CC BY
52
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 678.8
Г.М. Гуняев, Т.Н. Кавун, Г.В. Начинкина
МОЛНИЕЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ВЫХОДЯЩИХ НА ВНЕШНИЙ КОНТУР ПЛАНЕРА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Полимерные композиционные материалы - углепластики нашли широкое применение в конструкции планера современных летательных аппаратов различного назначения. Объем их применения в ряде самолетов и вертолетов превышает 50% (по массе), а по площади, выходящей на внешний контур, составляет ~80%.
При полетах в сложных метеоусловиях конструкции из КМ могут испытывать воздействие разрядов молнии. Поскольку молниестойкость их ниже, чем у металлических конструкций, большое значение приобретает вопрос надежной защиты КМ при поражении молнией.
Поражение молнией элементов конструкций сопровождается:
- термическим воздействием, связанным с нагревом конструкций при прохождении импульсной и постоянной составляющих тока молнии;
- термическим воздействием, возникающим в месте контакта поверхности с высокотемпературным каналом молнии (канал разряда с импульсной и постоянной составляющей тока молнии);
- электродинамическим воздействием, связанным с возникновением значительных усилий при прохождении токов молнии по конструкции (прохождение импульсной составляющей тока).
В зависимости от места расположения агрегатов на ЛА различают три зоны вероятного воздействия молнии (рис.1).
Рис. 1. Расположение зон различной вероятности поражения молнией:
|:;)0<>:| - зона прямых ударов; [ЧХЧД - зона соскальзывающих ударов, которые возникают вследствие перемещения поверхности ЛА относительно неподвижного канала молнии при поражении передних концевых участков; | | — зона маловероятного поражения молнией
Прямым следствием непосредственного воздействия удара молнии на ЛА являются ожоги, эрозия, взрывы и деформация конструкции, косвенным - скачки уплотнения высокого давления и магнитные силы, обусловленные сильными токами.
Применительно к молниестойкости конструкции основной интерес представляют прямые эффекты, природа которых определяется характеристиками пораженной детали (материалом, конструктивным оформлением и т. п.) и конкретной фазой передачи тока молнии. Поскольку мероприятия по молниезащите требуют определенных затрат и могут приводить к некоторому снижению технических характеристик ЛА, необходимо технически и экономически обосновывать надежность защиты, разрабатываемой для конкретных элементов.
Ввиду сложности проведения летных испытаний, эксперименты в лабораторных условиях, несмотря на их условность, являются основным способом исследования мол-ниезащищенности элементов ЛА. Оценка молниестойкости проводится на основании лабораторных испытаний материалов и элементов конструкций электрическими разрядами, содержащими:
- импульсную составляющую с амплитудой тока 200 кА, длительностью 2 мкс и переносимым зарядом не менее 4 Кл;
- постоянную составляющую с амплитудой тока 0,2 кА, длительностью фронта 1с и переносимым зарядом не менее 200 Кл.
Стойкость углепластиков к воздействию молниевого удара определяли в два этапа путем оценки состояния поверхности и степени сохранения прочности при изгибе на различном расстоянии от эпицентра поражения.
В качестве молниезащитных покрытий углепластиков используются различного типа металлические, в основном алюминиевые и медные, токопроводящие элементы: сплошные листы, шины, сетки различного плетения, токопроводящие лакокрасочные покрытия [1], а также слои боралюминия [2], дающие наилучшие результаты. Главным недостатком молниезащитных покрытий, использующих различные металлические конструктивные элементы, является их большая масса, приводящая к значительному (от 500 до 1500 г/м) привесу защищаемой конструкции, и низкая коррозионная стойкость.
Другим направлением повышения молниестойкости конструкций из углепластиков является повышение электропроводности самих углепластиков путем металлизации углеродных волокон, недостатком которого является высокая стоимость.
Новым направлением в области создания молниезащитных покрытий (МЗП) явилось использование покровных слоев углепластика в виде углеродных тканей разного плетения, обладающих различной электропроводностью [3].
Электро- и теплофизические характеристики углеродных наполнителей, так же как и их механические свойства, связаны с температурой карбонизации углеродных нитей. Таким образом, углеродные жгуты с приблизительно одинаковым и высоким уровнем механических свойств, используемые при изготовлении тканей, имеют приблизительно одинаковый уровень электрофизических свойств. Это позволило провести предварительный расчет толщины ткани, которая будет применяться в системе молниеза-щиты, на основании уже оцененных ранее характеристик тканей. Расчет проводился с использованием математической зависимости, связывающей объемы разрушения материала с его физическими свойствами и электродинамическими характеристиками разряда молнии. Эта зависимость имеет вид:
J 2
£=£[5,68-10-2?-^-+7—Щ-], (1)
\То -То Р-с-У-к2 (Тс -То} с-у-к
где - размеры повреждения, м2; Ь - эмпирический коэффициент; 1Р - импульсный ток главного разряда, А; тг- - длительность импульса главного разряда, с; Q - переносимый разряд, Кл; Т0 - температура материала перед поражением молнией, К; Тс - температура начала разрушения материала, К; с - проводимость, Ом-1 ©см-1; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг©К); у -плотность материала, кг/м3; уе- коэффициент приэлектродного падения напряжения, В; И -толщина материала, м.
