Результаты исследований свойств углепластиков на основе различных полимерных связующих, перспективных для изготовления конструкций космической техники

В РКК «Энергия» осуществляется разработка высоконагруженных конструкций транспортных кораблей из композиционных материалов на основе углеродных наполнителей. На этапе проектно-конструкторских работ особое внимание уделяется минимизации массы этих конструкций. После детального анализа различных вариантов снижения массы конструкции было принято решение выполнить ряд агрегатов (силовой каркас лобового теплозащитного экрана, аэродинамическую оболочку, корпус двигательного отсека) в виде трехслойных сотовых конструкций с несущими слоями из углепластика. Преимущества углепластиков в сравнении с традиционными конструкционными материалами (алюминиевые и титановые сплавы) общеизвестны — низкая плотность, высокие удельные характеристики прочности и жесткости, низкий коэффициент линейного расширения и др. [1]. Также были проведены оценочные исследования свойств углепластиков с целью их возможного применения для изготовления корпусов гермозамкнутых обитаемых отсеков (ГЗОО).

Целью настоящей работы являлось исследование свойств углепластиков на основе различных полимерных связующих для изготовления перспективных конструкций изделий космической техники.

объекты исследований

Композиционные материалы (КМ) — углепластики на основе различных углеродных наполнителей и полимерных связующих:

• •    углепластик ПСБ250/А на основе углеродной ткани марки 22500 и бисмале-имидного связующего SB -250 (УП-1), схема армирования углепластиков [0°/90°] n , где n — количество слоев;

• •    углепластик ПСБ250/Б на основе однонаправленной углеродной ленты Ку-лон-500/0,11 и бисмалеимидного связующего SB -250 (УП-2);

• •    углепластик ПСБ250/В на основе однонаправленной углеродной ленты из волокна марки IMS 65 и бисмалеимидного связующего SB -250 (УП-3);

• •    углепластик КМКУ3.150 на основе углеродной ленты Элур-0,1П и модифицированного эпоксидного связующего (УП-4);

• •    углепластик КМУ-4Э на основе углеродной ленты Элур-0,2П и связующего ЭНФБ (УП-5);

• •    углепластик КМКУ-4м.175 на основе ткани марки УТ-900 и модифицированного эпоксидного связующего (УП-6), схема армирования [0°/90°];

• •    углепластик 22500/НИИКАМ-РС на основе углеродной ткани марки 22500 и цианатэфирного связующего (УП-7), схема армирования [0°/90°].

Технологические режимы изготовления образцов углепластиков представлены в табл. 1.

Таблица 1

технологические режимы изготовления образцов углепластиков

Марка углепластика	Технология изготовления	Режим отверждения
УП-1	Вакуумнопрессовое формование	Нагрев до 180 °C и выдержка при 180 °C в течение 390 мин
УП-2
УП-3
УП-4		Нагрев до (175±5) °C и выдержка в течение 180 мин, давление прессования 5 кгс/см2
УП-5		Нагрев до (165±5) °C и выдержка в течение 360 мин
УП-6		Нагрев до (175±5) °C и выдержка в течение 180 мин
УП-7		Нагрев до (180±5) °C и выдержка в течение 180 мин

требования к силовым конструкциям

К силовым конструкциям предъявляются следующие требования:

• •    наличие вырезов: люки, иллюминаторы и т. д.;

• •    высокий уровень сосредоточенных нагрузок в интерфейсах;

• •    циклические температурные воздействия;

• •    обеспечение высокой точности геометрии конструкций при габаритах до 4 000 мм (в интервале эксплуатационных температур);

• •    минимизация дефектов, снижение пористости;

• •    герметичность конструкции (для ГЗОО);

• •    обеспечение требуемого ресурса.

Материалы, применяемые для изготовления ГЗОО, должны дополнительно отвечать следующим требованиям:

• •    низкая степень негерметичности;

• •    пожаробезопасность;

• •    низкое токсическое газовыделение;

• •    микробиологическая стойкость.

результаты механических испытаний

Все испытания по определению механических свойств углепластиков проводились на универсальной испытательной машине Zwick Z -150.

Определялись следующие механические характеристики углепластиков:

• •    предел прочности и модуль упругости, коэффициент Пуассона при растяжении [2];

• •    предел прочности при сжатии [3];

• •    предел прочности и модуль упругости при сдвиге [4];

• •    предел прочности при смятии [5].

