CC BY
246
УДК 665.939.5
Н.Ф. Лукина1, А.П. Петрова1, P.P. Мухаметов1, А.С. Когтёнков1
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ КЛЕЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-452-459
Представлены свойства и области применения новых клеящих материалов авиационного назначения: высокопрочных клеев марок ВК-36Т, ВК-97 и ВК-98 для клеевых соединений, в том числе сотовых конструкций, а также клея ВКР-96, предназначенного для склеивания полиуре-танового материала с теплоотражающим покрытием. Представлены сведения о технологии приклеивания износостойкого полиуретанового материала ВТП-1В к материалам лопастей вертолетов с применением сочетания клеев ВКР-95 и ВК-93 (в качестве клеевого подслоя).
Ключевые слова: клей, клеевые соединения, технология склеивания, сотовая конструкция, полиуретановый материал, износостойкий материал.
N.F. Lukina, A.P. Petrova, R.R. Muhametov, A.S. Kogtyonkov New developments in the field of adhesive aviation materials
The properties and applications of new adhesive materials for aviation are provided: high strength adhesives VK-36T, VK-97, VK-98 for adhesive joints, including honeycomb structures and adhesive VKR-96 designed for bonding of polyurethane material with heat-reflective coating. Information about the technology of bonding of wear-resistant polyure-thane material VTP-1V and materials for the blades of helicopters with application of a combination of adhesives VKR-95 and VK-93 (as adhesive sublayer) is provided.
Keywords: adhesive, adhesive joints, technology of adhesive joints, honeycomb structure, polyurethane material, wear-resistant material.
Разработки в области клеящих материалов проводятся в рамках стратегического направления 15. «Наноструктурированные, аморфные материалы и покрытия» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1]. Разработан ассортимент клеев конструкционного и функционального назначения, которые в авиационной и других отраслях промышленности используются
1 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
для изготовления клееных конструкций из металлических, полимерных конструкционных и неметаллических материалов [1-4].
Среди клеев конструкционного назначения наиболее широкое применение нашли высокопрочные эпоксидные клеи, различающиеся диапазоном рабочих температур и по своим прочностным и деформационным свойствам не уступающие лучшим зарубежным аналогам. Клеевые соединения на основе эпоксидных клеев конструкционного назначения обладают высокой длительной прочностью, вибростойкостью, стойкостью к распространению трещин, устойчивостью к воздействию климатических факторов и агрессивных сред, что обеспечило высокий ресурс работы и надежность в эксплуатации клееных конструкций [4-8].
В развитие этого научного направления разработан высокопрочный эпоксидный пленочный клей ВК-36Т конструкционного назначения, который, в сравнении с наиболее востребованным в настоящее время аналогом - пленочным эпоксидным клеем ВК-36, обладает повышенной теплостойкостью - до 180°С (вместо 160°С - для клея ВК-36) [9]. Клей ВК-36Т обеспечивает высокий уровень прочности клеевых соединений в диапазоне рабочих температур: предел прочности при сдвиге при 20°С составляет 29,5 МПа, при 180°С: 20,0 МПа, а также работоспособен длительно (в течение 2000 ч) при температуре 180°С и кратковременно - при температуре 200°С. В табл. 1 представлены свойства клеевых соединений, выполненных с использованием пленочного клея ВК-36Т, при склеивании металлических и неметаллических материалов. Видно, что исследования прочности клеевых соединений после выдержки в камере солевого тумана в течение 30 сут показали - прочность при сдвиге составляет 81-86% от исходной. Установлено, что спустя 90 сут тепловлажностных испытаний (при температуре 60°С, ф=85%) сохранение прочности составило 65- 82% от исходной, что свидетельствует о влагостойкости пленочного клея ВК-36Т.
Испытания клеевых соединений на основе клея ВК-36Т показали, что клей ВК-36Т является грибостойким - балл обрастания 0. После испытаний на грибостойкость прочность при сдвиге составляет 65-85% от исходной, прочность при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя 80-90% от исходной.
После выдержки образцов клеевых соединений в камере тропиков в течение 90 сут прочность при сдвиге составила 69-77% от исходной, прочность при равномерном отрыве от сот составила 85-100% от исходной, что свидетельствует о тропикостойкости материала.
Таким образом, установлено, что клеевые соединения, выполненные на основе клея ВК-36Т, устойчивы к воздействию факторов, имитирующих эксплуатационные.
