Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Состав и свойства сферопластиков для авиационных сотовых конструкций 10
1.2 Сферопластики для применения в составе многослойных конструкций 19
1.3 Применение сферопластиков в различных отраслях промышленности 25
1.4 Материалы для изготовления сферопластиков 31
1.4.1 Полимерные связующие 31
1.4.2 Дисперсные и волокнистые наполнители 34
Глава 2. Объекты и методы исследований 43
2.1 Исходные компоненты 43
2.2 Методы исследований сферопластиков 44
Глава 3. Разработка сферопластиков 48
3.1 Изготовление сферопластиков 48
3.1.1 Изготовление сферопластиков, применяемых для заполнения участков сотовых конструкций 48
3.1.2 Изготовление сферопластиков для применения в составе многослойных конструкций 51
3.2 Исследование влияния содержания, размеров и формы наполнителей на свойства сферопластиков 54
3.3 Разработка сферопластика с сокращенным
режимом отверждения при комнатной температуре 74
3.4 Разработка сферопластика на основе цианэфирного связующего 82
Глава 4. Исследование свойств сферопластиков 90
4.1 Сферопластики для применения в составе сотовых конструкций 90
4.2 Исследование работоспособности сферопластиков в сотовых конструкциях 94
4.3 Сферопластики для изготовления многослойных конструкций 102
Глава 5. Внедрение сферопластиков в изделия авиационной техники 110
Выводы 112
Литература
- Сферопластики для применения в составе многослойных конструкций
- Материалы для изготовления сферопластиков
- Изготовление сферопластиков, применяемых для заполнения участков сотовых конструкций
- Исследование работоспособности сферопластиков в сотовых конструкциях
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в изделиях авиационной техники широкое распространение получили сферопластики для местного упрочнения сотовых конструкций с целью повышения их прочности и жесткости в зонах установки крепежа, для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, закрепления электротехнических кабелей и т.п. Помимо соединения элементов конструкций, сферопластик при эксплуатации участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя требуемый уровень прочности и долговечности соединения.
Существующие сферопластики на основе эпоксидных и фенольных связующих обладают недостаточно высоким комплексом технологических и физико-механических свойств, регулирование их характеристик в зависимости от особенностей применения в конструкции допускается в ограниченных пределах. Сложившаяся ситуация послужила основанием для разработки новых сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами, регулируемыми с учётом конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия.
Большое внимание в нашей стране и за рубежом в последнее время уделяется вопросу изготовления многослойных конструкций с использованием в качестве легкого заполнителя полимерных сферопластиков, позволяющих получить ряд значительных преимуществ по сравнению с существующими конструкциями с сотовым заполнителем. Особый интерес для изготовления многослойных конструкций вызывают сферопластики на основе цианэфирных связующих, обладающие высокими механическими, теплофизическими и диэлектрическими характеристиками в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и повышенной влажности. Создание, впервые в отечественной практике, листового сферопластика на основе цианэфирного связующего позволило решить актуальную задачу получения многослойных конструкций для изделий авиационной техники.
Эффективным решением по созданию сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами служит использование в их составе сочетаний полимерных связующих с дисперсными и волокнистыми наполнителями. В работе впервые проведены исследования, связанные с изучением основных закономерностей создания сферопластиков, в первую очередь вопросов обоснованного выбора сочетаний наполнителей и полимерных связующих, на основе результатов которых выработаны научные подходы к разработке сферопластиков с заданным комплексом свойств для изделий авиационной техники. В составе сферопластиков использованы сочетания различных типов наполнителей, выпускаемых предприятиями РФ, и показано влияние этих компонентов на структуру и свойства сферопластиков.
Цель работы
Разработка ассортимента сферопластиков на основе недефицитных компонентов для изделий авиационной техники:
- эпоксидного сферопластика холодного отверждения с комплексом высоких технологических и физико-механических свойств для применения в составе сотовых конструкций;
- эпоксидного сферопластика с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре для заполнения участков сотовых конструкций;
- цианэфирного листового сферопластика с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками для применения в составе многослойных конструкций.