Требования, предъявляемые к механическим характеристикам углепластиков, представлены в табл. 2.

Результаты испытаний по определению механических характеристик представлены в табл. 3. Испытания проводились на пяти образцах для каждого вида испытаний при одинаковой температуре.

Таблица 2

требуемые механические характеристики углепластиков (не менее)

Характеристика	Температура, °С
	20	150
Модуль упругости при растяжении Е р1, ГПа	140/60	125/50
Модуль упругости при сжатии Е сж1, ГПа	120/60	100/45
Предел прочности при растяжении З р , МПа	700/600	600/550
Предел прочности при сжатии 8сж, МПа	600/600	500/500
Модуль упругости при сдвиге G 12, ГПа	4/4	3/3

Примечание: В числителе — значения для углепластиков на основе однонаправленной ленты, в знаменателе — для углепластиков на основе ткани.

Таблица 3

результаты механических испытаний углепластиков при нормальной и повышенных температурах

Механические свойства	Температура испытаний, °C	Марка углепластика
		УП-1	УП-2	УП-3	УП-5	УП-6	УП-7
° р1 ’ МПа	20	787…989 912	697…875 788	1 490…1 990 1 740	699…879 795	555…630 563	723…824 801
	180	—	—	—	—	366…447 419	659…745 725
	195	666…987 882	734…911 794	1 620…1 710 1 690	—	—	—
Е р1, ГПа	20	62,7…67,8 64,9	255…315 289	135…173 154	146 146	55,1…63,1 59,7	57,9…67,0 63,8
	180	—	—	—	—	36,4…61,4 53,5	54,0…67,8 59,7
	195	61,6…72,4 65,7	209…273 246	123…148 137	—	—	—
^ i	20	0,049…0,084 0,064	0,049…0,331 0,26	0,281…0,304 0,292	—	0,058…0,082 0,067	0,042…0,052 0,053
	180	—	—	—	—	0,089…0,194 0,144	0,019…0,049 0,035
	195	0,058…0,086 0,068	0,172…0,251 0,217	0,220…0,299 0,272	—	—	—
П ' МПа	20	—	8,37…9,86 8,86	34,3…40,3 36,8	22,4…31,4 27,4	—	—
	195	—	7,55…9,63 8,49	31,7…38,0 35,6	—	—	—
Е , р2 ГПа	20	—	6,95…7,94 7,68	9,92…10,4 10,1	9,23…10,4 9,82	—	—
	195	—	5,18…7,12 6,21	8,58…9,47 8,92	—	—	—

Окончание табл. 3

Механические свойства	Температура испытаний, °C	Марка углепластика
		УП-1	УП-2	УП-3	УП-5	УП-6	УП-7
Р	20	—	0,015…0,020 0,014	0,023…0,027 0,026	0,013…0,039 0,026	—	—
	195	—	0,006…0,015 0,010	0,030…0,055 0,044	—	—	—
° сж1 ’ МПа	20	741…863 787	293…353 318	711…1 000 866	—	646….722 698	624…693 659
	180	—	—	—	—	160…190 176	439…504 479
	195	613…773 655	165…212 180	527…618 587	—	—	—
a сж2, МПа	20	—	92,2…106 99,6	153…187 171	121,85…134,95 132,52	—	—
	195	—	66,1…86,6 76,8	104…121 114	—	—	—
T 1,2, МПа	20	87,0…96,94 92,36	20,52…23,11 21,46	91,83…94,84 94	62,6…66,0 64,3	75,13…82,17 79,38	84,32…87,65 85,64
	180	—	—	—	—	17,72…18,7 18,22	40,43…44,64 42,57
	195	63,95…71,31 67,9	18,20…19,84 19,0	58,05…61,78 60,12	—	—	—
G 1,2 ГПа	20	3,97…5,69 4,88	2,74…2,95 2,87	6,45…6,75 6,62	46,23…58,24 54,79	4,96…6,30 5,55	4,29…4,81 4,56
	180	—	—	—	—	0,58…0,72 0,65	3,06…3,26 3,19
	195	3,94…4,62 4,28	2,15…2,48 2,3	4,07…4,84 4,44	—	—	—
a см, МПа	20	735…802 767	115,11…168,27 145,45	403,24…535,24 470,8	375…392 381	438,64…525,02 469,40	455,63…503,73 483,40
	180	—	—	—	—	149,01…192,19 165,33	328,25…376,11 359,27
	195	468…561 523	—	338,19…437,66 380,48	—	—	—
т , мс МПа	20	75,32…89,75 84,32	27,26…29,63 28,49	65,90…69,51 67,52	54,31…60,14 56,53	65,65…73,45 69,2	59,02…62,09 60,1
	180	—	—	—	—	19,74…23,0 22	43,92…47,29 45
	195	67,35…69,93 68,24	23,14…24,29 23,69	52,18…54,89 53,43	—	—	—

