Научная статья на тему 'Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ'

Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
77
12
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЛАМЯ / FLAME / ТЕМПЕРАТУРА / TEMPERATURE / ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПРОГОРАНИЯ / ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА / TIME / BURN-THROUGH / GAS SET UP

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Антипов В. В., Сенаторова О. Г., Сидельников В. В.

Приведены результаты испытаний на пожаростойкость (сопротивление распространению пламени) слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ различной структуры и состава (прежде всего на базе листов Al–Li сплава 1441). Испытания образцов с размером рабочей зоны 200×200 мм на лабораторных установках при воздействии пламени газовой горелки показали, что СИАЛы позволяют (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) на порядок (с ~1,5 до 15 мин при 1100°С) увеличить время сопротивления распространению пламени, сохранить жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Установлен механизм противодействия разрушению СИАЛов при воздействии пламени. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаростойких перегородок.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Антипов В. В., Сенаторова О. Г., Сидельников В. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Investigation of fire resistance of hybrid aluminium-glassplastic SIAL Laminates

The results of fire resistance tests (resistance to propagation of flame) of SIAL-type aluminium-glassplastic Laminates of varions structure and composition (in the first turn, on a base of 1441 Al–Li alloy sheets) are presented. Tests of specimens, having 200×200 mm working area on laboratory set ups under the influence of gas fire, showed, that SIAL allow (in comparison with monolithic sheets of aluminum alloys) to increase the time of burn-through by the order (from 1,5 min to 15 min at 1100°C), to preserve a rigidness of structure and thus to increase the time of evacuation passengers from an aircraft. The mechanism of counteraction to fracture of SIALs under influence of flame was established. The results of tests have also shown, that SIAL (GLARE) may be used as firewall applications.

Текст научной работы на тему «Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ»

4. Крамченков Е.М. Исследование эрозионного изнашивания материалов: автореф. дис. канд. техн. наук. М. 1996. 26 с.

5. Урбанович Л.И., Крамченков Е.М., Чуносов Ю.Н. Разогрев твердого тела в зоне удара эродирующей твердой частицы //Трение и износ. 1994. Т. 15. №6. С. 965-972.

6. Кондратов Э.К. Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия. М.: Химия. 1989. 136 с.

7. Бодрышев В.В. Удельная энергия разрушения как определяющий параметр эрозионной стойкости материала//Известия вузов. 1978. №2. С. 133-137.

8. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М.: Машиностроение. 1982. 192 с.

УДК 669.715+678.034

В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, В.В. Сиделъников

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОЖАРОСТОЙКОСТИ СЛОИСТЫХ ГИБРИДНЫХ АЛЮМОСТЕКЛОПЛАСТИКОВ КЛАССА СИАЛ

Приведены результаты испытаний на пожаростойкостъ (сопротивление распространению пламени) слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ различной структуры и состава (прежде всего на базе листов Al-Li сплава 1441). Испытания образцов с размером рабочей зоны 200*200 мм на лабораторных установках при воздействии пламени газовой горелки показали, что СИАЛы позволяют (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) на порядок (с ~1,5 до 15 мин при 1100°С) увеличить время сопротивления распространению пламени, сохранить жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Установлен механизм противодействия разрушению СИАЛов при воздействии пламени. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаро-стойких перегородок.

Ключевые слова: пламя, температура, продолжительность прогорания, газовая горелка.

СИАЛы (Стеклопластик И АЛюминий) - класс перспективных конструкционных слоистых гибридных материалов, состоящих из тонких (0,3-0,5 мм) листов алюминиевых конструкционных сплавов (Al-Li сплава пониженной плотности 1441, дура-люминов 1163, Д16ч., высокопрочных сплавов В95п.ч./о.ч.) и прослоек (0,2-0,5 мм) пластика на основе клеевых препрегов, армированных высокопрочными стеклонапол-нителями. Зарубежным аналогом является материал GLARE (GL - стекло, А - алюминий, RE - армирование), который эффективно использован в качестве обшивки фюзеляжа самого большого самолета А-380 компании «Airbus» [1, 2].

