Исследование технологического процесса изготовления препрегов для полимерных композитов авиационного назначения

Язык труда и переводы:
УДК:
678.5.046
Дата публикации:
05 декабря 2021, 20:04
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Костромина Наталья Васильевна
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Олихова Юлия Викторовна
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Горбунова Ирина Юрьевна
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Малаховский Семён Сергеевич
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Сария Динара Олеговна
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Аннотация:
Исследована липкость препрегов на основе углеродного волокна и модифицированных эпоксидных связующих методом зондирования (probe tack). Установлено, что липкость препрега зависит от нагрузки при уплотнении и от времени уплотнения. Показано, что оптимизация температурного режима в процессе укладки является наиболее приемлемым методом регулирования липкости препрегов. Применение результатов исследования позволит повысить эффективность производства высококачественных композиционных материалов с помощью автоматизированных процессов укладки, таких как автоматическая укладка волокна или автоматическая укладка ленты.
Ключевые слова:
композиционные материалы, липкость препрегов, метод зондирования липкости, модификация связующих, активные разбавители
Основной текст труда

Исследование технологического процесса изготовления препрегов для полимерных композитов авиационного назначения

Липкость является адгезионной характеристикой, которую необходимо учитывать при послойной укладке препрегов. К липкости препрегов предъявляются противоречивые требования: с одной стороны, необходимо обеспечить прилипание препрега к выложенным слоям или к формообразующей оснастке, с другой — необходимо обеспечить отсутствие прилипания связующего к разделительной пленке при её удалении.

Липкость препрегов во многом определяет эффективность производства высококачественных композиционных материалов с помощью автоматизированных процессов укладки, таких как автоматическая укладка волокна или автоматическая укладка ленты [1]. Липкость препрегов регулируется адгезионными и когезионными процессами, которые зависят от параметров оборудования, используемого в производственном процессе, а также от свойств связующего и армирующего наполнителя, от типа и содержания смолы, количества инертных летучих, степени отверждения, температуры и влажности и других факторов [2, 3].

Учитывая огромные затраты на оборудование и материалы, необходим контроль липкости препрегов, так как отсутствие контроля липкости может привести к дефектам ламината или поломки оборудования.  Отсутствие стандартизированной методики измерения привело к использованию различных методов количественной оценки липкости предварительно пропитанного волокнистого материала термореактивной матрицей [4–7].

Методом зондирования липкости (probe tack) на разрывной машине Instron 5543 были изучена микромеханика отрыва металлического цилиндрического штока от поверхности адгезива. Используемая методика позволяет оценить нагрузку при равномерном отрыве образцов препрега от разделительной пленки при температурах 20...50 °С, скорость отрыва — 5 мм/мин, прижимное усилие 30...50 Н, время контакта 60...90 с. Для формирования матрицы использовалась эпоксидианования смола марки ЭД-20 с массовой долей эпоксидных групп 21,3 % производства завода имени Я.М. Свердлова, г. Дзержинск (ГОСТ 10587–84). В качестве армирующего наполнителя — углеродное волокно марки ЭЛУР. В качестве отвердителя – промышленный аминный отвердитель марки Арамин (ТУ 2415-164-05786904-02) на основе ароматических аминов, производства НПО «Стеклопластик». Для снижения вязкости в полимерную матрицу вводили активные разбавители: диглицидиловый эфир диэтиленгликоля, диглицидиловый эфир неопентилгликоля, олигоэфирциклокарбонаты

Установлено, что липкость препрега зависит от нагрузки при уплотнении и от времени уплотнения. При прижимном усилии 50 Н в течение 60 с значение липкости препрега составляет 150 кН/м2, при прижимном усилии 30 Н в течение 30 с — 115 кН/м2. Если воздействие на препрег нагрузки 30 Н увеличить до 90 с, происходит повышение липкости препрега до 145 кН/м2. Наблюдается резкое снижение липкости при уменьшении нагрузки, которое может быть компенсировано увеличением времени выдержки под нагрузкой. В связи с тем, что этот способ регулирования липкости препега снижает производительность процесса, оптимизация температурного режима в процессе укладки термореактивного материала представляется наиболее эффективным методом регулирования липкости препрега.

Было обнаружено, что липкость препрега очень чувствительна к колебаниям температуры: во всех исследованиях липкость возрастает до максимума и падает практически до нуля при повышении температуры до 60 °С. Установлено, что при низких температурах (20...25 °С) значения липкости обусловлены недостаточным смачиванием поверхности раздела, что приводит к нарушению адгезии между препрегом и подложкой. При более высоких температурах смачивание улучшается, а эпоксидная матрица не может обеспечить высокое сопротивление сдвигу во время отслоения из-за снижения вязкости.

Вязкость связующего оказывает определяющее влияние на липкость препрега. Требования к вязкости связующего противоречивы: для обеспечения смачивания подложки (а также пропитки армирующего наполнителя) предпочтение отдаётся низковязким связующим, и в то же время, высокая вязкость связующего необходима для сопротивления сдвигу. Поэтому особый интерес представляет влияние активных разбавителей на липкость препрегов.

Исследования зависимости липкости препрегов от содержания активных разбавителей показали, что липкость препрегов монотонно возрастает с увеличением содержания диглицидилового эфира диэтиленгликоля, диглицидилового эфира неопентилгликоля. При повышении температуры до 60 °С также наблюдалось увеличение липкости препрегов на основе модифицированных связующих. По-видимому, при температуре 20 °С в отрыв металлического цилиндрического штока от поверхности препрега вносит вклад активный разбавитель, а при температуре выше 40 °С — менее подвижные компоненты полимерного связующего. Результаты исследования влияния температуры (кратковременное воздействие), нагрузки при уплотнении, времени уплотнения, состава связующего на липкость препегов могут быть объяснены балансом адгезии и когезии, а также процессами, определяющими прилипание, вязкоупругую деформацию и образование адгезионного соединения. Установлено, что оптимальные значения липкости достигаются в переходной области от адгезионного к когезионному отрыву.

Литература
  1. Тимошков П.Н., Усачева М.Н., Хрульков А.В. Липкость и возможность использования препрегов для автоматизированных технологий (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 8 (68). С. 38–46.
  2. Budelmann D., Schmidt C., Meiners D. Prepreg tack: A review of mechanisms, measurement, and manufacturing implication // Polymer Composites. 2020. Vol. 41 (9). Pp. 3440–3458.
  3. Гусев Ю.А., Борщев А.В, Хрульков А.В. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP // Труды ВИАМ. 2015. № 3. С. 38–43.
  4. Постнов В.И., Бурхан О.Л., Мантусова О.Ю. Методика замера липкости препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 10. С. 33–38.
  5. Постнов В.И., Никитин К.Е., Петухов В.И., Бурхан О.Л., Орзаев В.Г. Метод и устройство для определения липкости препрегов // Авиационные материалы и технологии. 2009. № 3. С. 29–33.
  6. Бовальдинова К.А., Шерстнева Н.Е., Фельдштейн М.М., Москалец А.П., Хохлов А.Р. Чувствительные к давлению адгезивы с регулируемой липкостью // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2019. Т. 61, № 4. С. 289–302.
  7. Dubois O., Le Cam J.B., Beakou A. Experimental Analysis of Prepreg Tack // Experimental Mechanics. 2010. Vol. 50. Pp. 599–606.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.