Примечание: а_р1 — предел прочности при растяжении вдоль направления основы ткани или вдоль направления армирования ленты; а_р2 — предел прочности при растяжении поперек направления основы ткани или направления армирования ленты; Е _р1 — модуль упругости при растяжении вдоль направления основы ткани или вдоль направления армирования ленты; Е _р2 — модуль упругости при растяжении поперек направления основы ткани или направления армирования ленты; р 1 — коэффициент Пуассона вдоль направления основы ткани или вдоль направления армирования ленты; р₂ — коэффициент Пуассона поперек направления основы ткани или направления армирования ленты; а_сж1 — предел прочности при сжатии вдоль направления основы ткани или вдоль направления армирования ленты; а_сж2 — предел прочности при сжатии поперек направления основы ткани или направления армирования ленты; т₁₂ — предел прочности при сдвиге (±45°); G 12 — модуль упругости при сдвиге; а_см — предел прочности при смятии; т_мс — предел прочности при сдвиге (по слою). В числителе приведены диапазоны значений механического свойства; в знаменателе — их средние значения.

Механические свойства исследованных углепластиков соответствуют требованиям, предъявляемым к высоконагруженным конструкциям космической техники.

результаты циклических испытаний

Циклические испытания углепластиков на растяжение–сжатие проводили в ЦНИИмаш на электродинамической испытательной машине Instron Electropuls E 10000, обеспечивающей заданный режим нагружения по амплитуде и частоте.

Усталостные характеристики на базе 104 циклов получены для всех марок углепластиков. Для УП-1 получены характеристики на базе 106 циклов. Испытания проводились на пяти образцах для одного цикла нагружения.

Результаты циклических испытаний для УП-1 на базе 106 циклов представлены на рис. 1.

Амплитуда напряжения, кге/мм2

Рис. 1. Зависимость количества циклов до разрушения от амплитуды напряжений образцов УП-1

Результаты испытаний углепластиков исходных и на базе 104 циклов представлены в табл. 4.

Таблица 4

результаты испытаний углепластиков исходных и на базе 104 циклов

Марка углепластика	о р , МПа	осж, МПа	ор-сж, МПа
УП-1	912	788	430
УП-2	794/8,86	318/239	200
УП-3	1 740/36,8	866/171	400
УП-6	563	698	320
УП-7	801	659	370

Примечание: о _р__сж — предел прочности при циклическом растяжении–сжатии. Числитель — направление приложения нагрузки вдоль армирования 0°; знаменатель — направление приложения нагрузки вдоль армирования 90°.

Наибольшее значение циклической прочности при растяжении–сжатии получено при испытаниях УП-3 на основе высокопрочной однонаправленной углеродной ленты из волокна марки IMS 65.

Для углепластиков наблюдается падение прочности на базе 104 циклов по сравнению с исходной:

• •    для УП-1 на 47% (по о ) и на 54% (по о_сж);

• •    для УП-2 на 25% (по о) и на 63% (по о_сж);

• •    для УП-3 на 23% (по о р ) и на 46% (по о_сж);

• •    для УП-6 на 57% (по о_р) и на 46% (по о_сж);

• •    для УП-7 на 46% (по о р ) и на 57% (по о_сж).

результаты испытаний по определению ударной вязкости

Испытания по определению ударной вязкости проводились при нормальных условиях на маятниковом копре РН-300 с регулируемой энергией удара 77…300 Дж по ГОСТ [6] на пяти образцах. Сущность метода заключается в испытании, при котором образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятника в средней части образца. Испытания проводились с энергией удара 77 Дж при скорости удара от 2,783 м/с. Расстояние между опорами — 40 мм.

Ударная вязкость разрушения для углепластиков составила:

• •    УП-1 — 168,3/125,8 кДж/м²;

• •    УП-2 — 6,75/5,0 кДж/м²;

• •    УП-3 — 182,5/145 кДж/м²;

• •    УП-6 — 40…42,5/40…57,5 кДж/м²;

• •    УП-7 — 100/142,8 кДж/м².

