CC BY
24УДК 666.155:536.495
Е.Г. Сентюрин, И.В. Мекалина, М.К. Айзатулина, В.А. Богатов
АКРИЛАТНЫЕ ВЫСОКОТЕПЛОСТОЙКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ
(Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов) e-mail: glass627@viam.ru. admin@viam.ru
Дан сравнительный анализ свойств фторакрилатных органических стекол и новых типов органических стекол редкосшитой структуры. Описаны достоинства органических стекол, получаемых с использованием метода ориентационной вытяжки.
Ключевые слова: фторакрилатные органические стекла. эксплуатация. температура размягчения. рабочая температура. ударная вязкость. прочность при растяжении. сшивающие агенты
Уникальным достижением отечественной науки и промышленности было создание высокотеплостойких фторакрилатных органических стекол марок Э-2 и С0-200, не имеющих аналогов в мире, способных работать в конструкциях самолетов при температурах более 200 °С. Эти стекла позволили создать легкие, надежные, безопасные детали остекления и продолжают эксплуатироваться на самых высокоскоростных отечественных самолетах ОКБ «МиГ» одновременно с высокопрочными конструкциями из алюминиевых, титановых и стальных сплавов. При эксплуатации в деталях остекления при одностороннем аэродинамическом разогреве фторакрилатные оргстекла Э-2 и С0-200 выдерживают температуру до 230250 °С. Детали остекления успешно эксплуатируются в течение 10, 15 и более лет [1-3].
Работы по созданию оргстекол Э-2 и СО-200, их производству и переработке проводились совместными усилиями творческих коллективов институтов и предприятий химической промышленности, Академии наук, Авиационной промышленности при ведущем участии ВИАМ. На примере работ по созданию высокотеплостойких деталей остекления авиационной техники из органических стекол видна характерная для ВИАМ система научной работы на всем пути создания материалов, начиная с исходных продуктов, получения основных материалов, технологии их переработки, совершенствования материалов и конструкций на их основе по результатам опытных летных испытаний и эксплуатации [4-6].
Сложность производства и высокая цена фторакрилатных оргстекол, на порядок выше цены серийных акрилатных стекол, в настоящее время вызвали необходимость изучения возможности их замены на частично сшитые акрилатные стекла. В результате совместных научных исследований ФГУП «НИИПолимеров им. Каргина» и ФГУП «ВИАМ» разработано модифицированное
термостабилизированное акрилатное оргстекло марки ВОС-2 [7, 8].
На основе результатов научных исследований, стендовых испытаний и опыта многолетней эксплуатации фторорганических оргстекол практически доказана возможность эксплуатации акрилатных стекол выше их температуры размягчения в деталях остекления при перепаде температур по толщине оргстекла. При максимальных режимах полета на внешней поверхности оргстекол температуры соответствуют температурам области высокоэластического состояния материала.
Температурные интервалы переходов фторорганических оргстекол марок Э-2 и С0-200 в различные состояния приведены в табл. 1 в сравнении с серийным полиметилметакрилатным оргстеклом СО-120А и новым сополимерным термо-стабилизированным оргстеклом редкосшитой структуры марки ВОС-2.
Таблица1
Температурные интервалы переходов оргстекол в
различные состояния Table 1. Temperature ranges of organic glasses transitions in various states
Марка оргстекла Температура, °С
размягчения высокоэластического состояния перехода из высокоэластического в вязкотекучее состояние
С0-120А 118-125 125-175 175
Э-2 180-185 185-250 250
С0-200 200-205 210-270 270
ВОС-2 150-155 180-260 260
Ряд основных показателей физико-механических свойств фторакрилатных органических стекол марок СО-200, Э-2, нового теплостойкого органического стекла ВОС-2, предназначаемого для замены фторакрилатных стекол и серийного полиметилметакрилатного оргстекла С0-120А (для сравнения) приведены в табл. 2 [8, 9].
Таблица 2
Свойства оргстекол С0-120А, ВОС-2, С0-200 и Э-2 Table 2. Properties of С0-120А, ВОС-2, С0-200 and Э-2 organic glasses
Несмотря на высокие показатели нового оргстекла ВОС-2, по ряду параметров приближающиеся к показателям фторакрилатных стекол, окончательное решение по их замене на самых высокоскоростных отечественных самолетах потребует широкого комплекса испытаний не только в лабораторных условиях, но и в эксплуатации на реальных объектах авиационной техники.