Основные задачи работы
- обосновать выбор компонентов сферопластиков для достижения заданного уровня технологических и эксплуатационных свойств;
- исследовать влияние формы, размеров частиц дисперсных и волокнистых наполнителей, а также их соотношения на структуру и свойства сферопластиков;
- исследовать возможность направленного регулирования свойств сферопластиков путем варьирования их состава и содержания полимерного связующего, дисперсных и волокнистых наполнителей;
- разработать сферопластики с комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств для заполнения элементов сотовых панелей и изготовления многослойных конструкций изделий авиационной техники.
Научная новизна работы
- установлены основные закономерности создания сферопластиков с необходимым комплексом свойств. Показано, что в составе сферопластика с учетом требований, предъявляемых к материалу, следует использовать сочетания дисперсных и коротковолокнистых наполнителей в матрицах эпоксидного и цианэфирного типов;
- сформулированы основные требования к наполнителям и установлено влияние природы, содержания, размеров и формы сочетаний дисперсных и волокнистых наполнителей на свойства сферопластиков;
- установлен механизм упрочнения высоконаполненных (до 65 % об.) сферопластиков дисперсными органическими и неорганическими наполнителями с размером частиц менее 40 мкм за счет формирования структуры материала с высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице;
- установлены закономерности направленного регулирования технологических и физико-механических свойств сферопластиков путем варьирования их состава и структуры;
- расчетным путем с использованием методов термического анализа установлены зависимости времени гелеобразования сферопластиков различного состава от температуры, позволяющие прогнозировать температурно-временные режимы их переработки;
- разработаны методические подходы по оценке свойств сотовых конструкций со сферопластиками в зависимости от материалов и геометрических характеристик сотовых заполнителей и закладных элементов, механических и адгезионных свойств сферопластиков. Установлено влияние структурных неоднородностей материалов на конструктивную прочность образцов сотовых панелей со сферопластиками.
Практическая значимость работы
По результатам проведенных исследований на основе недефицитных компонентов, выпускаемых предприятиями РФ, разработана номенклатура сферопластиков, отверждаемых как без нагревания (ВПЗ-7М, ВПЗ-14, ВПЗ-18), так и при повышенных температурах (ВПЗ-17) для изделий авиационной техники. Сферопластики обладают по сравнению с существующими материалами аналогичного назначения более высоким уровнем технологических и эксплуатационных свойств, отвечающих требованиям современного авиастроения. Направленное регулирование характеристик сферопластиков позволило проводить выбор рецептур материалов с учетом особенностей их применения для конкретных условий эксплуатации.
Применение разработанных сферопластиков позволяет:
- обеспечивать требования, предъявляемые к материалу, в зависимости от конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия;
- значительно (не менее чем в 2 раза) сократить продолжительность технологических операций с сотовыми панелями как в условиях производства, так и при проведении ремонтных работ;
- повысить на 15-20 % работоспособность сотовых конструкций;
- обеспечить более высокие (в 3-5 раз) эксплуатационные свойства многослойных конструкций со сферопластиком по сравнению с конструкциями с сотовым заполнителем.
По результатам проведенной работы оформлены ТУ, 3 ММ, 4 ТР.
Внедрение результатов работы
Разработанный сферопластик марки ВПЗ-7М внедрен в самолетах Ил-96-300, Ил-96-400, Ил-76МД-90А (ОАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина»), Ту-204 и Ту-214 (ОАО «Туполев»), модификациях вертолетов Ка-32 и Ка-226 (ОАО «Камов») для заделки пустот и торцевых частей панелей интерьера, заполнения участков сотовых конструкций в зонах установки крепежа, фиксации электрических проводов и т.п.
Сферопластик марки ВПЗ-17 рекомендован для использования в изделии Т-50 и его модификациях ОАО «ОКБ Сухого» при изготовлении панелей кессонной части крыла и агрегатов механизации системы управления.