При этом числитель — направление испытания вдоль узкой стороны образца; знаменатель — направление испытания вдоль широкой стороны образца.

результаты определения межслоевой вязкости разрушения

(удельной работы расслоения)

Удельная работа расслоения определялась согласно ГОСТ [7] на пяти образцах.

Испытания при нормальной температуре проводили на универсальной испытательной машине Zwick Z -150 с датчиком усилия до 1 кН. Испытания заключались в непрерывном нагружении образцов с постоянной скоростью деформирования 2 мм/мин. Усилия раскрытия прилагались к образцу через специальные петли. Специальное приспособление для проведения испытаний представлено на рис. 2.

Рис. 2. Специальное приспособление для определения межслоевой вязкости разрушения

Испытания образцов проводились с за- писью диаграммы «нагрузка–длина раскрытия трещины», представленной на

Перемещение опоры о, мм

Рис. 3. Диаграмма зависимости «нагрузка – длина раскрытия трещины»: ■ — кривая нагружения

Результаты определения межслоевой вязкости разрушения (удельной работы расслоения) представлены в табл. 5.

Таблица 5

результаты определения межслоевой вязкости разрушения (удельной работы расслоения)

Марка углепластика	Удельная работа расслоения G 1c, кДж/м2
	При распространении трещины	В начале роста трещины
УП-1	0,265	0,173
УП-2	0,28	0,165
УП-3	0,27	0,098
УП-6	0,52	0,228
УП-7	0,44	0,196

определение теплофизических характеристик

Определение теплопроводности Х 3 (в направлении, перпендикулярном слоям ткани, Вт/(м∙К)) проводилось прибором ИТП МГ-4 на экспериментальных установках ВКУ и В13-11 в соответствии с ГОСТ [8]. Испытаниям подвергалось по пять образцов углепластиков каждого вида. Для компенсации отсутствия плоскостности и параллельности граней образцов, снижения и учета контактного теплового сопротивления использовались прокладки из материала ТП–ТРГ. Максимальная относительная погрешность измерения теплопроводности при температуре 20 °С составляет ±8%, при температурах -60, 90, 150, 180 °С она составляет ±15%. Результаты испытаний представлены в табл. 6.

Таблица 6

результаты определения коэффициента теплопроводности

Марка углепластика	Коэффициент теплопроводности углепластиков Х3, Вт/(м^К)
	Температура испытаний, °C
	–60	20	90	150	180
УП-1	0,44	0,54	0,58	0,61	0,62
УП-2	0,77	0,87	0,90	0,91	0,91
УП-3	0,60	0,71	0,74	0,76	0,76
УП-6	0,55	0,63	0,65	0,66	0,66
УП-7	0,45	0,53	0,55	0,56	0,56

Примечание. Разброс измеренных значений теплопроводности образцов углепластиков не более ±3%.

Определение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) а 1 , 1/K (параллельно слоям ткани для образцов на ее основе) проводилось дилатометром DIL 402 C/1/G [9]. Испытаниям подвергалось по пять образцов углепластиков каждого вида.

Условия измерения ТКЛР: скорость нагрева образцов 2,0 ± 0,1 °С/мин; рабочая среда гелий; давление 750 ± 15 мм рт. ст.; сила прижатия толкателя 0,15 Н.

Максимальная погрешность измерения ТКЛР составляет ±0,3·10–6 1/К. Результаты испытаний представлены в табл. 7.

Таблица 7

Окончание табл. 8

результаты определения температурного коэффициента линейного расширения

Марка углепластика	Температурный коэффициент линейного расширения углепластиков a^106, 1/К
	Температура испытаний, °C
	–60	20	90	150	180
УП-1	2,4…6,1 3,7	2,3…6,4 3,8	2,4…6,7 3,9	2,9…7,3 4,4	3,2…7,9 4,7
УП-2*	–1,5…–0,1 –0,9	–1,8…0 –1,0	–2,2…–0,2 –1,1	–2,4…–0,2 –1,2	–2,5…–0,2 –1,2
УП-3*	–0,45	–0,60	–0,35	0,05	–0,1…0,7 0,25
УП-6	2,3	2,7	2,7	2,6	2,4
УП-7	2,3…3,8 2,8	2,4…4,2 3,0	2,8	2,8	2,8

Примечание. * — результаты представлены для образцов углепластиков на основе однонаправленной ленты. В случае разброса измеренных значений ТКЛР, превышающих максимальную погрешность измерения, в числителе указаны минимальное и максимальное измеренные значения ТКЛР образцов, а в знаменателе — среднее значение ТКЛР для пяти образцов. ТКЛР (средний) рассчитывается по формуле: a = ( l _t - l 0 )/l ₀( t - 1 0 ), где 1 ₀ — длина образца при температуре 1 ₀ = 20 °C; l t — длина образца при температуре t .