СИАЛы имеют преимущества по сравнению с монолитными алюминиевыми листами: высокую трещиностойкость (на порядок выше сопротивление росту трещины

усталости: <0,3 мм/кцикл при AK=31 МП^Тм), пониженную плотность (2,35-2,5 г/см3) -на 10-15%, высокую прочность (ов >600 МПа), обладают уникальным комплексом других характеристик - высокими пожаростойкостью, коррозионной стойкостью и ударостойкостью. В результате повышаются живучесть, ресурс и весовая эффективность конструкций [1, 4].

Сопротивление распространению пламени особенно важно для больших широкофюзеляжных самолетов, пассажиры которых должны покинуть самолет в течение 90 с в случае пожароопасной ситуации [1, 3].

Как показывает анализ, СИАЛы способны существенно повысить сопротивление распространению пламени при пожаре (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) ввиду особенностей своей слоистой структуры и состава.

Для оценки пожаростойкости (огнестойкости) СИАЛов проведены две серии испытаний горизонтально расположенных листовых образцов размером 220*220 мм (размер рабочей зоны: -200*200 мм) на лабораторных установках при одностороннем воздействии открытого пламени газовой горелки (рис. 1, а) и в закрытой камере (рис 1, б).

а) б)

Рис. 1. Схемы установок для испытания листовых образцов на пожаростойкость при одностороннем воздействии пламени:

а - открытое пламя; б - в закрытой камере

Процедура проведения испытаний и критерии оценки работоспособности материалов выполнялись с учетом требований Авиационных правил. Сквозное прогорание образцов регистрировалось визуально, кроме того, фиксировались температура над поверхностью образца, расслоения, дымовыделение, искривление и т. д.

* В испытаниях принимали участие С.Л. Барботько, В.И. Постнов.

Исследовалось шесть типов структур СИАЛов (толщиной 1,1-2,4 мм) на базе листов сплавов 1441-РДТ11, Д16ч.-АТ и клеевого препрега, армированного стекловолокнами ВМП при различной ориентации и количестве монослоев (табл. 1).

Таблица 1

Структура и результаты испытаний на пожаростойкость исследованных СИАЛов на базе листов сплава 1441

Марка материала Структура СИАЛа Условия испытаний

Al лист/слой стеклопластика Ориентация слоев препрега в слое стеклопластика 950°С, 15 мин 1100°С

СИАЛ-1-1 2/1 [0°/0°] Отсутствует ► сквозное прогорание -

СИАЛ-2-1 2/1 [0°/90°/0°] 15 мин (сквозное прогорание)

СИАЛ-3-1 3/2 [0°/90°] 30 мин (сквозное прогорание)

СИАЛ-2-1 3/2 [0°/90°/0°] 60 мин (сквозное ' прогорание отсутствует)

СИАЛ-5-1 3/2 [0°/90°/0°/90°]

СИАЛ-3-1 4/3 [0°/90°]

Д16ч.-АТ, 1441-РДГ11 До 2 мм Сквозное прогорание до 2 мин

Установлено и подтверждено, что алюминиевые листы толщиной 1-2 мм (обычно используемые для обшивок фюзеляжа) прогорают насквозь быстро - через 1,5-2 мин (рис. 2).

240

а 160 &

& 120 с

и

н 80 40

0

Рис. 2. Изменение температуры на расстоянии 100 мм от листов из СИАЛов и сплава Д16ч.-Т со стороны, противоположной пламени

О

в Л Д16ч.-Т

/ *

( 9 Г / 5 СР АЛ-2-1

# • / си^ \Л-3-1 X I У А \

с Й жТ^г 1. ^ 1

40 80 120 160 200 240 280 Продолжительность прогорания, с

У всех типов структур СИАЛов отсутствовало сквозное прогорание при воздействии пламени с температурой 950°С в течение 15 мин, однако наблюдалось прогорание первого алюминиевого листа и двух монослоев первого слоя стеклопластика со стороны пламени.

