии активации процессов старения ПКМ целесообразно
проводить по характеристике, наиболее чувствительной к температуре и
продолжительности ее воздействии. Для определения такой характеристики
были проведены механические испытания углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 в исходном состоянии на прочность при трехточечном
изгибе, сжатии и межслоевом сдвиге. На рисунке 8 представлена зависимость
изменения прочностных характеристик углепластика ВКУ-39 от температуры
испытаний.
Рисунок 8 – Кинетические кривые изменения прочностных характеристик в
зависимости от температуры испытаний для углепластика ВКУ-39
Для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781установлено,
что наиболее чувствительной характеристикой к воздействию температуры
является прочность при межслоевом сдвиге.
Для выбора оптимальных режимов теплового старения необходимо
было установить предельное снижение значения наиболее чувствительной
характеристики. В связи с этим было проведено исследование по влиянию
сорбированной влаги на прочность при межслоевом сдвиге в зависимости от
температуры испытаний. На рисунке 9 представлено изменение прочности
при межслоевом сдвиге при предельном равновесном влагосодержании в зависимости от температуры испытаний для углепластика ВКУ -39. Аналогичные результаты были получены также для стеклопластика ВПС-48/7781.
Рисунок 9 - Кинетические кривые изменения прочности при межслоевом
сдвиге в зависимости от температуры испытаний для углепластика ВКУ-39
В результате пластифицирующего действия сорбированной влаги
наблюдается снижение значений прочности от температуры испытаний в исходном состоянии и при предельном влагосодержании от 14 до 28 % масс.
Для выбора режимов теплового ускоренного старения было проведено
исследование влияния сорбированной влаги на ТКЛР и кривую относительного удлинения для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781.
Полученные результаты для углепластика ВКУ-39 представлены на рисунке
10.
Рисунок 10 - Изменение ТКЛР и кривой относительного удлинения для
углепластика ВКУ-39 в исходном состоянии и при максимальном равновесном содержании влаги
По значениям ТКЛР и кривых относительного удлиненияуглепластика
ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 были определены температура и интервал стеклования (таблица 1).
Таблица 1 – Температура и интервал стеклования углепластика ВКУ –
39 и стеклопластика ВПС-48/7781 в исходном состоянии и при максимальном равновесном влагосодержании
Наименование материала
ВКУ-39
ВПС-48/7781
_________Температура_стеклования_______
интервал стеклования, ºС
При максимальном
В исходном
равновесном влагосодерсостоянии
жании
167
152
150-180 (30)
123-185 (62)
167
120
143-180 (37)
100-160 (60)
На основе результатов зависимости прочности при межслоевом сдвиге
от температуры испытаний, значений ТКЛР и кривой относительного удлинения в исходном состоянии и при максимальном равновесномвлагосодержании были определены режимы теплового старения для углепластика ВКУ39 и стеклопластика ВПС-48/7781: экспозиция при температурах 130, 140,
150, 160и 170оС составляла 2000 часов, при температурах 180 и 190 оС – 500
часов.Для углепластика ВКУ-39 представлены кинетические кривые изменения прочности при межслоевом сдвиге при температурах 130 - 160 оС, (рисунок 11).
Рисунок 11 - Кинетические кривые изменения прочности при межслоевом
сдвиге для углепластика ВКУ-39 при температурах старения130-160 оС
На кинетических кривых изменения прочности при межслоевом сдвиге
при температурах 130-160 оС в зависимости от сроков экспозиции не наблюдается монотонного снижения значений и они близки друг к другу, то для
расчетов энергии активации, полученные зависимости не могут быть применены. Однако данные температуры могут быть рекомендованы, как кратковременно рабочие для данного материала. Было проведено исследование при
температурах 170-190оС (рисунок 12).
Рисунок 12 - Кинетические кривые изменения прочности при межслоевом
сдвиге для углепластика ВКУ-39 при температурах старения 170-190оС
Полученные кинетические кривые при температурах 170-190оС были
использованы для расчета энергии активации процесса теплового старения
углепластика ВКУ-39. Аналогичные результаты были получены для стеклопластика ВПС-48/7781.