Публикации. Основные результаты работы отражены в 7 научных публикациях, включая 5 публикации в изданиях из перечня ВАК, и защищены 2 патентами РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 120 наименований, содержит 39 рисунков, 27 таблиц. Общий объем диссертации 127 страниц машинописного текста.
Сферопластики для применения в составе многослойных конструкций
В отечественном авиастроении подобные подходы при изготовлении многослойных конструкций были реализованы ФГУП «ВИАМ» при создании микросферостеклотекстолитов - нового класса материалов, состоящих из чередующихся слоев сферопластика и однослойного стеклопластика. Исходным полуфабрикатом для микросферостеклотекстолитов служат синтактные препреги (синпреги) - двухслойные листовые материалы, состоящие из смеси микросфер и связующего (сферопластика), нанесенного равномерным слоем на подложку из стеклянной ткани или сетки.
Конструкционные микросферостеклотекстолиты марок МСТ-5, МСТ-6П, МСТ-7П, МСТ-10П [26-29] на эпоксидных, фенольных и кремнийорганических связующих с температурой эксплуатации 80-350 С, плотностью 0,7-0,9 г/см3, прочностью при изгибе 100-170 МПа используются для изготовления малонагруженных изделий конструкционного и радиотехнического назначения и в качестве негорючих отделочных материалов в авиастроении.
Вместе с тем разработанные материалы имеют ряд существенных недостатков: использование растворов эпоксидных, фенольных или кремнийорганических связующих при изготовлении сферопластика; - необходимость использования подложек в виде тканых наполнителей для нанесения сферопластиков; - сложность транспортировки и хранения вследствие повышения хрупкости сферопластика при удалении растворителя, что приводит к осыпанию материала с поверхности тканого наполнителя. Транспортировка возможна только в горизонтальном положении в виде листов на специальных паллетах; необходимость наличия специального технологического оборудования для приготовления материала на месте потребления -изготовления изделий. Процесс изготовления тонких листов сферопластика и композиционного материала с улучшенной влагостойкостью на основе эпоксидного связующего и полых стеклянных микросфер описан в патенте [30].
ОАО «НПО «Стеклопластик» разработан листовой сферопластик на основе эпоксидного связующего и полых стеклянных микросфер, получаемый раскаткой валками или в ленточном прессе исходного полуфабриката (ленты) из сферопластика в лист требуемой толщины. Сферопластик предназначен для формования композитных изделий, в т.ч. многослойных (сэндвич) конструкций различной геометрии [31].
Для изготовления облегченной конструкции в патенте [32] предложены сферопластики на основе эпоксидного или фенольного связующего, полых стеклянных или углеродных микросфер с диаметром от 5 до 200 мкм и стеклянных, углеродных или полиамидных волокон длиной не более 250 мкм. Сферопластики характеризуются низкой плотностью и минимальным коэффициентом теплового расширения.
В патентах [33-35] предложены составы и способы изготовления листовых сферопластиков для использования в качестве легковесного слоя композиционных многослойных конструкций. Сферопластики состоят из смеси полых керамических микросфер и измельченной термореактивной или термопластичной смолы, распределенной в промежутках между микросферами. В состав сферопластика могут входить стеклянные или углеродные волокна для получения требуемых физических и механических свойств.
В работе [36] предложена синтактная пена на основе эпоксидного, цианэфирного или полиимидного связующего, полых стеклянных микросфер и коротких стеклянных волокон, которая дополнительно может содержать, бромсодержащие антипирены и дисперсные углеродные наполнители. Синтактная пена может быть переработана в заготовки - листы, перерабатываемые в изделия непосредственно после изготовления или после хранения. Синтактная пена характеризуется низкой плотностью достигающей значений 0,35 г/см и ниже, однако обладает крайне низкой прочностью при сжатии не превышающей 10 МПа.
