EN
Вплив вологи на смолеві системи UD-препрегу
Системи смол, що використовуються для однонапрямлених напівфабрикатів (преґрегів), як епоксидні, так і фенольні, є високогігроскопічними й добре поглинають вологу, особливо при температурі скловидного переходу (Tg) цих смол. Полімерні ланцюги в смолах містять полярні групи, що утворюють зв’язки з водою. Це призводить до двох основних проблем: (i) пластифікації смоли під впливом води та (ii) гідролізу — розриву хімічних зв’язків у системі смоли під дією води. Значне поглинання вологи (понад 60 % відносної вологості) відбувається протягом кількох днів у зонах, багатих смолою, між волокнами, що призводить до набухання та внутрішніх напружень, спричинених поглинанням води смолою. Смола стає м’якшою й гірше зчіплюється з волокнами. Як наслідок, передача навантаження через межу «смола–волокно» порушується. Це особливо проблематично для однонапрямлених преґрегів, оскільки концентрація смоли в них є вищою у напрямку волокон.
Вологість сприяє виникненню потенційних точок відмови навіть до початку процесу затвердіння. Виробники повинні зменшувати цей ризик під час зберігання та обробки.
Динаміка дифузії: механізм одномірної волоконної архітектури та вплив вологи навколишнього середовища
Однонаправлений (UD) напівфабрикат убирає воду значно швидше, ніж тканинні матеріали, і одна з головних причин цього — спосіб взаємодії вологи з волокнами. Оскільки всі волокна розташовані прямолінійно, у місцях з’єднання волокон із смолою утворюються мікроканали. Це дозволяє волозі проникати крізь пучки волокон із швидкістю, що в 3–5 разів перевищує швидкість її проникнення крізь саму смолу за однакових умов вологості. Наприклад, при відносній вологості 75 % однонаправлений напівфабрикат стандартної товщини почне вбирати воду вже через 8 годин — набагато раніше, ніж тканинні матеріали, які потребуватимуть для цього 2 дні. Це явище зумовлене трьома основними чинниками. По-перше, прямолінійні волокна в напівфабрикаті мають більше співвідношення об’єму до площі поверхні, що забезпечує ефективніше переміщення вологи. По-друге, ерозія пучків волокон залишає після себе канали для вологи, що ще більше посилює її проникнення крізь смолу. Такі умови швидко погіршують цілісність напівфабрикату. Цикли нагрівання й охолодження призводять до виникнення дуже малих струмів усередині пучків волокон, що прискорює ерозію напівфабрикату вологою.
Мікровакууми, пухирці та розшарування в ламінатах із односпрямованих напівфабрикатів у матриці
Утворення вакуумів під впливом вологи (>0,3 мас.% → збільшення об’єму вакуумів понад 15 %, згідно з ASTM D2734)
Мікровакууми утворюються в композитних матеріалах під час процесу затвердіння, коли волога, поглинута матеріалами, перетворюється на пару й розширюється. Об’єм вакуумів може перевищувати 15 % загального об’єму навіть за рівня вологості всього 0,3 мас. %. Такий стан є неприйнятним згідно з авіаційними стандартами ASTM D2734. Згодом вакууми створюють серйозні проблеми для місць з’єднання смоли й волокон, призводячи до нестачі смоли в цих зонах і зниження структурної міцності композиту. Односпрямовані напівфабрикати у матриці чутливі до вологи й схильні поглинати її значно легше, ніж інші композитні напівфабрикати. Виробники тому повинні строго контролювати рівень відносної вологості, щоб запобігти надмірному утворенню вакуумів і забезпечити, що композитні напівфабрикати не будуть відхилені під час виробництва.
Дефекти, пов’язані з процесом вулканізації: пухирі та міжшарове розшарування через вологу
Коли воля волога у композитних матеріалах, її наявність призводить до зростання парового тиску під час автоклавування, що спричиняє утворення пухирів у смолі та розшарування шарів. Дані чітко свідчать: під час автоклавування композитна преформа з відносною вологістю понад 75 % під час накладання шарів преформи майже вдвічі частіше утворювала пухирі порівняно з композитною преформою з відносною вологістю менше 30 % під час накладання шарів преформи. Після виникнення витоку смоли та розшарування шарів шкідливі механічні напруження можуть ще більше загострювати ці проблеми. Ці проблеми мають істотне значення для стійкості літакових компонентів до втоми через критичну важливість структурної цілісності літакових компонентів. Умови зберігання та транспортування преформ показують, наскільки важливе управління сухим приміщенням для забезпечення того, щоб односпрямовані композитні преформи демонстрували ідеальні експлуатаційні характеристики після введення їх у експлуатацію.