Расчет энергии активации процесса теплового старения и прогнозирование изменения прочности при межслоевом сдвиге для углепластика ВКУ39 и стеклопластика ВПС-48/7781 проводился по кинетическим кривым изменения прочности при межслоевом сдвиге в зависимости от продолжительность экспозиции при температурах 170, 180 и 190 оС. Для расчета энергии
активации выбраны пары кинетических кривых, полученные при температурах 160 – 170, 160 – 180, 170 – 180 оС, 180 – 190 оС и 170 – 190 оС. На основе
полученных результатов были рассчитаны энергии активации процесса теплового старения, которые составили для углепластика ВКУ-39 113 кДж/моль
и стеклопластика ВПС-48/7781 – 55 кДж/моль.
С целью подтверждения возможности длительной эксплуатации материалов и подтверждения прогноза по работоспособности на период до 80000
часов, было проведено тепловое старение стекло- и углепластика при температуре 120 оС в течение 10000 часов. В таблице 2 представлены данные по
прочности при межслоевом сдвиге, трехточечном изгибе и сжатии, полученные в процессе теплового старения.На основании экспериментальных данных определена степень сохраняемости интервалов и температур стеклования углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 в процессе теплового старения после 2000, 6000, 8000 и 10000 часов экспозиции.
ВПС- 20 640 620 610 660 670 670 95 95 71
48/7781 120 540 570 560 565 545 510 59 63 53
ВКУ-39 20 1130 1130 1180 1125 1160 1150 96 100 76
120 920 920 955
855
935
985
68
48
73
67 67 55 50
Исходное
Исходное
Исходное
Т, испытаний С
Таблица 2 - Прочностные характеристики ПКМ, полученные при старении в
течение до 10000 часов при температуре 120 оС
Прочность при сдви- Прочность при сжаПрочность при изгибе, МПа
ге, МПа
тии, МПа
Марка
ПродолжительПродолжительматеПродолжительность
ность старения,
ность старения,
риала
старения, тыс. ч.
тыс. ч.
тыс. ч.
2 4
6
8 10
2 4 6 8 10
2 4 6 8 10
75
59
73
56
77
53
80
58
640
460
810
710
635
435
865
755
520
415
840
640
600
450
930
740
575
425
845
630
530
380
730
540
В таблице 3 представлено изменение среднего значения ТКЛР углепластика ВКУ-39 в исходном состоянии и в процессе теплового старения при
температуре 120 оС после 2000, 6000, 8000 и 10000 часов в заданном температурном интервале.
Таблица 3 - Изменение ТКЛР на различных интервалах температур для
углепластика ВКУ-39 в процессе теплового старения.
Интервал температур,(20 ÷
T), °С
50
100
150
200
Среднее значение ТКЛР, 106 1/K после теплового старения, час
Исходное
37,8
42,3
43,5
60,5
2 000
6 000
8 000
10 000
2,53
2,75
3,04
-0,04
50,8
54,0
58,5
80,8
36,1
39,7
44,4
60,4
33,7
40,6
44,7
60,5
Изменение значений ТКЛР свидетельствует о протекании структурных
изменений в процессе старения углепластика ВКУ–39. Резкое изменение значений ТКЛР после 2 000 часов теплового старения объясняет снижение
прочности при межслоевом сдвиге, которая чувствительна к данным процессам, протекающим в полимерной матрице. Дальнейшее увеличение срока
теплового старения (более 6 000 часов) не вызывает существенных изменение ТКЛР и прочности при межслоевом сдвиге. Стабилизация ТКЛР с увеличением срока теплового старения косвенно подтверждает стабильность
структуры полимерной матрицы, аналогичные результаты были получены
для стеклопластика ВПС-48/7781.
Результаты исследований подтверждают возможность применения углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 при рабочей температуре
120 оС. Протекание процессов структурных изменений в полимерной матрице не приводит к значительному снижению прочностных характеристик, интервала и температуры стеклования.
