Россия
Россия
Россия
В настоящее время композиционные материалы на основе армирующих компонентов из стекловолокна или углеродного волокна, связанных смолами, используются для изготовления элементов судовых конструкций, что связано с меньшим весом конструкций, по сравнению со стальными, и сохранением высоких прочностных свойств. Требования к композиционным материалам приводятся в ряде нормативных документов, включая «Правила классификации и постройки морских судов» Российского морского регистра судоходства. Проблемой для широкого применения композиционных материалов в судостроении является их высокая стоимость и большие затраты на изготовление из них требуемых элементов. Требуется поиск новых, более дешевых видов материалов и упрощение технологии изготовления из них судовых конструкций, но с обеспечением требуемых прочностных характеристик и соответствия другим требованиям, предъявляемым к применяемым в судостроении материалам. Приводятся результаты авторской разработки элементов конструкций из композиционного материала двух составов: первый – эпоксидный компаунд Noapox 7550, отвердитель и по-лимерная нить; второй – эпоксидный клей ЭДП и полимерная нить. В результате были изготовлены листовые конструкции (маты) толщиной до 5 мм, которые возможно применять для изготовления как корпусных эле-ментов, так и элементов надстроек маломерных судов. Изготовление конструктивных элементов из компози-ционных материалов производилось на основе ручной контактной открытой формовки в лаборатории подвес-ных лодочных моторов ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» с последую-щими испытаниями для определения фактических прочностных показателей в лаборатории по изучению износов и испытаниям материалов ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта». В результате проведенных испытаний серии из пяти образцов было установлено, что у композиционного мате-риала на базе эпоксидного компаунда Noapox 7550 среднее значение параметра временного сопротивления при испытаниях на растяжение составило 22,8 МПа, среднее значение предела текучести – 21,2 МПа, а у материала на основе эпоксидного клея ЭДП средние значения этих параметров составили 15,1 и 9,3 МПа соответственно.
судостроение, композиционные материалы, полимерная нить, маломерное судно, контактное формование
Введение
Наиболее часто в судостроении применяются полимерные композиционные материалы, которые, согласно нормативным документам Российского морского регистра судоходства (РМРС) «Правила классификации и постройки морских судов. Часть XVI. Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов», пункт 1.2.2 [1], и «Правила классификации и постройки морских судов. Часть XIII. Материалы» [2], имеют в своем составе армирующие соединения и полимерную матрицу.
Согласно пункту 2.1.1 [1], требования РМРС распространяются на материалы, которые имеют в своем составе наполнители из стеклянных (или углеродных, арамидных) волокон и полимерные смолы. Данный вид материалов используется для изготовления корпусных и надстроечных элементов судов (как маломерных, так и большого водоизмещения). Композиционные материалы, которые предполагается использовать в судостроении, должны получить одобрение в РМРС, для чего необходимо пройти ряд обязательных типовых испытаний и проверок. Технология изготовления судовых конструкций из полимерных композиционных материалов должна, согласно пункту 2.1.2 [1], обеспечить стабильное качество продукции и возможность использования механизированных средств производства.
Вместе с тем ряд исследователей [3–7] отмечают, что для широкого применения полимерных композиционных материалов в судостроении необходимо снизить стоимость изготовления из них судовых конструкций.
Цель исследования – изготовить элементы судовых конструкций из композиционных материалов и произвести их испытания на прочность в соответствии с требованиями РМРС.
Задачи исследования:
– изучить требования РМРС к полимерным композиционным материалам и их характеристикам;
– изготовить образцы судовых листовых конструкций из полимерных композиционных материалов;
– произвести сравнительные испытания изготовленных образцов полимерных композиционных материалов на прочность при растяжении и изгибе.
Методы и материалы исследования
В качестве методов исследования использовались анализ и физический эксперимент.