Реальні наслідки: вплив на відмови в експлуатації та сертифікацію в галузі авіації та космонавтики
Інцидент розшарування обшивки крила літака Airbus A350: причиною визначено надлишковий вміст вологи в односпрямованому напівфабрикаті (UD Prepreg)
Під час проведення льотних випробувань одного з останніх розроблених літаків інженери виявили, що розшарування обшивки крил було спричинене надмірною вологістю унінапрямленого (UD) напівфабрикату. Що означає «надмірна вологість»? Просто — понад 0,4 мас. %. Що ж трапилося? Унінапрямлений напівфабрикат отримав мікротріщини, які не лише спричинили розшарування обшивки, а й призвели до серйозних наслідків: витрати на повторне проектування склали 200 млн дол. США, а затримка перед отриманням сертифікату, відповідного бюлетеню Європейського агентства з безпеки польотів (EASA) 2022 року, становила 11 місяців. Такі затримки наглядно демонструють важливість контролю вологості в напівфабрикатах для запобігання дорогостоячому повторному проектуванню та регуляторним затримкам. Напівфабрикати, що піддаються впливу надмірної вологості, зазнають деградації матеріалів і потребують повторної кваліфікації відповідно до вимог FAA та EASA, що пов’язано з додатковими витратами. Дані щодо панелей фюзеляжу Boeing 787: експозиція при відносній вологості 75 % призводить до подвоєння кількості пухирів порівняно з контрольованими умовами зберігання при відносній вологості <30 %.
Дані, надані одним із провідних виробників аерокосмічної техніки щодо поглинання вологи панелями фюзеляжу, мають тривожні результати. Згідно з цими даними, панелі, які піддавалися впливу відносної вологості 75 % протягом 48 годин, мають приблизно 32 % пористості. УД-препрег, зберіганий за умов відносної вологості нижче 30 %, має 16 % пористості, що вважається меншою схильністю до вологозумовлених пухирців. Вологозумовлені пухирці вже вважаються за межами припустимих значень згідно з вимогами придатності літальних апаратів до експлуатації, які, згідно зі стандартом SAE AIR 7292, передбачають допустиму пористість не більше 5 % для основних конструктивних елементів фюзеляжу. І, звичайно, це також означає, що вартість ремонтних робіт стає надмірно високою. Ще одне цікаве відкриття, отримане в ході додаткових лабораторних досліджень, полягає в тому, що з кожним зростанням відносної вологості на 10 % безпечний час обробки препрегових матеріалів скорочується приблизно на 15 годин, тобто скорочується час до того моменту, коли смола піддається незворотному розкладу під впливом тепла. Саме тому в умовах виробництва ефективне регулювання вологості значно розширює робочий діапазон.
Ефективний контроль вологості для UD-препрегу
Найкращі методи: специфікації сухої кімнати (ISO 12944-2), пакети з осушувачем та інфрачервоне випромінювання у реальному часі (NIR)
Контроль якості матеріалів UD-препрегу або навіть просто підтримання рівня вологості на заданому рівні є обов’язковим. Наприклад, сухі приміщення, побудовані з метою відповідності або виконання стандарту ISO 12944-2, здатні підтримувати вологість на рівні 30 % (відносної вологості) або нижче, щоб запобігти розкладанню смоли під час обробки. Крім того, вакуумно упаковані індикаторні смужки для визначення вмісту вологи з десикантом здатні блокувати приблизно 95 % контакту повітря зі смолою порівняно зі стандартними плівками, що перешкоджають проникненню вологи. Для безперервного, неперервного вимірювання вмісту вологи в смолі (понад 0,1 мас. %) доступні інфрачервоні (NIR) датчики вологості, які подають сигнал тривоги при досягненні встановленого порогового значення. Застосування всіх вищезазначених методів у поєднанні дає надзвичайно ефективні результати: зниження кількості пор на 80 % та повне усунення бульбашок під час процесу затвердіння. Це особливо вражає, враховуючи впевненість, яку виробники отримали щодо своїх практик зберігання матеріалів на основі досліджень прискореного старіння, проведених у штучно створених спекотних і вологих середовищах, що моделюють тропічні умови.
ЧаП
Яка є основна проблема з системами смоли UD-препрегу?
Основною проблемою з системами смоли UD-препрегу є поглинання вологи, що призводить до пластичності та гідролізу, що, у свою чергу, порушує структурну цілісність матеріалу.
Чому UD-препреги поглинають вологу більше, ніж тканинні матеріали?
Прямобіжна конструкція волокон у UD-препрегах дозволяє проникненню вологи легше, ніж у тканинних матеріалах. Крім того, коливання температури посилюють проникнення вологи.
Які наслідки надлишку вологи в UD-препрегах?
Надлишок вологи може спричинити утворення пор, пухирів та розшарувань, що всі разом порушують структурну цілісність і можуть призвести до катастрофічних відмов.
Як можна контролювати вміст вологи в UD-препрегах?
Для контролю рівня вологи можна використовувати сухі приміщення, герметичну упаковку з осушувальним агентом та моніторинг у реальному часі за допомогою ближнього інфрачервоного випромінювання.