Тепло, термо и огнестойкость полимерных материалов
 Скачать 4.94 Mb.
|
|
Количество летучих, %масс. Пористость, %об. на стадии подготовки к формованию при формовании общее количество 10 при 150 С 75 мин при 315 Сч 10–15 СП-97, 97ВК 15 при 200 Сч при 100 Сч Сч при 343 Сч, АПИ-2,3, LARC-160 15 (при 20–300 Сч (при 230 Сч при 315 Сч Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Таблица 4.48. Технологические режимы отверждения и термоустойчивость связующих на основе смесей имидообразующих мономеров Показатели 703, СП-97 NR-150 PMR-15, АПИ-2 Имидизация, удаление растворителя Ступенчатый нагрев до С, выдержка 0,5–1 ч С, выдержка 0,5–3 ч, вакуум С, выдержка 1–3 ч Отверждение 200 С, 0,1–2 МПа 200 Сч Сч Сч С 0,1–2 МПа 2 ч С МПа 1–2 ч Термообработка 315 Сч Сч Сч С 1–16 ч Общее количество летучих, масс 30–32 Пористость, об 5–10 1 4–6 Термоустойчивость сохранение σ ви , %) 80–90% при 315 С Т длит = 250 С при 315 С 260 Сч Сч Сч при 315 Сч ч 2 Примечание: 1 — при использовании вакуума пористость равна 1–2%; 2 — для состава PMR-T на основе Таблица 4.49. Свойства отвержденных ненаполненных связующих на основе смесей имидообразующих мономеров Свойства на основе NR-150 Skybond 701, СП-97 PMR-15 1 БМИ для сравнения Плотность, г/см 3 1,40 1,40 1,31 1,35 1,32–1,34 1,25–1,35 σ + , МПа 102 70 48–56/187 Е, ГПа 4,2/4,5 2 2,9 3,76 4,2 4,5/4,0 2) 4,2–4,9 ε + , % — — 14,0 1,0 1,4 1,5–2,5 G, ГПа — — 1,365 — 1,3 — Коэффициент Пуассона μ — — 0,365 — 0,36 Пористость, об 10 До 20 0,5–2 1,0–2,5 а к по Изоду, Дж/м 2 (с надрезом 53 40–60 G IC , Дж/м 2 2400– 2550 1700 1900 — 230–280 (эластиф. до 400) 34–260 (эластиф. до 1000) Водопоглощение, % вода, 70 Сч 1,5–5,0 Т с , С, сухие 340–370 277 250 330–350 330–370 220–350 влажные 230 205 250–280 280 180–200 1 Cвойства отвержденных АПИ-2,3, LARC-160 аналогичны Т с 340 С (при то Сч С (315 Сч водопоглощение (95% НОС масс, потери массы масс) на воздухе после 1000 ч при 290 С — 0,3, после 2000 ч — 0,8, после 3000 ч — 2,0; σ ви — 73 Па при 290 С, 72 МПа при 315 С, 52 МПа при 343 С Е ви соответственно 2,3; 1,9; 1,8 ГПа при 290, 315, 343 С К 1110 МПа·м 0,5 ; 2 заменитель σ ви и Е ви соответственно 3 σ – , МПа Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Таблица 4.50. Сравнительные свойства отвержденных ненаполненных эпоксидных, малеинимидных и полиимидных связующих [302] Матрицы Т емпература переработки, °С Водопоглощение зач, Трещиностойкость, G IC , Дж/м 2 Т емпература стеклования, °С Т емпература длительной эксплуатации, ° С Огнестойкость, КИ Эпоксидные: диановые на основе диглициди- ловых олигомеров (ЭД, ЭДТ-10) 20–180 9,5–12 60–200 160 1 /80 100 1 /80 на основе тетраглицидиловых олигомеров (ЭХД, ВС 2526, ВС2561, 5208, МУ 720) 120–200 6,5–8,0 100–400 200/160 120/100 экспериментальные, в том числе эластифицированные 120–200 1–2 > 1000 200–300/ 150–250 150–160/ 180–200 22–25 Малеинимидные (БМИ): БМИ, отверждаемые аминами ПАИС, ТП, ИД) 180–250 4–6,5 60–200 250–350/ 160–180 150/120 30–35 БМИ, отверждаемые аллильными соединениями 1,5–3,0 200–600 250–350/ 200–250 200–220/ 180–200 35–40 эластифицированные БМИ, отверждаемые аллильными соединениями до 1000 200–290/ 200–250 180–200/ 180–200 35–40 Полиимидные (мономерного типа): на основе смесей мономеров (PMR, АПИ-2,3) 280–340 1–2 80–200 (400–600) 2 340–360/ 320–340 до 250 40–60 фторсодержащие (Авимиды,PMR-T, АПИ-Ф) 300–307 до 2500 250–400/ 240–370 250–300/ 250–300 70–90 1 Числитель — в сухой среде, знаменатель — после равновесного водопоглощения; 2 эластифи- цированные АПИ-М, LARC-RP40; 3 температурный индекс, температура сохранения 50% начальных свойств после 2000 ч. Таблица 4.51. Зависимость изменения упругопрочностных свойств однонаправленного прессованного полиимидного углеволокнита (углеродные