Введение

Применение полимерных материалов в авиастроении обусловлено их низкой плотностью, сохранением высоких механических и специальных характеристик в различных условиях эксплуатации, вариабельностью состава и строения, что позволило расширить диапазон технических свойств. Существенный вклад в области полимерных материалов внесли работы ФГУП «ВИАМ» [1–4].

Перед современной авиационной промышленностью стоят важные задачи по повышению качества изготовления конструкций изделий авиационной техники, улучшению их эксплуатационных характеристик, а также повышению их весовой эффективности [5].

В настоящее время эффективным методом снижения массы авиационных изделий является замена традиционных конструкций сотовыми. При этом возникает необходимость упрочнения сотовых конструкций, установки в них различного крепежа и т. п. Широкое распространение получило заполнение полостей и торцов сотовых конструкций, крепления закладных элементов (втулок, фитингов и др.) полимерными сферопластиками [6]. Сферопластики – легкие полимерные композиции на основе, как правило, эпоксидных или фенольных связующих, где в роли основного наполнителя используются полые микросферы (в основном стеклянные). В составе сферопластиков используют также целевые добавки – высокодисперсные порошкообразные наполнители, пигменты, антипирены и т. п. [7].

Разработкой и производством полимерных сферопластиков для авиастроения занимаются как в России, так и за рубежом. Композиции сферопластиков отверждаются либо при комнатной, либо при повышенных температурах и отличаются по ряду физико-механических и специальных свойств.

Сферопластик, помимо обеспечения процесса соединения элементов сотовых конструкций, участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя заданный уровень прочности и долговечности соединения [8, 9].

Широкие перспективы открывает использование полимерных сферопластиков на основе новых высокопрочных связующих в составе многослойных конструкций с обшивками из угле- или стеклопластика, обладающих высоким уровнем физико-механических, диэлектрических и теплофизических характеристик в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и в условиях повышенной влажности [10–12].

Все большее распространение приобретает технология совмещенного формования обшивок из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с сотовым заполнителем со сферопластиком за один технологический цикл, что позволяет существенно повысить энергоэффективность и снизить трудоемкость процесса изготовления конструкций [12].

В зависимости от конкретных особенностей конструкций требуется применение сферопластика с регулируемыми характеристиками. В связи с этим возникает необходимость разработки новых сферопластиков с повышенным комплексом технологических и физико-механических характеристик, регулируемых с учетом конкретных особенностей применения.

Анализ отечественных сферопластиков показал, что существует необходимость создания материала, который будет обладать комплексом заданных технологических и физико-механических свойств, обеспечивать высокую энергоэффективность и низкую трудоемкость процесса изготовления, возможность регулирования реологических свойств материала, совместимость по режимам переработки с препрегами ПКМ [13, 14] и не уступать по своим характеристикам применяемым зарубежным аналогам.

Во ФГУП «ВИАМ» разработан полимерный сферопластик марки ВПЗ-21 с регулируемой вязкостью, совместимый по химической природе и режимам переработки с материалами обшивки из ПКМ [15] для заполнения участков многослойных сотовых конструкций – например, конструкций механизации крыла самолета.

Материалы и методы

Для изготовления сферопластика применяли следующие компоненты: эпоксидный олигомер – полимерная основа сферопластика; толуилендиизоцианат (ТДИ) и изофорондиамин – для придания полимерной основе требуемых реологических параметров; отвердитель – дициандиамид (ДЦДА); катализатор; дисперсные наполнители: полые стеклянные микросферы и аэросил для получения сферопластика с регулируемыми реологическими и физико-механическими характеристиками.

Результаты и обсуждение

Исследованы реологические свойства эпоксидного олигомера в зависимости от температуры синтеза, содержания ТДИ и температуры определения показателей вязкости (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость вязкости эпоксидного олигомера от содержания

толуилендиизоцианата (ТДИ)

Установлено, что при температуре проведения синтеза 120°С и увеличении содержания ТДИ с 6 до 8% (по массе) вязкость связующего при 60 и 70°С увеличивается, при повышении температуры определения вязкости до 100°С показатели вязкости
становятся близкими по значению.

Поскольку одними из основных задач при изготовлении сферопластика являются повышение энергоэффективности и снижение трудоемкости процесса его производства, определены оптимальные параметры изготовления полимерной основы, установленные в ходе исследования, – температура синтеза связующего 120°С, содержание ТДИ в количестве 6% (по массе). Полученные результаты позволяют добиться необходимых реологических характеристик при динамическом нагревании полимерной основы (вязкость ˂5 Па·с), что обеспечивает возможность дальнейшего введения необходимого количества дисперсных наполнителей.

Сферопластик с регулируемой вязкостью можно получить путем варьирования в его составе содержания дисперсного наполнителя аэросила (неорганического модификатора реологических характеристик). Данный наполнитель позволяет получить композицию с требуемыми свойствами различной консистенции: заливочный и пастообразный (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость вязкости сферопластика от концентрации аэросила

В результате проведенных исследований установлено, что условным переходом от вязкотекучего в пастообразное состояние сферопластика является вязкость ~600 Па^.с при 25°C.