В статье [8] авторами были проработаны вопросы изготовления из полимерных композиционных материалов таких судовых конструкций, как элементы обшивки корпуса маломерного судна, корпуса надстроек, транцевые доски для крепления подвесных лодочных моторов, амортизационные элементы для крепления виброактивных механизмов и др. После проведения испытаний ряда полимерных композиционных материалов [8] максимальный предел прочности 3,7 Н/мм2 при испытаниях на изгиб был достигнут при использовании композиционного материала со стеклянной фиброй (20 %) и полиэфирной смолой (80 %). Далее авторы приняли решение по изменению состава и пропорции полимерных композиционных материалов с целью повышения их прочностных характеристик.
В данном исследовании для изготовления листовых конструкций использовались полимерные композиционные материалы двух составов: первый – эпоксидный компаунд Noapox 7550 Medium (60 %), отвердитель (30 %) и полимерная нить (10 %); второй состав содержал эпоксидную смолу-универсал ЭД-20 (65 %), аминный отвердитель (30 %) и полимерную нить (5 %). Выбор данных составляющих связан с их широким распространением и достаточно низкой ценой, этим же обосновывается и выбор в качестве технологии изготовления открытого ручного контактного формования.
При изготовлении элементов из полимерных композиционных материалов учитывались требования РМРС [1] по относительной доле содержания армирующих материалов (в данном случае это отвердитель и полимерные нити) по массе в зависимости от методов формования. Так, при контактном формовании в полимерном композиционном материале содержание армирующих волокон должно быть не менее 0,3 – для стекломатов, 0,5 – для стекловолокна, 0,35 – для углеродного волокна.
Для соответствия требованиям по плотности укладки армирующих связей относительное содержание связующего материала в разных точках листов (матов) отличалось от среднего значения не более чем на 2 %. В качестве типовой конструкции листового элемента использовалась однослойная пластина. Изготовление конструктивных элементов из полимерных композиционных материалов производилось в лаборатории подвесных лодочных моторов ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет» по технологии, ранее описанной авторами в статье [8]. Общий вид полученных образцов из полимерных композиционных материалов приведен на рис. 1, 2.
Рис. 1. Конструктивный элемент из полимерного
композиционного материала
Fig. 1. Structural element made of polymer
composite material
Рис. 2. Образцы из полимерных композиционных
материалов для проведения испытаний
Fig. 2. Samples of polymer composite materials for testing
Вид серии образцов для отправки в лабораторию для испытаний приведен на рис. 3, а упакованных и отмаркированных образцов – на рис. 4.
Рис. 3. Вид серии образцов для отправки
в лабораторию для испытаний
Fig. 3. View of a series of samples to be sent
to the laboratory for testing
Рис. 4. Упакованные и отмаркированные
образцы для испытаний
Fig. 4. Packaged and labeled test samples
Дополнительно авторами был произведен анализ научно-технической литературы [9–12] с примерами результатов уже выполненных испытаний полимерных композиционных материалов, используемых в судостроении и судоремонте. В результате было установлено, что наиболее целесообразным является проведение испытаний на прочностные характеристики, а затем уже на водопоглощение, противопожарные свойства и т. д. При неудовлетворительных результатах основных прочностных испытаний проведение остальных видов испытаний уже не представляется необходимым.
При испытаниях образцов из композиционных материалов учитывались требования пункта 2.3.1.9 [1], согласно которым изготовителем армирующих материалов или конструкций из полимерных композиционных материалов должны быть проверены ламинирующие свойства этих материалов путем изготовления из них пластин методом контактного формования и методом инфузии на основе выбранных полиэфирных и винилэфирных связующих.
Из этих пластин должны быть вырезаны образцы в основных направлениях армирования и испытаны по методикам международных и/или национальных стандартов или по другим методикам, согласованным с Регистром, для определения следующих характеристик:
– предел прочности и модуля нормальной упругости при растяжении;
– предел прочности при изгибе;
– предел прочности при межслойном сдвиге.
Испытания производились специалистами лаборатории по изучению износов и испытаниям материалов ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» (г. Астрахань) в соответствии с требованиями ГОСТ 11262-2017 [13] и ГОСТ 4648-2014 [14] на испытательной универсальной машине ТРМ-П 100А1 Tochline и поверенными средствами измерений (рис. 5, 6).