Таблица 1
Свойства клеевых соединений на основе клея ВК-36Т при различных температурах
Свойства Склеиваемые материалы Значения свойств при температуре испытания, °С
-60 20 120 150 180 200
Предел прочности при сдвиге, МПа Сплав Д19-АТ Ан.Окс.хром 31,3 29,3 28,7 27,8 20,0 18,0
Сталь ЗОХГСА 41,4 42,0 42,4 41,0 34,8 32,3
Стеклопластик ВПС-З7К1О - 21,5* 20,9* - - -
Углепластик ВКУ-ЗОК.Р145З5 - 28,3* - 24,5* - -
Углепластик из клеевого препрега КМКУ-2м.12О.ЭО,1 27,7* 23,9*
Предел прочности при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя, МПа Сплав Д19-АТ Ан.Окс.хром+соты из фольги АМг2Н (ячейка 2,5 мм) 6,7 5,1 - - 4,7 -
Характер разрушения - по сотовому заполнителю -
Предел прочности при отслаивании, кН/м Сплав Д19-АТ Ан.Окс.хром - 1,3 - - - -
* Характер разрушения — по углепластику.
На основании результатов проведенных исследований высокопрочный пленочный клей ВК-36Т конструкционного назначения рекомендован для склеивания слоистых и сотовых конструкций с обшивками из металлов и неметаллических композиционных материалов, работающих в интервале температур от -60 до +180°С, что в сравнении с отечественным аналогом - клеем ВК-36 (рабочая температура 160°С) позволяет расширить температурный диапазон эксплуатации клееных конструкций.
На основе клеевого связующего марки ВСК-1212 разработан эпоксидный пленочный клей ВК-98 с максимальной рабочей температурой 120°С. Клей предназначен для изготовления деталей конструкционного назначения, в том числе сотовых конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212, рекомендуемых для применения в конструкциях механизации крыла и мотогондолы самолета.
Основные свойства клея ВК-98 в исходном состоянии и после воздействия различных факторов представлены в табл. 2.
Пленочный клей марки ВК-98 для ПКМ на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212 обладает рабочей температурой 120°С (длительно) и 150°С - кратковременно, по свойствам находится на уровне свойств зарубежного аналога - клея марки Redux 322 фирмы Hexcel, а также превосходит клей марки FM-209-1 фирмы Cytec по прочности при сдвиге при склеивании ПКМ (при 20°С - на 15%, при 120°С - на 65%) и температуре стеклования - на 32%.
Таблица 2
Свойства пленочного клея марки ВК-98
Свойства Склеиваемые материалы Условия выдержки Значения свойств при температуре испытания, °С
-60 20 120
Предел прочности Сплав Д16-АТ В исходном состоянии 17,6 21,0 22,0
при сдвиге, МПа Ан.Окс.хром Ф=85%, Г=60°С в течение 30 сут 12,1 15,2 21,0
Ф=98%, Г=28°С в течение 15,0 23,3 22,2
30 сут
Ф=98%, Г=28°С+миколо- 15,3 20,5 24,5
гическая среда в течение
30 сут
Камера тропического 16,4 18,4 20,5
климата в течение 30 сут
Камера солевого тумана 13,7 20,5 23,0
в течение 30 сут
Углепластик В исходном состоянии 17,3 19,7 19,3
ВКУ-39 Ф=85%, Г=60°С в течение 30 сут 19,0 18,1 21,5
Ф=98%, Г=28°С в течение 21,6 16,8 23,1
30 сут
Ф=98%, Г=28°С+миколо- 21,7 16,2 21,7
гическая среда в течение
30 сут
Камера тропического 17,2 19,8 24,6
климата в течение 30 сут
Камера солевого тумана 20,6 17,1 25,4
в течение 30 сут
Предел прочности Препрег ВКУ-39+ В исходном состоянии - 5,0 4,0
при равномерном отрыве обшивки -сотовый заполнитель из фольги АМг2Н Ф=85%, Г=(60±2)°С в течение 30 сут - 4,6 3,8
от сотового запол- (толщина 0,05 мм с
нителя, МПа ячейкой 2,5 мм)
Отличительной особенностью клея ВК-98 является то, что он позволяет реализовать технологию изготовления деталей трехслойной конструкции по интегральной схеме формования с применением препрега на основе связующего ВСЭ-1212 за один технологический цикл, что сокращает энергозатраты и трудоемкость производства деталей до 40%.