По результатам сохранения прочности при межслоевом сдвиге углепластика ВКУ-39 в процессе теплового старения при форсированных испытаниях (температуры: 160, 170, 180 и 190 оС) и значения энергии активации процесса теплового старения (Е = 113 кДж/моль) была рассчитана прогнозная кривая изменения прочности при межслоевом сдвиге для рабочей
температуры 120 оС, которая представлена на рисунке 13.
Прогнозный уровень сохранения прочности при межслоевом сдвиге
для углепластика ВКУ-39 после 80000 часов теплового старения составляет
примерно 70 % от исходного значения. Для уточнения и корректировки результатов прогнозирования сохраняемости свойств при длительной эксплуатации по результатам, полученным в лабораторных условиях, необходимо
дополнительно определять уровень сохраняемости свойств материалов после
его реальной эксплуатации в составе изделия.
Рисунок 13 - Прогнозная кривая изменения прочности при межслоевом сдвиге углепластика ВКУ-39 стеклопластика ВПС-48/7781 при рабочей
температуре 120 оС
Для стеклопластика ВПС-48/7781 расчет прогнозной кривой на основании результатов, полученных по форсированным температурам теплового
старения (температуры 160, 170, 180 и 190 оС) и энергии активации процесса
теплового старения (Е = 55 кДж/моль) провести не удалось. При выбранных
температурах уровень сохраняемости прочности при межслоевом сдвиге составляет 90-95% от исходного значения, что не позволяет построить убывающую зависимость показателя прочности, однако позволяет сделать вывод о
стабильности механических свойств стеклопластика ВПС-48/7781, а также о
малой скорости его старения в пределах установленного ресурса работы
80000 часов при 120 оС.
Установлено влияние циклического изменения температур на прочностные характеристики углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС48/7781. Исследованы физико-механические характеристики (прочность при
изгибе и сжатии при 20 и 120 оС углепластика ВКУ-39 и стеклопластика
ВПС-48/7781) после циклического воздействия эксплуатационных температур (100 термоциклов). По режиму: минус 60 оС – 1 час, 120 °С – 1 час. Показано, что после циклического воздействия эксплуатационных температур у
материалов ВПС-48/7781 и ВКУ-39 не отмечено снижения прочностных характеристик.
Определено изменение прочностных характеристик углепластика ВКУ-
39 и стеклопластика ВПС-48/7781 при экспозиции в натурных условиях различных климатических зон. Полученными результатами исследования климатической стойкости углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 в
натурных условиях различных климатических зон (умеренный с промышленной атмосферой (Москва), умеренно теплый (Геленджик), теплый влажный (Сочи) и очень холодный Якутск)) была подтверждена правильность выбора наиболее чувствительной характеристики – прочность при межслоевом
сдвиге. Показано влияние климатических факторов за период экспозиции на
прочностные характеристики и рельеф поверхности ПКМ.
Выводы
1. Разработан комплекс методических материалов, регламентирующих
выбор наиболее чувствительных характеристик исследуемых ПКМ для
проведения ускоренных климатических испытаний, проведение испытаний
по влиянию максимального влагосодержания на изменение прочностных
характеристик, выбор режимов форсированного теплового старения для
определения энергии активации для последующего проведения расчетноэкспериментальным методом прогнозирования ресурса эксплуатации ПКМ в
составе изделия. Разработанные методики прошли аттестацию и
используются при проведении климатических испытаний ПКМ во ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ.
2. Установлено, что после экспозиции полимерных композиционных
материалов в условиях повышенной влажности в полимерной матрице на
основе эпоксидного связующего присутствует два типа влаги: «связанная» –
молекулы воды, образовавшие водородные связи с полярными центрами
макромолекул полимерной матрицы; «несвязанная» – молекулы воды,
входящие во второй (внешний) адсорбированный слой, непосредственно не
связанные с полярными центрами макромолекул полимерной матрицы.
