Статьи
Рассмотрены вопросы, связанные с применением клеевых связующих и клеевых препрегов в составе алюмостеклопластиков типа СИАЛ. Приводятся результаты исследований реологических и физико-механических свойств полимерной составляющей СИАЛов: клеевых связующих ВСК-14-1, ВСК-14-2 и ВСК-14-2мР, применяемых в составе клеевых препрегов КМКС-1.80.Т60.37, КМКС-2.120.Т60.37 (или 55) и КМКС-2мР.120.РВМПН.30 на основе стеклянных наполнителей. Показано, что для изготовления клеевых препрегов на основе стеклоровинга применительно к слоистым алюмополимерным композиционным материалам оптимальным является клеевое связующее ВСК-14-2мР с пониженной динамической вязкостью, повышенными деформационными и теплопрочностными характеристиками.
Введение
Полимерные композиционные материалы на основе эпоксидных связующих расплавного типа с повышенными деформационными характеристиками и волокнистых наполнителей имеют ряд преимуществ перед цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов, в связи с чем находят все более широкое применение в изделиях авиационной техники [1–3].
В настоящее время для дополнительного снижения массы и повышения ресурсных характеристик авиационных деталей разрабатываются многослойные композиционные материалы с использованием металлических и полимерных слоев применительно к конструкциям из листовых полуфабрикатов. Практический интерес представляют также слоистые алюмополимерные композиционные материалы на основе алюминиевых листов толщиной 0,3–0,5 мм и полимерного композиционного материала (стеклопластика), сформированного из 2–3 слоев клеевого препрега, армированного волокнистым стеклянным наполнителем [4–6].
За рубежом слоистые алюмополимерные композиционные материалы под общей маркой GLARE нашли применение в конструкции самолетов фирмы Airbus в качестве конструкционных материалов для силовых элементов планера (обшивок, стрингеров, противопожарных перегородок фюзеляжа и крыла, панелей пола, стопперов и др.). Благодаря пониженной плотности слоистого материала (в сравнении с алюминиевым сплавом марки 2024) достигнуто снижение массы конструкции на ~500 кг. В сравнении с монолитным сплавом материалы GLARE также обладают повышенными прочностными характеристиками, высоким сопротивлением росту усталостных трещин, устойчивостью к коррозии.
Развивая направление слоистых материалов с целью увеличения их применения в силовых элементах, зарубежные компании Airbus и Alcoa ведут широкие исследования по разработке гибридных конструкций, состоящих из листов алюминиевых сплавов и слоистого алюмостеклопластика GLARE для применения в ответственных деталях, в том числе в панелях крыла самолета.
Сотрудниками ФГУП «ВИАМ» разработаны и исследованы отечественные аналоги материалов GLARE – слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ (С (стеклопластик) И АЛ (алюминий). СИАЛы представляют собой алюмостеклопластики, при изготовлении которых тонкие алюминиевые листы сочетают с клеевыми препрегами на основе стеклотканей, после термообработки которых между алюминиевыми листами образуются прослойки стеклопластика. Сочетание этих материалов в одной конструкции обеспечивает получение уникальной комбинации характеристик материалов этого класса, перспективных для создания авиационной техники нового поколения с повышенными надежностью и ресурсом [7, 8].
Работа выполнена в рамках реализации комплексных научных проблем 15.1. «Многофункциональные клеевые системы» и 6.2. «Слоистые трещиностойкие, высокопрочные металлополимерные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Материалы и методы
Для проведения исследований применяются следующие материалы.
1. Эпоксидные связующие расплавного типа:
2. Клеевые препреги:
– КМКС-1.80.Т60.37 – ТУ1-595-24-452–94;
– КМКС-2.120.Т60.37 (или 55) – ТУ1-595-14-12007–2011;
– КМКС-2мР.120.РВМПН.30 – ТУ1-595-14-954–2006.
В составе клеевых препрегов использовали стеклянные волокнистые наполнители:
– ткань стеклянная конструкционная марки Т60(ВМП)-14 – ТУ6-48-05786904-111–92;
– стеклянный ровинг марки РВМПН-10-У00-14 – ТУ6-48-05786904-142–94.
Результаты и обсуждение
Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1 и СИАЛ-3 на основе тонких листов из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и стеклопластика, формирующегося в процессе изготовления СИАЛа из клеевого препрега марки КМКС-1.80.Т60.37, стали первыми представителями этого класса материалов. Клеевой препрег изготавливают на основе связующего ВСК-14-1 с теплостойкостью 80°С и волокнистого стеклянного наполнителя – кордной стеклоткани Т60(ВМП)-14 на основе высокомодульного волокна. При разработке первых представителей класса СИАЛов варьировали содержание связующего в клеевом препреге. Установлено, что качественный СИАЛ можно получить с применением препрега КМКС-1.80.Т60 с содержанием клеевого связующего 40–50% (объемн.).