волокна Celion 6000, 68 об, связующее LARC-160) от длительности нагрева при 315 Сна воздухе [302] Свойства Продолжительность нагрева, ч — 200 500 1000 σ ви , ГПа 1,63/2,2 1 1,63 2,12 2,11 Е ви , ГПа 132/140 1 143 142 144 τ сд , МПа 63 Уменьшение массы, масс 0,57 1,08 1 Числитель — испытание при 260 С, знаменатель — при 23 С Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость формованием по ступенчатым режимам (для обеспечения оптимального соотношения пластичности и содержания летучих) различными технологическими способами прессование, вакуумное и автоклавное формование, намотка, термокомпрессионное формование. Имидопласты на основе связующих типа PMR работоспособны при 230–260 Св течение 50 000–70 000 ч при 260–315 Св течение 500–1000 ч, при 480–540 С — кратковременно. Модифицированные полиимиды на основе смесей имидобразующих мономеров обеспечивают работоспособность полиимидным материалам до 400 Сна воздухе. К ним относятся фторсодержащие полиимиды, полиимиды, модифицированные карборанами (например, АПИ-3 + карборан Д, полиимид ПИРС, ОНПП Технология, МАТИ), полиимиды V-Cap75 и PMR-T (термообработка в азоте, работоспособность при 370 Сна воздухе PMR-15 200 ч, PMR-T — 500 ч, V-Cap — 75 более 1000 ч. Для использования при 370 С разработаны связующие PMR-11-700, Marvimid Cikap. Углепластики с матрицей ПИ CSPI на основе имидалюмофосфатно- го связующего из PMR-15, Al(OH) 3 , H 3 PO 4 , Al 2 O 3 сохраняют приемлемый уровень упругопрочностных свойств до 700 °С. Таблица 4.52. Упругопрочностные свойства однонаправленных прессованных имидоуглеволокнитов АПИ (60 об. ЛУ, ЭЛУР) [80, 302] Свойство Т исп , °С АПИ-2/ЛУ АПИ-3/ЭЛУР σ ви , МПа 1000 1200 300 680 1060 350 340 640 Е ви , ГПа 20 123 135 300 116 120 350 100 110 τ сд , МПа 56 53 300 38 38 350 33 Таблица 4.53. Прочность при изгибе σ ви имидоуглеволокнита АПИ-3/ЛУ, 60 об. со схемой армирования Условия подготовки Плотность, г/см 3 Направление испытания σ ви , МПа при Т, °С 20 300 350 400 Прессование: 330 С, 2,5 МПа, 2 ч 0 330 490 510 540 90 580 740 700 Прессование + термостарение: 300 Сч Сч Сч Прессование + термоциклирование 20/350 С, 30 циклов помин Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Связующие на основе полимеризующихся смесей трех мономеров наиболее перспективны для изготовления высоконаполненных термоустойчивых ВПКМ многофункционального назначения. Разработка полиимидных ВПКМ, прежде всего, углепластиков (сохраняют не менее 50% начальных свойств в течение 2000 ч при 300 Сч при 350 С, десятки часов при 370–400 С) расширила возможность использования ВПКМ в конструкциях ГТД (рис. Сочетание высоких упругопрочностных и радиопоглощающих свойств модифицированных эпоксидных и полиимидных углепластиков позволило использовать их при изготовлении планера самолета Stealth B-2 (фирма Northrop, США) с четырьмя двигателями GE F188-GE100 с задним воздухозабором, с двумя выходными соплами над дельтавидными крыльями (модификация F-100 для F16, дальность полета В 18 500 км). Силовые оболочки из полиимидных и эпоксидных углепластиков — многослойные, с заполнителем из сотопластов, в ячейки которых введены широкодиапазонные РПМ и РПП. В имеет ЭПР в передней полусфере порядкам (дом, по возможности обнаружения он сравним с птицей ЭПР В около 100 м, В-1А — 10 м, В-1В — около 1 м. Все вооружение В размещено внутри фюзеляжа. По бокам кабины экипажа две двигательные гондолы с отогнутыми вниз носками обечаек воздухозаборников, что экранирует лопатки компрессоров от облучения РЛС. Двигатели скрыты внутри конструкции, выхлопные струи охлаждаются и рассеиваются на выходе через узкие щели на верхней стороне крыла. Конструкции из поли- имидных ПКМ (Т раб до 290 С) позволяют спрятать турбины В глубоко в фюзеляже и скрыть лопатки от