В настоящее время в конструкции приоритетные изделий авиационной техники требуется применение термостойких клеев, в том числе для склеивания обшивок на основе бис-малеинимидного связующего со стеклянными сотами в процессе изготовления сотовых конструкций. Для этих целей разработан пленочный эпоксицианэфирный клей ВК-97, работоспособный длительно при температуре 200°С и обеспечивающий прочность клеевых соединений при сдвиге при склеивании металлических материалов на уровне 19-21 МПа при температурах испытания 20 и 200°С. Прочность клеевыгх соединений при равномерном отрыве обшивки из углепластика ВКУ-27Л от сотового заполнителя ССП-1 с ячейкой 2,5 мм при этих же температурах составляет 3,0 МПа. В результате проведенный исследований
установлено, что прочность клеевых соединений после воздействия агрессивных факторов и микологической среды сохраняется на уровне исходной прочности. После длительного воздействия температуры 200°С в течение 500 и 1000 ч прочность клеевых соединений повышается (табл. 3).
Таблица 3
Свойства клеевых соединений на основе клея ВК-97
Характеристика Темпе- Значения характеристики
ратура в исходном после старения после воздействия среды
испыта- состоянии при температуре в течение, сут
ния, °С 200°С в течение, ч 30 15
500 1000 микологическая (при 28°С, Ф=(98±2)%) топливо ТС-1 масло ИПМ-10
Предел прочности 20 20,4 26,7 25,3 18,1 20,0 19,1
при сдвиге, МПа 200 21,0 21,4 29,3 14,2 22,9 23,2
Клей ВК-97 рекомендован для склеивания углеродистых сталей, титановых сплавов и неметаллических материалов, в том числе ПКМ на основе бис-малеинимидных связующих. Особенностью клея ВК-97 является то, что он в отличие от существующих пленочных клеев способен обеспечить изготовление сотовых конструкций по современной технологии, в процессе которого формование обшивки из препрега углепластика ВКУ-27ЛР на основе связующего ВСТ-1208 и склеивание обшивки с сотовым заполнителем ССП-1 происходит за один технологический цикл, что обеспечивает герметичность сотовой конструкции [10].
Среди клеев функционального назначения клеи резинотехнического назначения нашли широкое применение в отечественной промышленности для склеивания резин различной химической природы между собой, а также с металлами и резинотканевыми материалами. Однако существующие клеи холодного отверждения (4НБув, 51-К-25, ВКР-27 и другие), рекомендованные для соединения тканепленочных материалов и прорезиненных тканей, по своим свойствам (теплопрочностным характеристикам, стойкости к воздействию теплового потока) не удовлетворяют требованиям TSO-C69c, предъявляемым к материалам для аварийных авиационных надувных трапов.
Разработан клей ВКР-96, предназначенный для склеивания отечественного полиуретанового тканепленочного материала с теплоотражающим покрытием (типа ВРТ-9), что позволит заменить дорогостоящий и дефицитный импортный аналог - клей LA 5102 фирмы Clifton Adhesive (США), применяемый в производстве аварийных авиационных надувных трапов для соединения полиуретановых материалов, разработанных фирмой «Уретек» (США). Клей ВКР-96 обладает в сравнении с отечественными клеями улучшенным комплексом свойств: прочностью при расслаивании тканепленоч-ного материала с полиуретановым покрытием, которая составляет при 20°С -
не менее 0,9 кН/м через 24 ч после склеивания; работоспособностью в интервале температур от -60 до +100°С; влаго- и тропикостойкостью; устойчивостью к воздействию микологической среды и климатических факторов. Клей ВКР-96 также удовлетворяет требованиям АП-25 по пожаробезопас-ности: по горючести классифицируется как самозатухающий.
Одна из проблем при эксплуатации вертолетной техники во всекли-матических условиях (особенно в условиях пустыни) - повышенный абразивный износ агрегатов вертолетов, в первую очередь - лопастей несущих и рулевых винтов. Для защиты от абразивного износа лопастей несущих и рулевых винтов вертолетов в отечественной практике применяются резины (ВР-3 и другие) и оковки (стальные или титановые). Однако эксплуатация вертолетной техники в условиях повышенного абразивного воздействия требует разработки новых технологий, обеспечивающих дополнительную защиту лопастей вертолетов.