Известно, что разрушение материалов при поражении молнией происходит вследствие процессов его разогрева под действием тепла, выделяемого из канала молнии, и саморазогрева - эффект Джоуля.
В системе молниезащиты, предназначенной для работы в зоне смещающихся разрядов, разрушение углепластика будет происходить в первую очередь под действием эффекта Джоуля и, следовательно, инициироваться в основном импульсной составляющей тока молнии. Такие рассуждения позволяют принять, что процесс разрушения может быть описан только первой частью формулы (1), и использовать для расчета соотношение:
£ = А ■ 5,68-10-27-^--, (2)
Ута -То)■ °■с■ У ■к
где А - эмпирический коэффициент, учитывающий толщину МЗП.
Приняв, что защитный слой изолирован от массы углепластика, по формуле (2) можно определить толщину молниезащитного покрытия.
Эффективность молниезащиты связана с электропроводимостью защитного слоя. Можно предположить, что для полимерных структур, изготовляемых на основе тканого углеродного наполнителя, эту величину будут определять, кроме собственно толщины монослоя, которая является комплексной характеристикой, и другие параметры. Ткань представляет собой структуру из переплетенных жгутов, поэтому ее электрофизические свойства должны зависеть от площади поперечного сечения этих жгутов, т. е. от сечения волокон и их количества в жгуте. Поскольку жгут состоит как минимум из 2,5 тыс. и более волокон, диаметр которых меняется незначительно, можно считать определяющей характеристикой для площади поперечного сечения жгута количество моноволокон в жгуте. Другой важной для защитного слоя характеристикой является количество жгутов на единице ширины проводника, или плотность плетения. В ткани жгуты могут переплетаться определенным образом. При этом может меняться их количество, порядок перехлестов и расстояние между ними, а значит и количество контактов между продольными и поперечными жгутами, а также контактов с прилегающим слоем основного конструкционного материала, на который наносится защита. Поэтому плотность и характер плетения ткани ответственны за качество электрических контактов между жгутами и за перераспределение тока в объеме материала, что определяет температуру разогрева материала вследствие эффекта Джоуля.
Сечение проводника (углеродной ткани) определяется:
- сечением жгута - количеством филаментов: 2,5 тыс.; 3 тыс.; 5 тыс. или 6 тыс.;
- толщиной монослоя (от 0,22 до 0,45 мм).
Качество и количество электрических контактов, т. е. количество перехлестов и длина нити между ними, определяются:
- плотностью плетения (3; 3,5; 5; 6; 7 нитей на см);
- характером плетения (саржа 2/2 и 2/4, сатин 4/2 и 8/3).
Сечение жгута может быть вычислено как площадь круга с диаметром:
N
Б = й
V
. (3)
V
где В - диаметр жгута; d= 7-8 мкм - диаметр углеродного волокна; N - количество сложений; Ув= 0,6 - содержание (объемная доля) волокна в защитном слое.
На защитные свойства слоя может влиять структура его поверхности. Наличие на ней участков с малым содержанием связующего, т. е. с повышенной проводимостью,
что имеет место в точках пересечения жгутов, может провоцировать дробление канала молнии, т. е. увеличение площади его контакта с материалом.
Поскольку текстильные параметры тканей невозможно оценить расчетным путем, применялся метод экспериментальной оценки молниестойкости панели с защитным слоем на основе различных углеродных тканей. Влияние текстильных параметров тканей на защитные свойства системы были изучены при прямых испытаниях на мол-ниестойкость.
По результатам испытаний различных углеродных тканей была проведена оценка влияния диаметра жгута, плотности и характера плетения ткани, ее толщины. Испы-тывались покрытия на основе жгутов с числом филаментов 2,5 тыс.; 3 тыс.; 5 тыс.; 6 тыс. полотняного, саржевого и сатинового плетения с поверхностной плотностью 240, 280, 306, 314 и 500 г/м, толщиной от 0,22 до 0,45 мм.
Полученные результаты свидетельствуют, что молниестойкость защитного слоя в значительной степени определяется текстильными характеристиками ткани, на основе которой он изготовлен.