Определение удельной теплоемкости (С, Дж/(кг·К)) проводилось калориметром дифференциальным сканирующим DSC 404 F1 в соответствии с ГОСТ [10]. Условия испытаний: образцы в виде спрессованного порошка помещались в тигель с крышкой из платинородиевого сплава; скорость нагрева образцов 5 °С/мин; рабочая среда — аргон; давление — атмосферное. Максимальная относительная погрешность измерения удельной теплоемкости составляет ±3%. Результаты определения удельной теплоемкости углепластиков представлены в табл. 8.

результаты определения удельной теплоемкости углепластиков

Таблица 8

Удельная теплоемкость углепластиков, кДж/(кг·К)	Температура, °C
	20	90	150	180
УП-1	0,85	1,02	0,93…1,01 0,97	0,97…1,05 1,02
УП-2	0,81	1,00	1,05	1,10
УП-3	0,77	0,90…1,00 0,94	0,92…1,00 0,95	0,97…1,05 1,00

Удельная теплоемкость углепластиков, кДж/(кг·К)	Температура, °C
	20	90	150	180
УП-6	0,82	0,92…1,08 1,01	1,01…1,20 1,13	1,06…1,28 1,20
УП-7	0,87	1,04	1,14	1,13…1,22 1,17

Примечание. 1. Средние значения удельной теплоемкости при температуре 20 °С получены методом экстраполяции. 2. В случае разброса измеренных значений удельной теплоемкости, превышающих максимальную погрешность измерения, в числителе указаны минимальное и максимальное измеренные значения удельной теплоемкости образцов, а в знаменателе — среднее значение удельной теплоемкости для четырех образцов.

определение оптических характеристик

Определение оптических характеристик проводилось в соответствии с ГОСТ [11] на трех образцах. Определение оптических характеристик — коэффициента поглощения солнечной радиации A _s и излучательной способности е образцов углепластиков на основе различных препрегов — проводилось с помощью переносных серийных накладных фотометра ФМ-59 и терморадиометра ТРМ-«И». Значения измерений термооптических характеристик образцов углепластиков представлены в табл. 9.

значения измерений термооптических характеристик образцов углепластиков

Таблица 9

Марка углепластика	A s	е
УП-1	0,91	0,82…0,83
УП-2	0,91	0,81…0,83
УП-3	0,92	0,83
УП-6	0,91	0,84…0,85
УП-7	0,90	0,70…0,75
УП-7 (партия отформована в РКК «Энергия»)	0,90	0,83…0,84

определение удельного объемного сопротивления рv углепластиков

Определение р v проводилось с помощью тераомметра E6-13А в соответствии с ГОСТ [12] на пяти образцах.

Удельное объемное сопротивление для углепластиков составило:

• •    УП-1 — 2,1·10⁵…2,7·10⁵ Ом∙см;

• •    УП-2 — 1,9·10⁴…9,7·10⁴ Ом∙см;

• •    УП-3 — 1,4·10⁴…7,2·10⁴Ом∙см;

• •    УП-6 — 2,8·10³…5,4·10³Ом∙см;

• •    УП-7 — 2,2·10⁴…5,7·10⁴ Ом∙см.

Проведение исследования по газовыделению в вакууме

Испытания проводились в соответствии с ГОСТ [13] на трех образцах на установке, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Установка для исследования газовыделения в вакууме: 1 — напускной вентиль; 2 — цеолитовый насос; 3 — вакуумная камера; 4 — средства измерения давления в камере; 5 — пульт управления средствами откачки; 6 — турбомолекулярный насос; 7 — система охлаждения

Условия кондиционирования образцов: относительная влажность        (55±5)%;

температура                    (23±2) °C.

Продолжительность кондиционирования:                 100 ч.