В зависимости от направления укладки клеевого препрега при изготовлении конструкционного слоистого материала достигается прочность алюмостеклопластика при растяжении в продольном направлении от 600 до 900 МПа по сравнению с прочностью 430 МПа для монолитного алюминиевого сплава Д16ч.-АТ. Снижение плотности алюмополимерного материала до 15% обеспечивается за счет пониженной плотности слоев из среднепрочного алюминий-литиевого сплава марки 1441 с плотностью ~2,60 г/см3 и входящих в состав гибридного материала клеевых препрегов с низкой плотностью (~1,80–1,95 г/см3) [9, 10].
Свойства клеевых соединений алюминиевого сплава Д16-АТ с подготовкой поверхности анодированием в хромовой кислоте, выполненных с применением клеевого препрега КМКС-1.80.Т60.37, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Прочность при сдвиге клеевых соединений Д16-АТ (Ан.Окс.хр)–КМКС-1.80.Т60.37
после воздействия различных факторов
Состояние образцов |
Предел прочности при сдвиге, МПа, при температуре, °С |
|
20 |
80 |
|
В исходном состоянии |
33,0 |
27,5 |
После воздействия температуры 80°С в течение, ч: 500 1000 |
32,0 30,9 |
29,0 27,3 |
После воздействия условий тропического климата в течение, сут:
30 90 |
29,6 17,3 |
23,1 15,2 |
После воздействия влажности φ=98% в течение, сут: 30 90 |
29,6 22,3 |
23,1 16,3 |
Слой стеклопластика имеет плотность 1,8 г/см3, пористость не превышает 1,0%, гигроскопичность после выдержки в атмосфере с влажностью φ=98% в течение 30 сут составляет 0,35% (по массе), при выдержке в среде с влажностью φ=85% при температуре 60°С гигроскопичность составляет после 30 сут 0,9% (по массе), после 90 сут: 1,02% (по массе).
При выдержке в агрессивных средах в течение 30 сут слой пластика поглощает: 0,186% топлива ТС-1; 0,147% масла ИМП-10; 0,206% гидрожидкости Skydrol LD-4.
Проведены коррозионные испытания алюминиевого сплава Д16-АТ в контакте с отвержденным клеевым препрегом КМКС-1.80.Т60.55. Результаты испытаний показали, что препрег не вызывает коррозии алюминиевого сплава и может быть использован в контакте с алюминиевыми сплавами плакированными анодированными.
Следующим этапом в развитии данного научного направления явилось создание слоистых алюмополимерных композиционных материалов СИАЛ с применением алюминий-литиевого сплава 1441-РДТ11, который в сравнении с алюминиевым сплавом Д16ч.-АТ обладает повышенным модулем упругости (Е≈80 ГПа), пониженной плотностью 2,60 г/см3 и рекомендован к эксплуатации при температуре до 130°С вместо 80°С для алюминиевого сплава Д16ч.-АТ. В связи с использованием теплостойкого алюминий-литиевого сплава 1441-РДТ11 в качестве базового материала для слоистого алюмостеклопластика СИАЛ потребовалось применить в его составе стеклопластик с теплостойкостью 120°С. В качестве полимерной составляющей в составе СИАЛа выбран клеевой препрег марки КМКС-2.120.Т60.37 на основе эпоксидного клеевого связующего ВСК-14-2 расплавного типа с теплостойкостью 120°С и стеклоткани Т60(ВМП)-14.
Определение прочностных характеристик клеевых соединений алюминиевого сплава 1441-РДТ11, полученных с использованием клеевого препрега КМКС-2.120.Т60 с содержанием клеевого связующего ВСК-14-2 в препреге 30–37% (по массе), показало высокий уровень деформационных свойств этого связующего: прочность при отслаивании составила 4,5–5 кН/м в случае анодирования поверхности сплава в хромово-кислотном электролите и 8,4–9,9 кН/м в случае подготовки поверхности сплава по методу «Пиклинг».
Плотность стеклопластика, полученного на основе клеевого препрега КМКС-2.120.Т60.37, составляет 1,78 г/см3, пористость – не более 1,0% (по массе), водопоглощение за 45 сут: 1,2% (по массе). Клеевое связующее не вызывает коррозии алюминиевого сплава 1441. Разработанные на этой основе слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1-1 и СИАЛ-3-1 характеризуются механическими характеристиками на уровне материалов СИАЛ-1 и СИАЛ-3, однако работоспособны в более широком диапазоне температур – от -60 до +120°С. Материалы СИАЛ-1-1 и СИАЛ-3-1 также обладают высокими трещиностойкостью, удельной прочностью, стойкостью к усталостным нагрузкам, коррозионной стойкостью и пониженной плотностью (2,36 г/см3) [11, 12].