Рис. 5. Испытания образцов на изгиб
Fig. 5. Bending tests of samples
Рис. 6. Испытания образцов на растяжение
Fig. 6. Tensile testing of samples
Испытания образцов производились в равных условиях при температуре 21 °С и относительной влажности 67 %.
Результаты исследования
В результате проведения испытаний были получены нижеследующие прочностные характеристики полимерных композиционных материалов обоих составов (количество образцов для испытаний составляло 5 шт. для каждого состава). Результаты испытаний приведены в таблице, сформированной по протоколам № 352цр, № 353из, № 353цр, № 354из, № 355из от 22.10.2024 и др., выданным лабораторией по изучению износов и испытаниям материалов ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» (г. Астрахань).
Результаты испытаний серии композиционных материалов
Test results of a series of composite materials
|
Номер образца |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Среднее |
|
Состав № 1: эпоксидный компаунд Noapox 7550, отвердитель и полимерная нить |
||||||
|
Испытания на изгиб |
||||||
|
Предел прочности, Н/мм2 |
3,8 |
3,7 |
3,8 |
3,6 |
3,9 |
3,8 |
|
Испытания на растяжение |
||||||
|
Временное сопротивление, МПа |
22,7 |
22,8 |
22,6 |
22,9 |
23,0 |
22,8 |
|
Предел текучести, МПа |
21,2 |
21,6 |
21,0 |
20,8 |
21,4 |
21,2 |
|
Состав № 2: эпоксидный клей ЭДП и полимерная нить |
||||||
|
Испытания на изгиб |
||||||
|
Предел прочности, Н/мм2 |
4,1 |
4,2 |
4,1 |
4,0 |
3,9 |
4,1 |
|
Испытания на растяжение |
||||||
|
Временное сопротивление, МПа |
15,1 |
15,0 |
15,3 |
15,2 |
15,0 |
15,1 |
|
Предел текучести, МПа |
9,2 |
9,1 |
9,4 |
9,3 |
9,4 |
9,3 |
Далее результаты представлены в виде средних значений для каждого объема выборки.
Для композиционного материала состава № 1: эпоксидный компаунд Noapox 7550, отвердитель и полимерная нить:
1. Испытания на изгиб: предел прочности – 3,8 Н/мм2 при максимальной нагрузке 72 Н.
2. Испытания на растяжение:
– максимальная нагрузка – 2 520 Н;
– временное сопротивление – 22,8 МПа;
– предел текучести – 21,2 МПа.
Для композиционного материала состава № 2: эпоксидный клей ЭДП и полимерная нить:
1. Испытания на изгиб: предел прочности – 4,1 Н/мм2 при максимальной нагрузке 108 Н.
2. Испытания на растяжение:
– максимальная нагрузка – 1 980 Н;
– временное сопротивление – 15,1 МПа;
– предел текучести – 9,3 МПа.
Согласно полученным результатам, при использовании эпоксидного компаунда Noapox 7550 и отвердителя временное сопротивление – больше на 51 %, а предел текучести – на 128 %, чем при использовании эпоксидного клея ЭДП. Предел прочности при изгибе у второго варианта композиционного материала – на 7,8 % выше, чем у первого. В то же время предел прочности новых материалов выше, чем при ранее используемом материале со стеклянной фиброй и полиэфирной смолой, соответственно, для материала первого варианта – на 3 %, а для второго – на 11 %.
Очевидно, что более высокие значения временного сопротивления и предела текучести у полимерного композиционного материала состава № 1 позволяют говорить о большей применимости его для изготовления элементов судовых конструкций, в отличие от материала состава № 2.
Если сравнить полученные результаты с нормами в отношении предела прочности на растяжение (которое соответствует временному сопротивлению материала), которые предъявляются РМРС [1], то для материалов на основе стекловолокна он должен быть не менее 63 МПа, а для углеродного волокна – не менее 85 МПа. Однако, поскольку в качестве основы в обоих вариантах композиционного материала использовалась полимерная нить, то возможно применение указанных выше материалов не для корпусных конструкций, а для вспомогательных, что требует проведения дальнейших исследований и обоснования для согласования области применения данных материалов в судостроении РМРС и Российским классификационным обществом (РКО). Например, формование с применением препрегов допускается применять для судов с длиной корпуса до 15 м и других конструкций, согласованных с Регистром.