Установлено, что сорбированная влага в углепластике вызывает протекание
процессов в полимерной матрице, которые выражаются в изменении
коэффициента теплового линейного расширения.
3. Для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 на основе
эпоксидной матрицы наиболее чувствительная характеристика к
воздействию климатических факторов и повышенных температур –
прочность при межслоевом сдвиге, по изменению которой можно
прогнозировать динамику старения и ресурс материала.
4. Для углепластика ВКУ-39 и стеклопластика ВПС-48/7781 на основе
эпоксидной матрицы рассчитаны энергии активации процесса старения и
получены кинетические кривые изменения прочности при межслоевом
сдвиге в зависимости от температуры старения и продолжительности ее
воздействия, что позволило установить ресурс работы при температуре 120
о
С 10000 часов и при температуре до 160 оС до 2000 часов.
5. Установлено, что для исследованных углепластика и стеклопластика
после 6000 часов тепловых ресурсных испытаний при температуре 120 оС
наблюдается стабилизация структуры эпоксидной матрицы, что
подтверждено отсутствием изменения в характере коэффициента теплового
линейного расширения, относительного удлинения и прочностных
характеристик при последующих 4000 часов теплового старения.
Полученные данные позволяют прогнозировать сохраняемость служебных
характеристик ПКМ на уровне не менее 70% от исходного значения при
эксплуатации до 80000 часов.
6. Установлено, что многократное циклическое воздействие (до 100
циклов) перепадов эксплуатационных температур от -60 до 120 оС не
вызывает снижения прочностных характеристик углепластика ВКУ-39 и
стеклопластика ВПС-48/7781.
7. Показано, что при экспозиции в натурных условиях различных
климатических зон процессы структурирования в углепластике ВКУ-39 и
стеклопластике ВПС-48/7781 на основе эпоксидной матрицы протекают с
различной скоростью, вследствие различной температуры и относительной
влажности воздуха, а также локального перегрева поверхности образцов под
действием солнечной радиации. Различия в скоростях процессов
структурирования
вызывают
различные
значения
прочностных
характеристик и изменения рельефа поверхности по окончании экспозиции.
Изменение рельефа поверхности материалов коррелирует с результатами
прямых измерений климатических параметров и механических свойств
исследованных материалов.
8. По результатам исследования свойств после воздействия длительного
теплового старения разработаны и внесены в паспорта на углепластик ВКУ39 и стеклопластик ВПС-48/7781дополнительные сведения.
Список основных трудов по теме диссертации:
Перечень ВАК:
1.
Николаев Е.В., Кириллов В.Н., Скирта А.А., Гращенков Д.В.
Исследование закономерностей влагопереноса и разработка стандарта по
определению коэффициента диффузии и предельного влагосодержания для
оценки механических свойств углепластиков //Авиационные материалы и
технологии. 2013. №3. С. 44–48.
2.
Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П., Павлов М.Р.
Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных
факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных
композиционных материалов на его основе. Часть 1 «Исследование влияния
сорбированной влаги на эпоксидную матрицу и углепластик на ее основе»
//Труды ВИАМ. 2015. №12. Ст. 11 (viam-works.ru).
3.
Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П., Павлов М.Р.
Комплексное исследование воздействия климатических и эксплуатационных
факторов на новое поколение эпоксидного связующего и полимерных
композиционных материалов на его основе. Часть 2 «Обоснование выбора
режимов и проведение теплового старения полимерных композиционных
материалов на основе эпоксидной матрицы» //Труды ВИАМ. 2016. №1. Ст.
10 (viam-works.ru).
4.
Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П., Павлов М.Р.,
Гращенков Д.В. «Комплексное исследование воздействия климатических и
эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и
полимерных композиционных материалов на его основе». Часть 3 «Расчет
энергии активации и теплового ресурса полимерных композиционных
материалов на основе эпоксидной матрицы» // Труды ВИАМ. 2016. №5. Ст.
11 (viam-works.ru).
5.