Повышения прочности композиционных материалов типа СИАЛ можно достичь путем использования новых наполнителей в их составе. Анализ полученных данных после комплексных испытаний образцов из алюмостеклопластиков типа СИАЛ, в составе которых используются стеклянные волокнистые тканые наполнители, показал, что к недостаткам можно отнести пониженный модуль упругости и недостаточную прочность при растяжении и сжатии из-за искривления нитей основы нитями утка, низкой плотности упаковки стеклянных волокон, в связи с чем невозможно создание стеклопластика с высоким объемным содержанием наполнителя (˃50%). Кроме того, ткань Т-60(ВМП)-14 не позволяет варьировать толщину монослоя получаемого стеклопластика и, соответственно, толщину изделия.
Для достижения СИАЛами с применением листов из высокомодульного алюминий-литиевого сплава 1441 уровня прочности при растяжении 990 МПа потребовалось решение следующих задач:
– выбор волокнистого наполнителя для стеклопластика;
– разработка и изготовление экспериментальных образцов теплостойкого связующего для клеевого препрега на основе стеклоровинга;
– разработка состава клеевого связующего с определенными реологическими, деформационными и прочностными характеристиками и теплостойкостью 120°С;
– разработка технологии изготовления клеевого препрега на основе теплостойкого клеевого связующего и стеклоровинга марки РВМПН-10-400.
За рубежом задача повышения прочностных характеристик гибридных материалов GLARE решается путем применения в их составе препрегов на основе ровинга – однонаправленных высокомодульных стекловолокон. Анализ научно-технической литературы в области создания стеклонаполнителей в виде ровинга для использования в составах слоистых металлополимерных конструкций показал, что основным критерием для получения высокомодульных высокопрочных непрерывных волокон является многофункциональность, т. е. сочетание таких свойств, как прочность, температуроустойчивость, усталостная стойкость, модуль упругости, стойкость к коррозии, старению и т. д.
Этим требованиям удовлетворяют стекловолокна марок ВМД и ВМП, содержащие в своем составе 57–60% SiO2; 24–26% Аl2О3; 4–9% MgO; 6–10% СаО; 0,4–0,8% TiO2; 0,07–0,15% ZrO2; 0,2–0,45% Fe2O3; 0,05–0,3% K2О; 0,05–0,3% Na2O. Прочность таких волокон составляет от 3600 до 4200 МПа, модуль упругости – от 9000 до 9200 МПа. Эти волокна отвечают задачам по созданию высокомодульного и высокопрочного препрега для алюмостеклопластиков нового поколения. На основании этих данных использовали отечественный стеклоровинг марки РВМПН-10-400.
Стеклоровинг марки РВМПН-10-400 состоит из однонаправленных некрученых жгутов из стекла ВМП, линейная плотность которых составляет 400–1900 текс. Жгуты состоят из элементарных волокон толщиной 10 мкм с прочностью с 4500–6000 МПа и модулем упругости >85 ГПа. Использование ровинга с увеличенной плотностью упаковки волокон позволило достичь максимального значения прочностных характеристик полимерного композиционного материала [13, 14].
Полное отсутствие микроповреждений достигается благодаря использованию стеклянного волокнистого наполнителя в виде ровинга в качестве нетканых форм, т. е. предварительно не подвергнутых текстильной обработке. Применение в составе препрега такого наполнителя позволяет достичь максимальных прочностных характеристик однонаправленного стеклопластика в изделии.
Высоковязкие клеевые связующие и волокнистые наполнители из однонаправленных некрученых жгутов (ровингов) из стекла ВМП, применяемые в первых СИАЛах, не обеспечивали равномерного нанесения связующего на наполнитель. Из-за этого в отформованном стеклопластике наблюдается большое количество макро- и микродефектов, вызывающих повышенную пористость стеклопластика и снижение прочностных характеристик изделия. При воздействии вибрационных и акустических нагрузок в процессе эксплуатации также снижается ресурс и надежность работы изделия, т. е. его устойчивость к циклическим нагрузкам не обеспечивается.
Данную проблему можно решить, разработав клеевое связующее для препрега на основе стеклоровинга, сочетающее пониженную динамическую вязкость с сохранением повышенных деформационных и теплопрочностных характеристик.