Условия испытаний: давление в камере                P ≤ 110–5 мм рт. ст.;

температура нагрева образцов                       (125±2)°C;

температура конденсирующейся пластины                     (25±0,5) °C;

продолжительность испытания       24 ч.

Результаты испытаний представлены в табл. 10.

Исследованные углепластики удовлетворяют требованиям [14] по потере массы (<1% по ГОСТ [13]); количеству летучих конденсирующихся веществ (<0,1% по ГОСТ [13]); влагосодержанию (<1%).

Таблица 10

результаты испытаний при температуре нагрева образцов углепластиков 125 ° С

Марка углепластика	Характеристики газовыделения
	ПМ, %	Количество ЛКВ, %	Влагосодержание, %
УП-1	0,81	<0,01	0,5
УП-6	0,41	0,01	0,24
УП-7	0,29	<0,01	0,22

Примечание. ЛКВ — летучие конденсирующиеся вещества, ПМ — потеря массы.

определение степени негерметичности по гелиево-воздушной смеси при нормальной и повышенных температурах

Исследование образцов углепластиков проводилось с использованием специально разработанной установки, позволяющей определить степень негерметичности при температурах 20, 50 и 90 °C и перепаде давления на образцах 1,3 кгс/см2 с. Контрольный газ — 5%-ная гелиево-воздушная смесь.

Измерения степени негерметичности образцов по гелиево-воздушной смеси проводили по ОСТ [15] с использованием гелиевого масс-спектрометрического тече-искателя Leybold PhoeniXL 300 i dry , камеры с установленным в ней образцом и температурного шкафа ВШ-0,035.

Специальная камера для измерения степени негерметичности представлена на рис. 5.

Данный метод контроля заключается в том, что испытуемый образец материала герметично устанавливается между двумя камерами. В первой камере создается давление контрольного газа, во второй, в свою очередь подключенной к регистрирующему устройству (течеискателю), — вакуум. Течеискатель регистрирует повышение концентрации контрольного газа, который прошел сквозь образец, и выводит на экран величину газопроницаемости активной площади испытуемого материала. Кроме того, установка, изготовленная из теплопроводящего материала, может быть помещена в термошкаф для проверки величины степени негерметичности при различных повышенных температурах. Идея данных испытаний заключается в имитации факторов, воздействующих на изделия (в частности, на возвращаемый аппарат), изготовленные из испытуемого материала, как в космическом пространстве, так и при температурных нагрузках при спуске с орбиты. Требование технического задания по ГЗОО — не более

• 5 л·мкм рт. ст./с. Результаты испытаний по определению степени негерметичности образцов углепластиков в пересчете на поверхность ГЗОО с площадью 50 м² представлены в табл. 11. Испытания проводились на трех образцах при одной температуре.

а)

б)

Рис. 5. Специальная камера для измерения степени негерметичности: а — в собранном виде; б — в разобранном виде

Таблица 11

результаты испытаний по определению степени негерметичности образцов углепластиков

Марка углепластика	Оценка негерметичности, л·мкм рт. ст./с
	при 20 °C	при 50 °C	при 90 °C
УП-1	0,029…0,050	0,026…0,024	0,003…0,025
УП-6	0,0179	0,0611	0,0047
УП-7	0,177	3,540	14,160

Образцы углепластиков (за исключением УП-7), исследованных при температурах 20, 50, 90 °C, имеют степень негерметичности, сопоставимую с показателем алюминиевого сплава АМг6. Более обоснованный вывод о возможности применения исследованных углепластиков для изготовления гермозамкнутых обитаемых отсеков может быть сделан только после изготовления и проведения комплексных испытаний масштабного макета ГЗОО с люками, гермовводами и другими конструктивными соединениями.

Исследования показали, что образцы углепластиков обладают приемлемой низкой проницаемостью по отношению к воздуху и гелию. Тем не менее, при продолжении работ по созданию таких перспективных отсеков с корпусами из углепластиков следует уделить особое внимание исследованиям герметичности клеевых соединений деталей из углепластика, а также конструкционных элементов корпуса, в которых основной материал — углепластик — сопрягается с металлическими конструкциями люков, иллюминаторов, электрических и пневматических гермовводов, посадочным шпангоутом стыковочного агрегата. Также необходимо провести исследования по сохранению низкой газопроницаемости после воздействия эксплуатационных нагрузок, имитирующих полный жизненный цикл изделий.