Экспериментально установлено, что молниестойкость существенно зависит от характера плетения. Большое влияние на молниестойкость оказывает не столько собственно толщина самой ткани, сколько оптимальное соотношение диаметра жгута и плотности плетения как характеристик, ее определяющих. Так, саржевые структуры обеспечивают более высокую молниестойкость, чем сатиновые.
Плотная структура ткани может обеспечивать эффект наличия на поверхности многочисленных «точек привязки» из-за рельефной структуры поверхности с тонким слоем связующего в отдельных точках. Такая структура поверхности провоцирует дробление канала молнии. Эффект дробления канала приводит к увеличению площади контакта канал молнии-материал, к снижению удельной эффективной энергии, выделяющейся в каждой точке привязки из канала молнии, и, следовательно, к уменьшению объемов разрушений.
На основе проведенных исследований сформулированы требования к характеристикам защитного слоя (табл. 1).
Таблица 1
Комплекс требований к материалу молниезащитного слоя
Физические характеристики углепластика Текстильные характеристики углеродной ткани Ожидаемые повреждения при воздействии смещающегося разряда ((А+С)*; I = 200 кА; Q=20 Кл)
Плотность, г/см3 Электропроводимость, Cм/м Теплопроводность, Вт/(м ф Температура деструкции, °С Тип плетения Количество моноволокон в жгуте, шт. Плотность плетения, жгут/см Толщина, мм Поверхностная плотность г/м2
>1,55 >10х103 >15 >300 Cар-жа 2/4 5000 3,5/3,5 >0,28 >314 1. Эрозия связующего до 030 мм 2.Локальное распу-шение отдельных жгутов на нескольких участках
* Параметры прогнозируемой молниестойкости со стороны удара молнии (по АП-25).
Для подтверждения правильности выбора указанных параметров изготовлены образцы углепластика КМУ-7э с защитным слоем из углеродной ткани УТ-900-2,5Э и связующего ВС-2526, имеющего температуру стеклования 260°С. Полученные образцы испытаны в МЭУ на молниестойкость при параметрах: 1=200 кА, Q=20 Кл. Каждый образец был подвергнут пяти ударам, имитирующим разряд молнии со стороны защитного слоя, и одному удару с обратной стороны, т. е. по материалу без защитного слоя. На образцах без защитного слоя имел место сквозной пробой 010 мм с образованием на
противоположной стороне трещин и расслоений на площади ~15 мм . На образцах с МЗП имело место только повреждение молниезащитного слоя. На рис. 2 приведена классификация повреждений, образовавшихся при испытаниях.
е d
Рис. 2. Классификация повреждений после удара молнии на образцах углепластика с молниезащитным слоем на основе углеродной ткани УТ-900-2,5Э: а — разрушение защитного слоя; Ь — распушение жгутов в защитном слое; с — отслоение защитного слоя; d — обессмоливание поверхности защитного слоя; е — изменение цвета поверхности
В табл. 2 приведены вид и размеры полученных повреждений, при этом уровень сохранения прочности в центре удара составляет ~ 70%.
Таблица 2
Молниестойкость углепластика c защитным слоем на основе углеродной ткани УТ-900-2,5Э (^+0*; 1=200 кА, 0=20 Кл)
Порядковый номер образца Вид и размеры (мм) повреждений
Разрушение Распушение Отслоение Обессмоливание Изменение
защитного жгутов в защитного поверхности цвета
слоя защитном слое слоя защитного слоя поверхности
1 35 40 45 60 70
2 35 40 45 53 87
3 15 30 42 50 65
4 18 33 36 47 62
5 23 37 48 49 70
Среднее 25 36 43 52 71
значение
* См. сноску к табл. 1.
Следующим шагом явилась разработка усовершенствованного многослойного молниезащитного покрытия, состоящего из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон. Такое покрытие отличается тем, что токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани, расположенных под углом друг к другу, в межволоконное пространство которой введено полимерное связующее с температурой деструкции >250°С, причем слои углеродной ткани соединены между собой элементами, обеспечивающими повышение контактной электропроводности между ними.
Для более быстрого отвода энергии электрического заряда при воздействии молнии применяют специальное ориентирование слоев углеродной ткани в токопрово-дящем слое под углом -30^+60 град друг относительно друга.
Между слоями углеродной ткани располагают трансверсально-армирующие углеродные волокна, связывающие отдельные слои путем многослойного ткачества или прошивкой, - количество трансверсально-армирующих волокон составляет 1-5 на 1см .
Для повышения контактной электропроводности между отдельными слоями углеродной ткани в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродные наномодификаторы (фуллерены и их производные) в количестве 3-25% (по массе) [3] .