Решающим вкладом в повышение надежности и ресурса авиационных органических стекол является реализация результатов фундаментальных научных исследований по изучению возможности существенного изменения свойств термопластичных полимерных материалов методом физической модификации их молекулярной структуры путем ориентационной вытяжки в диапазоне температур высокоэластического состояния. В ВИАМе разработана технология модификации оргстекол способом молекулярной ориентации, и в настоящее время наибольшее применение в авиации нашли органические стекла в ориентированном состоянии марок АО-120 и АО-120А на основе исходного полиметилметакрилат-ного стекла линейного строения марки СО-120А с температурой размягчения 120 °С.
Ориентация органического стекла повышает его пластические свойства: ориентированное оргстекло менее чувствительно к концентраторам напряжений, обладает, в отличие от неориентированного оргстекла, локальным разрушением при динамических нагрузках.
Детали остекления на основе ориентированных стекол имеют существенное преимущество по сравнению с неориентированными по стабильности физико-механических свойств при возникновении на их поверхности в эксплуатации концентраторов напряжений в виде царапин и вы-колок, имеют в 2 и более раз выше ресурс по сравнению с неориентированными стеклами. Отечественная авиационная промышленность имеет уникальный опыт успешного, многолетнего при-
менения ориентированных стекол линейного строения на высокоскоростных самолетах с рабочей температурой на поверхности выше температуры размягчения до 130-140 °С [10-12].
На основе органического стекла ВОС-2 с использованием метода ориентационной вытяжки разработана технология производства стекла ВОС-2АО.
Оргстекла ВОС-2 и ВОС-2АО паспортизованы, полученные материалы имеют отечественный приоритет, подтвержденный четырьмя патентами РФ [13]. Разработана и оформлена нормативно-техническая документация на выпуск оргстекол и изготовление деталей остекления на их основе. На заводе отрасли изготовлена натурная деталь ОСФ (откидная часть фонаря) из ориентированного оргстекла ВОС-2АО [14].
Промышленное производство оргстекла ВОС-2 освоено на опытном заводе ФГУП «НИИ полимеров», выпуск ориентированного оргстекла ВОС-2АО на предприятии ООО «Рошибус», что позволяет получать оргстекла требуемых промышленных номиналов и габаритов [15, 16].
В настоящее время принимаются все необходимые меры для обеспечения перспективных объектов авиационной промышленности надежными высокачественными материалами остекления, при этом необходимо учитывать особенности эксплуатации высокотеплостойких авиационных фторполимерных материалов остекления. У деталей остекления, эксплуатировавшихся при высокотемпературных режимах, в течение многих лет на поверхности не возникало характерных для оргстекол дефектов в виде микротрещин «серебра», а в процессе эксплуатации при аэродинамических нагревах ниже температуры стеклования за незначительное время эксплуатации могли возникать массовые очаги «серебра». Это явление объясняется тем, что при незначительном разогреве фторакрилатных оргстекол в деталях остекления не происходит релаксации внутренних напряжений, которые и вызывают появление микротрещин «серебра» [17-20].
Многолетний опыт эксплуатации фторак-рилатных стекол в деталях остекления самых высокоскоростных отечественных самолетов необходимо учитывать при конструкторских и мате-риаловедческих разработках, выборе новых материалов остекления, технологии их переработки и установлении допускаемых температурно-времен-ных режимов эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сентюрин Е.Г., Куклина Л. С., Тригуб Т. С., Пашкова
Т.В. // Авиац. пром-ть. 1984. № 5. С. 56-58;
Показатель свойств Марка оргстекла
СО-120А ВОС-2 СО-200 Э-2
Прочность при растяжении, МПа 81 83 78 83
Удлинение при разрыве, % 4,0 5,7 6,0 3,8
Модуль упругости, Мпа при 20°С 3400 4200 2910 3400
Удельная ударная вязкость, кДж/м2 16,5 23 28 21
Sentyurin E.G., Kuklina L.S., Trigub T.S., Pashkova T.V. // Aviatsionnaya promyshlennost. 1984. N 5. P. 56-58 (in Russian).
2. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С., Айза-тулина М.К. // Пласт. массы. 2013. № 3. С. 63-64; Mekalina IV., Sentyurin E.G., Trigub T.S., Aiyzatulina M.K. // Plasticheskie massy. 2013. N 3. P. 63-64 (in Russian).
3. Петров А.А., Климова С.Ф., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В. А. // Усп. в химии и хим. технологии. 2012. Т. XXVI. № 4 (133). С. 70-72;
Petrov A.A., Klimova S.F., Mekalina IV., Sentyurin E.G., Bogatov V.A. // Uspekhi v khimii i khimicheskoiy tekhnologii. 2012. V. XXVI. N 4 (133). P. 70-72 (in Russian).
4. Каблов Е.Н. // Авиац. матер. и технологии. 2012. № S. С. 7-17;
Kablov E.N. // Aviatsionnye materially i tekhnologii. 2012. N S. P. 7-17 (in Russian).