Измеренные значения удельного газо-выделения образцов углепластиков в вакууме позволяют получить для корпусов крупногабаритных обитаемых отсеков оптимистические оценки суммарного газовыде-ления, значения которых соответствуют возможностям откачных систем имеющихся в настоящее время вакуумных камер, используемых для проведения испытаний на герметичность отсеков и пневмогидросистем космических аппаратов с использованием пробного газа гелия и гелиевых масс-спектрометрических течеискателей.

Также проводились исследования зависимости изменения температуры (20, 90, 150, 180 °C) образцов УП-1 от времени при циклическом нагреве (10 циклов). На основании измерений можно сделать вывод о том, что при циклическом нагреве негерметичность образцов УП-1 не изменилась.

оценка токсикологической безопасности и микробиологической стойкости

Испытания по оценке токсикологической безопасности и микробиологической стойкости проводились в Институте медикобиологических проблем РАН.

Исследование материалов по параметрам безопасного применения в герметичных замкнутых обитаемых отсеках для оценки токсикологической безопасности и микробиологической стойкости проводились в соответствии с требованиями [14–17]. Предлагаемые температурные условия эксплуатации внутри гермозамкнутых обитаемых отсеков:

40 °C — длительно; 90 °C — в течение 1 ч (токсикологическая безопасность). Микробиологическая стойкость определялась при температуре (29±2) °С; допустимая насыщенность материала при 40 °C — не менее 2,5 м2/м3. Грибостойкость — не более 3 баллов. Результаты исследований по токсикологической безопасности и микробиологической стойкости представлены в табл. 12. Токсикологическая безопасность исследовалась на трех образцах, микробиологическая стойкость — на пяти образцах.

Таблица 12

результаты исследований по токсикологической безопасности и микробиологической стойкости

Марка углепластиков	Допустимая насыщенность материала при 40 °C, м2/м3	Грибо-стойкость, баллы
УП-1	0,7	2–3
УП-1 (опытная партия)	2,5	4
УП-4	0,75	—
УП-6	2,5	2–3
УП-7	5,0	3–4

По допустимой насыщенности материала удовлетворяют требованиям углепластики УП-1 (опытная партия), УП-6 и УП-7.

По микробиологической стойкости удовлетворяют требованиям углепластики УП-1 и УП-6.

оценка пожарной безопасности

Исследования углепластиков по параметрам безопасного применения в ГЗОО для оценки их пожарной опасности проводились в соответствии с требованиями методики, разработанной РКК «Энергия».

Экспериментальное определение характеристик пожарной опасности материала при температуре 40 °C и расчетное определение характеристик пожарной опасности при температурах 90, 150 °C проводились в МЧС России. Для ГЗОО предел горения по концентрации кислорода С _пр должен быть не менее 40%. Пожарная безопасность определялась на 10 образцах каждого материала.

Предел горения по концентрации кислорода для углепластиков составил:

• •    УП-1 (опытная партия) — >40,0%;

• •    УП-1 — 20,5%;

• •    УП-6 — 20,5%;

• •    УП-7 — 22,5%.

Все образцы углепластиков являются горючими (Спр < 40%) и не могут быть рекомендованы для изготовления корпусов ГЗОО без доработки рецептуры, либо без применения специального негорючего покрытия.

выводы

Проведенный комплекс исследований позволил получить основные физико-механические характеристики углепластиков для проектирования перспективных высоконагру-женных конструкций космической техники.

Исследованные углепластики серии ПСБ могут быть использованы для изготовления конструкций космической техники, эксплуатирующихся при повышенных температурах.

Образцы углепластиков, за исключением углепластиков КМКУ3.150, 22500/ НИИКАМ-РС, исследованных при температурах 20, 50, 90 °C, имеют негерметичность, сопоставимую с алюминиевым сплавом АМг6. Более обоснованный вывод о возможности применения исследованных углепластиков для изготовления гермозамкнутых обитаемых отсеков может быть сделан только после изготовления и проведения комплексных испытаний масштабного макета отсека с люками, гермовводами и другими конструктивными соединениями, а также после исследований сохраняемости необходимой герметичности после воздействия эксплуатационных нагрузок.

Выполненные исследования показали отсутствие на сегодняшний день композиционного материала, удовлетворяющего всем требованиям, предъявленным к ГЗОО. В связи с этим требуется дальнейшее продолжение НИР по разработке и внедрению таких материалов.