В качестве дисперсного наполнителя использованы полые стеклянные микросферы. Применение полых стеклянных микросфер обусловлено их доступностью и комплексом высоких физико-механических свойств. С помощью данного наполнителя также возможно регулирование реологических параметров сферопластика (табл. 3) [16].

Таблица 3

Свойства сферопластика с различным содержанием полых стеклянных микросфер

Исследование свойств образцов сферопластика показало, что вязкость сферопластика можно регулировать в зависимости от содержания в его составе микросфер – изменение вязкости в диапазоне от 183 до 1430 Па·с. Увеличение содержания микросфер с 10 до 25% (по массе) приводит к значительному уменьшению плотности материала – с 0,86 до 0,50 г/см³, при одновременном уменьшении значений прочностных характеристик при сжатии с 63,7 до 50,4 МПа.

Экспериментальным путем установлено, что использование системы содержащей 20–25% стеклянных микросфер и аэросила до 5% (по массе), позволяет получить сферопластик с регулируемой вязкостью, низкой плотностью и высокими прочностными характеристиками.

В данной работе проводили исследования реологических и термомеханических свойств сферопластика в зависимости от температуры и продолжительности синтеза (табл. 4).

Таблица 4

Реологические и термомеханические свойства сферопластика

Установлено, что, при температуре смешения компонентов сферопластика до 90°С, температура и продолжительность синтеза не оказывают существенного влияния на вязкость сферопластика и его температуру стеклования (137–139°С), так как происходит физико-химический процесс гомогенизации компонентов без протекания химической реакции в массе. Изготовление сферопластика при температуре 100°С приводит к значительному увеличению вязкости системы (890 Па·с), что значительно усложняет процесс его изготовления. При температуре 90°С смешение компонентов происходит при меньших нагрузках на оборудование вследствие более низкой вязкости композиции.

С целью оптимизации характеристик материала произведена замена толуолдиизоцианата на циклоалифатический амин (изофорондиамин), что позволило не только увеличить срок хранения готового сферопластика, но и существенно повысить прочность при сжатии отвержденного сферопластика (табл. 5).

В результате проведенной работы осуществлен выбор параметров и определены соотношения компонентов заполнителя-сферопластика марки ВПЗ-21. Разработанный сферопластик представляет собой двухкомпонентную систему: эпоксидная основа и отверждающая система; изготавливается двух типов: заливочный и пастообразный.

Таблица 5

Сравнение свойств сферопластиков, изготовленных с применением

изофорондиамина и толуолдиизоцианата

Физико-механические свойства сферопластика марки ВПЗ-21 представлены в табл. 6.

Таблица 6

Физико-механические свойства сферопластика марки ВПЗ-21

в сравнении с зарубежными аналогами

Сферопластик марки ВПЗ-21 применен при изготовлении конструктивно-подобного образца многослойной (сотовой) конструкции (рис. 1) с заполнителем АМг2-Н-2.5-30, обшивками на основе препрега углепластика марки ВКУ-45/UMT-3К.РТН и препрега стеклопластика марки ВПС-53/120. Совмещение обшивок из ПКМ и сотового заполнителя проводили с использованием клея на основе клеевого связующего марки ВСК-48 (рис. 2) [17, 18].

Рис. 1. Схема изготовления конструктивно-подобных образцов многослойных (сотовых) конструкций из ПКМ, заполненных сферопластиком марки ВПЗ-21

Рис. 2. Образец сотовой конструкции со сферопластиком

Установлено, что при изготовлении конструктивно-подобных образцов наблюдается однородность заполнения сот сферопластиком ВПЗ-21. Прочность при сжатии образцов, вырезанных из конструктивно-подобных образцов, составила:

– 24 МПа (среднее значение) – для незаполненных участков;

– 115 МПа (среднее значение) – для участков, заполненных сферопластиком.

Заключения

1. Установлено, что температура синтеза 120°С, содержание ТДИ в количестве 6% (по массе) и вязкость полимерной основы сферопластика до 5 Па·с в диапазоне температур 70–100°С позволяют получить требуемые реологические характеристики полимерной основы сферопластика для введения дисперсных наполнителей.

2. Установлена зависимость вязкости сферопластика от содержания высокодисперсного наполнителя – аэросила, которое варьируется от 1 (для заливочного сферопластика) до 5% (по массе) – для пастообразного сферопластика.

3. Установлено, что содержание полых стеклянных микросфер 10–25% (по массе) в системе позволяет получить сферопластик с регулируемой вязкостью – от 183 до 1430 Па·с, плотностью 0,86–0,50 г/см³ и прочностью при сжатии 63,7–50,4 МПа.

4. Разработан состав и технология изготовления сферопластика марки ВПЗ-21 с регулируемой вязкостью для совместного формования с препрегами ПКМ разработки ФГУП «ВИАМ», предназначенный для заполнения участков многослойных сотовых конструкций изделий авиационной техники.