5. Каблов Е.Н. // Металлы Евразии. 2012. № 3. С. 10-15; Kablov E.N. // Metally Evrazii. 2012. N 3. P. 10-15 (in Russian).
6. Каблов Е.Н. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14;
Kablov E.N. All materials. Encyclopedic handbook. 2008. N 3. P. 2-14 (in Russian).
7. Мекалина И.В., Богатов В.А., Тригуб Т.С., Сентю-
рин Е.Г. // Труды ВИАМ. 2013. № 11. Ст. 04 (viam-works.ru);
Mekalina IV., Bogatov V.A., Trigub T.S., Sentyurin E.G. // Trudy VIAM. 2013. N 11. St. 04 (viam-works.ru) (in Russian).
8. Горелов Ю.П., Мекалина И.В., Тригуб Т.С. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. общ-ва им. Д.И. Менделеева). 2010. Т. LIV. № 1. С. 79-84;
Gorelov Yu.P., Mekalina IV., Trigub T.S. // Ross. Khim. Zhurn. 2010. V. LIV. N 1. P. 79-84 (in Russian).
9. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Богатов В.А // Вопр. оборон. техники. Сер. 15. 2009. № 3-4. С. 33-39; Mekalina IV., Sentyurin E.G., Bogatov V.A. // Voprosy oboronnoiy tekhniki. Ser. 15. 2009. N 3-4. P. 33-39 (in Russian).
10. Марек О., Томка М. Акриловые полимеры. М.-Л.: Химия. 1966. С. 110-118;
Marek O., Tomka M. Acrylic polymers. M.-L.: Khimiya. 1966. P. 110-118 (in Russian).
11. Гудимов М.М. // Труды РИИГА. 1971. Вып. 177. С. 9-17; Gudimov M.M. // Trudy RIIGA. 1971. N 177. P. 9-17 (in Russian).
12. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия. 1981. С. 7-81;
Gudimov M.M., Perov B.V. Organic glass. M.: Khimiya. 1981. P. 7-81 (in Russian).
13. Сентюрин Е.Г., Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Климова С.Ф. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 2. С. 2-4;
Sentyurin E.G., Mekalina I.V., Trigub T.S., Klimova S.F. All materials. Encyclopedic handbook. 2012. N 2. P. 2-4 (in Russian).
14. Петров А.А., Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Бога-
тов В.А. // Авиац. матер. и технологии. 2013. № 2. С. 32-34;
Petrov A.A., Mekalina I.V., Sentyurin E.G., Bogatov V.A. // Aviatsionnye materially i tekhnologii. 2013. N 2. P. 32-34 (in Russian).
15. Мекалина И. В., Тригуб Т. С., Богатов В. А., Сентюрин Е.Г. // Авиац. матер. и технологии. 2010. № 3. С. 14-19; Mekalina IV., Trigub T.S., Bogatov V.A., Sentyurin E.G. // Aviatsionnye materially i tekhnologii. 2010. N 3. P. 14-19 (in Russian).
16. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Климова С.Ф., Бога-тов В.А. // Авиац. матер. и технологии. 2012. № 4. С. 45-48;
Mekalina IV., Sentyurine E.G., Klimov S.F., Bogatov A.V. // Aviatsionnye materially i tekhnologii. 2012. N 4. P. 45-48 (in Russian).
17. Богатов В.А, Тригуб Т.С., Мекалина И.В., Айзату-лина М.К. // Авиац. матер. и технологии. 2010. № 1. С. 21-26;
Bogatov V.A., Trigub T.S., Mekalina I.V., Aiyzatulina M.K. // Aviatsionnye materially i tekhnologii. 2010. N 1. P. 21-26 (in Russian).
18. Ерасов В.С., Нужный Г.А., Гриневич А.В., Терехин
А.Л. // Труды ВИАМ. 2013. № 11. Ст. 01 (viam-works.ru);
Erasov V.S., Nuzhnyiy G.A., Grinevich A.V., Terekhin
A.L. // Trudy VIAM. 2013. N 11. St. 01 (viam-works.ru) (in Russian).
19. Мекалина И.В., Тригуб Т.С., Петров А.А., Богатов
B.А. // Пластические массы. 2013. № 10. С. 58-60; Mekalina I.V., Trigub T.S., Petrov A.A., Bogatov V.A. //
Plasticheskie massy. 2013. N 10. P. 58-60 (in Russian).
20. Мекалина И.В., Сентюрин Е.Г., Тригуб Т.С., Айза-тулина М.К. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 4. С. 30-33;
Mekalina I. V., Sentyurin E. G., Trigub T. S., Aiyzatu-lina M. K. All materials. Encyclopedic handbook. 2012. N 4. P. 30-33 (in Russian).