Особый интерес представляет использование в качестве заполнителя при изготовлении многослойных конструкций с обшивками из угле- или стеклопластика полимерных цианэфирных сферопластиков, обладающих высоким уровнем эксплуатационных характеристик, в том числе при воздействии высоких температур и повышенной влажности. Разработкой таких материалов для многослойных авиационных конструкций активно занимается ряд зарубежных фирм, например, McDonnell Douglas Technologies, Inc. Многослойная конструкция, предложенная в патенте [37], состоит из чередующихся слоев стеклопластика на основе цианэфирного связующего и цианэфирного сферопластика и характеризуется высокими удельными характеристиками и стойкостью к воздействию статических и динамических нагрузок.
Техническое решение, предложенное в патенте [38], описывает многостадийный процесс получение сэндвич конструкции с внутренним слоем из синтактной пены и обшивками из полимерного композиционного материала на основе цианэфирного связующего, соединенных тонкой клеевой пленкой из синтактного материала. Процесс изготовления конструкции заключается к приклеиванию к поверхности отвержденной синтактной пены отвержденных обшивок из полимерного композиционного материала (или приформовывании к синтактной пене неотвержденного или частично полимеризованного препрега). Конструкция обладает высокими механическими и диэлектрическими характеристиками и может быть применена в изделиях авиационной техники.
Материалы для изготовления сферопластиков
Механизм воздействия дисперсных и коротковолокнистых наполнителей на свойства полимерных композиций описан в литературе достаточно подробно. Наполнители усиливают матрицу весьма сложным образом. Дисперсные, по-видимому, ограничивают подвижность и деформируемость матрицы, и степень этого ограничения зависит от объема, занимаемого частицами, и их свойств. Как правило, они повышают твердость эпоксидной композиции, модуль упругости, прочность при сжатии. Повышение ударной вязкости, прочности при изгибе, растяжении достигается только при определенных условиях и часто за счет снижения других показателей. По мере увеличения анизодиаметричности частиц, они начинают воспринимать все большую долю нагрузки, при условии достаточно высокой прочности сцепления на границе раздела фаз. Введение коротковолокнистых наполнителей способствует повышению прочности при изгибе, растяжении, ударной вязкости, обычно тем значительнее, чем больше длина волокна (или отношение длины волокна к его диаметру) и его содержание в композиции. Однако такие материалы характеризуются пониженными технологическими характеристиками, нежелательной анизотропией свойств, нестабильностью показателей и др. особенностями [66,80,81].
Следует также учитывать, что отверждение олигомеров в присутствии наполнителей приводит к тому, что наполнители могут влиять не только на структуру и свойства отвержденного материала, но и на течение процессов отверждения как в граничном слое, так и в объеме полимера. Закономерности протекания этих процессов определяются характером адсорбционного взаимодействия компонентов связующего с активными центрами наполнителя, что в свою очередь зависит от природы наполнителя и химии его поверхности. Наполнитель может вступать в химические реакции с реакционноспособными группами олигомеров и отвердителей; щелочность или кислотность его поверхности вызывает катализирование или ингибирование отверждения связующего. Процессы, происходящие в межфазном слое: уменьшение подвижности полимерных цепей вблизи твердой поверхности, блокирование активных групп компонентов, ограничение конформационного набора макромолекул, избирательная сорбция компонентов связующего могут, особенно в случае отверждения без нагрева, приводить к снижению скорости процессов отверждения. С другой стороны, скорость процесса отверждения может возрастать за счет упорядочения и ориентации физически адсорбированных молекул и повышения концентрации реагирующих групп в межфазном слое [82-84].
Исходя из представленных данных, использование только дисперсных или только волокнистых наполнителей обычно не позволяет получить материалы с необходимым комплексом свойств. Поэтому для достижения желаемого эффекта целесообразно использовать сочетание наполнителей.