РЛС. Передняя и задние кромки крыла, покрытые многослойными РПМ, имеют сотовую конструкцию (шестиугольные трубки длиной 80–100 мм заполнены РПМ, плотность которого повышается к заднему срезу ячейки. Сотовые шахтные) РПК поглощают ЭМЭ до 12–20 дБ (99%) в диапазоне 2–18 ГГц (рис. 4.52). Малеинимидные и полиимидные углепластики использованы в горячих конструкциях самолета с малой радиолокационной заметностью Raptor F-22 (технология Связующие PMR являются лидирующими в США при создании объектов новой техники (рис. 4.47–4.54). На их основе изготовлено более 30 крупногабаритных конструкций авиакосмического назначения, в том числе экспериментальный закрылок кормовой части ВКС Space При замене алюминия на полиимидный углепластик LARC-160 экономия массы ВКС конструкции 1 (рис. 4.53) — 481 кг, конструкции 2 (вертикальный стабилизатор, длинам кг, 3 — 216 кг (на 23%), 4 — 122 кг, 5 — 437 кг. Снижение массы съемных конструкций — 1653 кг, несъемных конструкций — 4854 кг, общее снижение массы теплозащиты и демпфирующих слоев — 6477 кг (до Использование имидоуглепластиков (ПИУП) позволяет приклеивать плитки переизлучающей многоразовой теплозащиты FRCI (до 100 траекторий спуска) без демпфирующего слоя войлока из волокон Nomex (рис. 4.53, Д2). Для Т раб 250 °C: углепластики на основе нитей Torey Т (σ + 5,7 ГПа; Е 300 ГПа; ε — 1,9–5,8%). Используют ленточные препреги на основе связующих 1 — малеини- Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.47. Конструкция ГТД из имидных ВПКМ (связующие PMR-15): А — лопатка высокоскоростной ступени компрессора из имидопласта T-300/PMR-15; Б — воздухозаборник ГТД F 101 ДРЕ Т 300/PMR-15); В — входное устройство сепаратора ГТД Т 700; (Ва — полиимидный стеклопластик Вб — стеклоуглепластик); Вв — алюминий/стеклопластик, СИ А Л Г — щиток-отражатель ионного двигателя ВКС Space Shuttle (имидостеклопластик) А) Б) В) Г) а а а б б б в в в Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.48. Имидоуглеволокниты (наполнитель Т или Celion 3000, связующее PMR-15) в конструкции ТРД 1120, PW1130: 1 — внешние створки регулируемого сопла 2 — внешнее усиливающее корпус кольцо 3 — компрессор (корпус, лопатки, ротор и др 4 — обтекатель-переходник; 5 — обводной канал (байпас); 6 — силовой набор оболочки 7 — створки нерегулируемого сопла 8 — синхронизирующее кольцо Рис. 4.49. Конструкция оболочек гондолы ГТД F404 из имидоуглеволокнита (Т 1 — верхняя оболочка 2 — нижняя оболочка 3 — гондола с передними задним (5) фланцами и ребром жесткости (6) из титана Рис. 4.50. Конструкция наружной створки (А) регулируемого сопла форсажной камеры ГТД F100 для самолёта F-15 (фирмы Hamilton Standard, Pratt Whithey) с использованием полиимидного углепластика PMR 15-Celion 6000 [333]: 1, 2 — навесные петли из стали или титанового сплава Ti- 6A1-4V; 3 — титановая пластина 4 — обшивка из PMR-15/Celion, углепластик структуры [0,±45,90]; (90 ° обеспечивает устойчивость к внешнему давлению, ±45° — сопротивление сдвигу 5 — клеевой эпоксидноуглеродный препрег HY-E-1364BB; 6 — элемент жесткости из PMR-15/Celion 6000, углепластик структуры [0,±45,90] (слои с ориентацией [0 °] параллельно продольной оси створки, пик нагрузок на середине створки, несколько слоев структуры [±45,90]) 3 4 5 6 7 8 А Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.51. Носовой (1, одна из крупнейших авиационных конструкций из ВПКМ длиной 5 ми хвостовые обтекатели (даны водном масштабе) фюзеляжа (2) и оперения (3) из малеинимидных связующее F-178) кварцепластиков самолета В-1В (Rockwell International) мидное типа X 5250 (второе поколение, отверждение аллильными соединениями при 180 Сч, то 210 Сч Т с = 310 С T 18,5 = 260 С, температурный индекс 200 С с = 180 Дж/м 2 ) — препреги Narmco-BASF 5250, Ciba 