Влага постоянно присутствует в любой окружающей среде, как в той, в которой получают композиционный материал, так и в той, где он всегда эксплуатируется. Влияние влаги на компо­зиционные материалы детально исследовано и известно, что она вызывает постепенное разрушение связующего. Влага находится в различных формах и со временем проникает во все органические материалы за счет процесса регулируемой диффузии, пока в ма­териале не будет достигнута равновесная концентрация влаги. Нагревание может вызвать структурные изменения в матрице, которые приводят к увеличению ее способности удерживать воду. Как правило, влага способствует ухудшению механических свойств матрицы. Удаление влаги из эпоксидных смол путем медленного высушивания матрицы приводит к восстановлению механических

Свойств материала до ис­ходного уровня. Влага иг­рает роль эффективного пла­стификатора смолы, который размягчает матрицу и сни­жает ее температуру стекло­вания. В последнее время вследствие существенного увеличения объемов приме­нения пластиков на основе эпоксидных смол в авиаци­онно-космических аппара­тах особое внимание уде­лялось изучению влияния влаги w них. Можно счи--
тать установленным, что влага разрушает вторичные связи между полимерными цепями, но не оказывает влияния на основные связи. Этот процесс обратим и не вызывает фатального разрушения матрицы. Единственным следствием выявленных воздействий влаги на композиционные материалы является то, что конструктор должен рассматривать их во взаимодействии с другими факторами окружающей среды. Как показано на рис. 19.2, влага заметно снижает температуру стеклования поли­мерной матрицы. С ростом влажности температура стеклования Тс падает.

Влияние влаги на механические свойства эпоксидных смол, армированных стеклянным и углеродным волокнами, исследовано в недавних работах 114]. Композит. AS/3501-6 из эпоксидной смолы и углеродного волокна был изготовлен в виде 18-слойных (0°, 45°; 90°; 8; 8; 2) панелей и выдержан при следующих усло­виях: 60 °С, относительная влажность 98 % — влажностно-теп - ловое старение в течение 3 сут. при 60 °С и относительной влаж­ности 98 % — 2 ч при 127 °С. Увеличение влагосодержания материала в результате выдержки во влажной среде в течение 90 сут и после 40 циклов теплового воздействия показано на рис. 19.3 и 19.4.

В результате поглощения влаги происходит снижение меха­нических характеристик композиционных материалов (табл. 19.1). Снижение сги при 127 °С после 90 сут. выдержки во влажной среде достигает 44 %, а после 40 термических циклов — 49 % (рис. 19.5). Соответствующее уменьшение предела прочности при горизон­тальном сдвиге при 127 °С составляет 51 и 56 % (рис. 19.6). Результаты этих исследований особенно важны для сверхзвуко­вых летательных аппаратов, когда температура окружающей среды на относительно короткое время достигает 127 °С. При использовании конструкций из улучшенных композиционных

Атсд, %

Рис. 19.5. Сохранение процентной доли предела прочности при изгибе Аая при 127 °С слоистого пластика после выдержки в различных условиях (в процентах указано влагопоглощение): 1 — исходное значение сги = 100 %; 2 — после выдержки во влажной среде в течение1 90 сут; 3 — после 40 термических циклов; а — без покрытия; б, в — покрытого фольгой соответственно после и во время отверждения

19.1. Влияние влагозащитных покрытий на сохранение прочности материала из эпоксидной смолы и углеродного волокна

Примечания. 1. Условия эксплуатации: контрольный образец — ны - сушенный; выдержка во влажной среде прн 60 °С, относительная влажность 98 %; одни термический цикл — выдержка 3 сут прн 60 °С и относительной влажности 98 %, после чего 2 ч при 127 °С.

2. Материал Л5/3501-6 с ориентацией 18слоев волокон (±4570790707±45°), состоящий из эпоксидной смолы и углеродного волокна.

3. Покрытия: после отверждения — алюминиевой фольгой 2024ТЗ толщиной 0,05 мм с обеих сторон композиционного материала; во время отверждения — сверху перфорированной фольгой 5036 толщиной 0,08 мм и снизу обычной фоль­гой 2024ТЗ толщиной 0,05 мм.

Материалов за пределами их расчетных возможностей необхо­димо защищать их от влияния влаги, приводящего к снижению прочности.

Разработано два метода нанесения покрытий, способных защитить ламинаты от проникновения влаги [14]. Оба способа основаны на использовании алюминиевой фольги, но в одном из них сплошная фольга наносится на отвержденный ламинат (вто­ричная операция склеивания), а во втором — соединяется с ла - минатом во время его отверждения. При использовании этих покрытий влагопоглощение армированных пластиков после вы­держки во влажной среде и после термических циклов умень­шается почти на 65 % (см. рис. 19.3 и 19.4). Последующие иссле­дования показали, что при окрашивании фольги падение влаго - поглощения может быть еще большим. Снижение влагопогло - Щения способствует лучшему сохранению прочностных свойств

10 П/р Да. Любина 289

& би, %

Рис. 19.6. Сохранение процентной доли предела прочности при горизонтальном сдвиге ДтСд ПРИ 127 °С слоистого пластика после выдержки в различных условиях (в процентах указано влагопоглощение):

1 — исходное значенне тСд — 100 %; 2 — после выдержки во влажной среде в течение 90 сут; 3 — после 40 термических циклов; а — без покрытия; б, в — покрытого фоль* гой соответственно после и во время отверждения

Композиционного материала (см. табл. 19.1). На рис. 19.5 пока­зано, как увеличивается сохранение прочности при изгибе, а на рис. 19.6 — сохранение прочности при сдвиге материала с покрытиями обоих типов после выдержки во влажной среде и термических циклов. Результаты еще ведущихся исследований говорят о том, что достигается еще больший эффект, если приме­нять окрашенную фольгу. Ранее проведенные на фирме «Грум - ман» и в других местах работы показали, что органические покры­тия не обеспечивают защиту от влаги изделий из эпоксидной смолы и углеродного волокна на том уровне, какой необходим для предотвращения критического снижения прочности в ре­зультате влагопоглощения.