Среди пластиков с комбинированным наполнителем наибольший интерес с точки зрения возможности получения широкого спектра свойств и их варьирования обладают композиции, содержащие несколько наполнителей, отличающихся природой и формой частиц. Сочетание таких наполнителей приводит обычно к взаимодополняющему или даже синергическому эффекту. Так, использование стеклянных, асбестовых, углеродных волокон в составе наполненных дисперсными частицами полимерных материалов позволяет снизить их хрупкость, повысить прочность, теплостойкость. Присутствие же дисперсного наполнителя повышает твердость, прочность при сжатии, придает необходимые технологические и специальные свойства [85-89].
Предполагается, что эффекты от комбинации наполнителей связаны в основном с совместной упаковкой заданного количества частиц определенных размеров. Материалы с максимальной плотностью упаковки частиц не всегда имеют необходимые технологические свойства.
Таким образом, использование сочетания наполнителей является основным направлением для создания сферопластиков с требуемым комплексом свойств. Однако, вопросы, связанные с подбором типов наполнителей, определением соотношения, содержания, формы и размеров их частиц для получения сферопластиков, обладающих необходимым комплексом свойств не достаточно исследованы. Отсутствуют сведения о возможности направленного регулирования свойств таких материалов. Мало изучен вклад межфазных слоев и характера упаковки наполнителей на свойства сферопластиков.
Наполнители, входящие в состав сферопластика, можно классифицировать по целевому назначению для обеспечения требуемых свойств материала: 1) полые микросферы (стеклянные, зольные, полимерные, углеродные) для обеспечения требуемого уровня технологических и физико-механических свойств сферопластиков, определяющие возможность их направленного регулирования; 2) армирующие дисперсные наполнители для придания композициям тиксотропных свойств, а также повышения некоторых механических свойств - прочности при сжатии, поверхностной твердости и т.п.; 3) армирующие волокнистые наполнители для повышения прочности при растяжении, ударной вязкости и т.п.; 4) наполнители для придания специальных свойств: антипирены - для обеспечения пожаробезопасности; пигменты - для возможности дифференцирования материалов различного назначения по цвету и оценки качества совмещения исходных компонентов на стадии изготовления сферопластика и др.
Основным компонентом сферопластиков, определяющим их технологические и эксплуатационные свойства, являются полые микросферы, характеризующиеся широким интервалом значений гранулометрического состава и физико-механических характеристик.
Полые микросферы, используемые в качестве наполнителей сферопластиков - стеклянные, полимерные, углеродные и др., должны отвечать следующим требованиям: сыпучесть, прочность, бездефектность, влаго- и химическая стойкость, возможность изменения гранулометрического состава и коэффициента заполнения объема в широких пределах.
Зольные микросферы (или ценосферы) - легкая фракция золы уноса, представляющая собой дисперсный наполнитель, состоящий из полых тонкостенных частиц сферической формы, алюмосиликатного состава. Средний диаметр микросфер изменяется от 60 до 200 мкм, истинная плотность от 0,3 до 0,7 г/см , гидростатическая прочность от 20 до 35 МПа [90,91]. К достоинствам, присущим зольным микросферам, относятся их низкая стоимость, инертность и химическая стойкость, высокая прочность на изотропное сжатие. Однако у зольных микросфер имеются и серьезные недостатки - высокая плотность, значительный разброс частиц по гранулометрическому составу и нестабильность значений прочностных характеристик.
Микросферы на основе полимеров и реакционноспособных олигомеров, получаемые термической обработкой распыленных растворов или эмульсий, имеют размер частиц 10-300 мкм, плотность 0,2-0,3 г/см3, однако характеризуются горючестью и крайне низкими значениями гидростатической прочности, в большинстве случаев не превышающей 2,5 МПа, что обуславливает получение сферопластиков с недостаточно высокими прочностными характеристиками [2, 92, 93].
Изготовление сферопластиков, применяемых для заполнения участков сотовых конструкций
Полученные данные свидетельствуют, что плотность композиций сферопластиков растет при увеличении содержания слюды, при этом прочность при сжатии, прочность при изгибе и ударная вязкость несколько снижаются.