Клеевое связующее расплавного типа марки ВСК-14-2мР на основе смеси эпоксидных олигомеров и полиарилсульфона определенного строения отвечает всем необходимым требованиям: обладает пониженной динамической вязкостью и оптимальными реологическими (вязкостными) свойствами, что позволяет осуществить качественную пропитку стеклоровинга, удовлетворительное смачивание поверхности жгутов стеклоровинга по всей границе раздела и равномерное распределение связующего в составе препрега. Соотношение «связующее–стеклоровинг» и, соответственно, прочностные характеристики слоев стеклопластика применительно к конструкции авиационного изделия возможно варьировать в широких пределах, добиваясь при этом оптимальных реологических свойств.
В табл. 2 приведены свойства клеевых связующих, разработанных для применения в составе алюмостеклопластиков типа СИАЛ.
Таблица 2
Свойства клеевых связующих, используемых в составе алюмостеклопластиков СИАЛ
Свойства |
Значения свойств связующих |
||
ВСК-14-1 |
ВСК-14-2 |
ВСК-14-2мР |
|
Предел прочности при сдвиге клеевых соединений алюминиевых сплавов Д16-АТ или Д19-АТ, МПа (не менее), при температуре, °С: 20 80 150 |
19,6 19,5 – |
34,4 – 17,6 |
20 – 20 |
Предел прочности при отслаивании, кН/м (не менее) |
4 |
3,3 |
4 |
Температура стеклования, °С |
126–130 |
175–180 |
173–175 |
Массовая доля летучих веществ, % (не более) |
2 |
2 |
2 |
На рис. 1 представлена температурная зависимость динамической вязкости клеевых связующих ВСК-14-2мР, ВСК-14-2м и ВСК-14-3, которые нашли широкое применение в промышленности. Видно, что динамическая вязкость связующего ВСК-14-2мР изменяется с 50 Па·с при 90°С до 10 Па∙с при 120°С, в то время как динамическая вязкость связующего ВСК-14-2м в этом температурном интервале составляет от 451 до 75 Па·с, а связующего ВСК-14-3 – от 160 до 32 Па·с.
Следует отметить существенный разброс значений вязкости связующих при температуре 90°С при различных экспериментах: для связующего ВСК-14-2мР разброс составлял от 42,6 до 50 Па·с, для ВСК-14-2м – от 228 до 451 Па·с, для ВСК-14-3 – от 104 до 160 Па·с.
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости клеевых связующих ВСК-14-2мР (1), ВСК-14-3 (2) и ВСК-14-2м (3) от температуры
С целью определения продолжительности переработки связующего (время, в течение которого связующее контактирует с поверхностью наносящих валов в условиях длительного нагрева при постоянной температуре в процессе нанесения на наполнитель) исследовано изменение показателей динамической вязкости клеевого связующего ВКС-14-2мР при температуре 100°С во времени.
Установлено (табл. 3 и рис. 2), что реологические характеристики (Gʹ и Gʺ) клеевого связующего ВСК-14-2мР в течение 3 ч при температуре 100°С меняются незначительно. На графике зависимости динамического модуля упругости Gʹ и модуля потерь Gʺ от продолжительности выдержки при температуре 100°С точка пересечения кривых отсутствует (рис. 2), что связано с отсутствием момента гелеобразования и подтверждает возможность переработки клеевого связующего ВСК-14-2мР в препрег.
Таблица 3
Изменение динамической вязкости клеевого связующего ВСК-14-2мР
при продолжительном воздействии температуры 100°С
Продолжительность выдержки, ч |
Gʹ, Па |
Gʺ, Па |
Gʺ/Gʹ |
Вязкость, Па·с |
0 |
13 |
242 |
18,0 |
24,0 |
0,5 |
15 |
242 |
16,7 |
24,1 |
1 |
16 |
253 |
16,2 |
25,2 |
1,5 |
17 |
264 |
15,1 |
26,2 |
2 |
19 |
273 |
14,2 |
27,2 |
2,5 |
21 |
282 |
13,7 |
28,0 |
3 |
23 |
291 |
12,5 |
29,0 |
Рис. 2. Характер изменения вязкостных характеристик Gʹ и Gʺ клеевого связующего
ВСК-14-2мР в процессе длительной выдержки при температуре 100°С
Пониженная вязкость связующего ВСК-14-2мР обеспечивает стабильность показателей клеевого препрега КМКС-2мР.120.РВМПН и стеклопластика, отформованного из него, так как позволяет осуществлять нанесение клеевого связующего на стеклоровинг с наносом, разброс которого составляет 1,5–2%. Свойства стеклопластиков, используемых в составе СИАЛов, представлены в табл. 4.