При использовании предложенной защиты ток молнии в значительной степени отводится токопроводящим слоем, где протекает по его объему, в первую очередь вдоль углеродных волокон ткани и трансверсально-армирующих волокон, а также частично по полимерной матрице токопроводящего слоя, содержащей углеродные нано-модификаторы. Расположение слоев углеродной ткани друг относительно друга под углом -30^+60 град способствует большей степени рассеивания электрического тока. Высокая термостойкость полимерной матрицы токопроводящего слоя, в том числе с введенными углеродными наномодификаторами, характеризуемая температурой деструкции >250°С, определяет работоспособность токопроводящего слоя как конструкционного материала при воздействии высоких тепловых энергий, выделяющихся в процессе прохождения электрического тока молнии. Таким образом, благодаря термостойкости увеличивается степень сохранения молниезащитного покрытия. В результате прохождения тока молнии плотность токопроводящего слоя снижается в 3-4 раза, а удельное энерговыделение - в 4-5 раз, что, в свою очередь, значительно снижает локальное разрушение молниезащитного покрытия, - наблюдается лишь незначительное распушение углеродных волокон токопроводящего слоя, углепластиковые конструкции не разрушаются.
Введение в полимерную матрицу углеродных наномодификаторов - фуллеренов и их производных - позволяет увеличить число направлений рассеивания энергии электрического разряда, при этом токопроводящий слой выполняет, кроме молниезащит-ной, несущую функцию и включается в расчетную схему углепластиковой конструкции. Формование и соединение токопроводящего слоя углепластиковой конструкции может производиться как в едином технологическом цикле, так и напрессовкой токо-проводящего слоя.
Результаты испытаний образцов углепластика показали, что многослойное мол-ниезащитное покрытие эффективно защищает углепластиковые конструкции внешнего контура летательных аппаратов от воздействия смещающихся разрядов молнии с максимальным значением тока 1=200 кА и зарядом Q=20 Кл. При этом наблюдается разрушение токопроводящего слоя с явлениями разрыва (размером не более 20 мм) отдельных волокон верхнего слоя углеродной ткани (причем низлежащие слои ткани полностью сохраняются), а также распушение углеродных жгутов, отслоение, обессмо-ливание и изменение цвета токопроводящего слоя. Целостность конструкции из уг-
лепластика внешнего контура сохраняется. О незначительных размерах повреждения молниезащитного слоя свидетельствуют данные по сохранению прочности токопрово-дящего слоя в зависимости от удаления от центра удара. В центре удара прочность то-копроводящего слоя составляет не менее 70% (от исходной) и восстанавливается при удалении от центра на 60 мм.
Такие повреждения молниезащитного слоя практически не влияют на эксплуатационные характеристики углепластиковой конструкции и легко поддаются ремонту.
Таким образом, высокие характеристики молниестойкости предлагаемого мол-ниезащитного покрытия, а также высокая механическая прочность токопроводящего слоя, где используются высокопрочные углеродные наполнители, позволяют включить данное молниезащитное покрытие в расчетную схему углепластиковой конструкции, дают возможность снизить общий удельный привес защищаемой конструкции на 350-400 г/м2 .
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А., Ярцев В.А., Сорина Т.Г., Соболевская Е.Г., Ларионов В.П., Агапов В.Г., Сергиевская И.М. Молниезащита высокомодульных полимерных композиционных материалов //Авиационная промышленность, 1985, № 10, с. 44-48.
2. Гуняев Г.М., Митрофанова Е.А, Ярцев В.А., Сорина Т.Г., Соболевская Е.Г. //ВАНТ, сер. Авиационные материалы, вып. Неметаллические композиционные материалы, 1986, с. 79-84.
3. Каблов Е.Н., Гуняев Г.М., Ильченко С.И., Пономарев А.Н., Кавун Т.Н., Комарова О.А., Копылов А.Е. Многослойное молниезащитное покрытие: Пат. 2217320 (РФ) от 27.11.2003.
УДК 678.8
Г.М. Гуняев, И.Н. Гуляев, Г.Ф. Железина, В.И. Бирюк*, Ю.С. Ильин*
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
«Интеллектуальный» материал - это материал, обладающий, в отличие от функционального материала, комплексом функций, помогающих ему реагировать на окружающие условия и внешние воздействия. Эти материалы способны «ощущать» (контролировать) себя и изделия, выполненные из них, и способны адаптироваться (т. е. приспосабливаться) к изменяющимся внешним воздействиям. Причем «интеллектуальные» функции в большинстве случаев определяются сочетанием различных структур как на морфологическом, так и на молекулярном и даже атомном уровнях.
Структура такого материала состоит из основного, базового материала (компо-
* Сотрудники ФГУП ЦАГИ.