Сквозное прогорание отсутствовало также при температуре 1100°С при увеличении многослойности материала со структурой 4/3 (до семи слоев) и количества монослоев (до четырех) в слое стеклопластика.

Как показали исследования, листы СИАЛов обладают высокими теплозащитными свойствами: со стороны, противоположной пламени, на расстоянии 100 мм температура воздуха остается сравнительно низкой (не выше 120°С) в течение 5 мин (см. рис. 2).

а) б)

Рис. 3. Вид образцов (со структурой 3/2) с двух сторон после воздействия пламени при 1100°С в течение 30 мин на материалы СИАЛ-3-1 [0°/90°] со сквозным прогоранием (а, б) и СИАЛ-2-1 [0°/90°/0°] с односторонним прогоранием (в) и отсутствием прогорания со стороны, противоположной пламени (г)

На основании анализа характера разрушения, установлен следующий механизм противодействия разрушению СИАЛов. Тонкие алюминиевые листы (0,3-0,5 мм) в составе СИАЛа (независимо от сплава) прогорают через ~15 с (как известно, алюминий имеет температуру плавления ~700°С). Расположенные за алюминиевыми листами

слои пластика, в состав которых входят армирующие стеклянные (жаропрочные) волокна с температурой плавления ~1700°С, что выше температуры пламени (1100°С), -создают барьер огню. При этом эпоксидная матрица слоя пластика подвергается термодеструкции (температура коксования 300-350°С), вызывая образование газообразных продуктов (дымовыделение - до 3 мин) и практически полное расслоение материала, что позволяет проходить воздуху через промежуточные слои и действовать как дополнительный изолирующий эффект от потока пламени. Поэтому сквозного прогорания СИАЛа не происходит (рис. 3), так как распространению пламени противодействуют два фактора - наличие стекловолокон и расслоение материала.

Данные о повышенной пожаростойкости СИАЛов (Россия) близки к значениям показателей по пожаростойкости аналогичных материалов, созданных компаниями «Airbus» (рис. 4) и «Boing» [1-3] (табл. 2).

Продолжительность прогорания, с

Рис. 4. Изменение температуры на наружной и внутренней стороне фюзеляжа из различных материалов при огневых испытаниях (по данным компании «Airbus»).

Таблица 2

Сравнительные результаты испытаний на пожаростойкость _материалов компании «Boing»_

Марка материала Условия испытаний Значения показателей на стороне,

противоположной пламени

Европа, США Россия Температура, °С Продолжительность прогорания, мин

GLARE 3-2/1 СИАЛ 3-2/1 1100±25 °С 220 5

GLARE 3-3/2 СИАЛ 3-3/2 в течение 15 мин, 160 5

GLARE 4-2/1 СИАЛ 5-2/1 (без прогорания) 215 10

Монолитный лист (1,5-2 мм) 1100±25 °С Сквозное 1,5

из алюминиевого сплава прогорание

2024-ТЗ Д16ч.-Т

Таким образом, слоистые СИАЛы, в том числе на базе листов Al-Li сплава 1441, обладают повышенной пожаростойкостью по сравнению с монолитными алюминиевыми листами и позволяют на порядок (с ~1,5 до 15 мин) увеличить продолжительность проникновения пламени, сохранить структурную жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаростойких перегородок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Roebroeks G.H.J.J. GLARE: a structural material for fire resistant fuselages. AGARD Conference Proceedings. October 1996. P. 26-1-26-13.

2. Hoijimeijer P.A. Burn-through and lightning strike in «Fibre-Metal Laminates», Klun-er Academic Publishers. 2001. P. 399-408.

3. Characterisation of Fibre Metal Laminates under Thermo-mechanical Loadings, Ed. By Michiel HAGENBEEK. Netherlands. 2005. P 17-22.

4. Постнов В.И., Постнова M.B., Казаков И.А., Абрамов П.А. Особенности контурной обработки резанием листовых заготовок МПКМ в серийном производстве. Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 3-8.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.