Следует отметить, что равномерное нанесение клеевого связующего на поверхность стеклоровинга при изготовлении препрега обеспечивается использованием современного технологического оборудования с такими техническими характеристиками, которые позволяют изготовить препрег с содержанием связующего до 26–30% (по массе) вместо 30–35% (по массе) в клеевых препрегах КМКС-1.80 и КМКС-2.120 на стеклоткани Т-60(ВМП). Повышение значений прочностных характеристик стеклопластика при растяжении до 2000 МПа достигается благодаря применению в составе клеевого препрега стеклоровинга марки РВМПН-10-400 из однонаправленных некрученых жгутов из стекла ВМП с линейной плотностью 400–1900 текс [13, 14]. Свойства клеевых препрегов, используемых для изготовления алюмостеклопластиков СИАЛ, приведены в табл. 4.
Таблица 4
Свойства стеклопластиков на основе клеевых препрегов
Свойства |
Значения свойств клеевого препрега |
||
КМСК-1.80.Т60.37 |
КМКС-2.120.Т60.37 |
КМКС-2мР.120.РВМПН.30 |
|
Диапазон рабочих температур, °С |
-60÷+80 |
-130÷+120 |
-130÷+120 |
Плотность, г/см3 |
1,8 |
1,78 |
1,95 |
Предел прочности при растяжении, МПа: по основе по утку |
620 335 |
1325 700 |
1980 1000 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа: по основе по утку |
22,0 17,0 |
50,0 12,0 |
63,0 35,0 |
Предел прочности при сжатии, МПа: по основе по утку |
520 – |
930 220 |
1580 1100 |
Модуль упругости при сжатии по основе, ГПа |
30,0 |
40,0 |
50,0 |
Предел прочности при статическом изгибе, МПа: по основе по утку |
785 550 |
1275 130 |
2150 – |
Ударная вязкость, кДж/м2 |
200 |
200 |
210 |
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа |
75 |
70 |
80 |
Изготовление листовых заготовок из СИАЛа проводят способом автоклавного формования. Сборку пакета осуществляют симметричной ручной выкладкой предварительно раскроенных слоев клеевых препрегов и листов из алюминий-литиевого сплава с подготовленной под склеивание поверхностью. Для обеспечения адгезии клеевого связующего проводят подготовку поверхности листов из алюминий-литиевого сплава, которая включает два последовательных процесса: анодное оксидирование в хромовой кислоте и нанесение защитного адгезионного грунта.
С целью получения наиболее высоких прочностных характеристик СИАЛа поверхность алюминиевых листов предварительно готовили с применением анодного оксидирования. С целью снижения токсичности состава ванны для анодирования без ухудшения качества анодирования разработан специальный комбинированный состав электролита – фосфорно-сернокислотный, не содержащий хромовой кислоты. Разработанный технологический процесс анодирования имеет улучшенные характеристики по экологической безопасности (не содержит токсичных соединений шестивалентного хрома), обеспечивает получение высоких прочностных характеристик клеевых соединений в составе СИАЛа, а также их антикоррозионную защиту в различных климатических условиях.
Как правило, листовые заготовки из СИАЛа изготавливают способом автоклавного формования. Слои препрега выкладывают вдоль направления проката металлических листов. Соединение препрега в слоях производят встык. Собранный пакет, помещенный в вакуумный мешок, склеивают способом автоклавного формования при давлении от 0,08 до 0,085 МПа. Для повышения однородности распределения клеевого связующего в наполнителе применяют предварительный нагрев собранного пакета. Для уменьшения остаточных напряжений и исключения коробления охлаждение заготовок алюмостеклопластика проводят в автоклаве без снятия давления со скоростью не более 0,5°С/мин до температуры 40°С.
После формования в автоклаве на всех изготовленных листовых заготовках СИАЛа проверяют качество соединения между слоями листов из алюминий-литиевого сплава и стеклопластика с помощью ультразвукового контроля.
В табл. 5 представлены сравнительные характеристики слоистых материалов СИАЛ-1 и СИАЛ-3 с использованием алюминиевого сплава Д16ч.-АТ в сравнении с СИАЛ-1-1, СИАЛ-3-1 и СИАЛ-3-1Р с использованием алюминий-литиевого сплава 1441-РДТ11 пятислойной структуры (рис. 3) [15–19]. Из представленных данных видно, что слоистый алюмополимерный композиционный материал СИАЛ-1-1Р с применением листов из сплава 1441-РДТ11 и клеевого препрега марки КМКС-2мP.120.РВМПН.30 на основе ровинга из высокомодульного стекловолокна (с однонаправленной укладкой наполнителя и укладкой [0°/90°]) по уровню прочностных характеристик превосходит слоистые алюмополимерные композиционные материалы СИАЛ-1 на основе алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и клеевого препрега КМКС-1.80.Т60 и СИАЛ-1-1 на основе сплава 1441-РДТ11 и клеевого препрега КМКС-2.120.Т60.37 благодаря использованию в структуре СИАЛ стеклопластика на основе стеклоровинга с повышенной степенью армирования стекловолокнами.