Николаев Е.В., Барботько С.Л., Андреева Н.П., Павлов М.Р.,
Гращенков Д.В. «Комплексное исследование воздействия климатических и
эксплуатационных факторов на новое поколение эпоксидного связующего и
полимерных композиционных материалов на его основе». Часть 4 «Натурные
климатические испытания полимерных композиционных материалов на
основе эпоксидной матрицы» // Труды ВИАМ. 2016. №//Труды ВИАМ. 2016.
№6. Ст. 11 (viam-works.ru).
Другие издания:
1.
Николаев Е.В., Коренькова Т.Г., Шведкова А.К., Валевин Е.О.
«Исследование влияния температурных факторов на процесс старения новых
полимерных композиционных материалов для мотогондолы авиационного
двигателя» // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 12.
URL: http://viam-works.ru.
2.
Николаев Е.В., Скирта А.А., Гращенков Д.В., Солтык И.А«О проблеме
проведения климатических испытаний полимерных композиционных»//В
сборнике: Фундаментальные исследования в области защиты от коррозии,
старения, биоповреждений материалов и конструкций в различных
климатических условиях и природных средах, с целью обеспечения
безопасной эксплуатации сложных технических систем Сборник докладов
конференции.Всероссийский
научно-исследовательский
институт
авиационных материалов. 2013. С. 15.
3. Николаев Е.В.,Кириллов В.Н.,Ефимов В.А., Гращенков Д.В. «Московский
центр климатических испытаний ФГУП «ВИАМ» - Региональный центр испытаний материалов в представительной зоне умеренного климата» //В сборнике: Гидроавиасалон-2012 IX международная научная конференция по гидроавиации. Сборник докладов. 2012. С. 202-208.
4. Ефимов В.А., Кириллов В.Н., Шведкова А.К., Николаев Е.В. «Влияние
условий экспозиции на прочностные свойства полимерных композиционных
материалов» // В сборнике: Гидроавиасалон-2012 IX международная научная
конференция по гидроавиации. Сборник докладов. 2012. С. 171-175.
5. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Шведкова А.К., Николаев Е.В. «Исследование влияния климатических факторов и механического нагружения на структуру и механические свойства ПКМ» // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 4 (21). С. 41-45.
6. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Барботько С.Л., Николаев Е.В. «Методические особенности проведения и обработки результатов климатических испытаний полимерных композиционных материалов» // Пластические массы.
2013. № 1. С. 37-41.
7. Ефимов Е.А., Кириллов В.Н., Николаев Е.В., Шведкова А.К., Коренькова
Т.Г., Деев И.С., Добрянская О.А. «К вопросу о методике проведения натурных климатических испытаний полимерных композиционных материалов» //
В сборнике: Гидроавиасалон-2010 VIII научная конференция по гидроавиации. Сборник докладов. 2010. С. 102-106.
8. Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н., Николаев Е.В.
«Моделирование сорбции и диффузии влаги в полимерных композиционных
материалах» // В сборнике: Гидроавиасалон-2010 VIII научная конференция
по гидроавиации. Сборник докладов. 2010. С. 91-96.
9. Ефимов В.А., Кириллов В.Н., Добрянская О.А., Николаев Е.В., Шведкова
А.К. «Методические вопросы проведения натурных климатических
испытаний полимерных композиционных материалов» // Авиационные
материалы и технологии. 2010. № 4 (17). С. 25-31.
10. А.Б. Лаптев, С.Л. Барботько, Е.В. Николаев, А.А. Скирта
«Статистическая обработка результатов климатических испытаний
стеклопластиков» // Пластические массы. 2016. № 3-4. С. 58-62.
Отпечатан 1 экз.
Исп. Николаев Е.В.
Печ. Николаев Е.В.
Автореферат Николаев Е.В.
«Сохраняемость
служебных
характеристик
полимерных
композиционных
материалов
для
мотогондолы
авиационных
двигателей при воздействии климатических и эксплуатационных
факторов»
Формат бумаги 6090/16. Печ. л1,00. Тираж 80 экз.
Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ»
105005, г. Москва, ул. Радио, 17
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа