Исследование прочности при сдвиге клеевых соединений с применением термостойких клеев для крепления теплозащитного покрытия на основе синтактового композитного материала при температурах 20, 150, 200 °C

Высокая усталостная прочность клеевых соединений (КС), обтекаемость поверхностей клеевых конструкций, стойкость к действию криогенных и повышенных температур, радиации и глубокого вакуума, возможность соединения разнородных материалов, снижения массы конструкций и ряд других особенностей определяют следующие принципиальные возможности использования клеевых систем в изготовлении ракет-носителей, искусственных спутников и больших космических кораблей:

• •    изготовление кабин и контейнеров;

• •    изготовление элементов жесткости в силовых и вспомогательных соединениях;

• •    крепление приборного оборудования;

• •    монтаж корпусов спутников и космических кораблей;

• •    крепление теплозащитных, теплоизоляционных и других неметаллических материалов;

• •    применение клеев для работ в космическом пространстве при монтаже элементов космических станций, межпланетных космических кораблей, спутников [1].

Теплозащитные материалы авиационной и ракетно-космической техники являются классическими примерами объектов, работающих при экстремальных нагрузках. Экстремальные условия определяются уровнями температуры и действующих механических напряжений, а также другими факторами: степенью химической агрессивности внешней среды, мощными радиационными, абразивноэрозионными воздействиями и т. д. Более подробное описание факторов воздействия представлено в работе [2].

В настоящее время рассматривается два типа полетов в космосе, после которых требуется возвращение корабля на Землю: во-первых, орбитальные полеты вокруг Земли и, во-вторых, полеты к Луне и другим планетам. При этом основной задачей является крепление теплозащиты на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран возвращаемого аппарата (ВА).

Ранее для многоразового космического корабля «Буран» [3] приклеивание теплозащитных элементов осуществлялось с использованием клея-герметика Эластосил 137-175М (совместная разработка Всероссийского научноисследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) и Государственного научноисследовательского института химии и технологии элементорганических соединений) [4, 5].

В настоящее время в качестве теплозащитного материала в пилотируемом транспортном корабле нового поколения (ПТК НП) используется синтактовый композитный материал (СКМ) на основе фенолформальдегидной смолы и стеклянных микросфер. Для крепления тепловой защиты из этого материала на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран ВА ПТК НП требуется подбор высокотемпературных клеев, соответствующих предъявленным техническим требованиям.

Целью настоящей работы являлось исследование термостойких клеев для крепления элементов тепловой защиты, в т. ч. на боковую поверхность и лобовой теплозащитный экран ВА ПТК НП.

технические требования, предъявляемые к клеевым композициям

Для склеивания материалов теплозащиты ВА, работающих в условиях нагрева при входе в атмосферу Земли со второй космической скоростью, необходимы термостойкие клеи, соответствующие следующим техническим требованиям:

• •    склеиваемые пары материалов: углепластики; стеклопластики; текстолиты, алюминиевые и титановые сплавы;

• •    допустимый зазор при склеивании ≤ 2,0 мм;

• •    температура эксплуатации -60^+200 ° C (не менее 2 ч);

• •    прочность клея должна быть выше прочности склеиваемых материалов;

• •    жизнеспособность композиции — не менее 1 ч.

Приоритетными являются высокопрочные пастообразные (тиксотропные, высоковязкие) клеи, обладающие широким диапазоном рабочих температур (-150^+250 ° C). Важным свойством клеев является возможность их нанесения на вертикальные поверхности (благодаря тиксотропной консистенции).

объекты и методы исследований

В качестве объектов исследований были рассмотрены высокотемпературные клеевые композиции различных производителей (разработчиков):

• •    эпоксидный клей холодного отверждения К-300-61 (ОСТ 92-0949-2013, ОАО «Институт пластмасс», г. Москва);

• •    пленочный клей горячего отверждения ВК-36 (ТУ 1-596-389-96, ВИАМ, г. Москва);

• •    вспенивающийся клей ВКВ-9 (ОСТ 92-0949-2013, ВИАМ, г. Москва);

• •    эпоксидный клей ВК-58 (ТУ 1-595-14-1149-2010, ВИАМ, г. Москва);

• •    конструкционный клей ЦМК-22-1 (исследовательская разработка, ОАО «Композит», г. Королев);

• •    Анатерм-201 (ТУ 2385-284-00208947-99); Анатерм-203 (ТУ 2385-284-00208947-99); Анатерм-204 (ТУ 2257-324-00208947-2000); Анатерм-216 (ТУ 2385-284-00208947-99) — эпоксидные металлонаполненные клеи-компаунды (НИИ полимеров им. В.А. Каргина, г. Дзержинск);

• •    полиуретановые клеи АДВ-11-1, АДВ-11-2 (ТУ 2252-034-22736960-98, ООО НПФ «Адгезив», г. Владимир).

Оценка прочности КС проводилась с использованием стандартных пластин для испытаний КС на сдвиг из сплава Д16 и материалов теплозащитного пакета (углепластик (УП) и СКМ при расчетных температурах эксплуатации (рис. 1)).

УП

Рис. 1. Образцы для определения предела прочности при сдвиге Примечание. СКМ — синтактовый композитный материал; УП — углепластик; Д16 — алюминиевый сплав.

Для изготовления образцов использовались:

• •    пластины УП (60×20×1,8) мм;

• •    пластины из алюминиевого сплава Д16 (60×20×2) мм;

• •    образцы из СКМ (20×15× h ) мм, где h — толщина ( h = 5 мм для клея ВК-36 и h = 3 мм для всех остальных клеев).

Склеивание проводили в технологической оснастке, предназначенной для изготовления образцов для определения предела прочности при сдвиге по ГОСТ 14759-69 [6] по режимам отверждения, установленным нормативнотехнической документацией.

Образцы пластин из УП и СКМ обезжиривались хлопчатобумажной салфеткой, смоченной ацетоном и туго отжатой.

Время выдержки поверхности образцов на пластинах из Д16, УП и для СКМ после обезжиривания составляло 40 мин.

Режимы отверждения клеев приведены в табл. 1

Таблица 1

Фактические режимы отверждения клеев

Клей	Температура, °C	Время, ч
К-300-61	25±5	24
ВК-36	175±5	3
ВКВ-9	25±5	24
ВК-58	25±5	72
Анатерм-201	25±5	48
Анатерм-204	25±5	48
Анатерм-203	25±5	24
Анатерм-216	25±5	72
АДВ-11-1	25±5	48
АДВ-11-2	25±5	48

Режимы испытаний. Испытания по определению прочности при сдвиге клеевых соединений проводились на испытательной машине Zwick Z -150:

• •    при температуре 20 ° C для клеевых пар соединений: УП+СКМ; алюминиевый сплав Д16+СКМ; Д16+Д16;

• •    при температуре 150 ° C для клеевых пар соединений: УП+СКМ;

• •    при температуре 200 ° C для клеевых пар соединений: Д16+СКМ; Д16+Д16.

Время выдержки при 150 и 200 ° C составляло 15 мин. Общее время выдержки с учетом нагрева составляло 17…20 мин. Схема испытаний образцов представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема испытаний образцов

Примечание. СКМ — синтактовый композитный материал.

анализ результатов испытаний

В ходе работы были рассмотрены высокотемпературные клеи: К-300-61, ВК-36, Анатерм-201, Анатерм-203, Анатерм-204, Анатерм-216, ВКВ-9, ВК-58, ЦМК-22-1, АДВ-11-1,АДВ-11-2. Приоритетными являлись клеи, обладающие большей технологичностью при нанесении и повышенной (~2 ч) жизнеспособностью. Для данных клеевых композиций были изготовлены образцы клеевых соединений для механических испытаний на сдвиг для различных пар материалов: УП+СКМ, Д16+СКМ, Д16+Д16.

Общие тенденции разрушения по материалам для всех клеевых композиций:

• •    для клеевой пары соединений УП+СКМ — преимущественно когезионный характер разрушения самого материала (УП или СКМ);

• •    для клеевой пары соединений Д16+СКМ — преимущественно адгезионный характер разрушения от Д16;

• •    для клеевой пары соединений Д16+Д16 для клеев АДВ-11-1, АДВ-11-2 — когезионный характер разрушения по клею.

Результаты испытаний представлены в табл. 2–4.

Таблица 2

результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений углепластик + синтактовый композитный материал

Клей

Прочность при сдвиге при 20 °C, кгс/см ²

Характер разрушения

Прочность при сдвиге при 150 °С, кгс/см ²

Характер разрушения

ВК-36

32,2–37,4

8 = 34,8

КУП = 85 — 90%

К СКМ =10%

39,2–45,3

8 = 42,4

КУП = 45%

К СКМ = 45%

АУП = 10%

33,5–37,8

	8 = 35,7
К-300-61	КУП = 80–90%

К СКМ = 10–20%

7,03–8,35

8 = 7,69

АУП = 85%

А СКМ = 15%

24,0–31,1

	8 = 26,7
ВКВ-9	Кклей = 95%

КУП = 5%

7,24–8,12

8 = 7,52

Кклей = 90%

КУП = 10%

26,1–42,9

ВК-58

8 = 32,6

КУП = 85%

К СКМ = 15%

19,4–22,7

8 = 20,9

К СКМ = 80%

Кклей = 10%

АУП = 10%

31,0–37,0

Анатерм-203

8 = 34,0

АУП = 60–80%

К СКМ = 20–40%

19,4–20,4

8 = 19,9

Кклей = 80–90%

АУП = 10–20%

Клей

Прочность при сдвиге при 20 °C, кгс/см ²

Характер разрушения

Анатерм-216

27,2–39,9

8 = 33,9

Кклей = 80–90%

АУП = 10–20%

Анатерм-201

24,3–31,2

8 = 27,2

АУП = 95%

К СКМ = 5%

Окончание табл. 2

Прочность при сдвиге при 150 °С, кгс/см ²

Характер разрушения

13,5–16,0

10,0–10,2

8 = 10,4 Аклей = 80%,

К СКМ = 20%

8 = 15,1

АУП = 80–90%

К СКМ = 10–15%

Кклей = 5%

Анатерм-204

22,9–36,7 8 = 30,4

КУП = 95%

К СКМ = 5%

13,2–17,4

8 = 14,7

Кклей = 100%

Примечание: 8 — среднее значение прочности при сдвиге; К, А — когезионный и адгезионный характеры разрушения: КУП — по углепластику; АУП — от углепластика; КСКМ, АСКМ — по синтактовому композитному материалу; Кклей, Аклей — по клею.

Таблица 3

результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений алюминиевый сплав д16 + алюминиевый сплав д16

Таблица 4

результаты механических испытаний образцов клеевых соединений при сдвиге для клеевой пары соединений алюминиевый сплав д16 + синтактовый композитный материал

Клей	Прочность при сдвиге при 20 °C, кгс/см 2 Характер разрушения	Прочность при сдвиге при 200 °C, кгс/см 2 Характер разрушения
ВК-36	33,3–33,4 5 = 33,4          Г                 1              ■ К СКМ = 95% А Д16 = 5%	5,26–13,6 5 8,53                             : -, А Д16 = 100%
К-300-61	28,7–32,3 5 30,06                              < А Д16 = 80% К СКМ = 20%	8,27–8,74 5 = 8,49 А Д16 = 100%
ВК-58	37,5–45,0 5 39,9                                 i КСКМ = 45% А Д16 = 45% К = 10% клей	18,0–21,2 ,, 5 = 19,4                                                 | К СКМ = 45% А Д16 = 65%
Анатерм-203	®||i 1|ввЯ^ 28,7–30,7 5 29,7 А Д16 = 90% К СКМ = 10%	■ . !■■№ 8,83–14,1 5 = 11,9               '''ННИВ™ А Д16 = 100%
Анатерм-216	36,1–46,3 5 42,2      1 ЖХ^ЬЭМШ^ Кклей = 90% А Д16 = 10%	1ЯИ^^®|Я№ 13,4–16,9 5 15,5                                   f К СКМ = 80% К клей = 20%
Анатерм-201	26,7–40,4 5 32,2   1      1Я АД16 = 70% К СКМ = 30%	5,67–8,98 5 7,58 А Д16 = 100%
Анатерм-204	; ■ '> ^МИИМ 28,8–35,6 5 31,3 А Д16 = 90% К СКМ = 10%	3,66–8,84 5 5,79 А Д16 = 100%

Примечание. См. примечание к табл. 2. А_Д16 — адгезионный характер разрушения от алюминиевого сплава Д16.

выводы

Наиболее высокие значения прочности при 20 и 150 ° C отмечены для клея ВК-36. Однако применение клея ВК-36 в составе изделия трудноосуществимо, так как он является клеем горячего отверждения.

Когезионный характер разрушения клея ВКВ-9 обусловливает его вспенивающаяся структура. В то же время это позволяет решить технологическую задачу по заполнению зазоров.

Клеи-компаунды Анатерм-203, Анатерм-216 являются металлонаполненными, что обусловливает их высокую вязкость и повышенные прочностные свойства. Эти свойства вызывают интерес для дальнейших исследований. Однако жизнеспособность клеев Анатерм-203, Ана-терм-204, Анатерм-201 и Анатерм-216 составляет менее 1 ч.

Клеи ВК-58, ЦМК-22-1 благодаря своей консистенции хорошо наносятся на поверхность образцов, однако не применимы для увеличенных зазоров.

По результатам анализа прочности при сдвиге при нормальной и повышенной температурах, характера разрушений клеевого соединения, а также по технологическим характеристикам на данном этапе выбраны для дальнейшей отработки следующие клеи: АДВ-11-1, ВК-58. Для клея ВК-58 установлено, что его адгезионная прочность выше прочности склеиваемых материалов.

Клей АДВ-11-1 обладает жизнеспособностью 3–5 ч и большей технологичностью при нанесении, а также — способностью слегка вспениваться, что позволяет решить технологическую задачу по заполнению зазоров.

Эти свойства вызывают интерес для дальнейших исследований. Планируется изготовление образцов для материалов теплозащитных покрытий на основе клея АДВ-11-1, проведение механических испытаний на сдвиг.