С целью повышения ударной вязкости и прочности при растяжении композиций сферопластика исследована возможность введения в его состав коротковолокнистого наполнителя - рубленого стеклянного ровинга длиной от 3 до 12 мм. Введение в состав композиций сферопластика волокон с длиной более 6 мм приводит к значительному ухудшению технологических свойств материала, вызывает изменение структуры сферопластика, приводит к его разуплотнению, образованию больших воздушных включений с взаимным контактом волокон без образования полимерных прослоек. Использование в составе сферопластика волокон длиной 3-6 мм при содержании 10-15 % масс, позволяет получить материал с плотностью 0,65-0,80 г/см3, прочностью при сжатии 55-65 МПа и ударной вязкостью 6-8 кДж/м . Структура материала характеризуется однородностью и высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице.
Эпоксидные связующие, используемые в работе в качестве полимерных основ сферопластиков, обладают повышенной горючестью, что обуславливает необходимость их модификации с помощью специальных добавок - антипиренов. Перспективным направлением снижения горючести эпоксидных полимеров является введение в их состав фосфорсодержащих соединений, как в жидком, так и в твердом кристаллическом виде [80, 105, 106].
Исследовано влияние на горючесть композиций сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера марки ЭД-20, отвердителя ПО-300 и полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 антипирена - аммония фосфорнокислого. Полученные данные представлены в табл. Трудносгорающий Механизм действия аммония фосфорнокислого объясняется увеличением выхода коксового остатка, уменьшением доли летучих продуктов деструкции и снижением значения кислородного индекса сферопластика. Полученные данные подтверждаются результатами исследований [107] показавших, что кислородный индекс эпоксидного сферопластика при введении 25 % масс, антипирена составил 35 %, величина коксового остатка при воздействии пламени с температурой порядка 700 С составила 33 %, в то время как величина коксового остатка чистого эпоксидного связующего составляла 2-3 %. Положительный эффект в повышение пожаробезопасности сферопластика вносит разбавление эпоксидного полимера большим объемом ( 55-65 %) негорючего материала - полых стеклянных микросфер.
Как было показано выше, аммоний фосфорнокислый проявляет свое действие в конденсированной фазе, как катализатор процесса карбонизации, при достижении определенных значений его концентрации в объеме сферопластика. Для максимальной эффективности антипирен должен быть высокодисперсным (размер частиц менее 200 мкм) и равномерно распределенным по всему объему сферопластика.
Существенным недостатком фосфата аммония является его высокая гидрофильность [80]. С целью зашиты высокодисперсного антипирена от воздействия влаги, на его поверхность наносили слой пигментов - оксидов металлов. Нанесение на частицы антипирена пигментирующих добавок осуществляли в процессе их совместного механического измельчения в шаровой мельнице сухого помола. Установлено, что указанное решение приводит к значительному снижению адсорбции атмосферной влаги частицами антипирена в среднем с 8 до 2 % масс, после выдержки в течение 30 суток в комнатных условиях.
Подобраны сочетания пигментирующих добавок с целью придания цвета композициям сферопластика и оценки качества его изготовления по равномерности окраски при совмещении компонентов сферопластика. В качестве пигментирующих добавок использованы неорганические пигменты: диоксид титана (белого цвета), оксид хрома (зеленого цвета) и жаростойкий пигмент № 685 (синего цвета). Установлены их соотношения для получения равномерного цвета композиций сферопластика - на 5 масс. ч. диоксида титана 3 масс. ч. пигмента № 685 или 1 масс. ч. оксида хрома. Содержание пигментов в сферопластике можно варьировать с целью придания материалу окраски различной интенсивности. Содержание в составе сферопластика 2-4 масс. ч. пигментирующих добавок не приводит к существенному увеличению плотности. Однако вследствие повышения однородности структуры повышается стабильность эксплуатационных свойств сферопластика.
В последние годы наметился значительный интерес к полимерным сферопластикам, обеспечивающим высокий уровень физико-механических характеристик уже через 6-12 часов отверждения при комнатной температуре. Применение таких материалов позволит значительно сократить время выполнения технологических операций с сотовыми панелями со сферопластиком, как в условиях производства, так и ремонтных работ изделий авиационной техники.