Выводы
- Применение распространенных компонентов типа эпоксидных клеев ЭДП или компаундов Noapox 7550 для получения полимерных композиционных материалов низкой стоимости не позволяет получить материалы с требуемыми прочностными характеристиками для изготовления основных судовых конструкций. Например, требуемый минимальный уровень предела прочности при растяжении для первого варианта композиционного материала ниже нормы для стекловолоконных полимерных материалов в 2,8 раза, а для второго варианта состава – в 4,2 раза.
- Сравнительные испытания свидетельствуют о том, что применение эпоксидных компаундов Noapox 7550 с отвердителем и полимерной нити позволяет на 51 % повысить временное сопротивление материала и на 128 % увеличить предел текучести при растяжении по сравнению с первым составом. Предел прочности при изгибе снижается при этом на 7,8 %, что (по мнению авторов) не является серьезным недостатком данного состава.
- Применение полимерных композиционных материалов для изготовления корпусных судовых конструкций с прочностными характеристиками ниже норм, указанных в правилах классификационных обществ, возможно при условии согласования ими конкретной области судостроения или судовой энергетики, а также проведения требуемых испытаний не только на прочностные свойства, но и на вибропоглощение, пожарную безо-пасность, влагопоглощение и т. д.
1. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. XVI. Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов. СПб.: Изд-во РМРС, 2025. 168 с.
2. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. XIII. Материалы. СПб.: Изд-во РМРС, 2025. 367 с.
3. Корбова А. А. Проектирование легкой катерной надстройки из полимерных композиционных материалов // Тр. Крыл. гос. науч. центра. 2020. Вып. 2. С. 242–249.
4. Цыварев М. В., Ветлугина А. С. Подходы к технологии изготовления оболочки маломерного судна из КМ с легким заполнителем методом вакуумной инфузии // Неделя науки Санкт-Петербург. гос. мор. техн. ун-та. 2022. № 1-1. Порядковый номер 94.
5. Петров П. Ю. Преимущества применения полимерных композитных материалов при изготовлении маломерных судов // Мор. вестн. 2021. № 4 (80). С. 11–12.
6. Leonidas Dokos. Выбор композитов для судостроения – глобальная перспектива. URL: https://composite.ru/files/vybor_kompozitov_dlya_sudostroeniya.pdf (дата обращения: 21.12.2024).
7. Мишкин С. И., Дориомедов М. С., Кучеровский А. И. Полимерные композиционные материалы в судостроении // Новости материаловедения. Наука и техника. 2017. № 1 (25). C. 60–70.
8. Рубан А. Р., Булгаков В. П., Хмельницкий К. Е., Власов С. В., Мельников А. В. Технология изготовления об-разцов из композитных материалов для проведения лабораторных испытаний // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2024. № 2. С. 25–31.
9. Алсаид М., Саламех А., Мамонтов В. А. Исследование судостроительного полимерного композиционного ма-териала на прочность // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2019. Т. 11. № 3. С. 543–553. DOIhttps://doi.org/10.21821/2309-5180-2019-11-3-543-553.
10. Францев М. Э., Кирейнов А. В. Результаты сравнительных испытаний композиционных материалов судостро-ительного назначения на основе стеклянных и базальтовых волокон на полиэфирном связующем на водопоглощение // Трансп. системы. 2019. № 1 (11). С. 41–48.
11. Королев С. А., Назаров А. Г. Сравнительный анализ критериев местной прочности судовых конструкций из композиционных материалов // Науч. проблемы вод. трансп. 2022. № 73 (4). С. 45–56.
12. Мелешин М. А., Саламех Али, Алсаид Мазен. Опыт применения композитных материалов в судостроении // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2022. № 2. С. 44–50.
13. ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2:2012). Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.: Стандартинформ, 2018. 20 с.
14. ГОСТ 4648-2014. Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб. М.: Стандартинформ, 2016. 25 с.