Таблица 5
Основные свойства материалов СИАЛ пятислойной структуры
Материал |
Состав СИАЛа |
sв, МПа |
Е, ГПа |
d, кг/м3 |
Рабочая температура, °С |
|
алюминиевый сплав |
основа стеклопластика |
|||||
СИАЛ-1 |
Д16ч.-АТ |
Клеевой препрег марки КМКС-1.80.Т60.37 на основе клеевого связующего ВКС-14-1 и кордной стеклоткани Т-60 (ВМП) |
900 |
60 |
2470 |
80 |
СИАЛ-3 |
Д16ч.-АТ |
600 |
55 |
2470 |
||
СИАЛ-1-1 |
1441-РДТ11 |
Клеевой препрег марки КМКС-2.120.Т60.37 на основе клеевого связующего ВКС-14-2 и кордной стеклоткани Т-60 (ВМП) |
900 |
67 |
2360 |
120 |
СИАЛ-3-1 |
1441-РДТ11 |
600 |
64 |
2360 |
||
СИАЛ-1-1Р |
1441-РДТ11 |
Клеевой препрег марки КМКС-2мP.120.РВМПН.30 на основе клеевого связующего ВКС-14-2мР и ровинга из высокомодульного стекловолокна |
990 |
70 |
2350 |
120 |
СИАЛ-3-1Р |
1441-РДТ11 |
630 |
64,5 |
2350 |
||
Алюминиевый сплав |
Д16ч.-АТ |
– |
430 |
70 |
2780 |
80 |
1441-РДТ11 |
– |
430 |
79 |
2590 |
~130 |
Примечание. Технология изготовления клеевого препрега на стеклоровинге разработана сотрудниками ФГУП «ВИАМ» Ю.О. Поповым и Т.В. Колокольцевой.
Рис. 3. Структура пятислойного алюмостеклопластика типа СИАЛ
Заключения
Слоистые алюмостеклопластики типа СИАЛ, изготовленные методом автоклавного формования, обладают повышенной прочностью, трещиностойкостью и теплостойкостью. У этих материалов есть ряд преимуществ перед монолитными панелями из традиционных алюминиевых сплавов. Во-первых, применение листов из алюминий-литиевого сплава 1441, отличающегося пониженной плотностью и повышенным модулем упругости, позволяет снизить массу элементов деталей. Во-вторых, в конструкции из слоистых алюмостеклопластиков усталостная трещина развивается медленнее, чем в монолитных материалах за счет стопперов в виде прослоек из стеклопластика. В-третьих, использование в стеклопластике клеевого препрега, армированного наполнителем из высокопрочных высокомодульных стеклянных волокон, и разработанного клеевого связующего ВСК-14-2мР позволяет увеличить прочность слоистого гибридного материала в направлении выкладки. Это подтверждено результатами испытаний слоистых материалов СИАЛ-1-1Р и СИАЛ-3-1Р.
Композиционные материалы с использованием металлических и полимерных слоев – отечественные алюмостеклопластики СИАЛ – являются перспективными материалами и могут найти применение в конструкциях планера самолетов и вертолетов как основной конструкционный материал – например, в основных (обшивки агрегатов) и во вспомогательных вторичных элементах конструкций (дублеры обшивок, окантовка дверных проемов, противопожарные перегородки, перекрытия полов) и др.
Преимуществом гибридных материалов являются снижение массы конструкции благодаря пониженной плотности, повышение ресурсных характеристик при повторных нагрузках, увеличение жесткостных характеристик конструкции и технологичности при формообразовании деталей сложных форм. При производстве деталей автоклавным способом происходит совмещение формообразования со склеиванием слоев.
Благодарности
Авторы выражают благодарность к.т.н. Н.Ф. Лукиной, оказавшей научную и консультативную помощь в проведении данной работы и предварительном подборе материалов для проведения исследований.
2. Аниховская Л.И., Минаков В.Т. Клеи и клеевые препреги для перспективных изделий авиакосмической техники // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2002: юбил. науч.-технич. сб. М.: МИСИС–ВИАМ, 2002. С. 315–326.
3. Хрычев Ю.И., Шкодина Е.П., Магин Н.А. и др. Разработка технологического процесса изготовления радиопрозрачного обтекателя из клеевых препрегов типа КМКС-2м.120 // Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №2. С. 27–30.
4. Кротов А.С., Старцев О.В., Репин А.В. и др. Сорбция и диффузия влаги в металлополимерных слоистых системах // Сб. тр. Междунар. конф. «Слоистые композиционные материалы – 98». Волгоград, 1998. С. 170–171.