Для решения поставленной задачи - создания сферопластика с сокращенным режимом отверждения исследована возможность применения связующего холодного отверждения на основе эпоксидно-дианового олигомера марки ЭД-20, отвердителей ПО-300 и Этал-47Р5, ускорителя УП-606/2 и модификатора - олигобутадиенового полимера СКН-ЗОКТР «А». В табл. 3.5 представлены значения прочности при сжатии сферопластика в зависимости от времени отверждения при комнатной температуре. Таблица 3.5. Прочность при сжатии сферопластика от времени отверждения
Методами термического анализа2) исследованы технологические свойства свежеприготовленной композиции, термодеформационная устойчивость и характер термоокислительной деструкции отвержденных при комнатной температуре образцов сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера марки ЭД-20 и отвердителя ПО-300 и образцов сферопластика с сокращенным временем отверждения.
Для исследования процессов отверждения композиций использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), термодеформационной устойчивости - термомеханический метод анализа (ТМА), а процессы термоокислительной деструкции исследован объединенными методами термогравиметрического (ТГА, ДТГА) и дифференциального термического (ДТА) анализа. 2) Исследования проведены под руководством к.т.н. Алексашина В.М. (ФГУП «ВИАМ») Методом ДСК установлено, что активная реакция отверждения сферопластика с сокращенным режимом отверждения (образец № 1) и сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера марки ЭД-20 и отвердителя ПО-300 (образец № 2) протекает в интервале температур от 20 до 160 С в условиях нагревания с постоянной скоростью 10 град/мин. Температуры пиков на кривых ДСК образцов составляют соответственно 103 и 122 С. Таким образом, установлено повышение активности композиции с сокращенным временем отверждения на основе эпоксидно-дианового олигомера марки ЭД-20, отвердителей ПО-300 и Этал-47Р5, ускорителя УП-606/2 и модификатора - олигобутадиенового полимера СКН-ЗОКТР «А» (рис. 3.20). Это подтверждается также снижением величины времени гелеобразования более, чем в 3 раза, определенного при температуре 50 С методом ТМА (рис. 3.21).
Исследование работоспособности сферопластиков в сотовых конструкциях
Проведены испытания образцов сотовых панелей при вырыве закладных элементов - крепежных втулок, установленных с использованием сферопластиков ВПЗ-7М, ВПЗ-10, ВПЗ-14 в некоторых маркок зарубежных сферопластиков [115].
При изготовлении конструктивных образцов диаметр участка заполнения сферопластиком подготовленного объема в сотовой панели составлял не менее 2,5-3,0 диаметров цилиндрической части втулки. Между нижним торцем втулки и внутренней поверхностью обшивки сотовой панели предусматривалась прослойка сферопластика толщиной не менее 0,5 мм, поскольку усилие вырыва закладного элемента существенно зависит от прочности связи между материалами втулки и обшивки. Так, прочность при отрыве (аотр ) соединения стальной закладной элемент - сферопластик в слое толщиной 1-2 мм составляет для сферопластика ВПЗ-7М - 9-20 МПа; для сферопластика ВПЗ-10 - 3-5 МПа; для сферопластика ВПЗ-14 - 8-16 МПа; для сферопластика Araldite 255 - 11-18 МПа в зависимости от площади поверхности торцевого участка втулок.
На рис. 4.1 представлены некоторые наиболее часто используемые в сотовых панелях закладные элементы - втулки, а на рис. 4.2 - результаты их испытаний при вырыве из участков сотовых конструкций со сферопластиком. А
Проведены испытания сотовых панелей со сферопластиками при скручивании закладных элементов. Разрушающая нагрузка при скручивании практически не зависит от типа сферопластика (ВПЗ-7М, ВПЗ-10, ВПЗ-14), типоразмера и материала втулки и составила 1,10-1,38 кг-М. При этом происходило разрушение (срез) винтового индентора.