Разработана технология приклеивания износостойкого полиуретано-вого материала ВТП- 1В к материалам лопастей вертолетов с применением сочетания клеев холодного отверждения: эластомерного клея ВКР-95, который рекомендуется для склеивания вулканизованных резин на основе натурального и бутадиен-нитрильных каучуков и прорезиненных тканей между собой и с металлами (углеродистыми сталями, алюминиевыми сплавами) при комнатной температуре, и эпоксидного клея ВК-93 (в качестве клеевого подслоя) [11-14].
Разработанная технология устанавливает последовательность этапов технологического процесса крепления материала ВТП-1В к поверхности лопастей вертолетов из алюминиевых сплавов и стеклопластиков. Применение сочетания клеев ВК-93 и ВКР-95 позволило получить предел прочности клеевыи соединений ВТП-1В+Д16-АТ и ВТП-1В+стеклопла-стик на уровне 3,0-3,1 кН/м, что соответствует техническим требованиям к клеям этого назначения [15, 16].
Клеевые соединения, выполненные с использованием клеев ВКР-95 и ВК-93, устойчивы к воздействию влаги (при влажности ф=98%) в течение 1 мес, повышенной температуры (+100°С) - в течение 100-200 ч, тропического климата - в течение 3 мес, циклического воздействия температур (-60$ + 100°С) - в течение 10 циклов. Сохранение уровня прочности клеевых соединений после воздействия факторов, имитирующих эксплуатационные, составляет от 81 до 94%.
Применение для дополнительной защиты от абразивного износа агрегатов вертолетов, в том числе лопастей несущих и рулевых винтов, износостойкого материала ВТП-1В, крепление которого осуществляется с использованием клеев ВКР-95 и ВК-93, позволяет увеличить межремонтный срок службы абразивостойкой защиты вертолетной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
3. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.
4. Дементьева Л.А., Куцевич К.Е., Лукина Н.Ф., Петрова А.П. Свойства эпоксидных конструкционных клеев, модифицированных полисульфонами // Клеи. Герметики. Технологии. 2016. №11. С. 13-18.
5. Петрова А.П., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Аниховская Л.И. Пленочные конструкционные клеи // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №10. С. 7-12.
6. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328-335.
7. Петрова А.П., Донской А.А., Чалых А.Е., Щербина А.А. Клеящие материалы. Герметики: справочник. СПб.: Профессионал, 2008. 589 с.
8. Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Рубцова Е.В., Петрова А.П. Исследование эпоксидно-полисульфоновых систем как основы высокопрочных клеев авиационного назначения // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. №3. С. 7-12.
9. Рубцова Е.В., Шарова И.А., Петрова А.П. Высокопрочный пленочный клей ВК-36Т на основе эпоксидно-полисульфоновой системы // Новости материаловедения. Наука и техника: электрон. науч.-технич. журн. 2016. №6. Ст. 08. URL: http://www.materialsnews. ru (дата обращения: 10.02.2017).
10. Меркулова Ю.И., Мухаметов Р.Р., Железняк В.Г., Сафронов А.М. Модифицированные матричные полиизоцианаты // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. №10. С. 2-6.
11. Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Аниховская Л.И. Клеи и материалы на их основе для ремонта конструкций авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2002. №1. С. 61-65.
12. Тюменева Т.Ю., Жадова Н.С., Лукина Н.Ф.Разработки ФГУП «ВИАМ» в области клеев резинотехнического назначения и самоклеящихся материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №7.
Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 10.02.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-4-4.
13. Авдонина И.А., Лукина Н.Ф. Быстроотверждающийся эпоксидный клей ВК-93 холодного отверждения // Клеи. Герметики. Технологии. 2009. №3. С. 14-17.
14. Шарова И.А., Лукина Н.Ф., Алексашин В.М., Антюфеева Н.В. Влияние состава на кинетические и прочностные свойства быстроотверждающихся эпоксидных клеевых композиций // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. №2. С. 1-5.
15. Жадова Н.С., Тюменева Т.Ю., Шарова И.А., Лукина Н.Ф. Перспективные технологии для временного оперативного ремонта авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 67-70.
16. Шарова И.А., Жадова Н.С., Лукина Н.Ф. Клеящие материалы и технологии для временного оперативного ремонта сотовых агрегатов из полимерных композиционных материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №5. С. 36-39.