5. Кобец Л.П., Деев И.С. Структурообразование в термореактивных связующих и матрицах композиционных материалов на их основе // Российский химический журнал. 2010. №1. С. 67–78.
6. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19–21.
7. Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Котова Е.В. Высокопрочные трещиностойкие легкие слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ – перспективные материалы для авиационных конструкций // Технология легких сплавов. 2010. №1. С. 28–31.
8. Фридляндер И.Н., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. и др. Клееные металлические и слоистые металлополимерные композиты // Машиностроение: энциклопедия в 40 т. М.: Машиностроение, 2001. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / под ред. И.Н. Фридляндера, Е.Н. Каблова и др. С. 814–832.
9. Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г., Аниховская Л.И., Сидельников В.В., Дементьева Л.А. Слоистые металлополимерные композиты // Машиностроение: энциклопедия в 40 т. М.: Машиностроение, 2001. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / под ред. И.Н. Фридляндера, Е.Н. Каблова и др. С. 185–195.
10. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. Специальный выпуск: Перспективные конструкционные материалы и технологии. С. 174–184.
11. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и Tu Delft // Цветные металлы. 2013. №9 (849). С. 50–53.
12. Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Аниховская Л.И. Клеи и материалы на их основе для ремонта конструкций авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2002. №1. С. 61–65.
13. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Свойства и назначение композиционных материалов на основе клеевых препрегов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №8. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 05.02.2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-8-6-6.
14. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Петрова А.П. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19–24.
15. Lukina N.F., Dement’eva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V. et al. Adhesive prepregs and composite materials on their basis // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. No. 5. P. 1022–1024.
16. Серебренникова Н.Ю., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ерасов В.С., Каширин В.В. Гибридные слоистые материалы на базе алюминий-литиевых сплавов применительно к панелям крыла самолета // Авиационные материалы и технологии. 2016. №3 (42). С. 3–8. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-3-3-8.
17. Орешко Е.И., Ерасов В.С., Подживотов Н.Ю. Выбор схемы расположения высокомодульных слоев в многослойной гибридной пластине для ее наибольшего сопротивления потере устойчивости // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. С. 109–117. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-s4-109-117.
18. Лещинер Л.Н., Кишкина С.И., Старова Е.Н., Федоренко Т.П., Булгакова Е.Н. Свойства неплакированных и плакированных листов из сплава 1441 // Цветные металлы. 1994. №4. С. 56–59.
19. Орешко Е.И., Ерасов В.С., Подживотов Н.Ю., Луценко А.Н. Расчет на прочность гибридной панели крыла на базе листов и профилей из высокопрочного алюминий-литиевого сплава и слоистого алюмостеклопластика // Авиационные материалы и технологии. 2016. №1 (40). С. 53–61. DOI: 10.185.77/2071-9140-2016-0-1-53-61.
2. Anikhovskaya L.I., Minakov V.T. Klei i kleevye prepregi dlya perspektivnykh izdelij aviakosmicheskoj tekhniki [Glues and glue prepregs for perspective products of aerospace equipment] // Aviacionnye materialy. Izbrannye trudy «VIAM» 1932–2002: yubil. nauch.-tekhnich. sb. M.: MISIS–VIAM, 2002. S. 315–326.
3. Khrychev Yu.I., Shkodina E.P., Magin N.A. i dr. Razrabotka tekhnologicheskogo processa izgotovleniya radioprozrachnogo obtekatelya iz kleevykh prepregov tipa KMKS-2m.120 [Development of technological process of manufacturing of radio transparent fairing from glue prepregs of the KMKS-2M.120 type] // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2013. №2. S. 27–30.
4. Krotov A.S., Starcev O.V., Repin A.V. i dr. Sorbciya i diffuziya vlagi v metallopolimernykh sloistykh sistemakh [Sorption and moisture diffusion in metalpolymeric layered systems] // Sb. tr. Mezhdunar. konf. «Sloistye kompozicionnye materialy – 98». Volgograd, 1998. S. 170–171.
5. Kobec L.P., Deev I.S. Strukturoobrazovanie v termoreaktivnykh svyazuyushchikh i matricakh kompozicionnykh materialov na ikh osnove [Structurization in thermosetting binding and matrixes of composite materials on their basis] // Rossijskij khimicheskij zhurnal. 2010. №1. S. 67–78.
6. Dementeva L.A., Serezhenkov A.A., Lukina N.F., Kucevich K.E. Kleevye prepregi i sloistye materialy na ih osnove [Adhesive prepregs and layered materials on their basis] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 19–21.