На рис. 4.3 представлены элементы сотовых панелей из алюминиевого сплава (соты АМг-2Н высотой 15 мм с ячейкой 3,5 мм) и стеклопластика (соты ССП высотой 15 мм с ячейкой 2,5 мм) после испытания при вырыве закладного элемента.
Наряду с исследованиями характера и величин разрушения конструктивных элементов при вырыве закладных элементов, проведены исследования по оценке взаимодействия сферопластиков с сотовым заполнителем при срезе [116].
Прочность при срезе не армированных сотовыми заполнителями сферопластиков составила: ВПЗ-7М - 28,3 ± 6,1МПа; ВПЗ-10 -20,2 ± 1,8 МПа; ВПЗ-14 - 46,2 ±5,5 МПа.
Характер разрушения по границе соты - сферопластик свидетельствует о недостаточно высоком адгезионном взаимодействии между материалами сотового заполнителя и сферопластика. Прочность при срезе практически не зависит от толщины образцов сферопластика. Прочность при срезе армированного сотами ПСП и ССП сферопластика ВПЗ-10 в 2,2-3,5 раза ниже, чем у неармированного, а сферопластика ВПЗ-7М в 1,9-2,1 раза. Прочность при срезе армированного сотами АМг2-Н сферопластика ВПЗ-14 примерно в 5-6 раз ниже, чем у неармированного.
Для оценки характера взаимодействия сотового заполнителя со сферопластиком и закладного элемента проведены испытания конструктивных образцов при вырыве втулок из стали, алюминиевого и титанового сплавов. Испытания проводили на модельных образцах сотовых конструкций (фольга АМг2-Н, высотой 15 мм), с использованием закладных элементов - стальных втулок диаметром 8-12 мм, высотой 18-20 мм, установленных с использованием сферопластиков ВПЗ-7М и ВПЗ-14. При вырыве втулок из зоны заполнения сферопластиком происходило разрушение соединений, основные виды которых представлены на рис. 4.6.
С учетом результатов механических испытаний, связанных с нарушениями пространственной сплошности - образованием трещин, расслоений, деформациями сотового заполнителя в различных сочетаниях для сложного напряженного состояния системы (соты - сферопластик -втулка), проведены исследования образцов с помощью методов неразрушающего контроля. Наиболее информативным методом контроля, обладающим широкими возможностями визуализации дефектов и несплошностей объемного характера, образовавшихся под воздействием разрушающих нагрузок, в материалах и конструкциях, имеющих сложную пространственную структуру, является рентгеновский метод контроля [117, 118].
На рис. 4.6 представлены рентгенограммы образцов сотовых конструкций с установленными в них стальными втулками после проведения испытаний.
Полученные результаты3) указывают на то, что в случае заделок со сферопластиком ВПЗ-7М (рис. 4.6.2) разрушение носит сложный характер, связанный прежде всего с нарушением когезионной целостности сферопластика и слабо зависящий от объема области заполнения (толщины прослойки) и материала втулок (сталь, алюминиевый и титановый сплавы). Разрушение сферопластика ВПЗ-7М происходит при нагрузках 245-265 кг.
Адгезионное разрушение по границе сферопластик-втулка, характерное для сферопластика ВПЗ-14 (рис. 4.6.1), по существу представляет собой сдвиг и сопоставимо по значениям с когезионным разрушением материала ВПЗ-7М. Разрушение по границе сферопластик ВПЗ-14 - втулка происходит при нагрузках 240-270 кг.
Сложное разрушение сотового заполнителя по границе со сферопластиком ВПЗ-14 достигает максимальной величины 330-350 кг при заполнении объема равного 3 диаметрам втулки (рис. 4.6.3).
По данным рентгенографических исследований определены координаты сечений, представляющие наибольший интерес при проведении томографических исследований, основанных на радиометрической регистрации узкого пучка излучения, проходящего через исследуемое сечение контролируемого образца под разными углами с последующей реконструкцией изображения объекта контроля.
