Дополнительный нагрев может сделать авиационный композит более теплостойким — и одновременно менее прочным. Исследователи НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ выяснили, как найти полезный баланс для стеклопластика: после изготовления его нужно прогреть достаточно, чтобы улучшить свойства, но не настолько сильно или долго, чтобы материал начал терять прочность. Главный вывод работы: максимальная теплостойкость еще не означает максимальную надежность.
Для авиации это вполне практическая задача. Композиционные материалы помогают снижать массу конструкций, сохраняя необходимые прочность и жесткость. Но возможности таких материалов ограничивает не только армирующее волокно, но и полимер, который скрепляет волокна между собой. В исследованном стеклопластике эту роль выполняет бисмалеинимидное связующее ВСТ-71. Оно позволяет сначала изготовить деталь при температуре не выше 200 °C, а затем повысить ее теплостойкость дополнительным прогревом — уже без давления и специальной формовочной оснастки. Такой подход упрощает высокотемпературную стадию производства.
Чтобы подобрать условия этого прогрева, ученые исследовали стеклопластик ВПС-75 из девяти слоев стеклоткани. Все плиты изготовили одинаковым способом, а затем заготовки подвергли разной термической обработке. В первой серии температуру меняли от 200 до 330 °C с шагом 10 градусов, сохраняя продолжительность выдержки около восьми часов. Одну заготовку оставили без дополнительного нагрева для сравнения. Во второй серии выбрали температуру 250 °C и увеличивали суммарную длительность обработки: от 16 до 128 часов циклами по восемь часов. После этого проверили, как материал ведет себя при изгибе и насколько хорошо сопротивляется межслойному сдвигу — нагрузке, стремящейся сместить его слои относительно друг друга. Испытания проводили при комнатной температуре и при 220 °C.
Польза дополнительного нагрева связана с изменениями внутри полимерного связующего. В нем продолжают образовываться химические связи, которые ограничивают подвижность полимерных цепей. В результате повышается температура стеклования — температурная граница, вблизи которой полимерная матрица заметно теряет жесткость. У исходного стеклопластика этот показатель составлял 226 °C. После восьмичасовой обработки при 250 °C он достиг 263 °C, а после обработки при 330 °C — 340 °C. Если оценивать только эти цифры, самый горячий режим мог бы показаться лучшим. Но механические испытания показали другую картину.
Лучший баланс свойств авторы связывают с восьмичасовой обработкой в диапазоне 240–270 °C. Например, после прогрева при 260 °C средняя прочность при изгибе, измеренная при 220 °C, составила 808 мегапаскалей против 678 у материала без постотверждения — примерно на 19% больше. Прочность при межслойном сдвиге в тех же условиях выросла с 39,9 до 50,9 мегапаскаля, то есть примерно на 28%. При комнатной температуре обе характеристики остались близки к исходным. Иными словами, материал стал лучше переносить нагрузку в горячем состоянии без заметной потери прочности в обычных условиях.
Дальнейшее повышение температуры уже не давало такого преимущества. После обработки при 330 °C температура стеклования была самой высокой, однако прочность при межслойном сдвиге при комнатной температуре снизилась с 73,2 до 48,1 мегапаскаля — примерно на треть. А при испытании на изгиб при 220 °C такой стеклопластик показал почти тот же результат, что и образец без дополнительной обработки. Получилось важное различие: материал мог сохранять жесткое состояние до более высокой температуры, но выдерживать меньшую нагрузку.
Авторы объясняют это конкуренцией нескольких процессов. Дополнительные химические связи повышают теплостойкость, но делают полимерную матрицу менее способной перераспределять внутренние напряжения. При охлаждении возникают и напряжения из-за того, что стекловолокно и связующее по-разному меняют размеры. Слишком сильный или длительный нагрев также может усиливать окислительные процессы и повреждать взаимодействие между волокном и полимером. Конкретный вклад этих механизмов еще предстоит уточнить: исследователи отдельно отмечают необходимость дальнейшего изучения химических превращений в материале.
Увеличение времени обработки тоже оказалось полезным лишь до определенного предела. При 250 °C и суммарной выдержке 64 часа прочность при изгибе, измеренная при 220 °C, достигла 839 мегапаскалей — наибольшего среднего значения среди исследованных режимов. После 128 часов она снизилась до 790 мегапаскалей, хотя температура стеклования продолжила расти. При этом межслойная прочность в горячем состоянии еще немного увеличилась. Это показывает, почему нельзя выбрать режим по одному показателю: условия, выгодные для одного свойства, могут ухудшать другое.
Изменения были заметны и без приборов. По мере повышения температуры или длительности обработки стеклопластик темнел: желтый цвет сменялся коричневым, затем почти черным. Исследователи связывают это с превращениями в полимерной структуре и поверхностным окислением. После самой длительной выдержки — 128 часов при 250 °C — потемнение сопровождалось снижением прочности при комнатной температуре. Однако сама по себе окраска не заменяет испытаний: в работе ее рассматривают как сопутствующий признак изменений, а не как самостоятельный способ оценить надежность детали.
Здесь важен более широкий смысл: у сложного материала нет единственной «предельной температуры», которая сразу говорит все о его качестве. Нужно знать, как долго он нагревается, какую нагрузку несет и какие свойства сохраняет после обработки. В этой работе механическую прочность проверяли при 220 °C; полученные значения температуры стеклования не следует считать доказательством безопасной длительной эксплуатации при 300–340 °C. Практический результат исследования — обоснованный диапазон постотверждения конкретного стеклопластика, позволяющий улучшить его поведение при нагреве. Для инженеров это возможность совершенствовать материал не только за счет нового состава, но и за счет точно подобранного режима производства.
Исследование опубликовано в журнале «Труды ВИАМ»
Изображение на обложке: разработано Magnific