7. Senatorova O.G., Antipov V.V., Lukina N.F., Sidelnikov V.V., Kotova E.V. Vysokoprochnye treshchinostojkie legkie sloistye alyumostekloplastiki klassa SIAL – perspektivnye materialy dlya aviacionnykh konstrukcij [High-strength cracker resistance lungs layered aluminum fiber glasses class SIAL – perspective materials for aviation designs] // Tekhnologiya legkikh splavov. 2010. №1. S. 28–31.
8. Fridlyander I.N., Anikhovskaya L.I., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V. i dr. Kleenye metallicheskie i sloistye metallopolimernye kompozity [Glued metal and layered metalpolymeric composites] // Mashinostroenie: enciklopediya v 40 t. M.: Mashinostroenie, 2001. T. II-3: Cvetnye metally i splavy. Kompozicionnye metallicheskie materialy / pod red. I.N. Fridlyandera, E.N. Kablova i dr. S. 814–832.
9. Fridlyander I.N., Senatorova O.G., Anikhovskaya L.I., Sidelnikov V.V., Dementeva L.A. Sloistye metallopolimernye kompozity [Layered metalpolymeric composites] // Mashinostroenie: enciklopediya v 40 t. M.: Mashinostroenie, 2001. T. II-3: Cvetnye metally i splavy. Kompozicionnye metallicheskie materialy / pod red. I.N. Fridlyandera, E.N. Kablova i dr. S. 185–195.
10. Kablov E.N., Antipov V.V., Senatorova O.G., Lukina N.F. Novyj klass sloistykh alyumostekloplastikov na osnove alyuminij-litievogo splava 1441 s ponizhennoj plotnostyu [New class layered aluminum fiber glasses on basis aluminum - lithium alloy 1441 with lowered density] // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. 2011. Special'nyj vypusk: Perspektivnye konstrukcionnye materialy i tekhnologii. S. 174–184.
11. Kablov E.N., Antipov V.V., Senatorova O.G. Sloistye alyumostekloplastiki SIAL-1441 i sotrudnichestvo s Airbus i Tu Delft [Layered aluminum fiber glasses SIAL-1441 and cooperation with Airbus and Tu Delft] // Cvetnye metally. 2013. №9 (849). S. 50–53.
12. Kablov E.N., Minakov V.T., Anikhovskaya L.I. Klei i materialy na ikh osnove dlya remonta konstrukcij aviacionnoj tekhniki [Glues and materials on their basis for repair of designs of aviation engineering] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2002. №1. S. 61–65.
13. Dementeva L.A., Serezhenkov A.A., Lukina N.F., Kutsevich K.E. Svoistva i naznachenie kompozitsionnyh maerialov na osnove kleevyh prepregov [Properties and appointment of composite materials based on adhesive prepregs] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №8. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: February 5, 2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-8-6-6.
14. Dementeva L.A., Serezhenkov A.A., Bocharova L.I., Lukina N.F., Kucevich K.E., Petrova A.P. Svojstva kompozicionnykh materialov na osnove kleevykh prepregov [Properties of composite materials on the basis of glue prepregs] // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2012. №6. S. 19–24.
15. Lukina N.F., Dement’eva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V. et al. Adhesive prepregs and composite materials on their basis // Russian Journal of General Chemistry. 2011. Vol. 81. No. 5. P. 1022–1024.
16. Serebrennikova N.Yu., Antipov V.V., Senatorova O.G., Erasov V.S., Kashirin V.V. Gibridnye sloistye materialy na baze alyuminij-litievyh splavov primenitelno k panelyam kryla samoleta [Hybrid multilayer materials based on aluminum-lithium alloys applied to panels of plane wing] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2016. №3 (42). S. 3–8. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-3-3-8.
17. Oreshko E.I., Erasov V.S., Podjivotov N.Yu. Vybor shemy raspolozheniya vysokomodulnyh sloev v mnogoslojnoj gibridnoj plastine dlya ee naibolshego soprotivleniya potere ustojchivosti [Arrangement of high-modular layers in a multilayer hybrid plate for its greatest resistance to stability loss] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №S4. S. 109–117. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-S4-109-117.
18. Leshchiner L.N., Kishkina S.I., Starova E.N., Fedorenko T.P., Bulgakova E.N. Svojstva neplakirovannykh i plakirovannykh listov iz splava 1441 [Properties of not plated and plated sheets from alloy 1441] // Cvetnye metally. 1994. №4. S. 56–59.
19. Oreshko E.I., Erasov V.S., Podzhivotov N.Yu., Lutsenko A.N. Raschet na prochnost gibridnoj paneli kryla na baze listov i profilej iz vysokoprochnogo alyuminijlitievogo splava i sloistogo alyumostekloplastika [Strength calculation of hybrid wing panel on the basis of sheets and profiles from high-strength aluminum lithium alloy and laminated aluminum fiberglass] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2016. №1 (40). S. 53–61. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-1-53-61.