564, Ferro 2268; 2 — из смесей имидообразующих мономеров LARC-160 — препреги Ferro Для конструкций ВКС Hermes (рис. 4.54) использованы ВПКМ с наиболее высокими упруго-прочностными и тепло-прочностными свойствами (при использовании 1 3 2 10,24 мм Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость углеродных волокон с предельными для промышленных волокон показателями, достигнутыми к началу разработки ВКС. Так, для рабочей температуры 170 °C использованы углепластики на основе нитей IM6 (из ПАН, 12 000 филаментов обработка вводном растворе поливинилового спирта, затем жидкими низкомолекулярными эпоксидными пленкообразующим ρ = 1,73 г/см 3 , σ + = 4,4 ГПа, Е = 280 ГПа, ε + = 1,5%, фирмы Hercules) и малениимидного связующего БМИ С (второе поколение, отверждение аллильными соединениями при 200 Св течение 4 ч Т с = 235 СТ, НDТ/А 200 С, после равновесного водопоглощения — 150 С, G Ic = 300 Дж/м 2 ). Для рабочей температуры 250 С использованы углепластики на основе углеродных лент Torey Т ( σ + = 5 ГПа, Е = 300 ГПа, ε + = 1,9–5,8%) и малеинимидного связующего Х (второе поколение, отверждение аллильными соединениями при 180 Стер- мообработка при 210 С, Т с = 310 С, НDТ/А 260 С, температурный индекс 200 С, G Ic = 180 Дж/м 2 ; полуфабрикаты — препреги фирмы Narmko–BASF 5250, Ciba–Geigy 564, Ferro 2268); углепластики на основе лент Torey Т 800 и связующего на основе смеси имидообразующих мономеров LARC–160 (Т с = 330–370 С, после равновесного водопоглощения 280 С, G Ic = 230–280 Дж/м 2 , ρ = 1,32 г/см 3 , σ + = 0,5 ГПа, Е = 4,5 ГПа, ε + = 1,4% (полуфабрикаты фирмы Ferro2237); углепластики на основе углеродных нитей Celion 6000 (Е = 240ГПа) или лент (сатин Т) и связующих LARC–160 полуфабрикаты с 54–60 об. Т (препреги фирмы Ferro SPI 2310), σ + однонаправленного углеволокнита LARC-160/Celion 6000 при 25 Сна воздухе — 1,8 ГПа, Е соответствует 143 и 138 ГПа. Рис. 4.52. ПКМ в конструкции самолета Stealth B-2 [336, 337]: 1 — малеинимидные и полиимидные углепластики; 2 — эпоксидные (связующее MY-720) угле- и органопластики 3 — радиопоглощающие сотовые конструкции передних кромок крыльев Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.52 окончанием мм Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Рис. 4.53. Закрылок (А,3;Б;В;Г; А — другие конструкции, при изготовлении которых возможно применение полиимидных углепластиков) кормовой части ВКС Space Shuttle из полиимидного углепластика Celion 6000/LARC-160; Б — демонстрационный полноразмерный образец закрылка снижение массы по сравнению с закрылком из алюминия — 216,4 кг В — конструкция закрылка ширина 1980–2100 мм, длина 6000 мм, толщина 450 мм, изготовлен с применением термокомпрессионного формирования Г — силовая панель закрылка 1 — обшивка — трехслойная панель, толщина 19 мм, оболочки — полиимидный углепластик Celion 6000/LARC-160 структуры [0,±45] t, заполнитель — имидостеклосотопласт; 2 — ребра жесткости, трехслойные панели толщиной 12,7 мм оболочки из имидоуглепластика Celion 6000/LARC-160 структуры [0, ±45] t, заполнитель — имидостеклосотопласт; 3 — переизлучающие многоразовые теплозащитные плитки из УУКМ FRCI размером 152,4 ×152,4×50,8 мм 4 — образные нервюры из углепластика ПИУП Celion 6000/ LARC-160; 5 — полиимидный клей LARC-165 DBI; Д — конструкции стенок ВКС с использованием алюминиевых сплавов (1) и ПИУП (2) [302, В Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость Δm 480,5 кг 121,6 кг 397,5 кг 216,4 кг 436,8 кг 500 1) Конструкция из алюминия) Конструкция из ПИУП ( Δm ∼ 50%; в ≈ 0,5а) Т3 Т w = 1270 °C α ПИУП ≈ вα Al Т w = 1270 °C Т3 Клей (раб 315 °C) Клей (T раб 260 доп 315 доп 180 °C ПИУП Al Войлок из Kevlar 29 (Nomex) А Г Д в а Б Практическое использование принципов, определяющих термоустойчивость |