CC BY
189
УДК 678.067.5
А.О. Курносое1, Д.А. Мельников1, И.И. Соколов1
СТЕКЛОПЛАСТИКИ КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ АВИАСТРОЕНИЯ
Представлены сведения о стеклопластиках конструкционного назначения на основе растворных и расплавных связующих. Приведены данные о наиболее востребованных разработках ВИАМ, применяемых в изделиях авиационной техники. Описаны основные преимущества стеклопластиков на основе расплавных связующих. Изучены упруго-прочностные характеристики разработанных стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Приведены основные области их применения в изделиях авиационной техники.
Ключевые слова: стеклопластики, прецизионные препреги, растворные и расплавные связующие, пористость.
The article presents data about structural glass-reinforced plastics produced with the use of solvent- and melt-based binders. Some data on the most popular developments of VIAM used in aviation engineering are given. The main advantages of glass-reinforced plastics based on the melt binders are described. Elastic-strength characteristics of the developed glass-reinforced plastics at elevated temperatures, humidity and under action of various aggressive environments were studied. The main fields of application of these materials in aviation equipment are described in the article.
Keywords: glass-reinforced plastics, precision prepregs, solvent- and melt-based binders, porosity.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Исследования в области создания стеклопластиков - композиционных материалов на основе стеклянных армирующих наполнителей и полимерных связующих (матриц) - впервые в нашей стране были начаты еще в 1945 г. по инициативе ВИАМ. Высокая механическая прочность, хорошие электро- и теплоизоляционные свойства, стойкость к воздействию агрессивных сред в различных климатических условиях, возможность конструирования изделий с учетом действующих нагрузок путем выбора рациональной структуры армирования, разнообразие и простота технологических методов изготовления изделий, доступность и относительно низкая стоимость стеклянных наполнителей - все это позволило широко применять стеклопластики для деталей и агрегатов ЛА, создавать изделия с необходимыми летно-техническими характеристиками [1].
Материалы и методы
При производстве нагруженных изделий из стеклопластиков для авиационной техники наиболее широкое распространение получила автоклавная технология переработки с применением полуфабрикатов (препрегов) - предварительно пропитанных связующим армирующих наполнителей. В зависимости от необходимости применения растворителя для обеспечения процесса пропитки армирующего наполнителя связующим существуют две технологии изготовления препрегов - растворная, в которой не-
обходимые технологические свойства связующего достигаются применением активных или пассивных растворителей, и расплавная, где требуемые реологические характеристики связующего обеспечиваются применением повышенной температуры. Традиционно при изготовлении препрегов использовали растворную технологию, которая является наиболее простой. При расплавной технологии в состав связующего растворитель не добавляют, а само связующее подогревают на каландрах пропиточной машины непосредственно в процессе нанесения на армирующий наполнитель. Температура нагрева зависит от свойств связующего.
На основе различных видов стеклянных наполнителей и полимерных связующих растворного типа в ВИАМ разработан широкий спектр стеклопластиков, нашедших широкое применение в изделиях авиационной техники. Так, разработка эпоксидного стеклопластика марки СТ-69Н(М) (табл. 1) обеспечила создание средненагруженных элементов внешнего контура летательных аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения - обтекателей РЛС, створок шасси и грузовых отсеков, капотов. С применением стеклопластика СТ-69Н(М) изготавливают силовую панель реверса, кожух задней подвески реверса звукопоглощающей конструкции двигателя ПС-90А2. Эпоксидные стеклопластики марок ВПС-33 и ВПС-34 применяют при изготовлении обшивок трехслойных панелей, люков, дверей, створок. На основе стеклопластика ВПС-33 изготавливают кожух сопла звукопоглощающей конструкции мотогондолы двигателя ПС-90А2 [2].
Таблица 1
Физико-механические свойства стеклопластиков на основе связующих растворного типа
Свойства Температура Направление Значения свойств для стеклопластика марки
испытания, приложения ВПС-33 ВПС-34 СТ-69Н(М)
°С нагрузки
Предел прочности 20 По основе 600 460 550
при растяжении, МПа По утку 300 200 310
(ГОСТ 11262-80) 100* По основе 530 350 450
Модуль упругости 20 По основе 29 20 28
при растяжении, ГПа (ГОСТ 9550-81) По утку 19 15 21
Предел прочности 20 По основе 450 370 485
при сжатии, МПа По утку 300 260 320
(ГОСТ 4651-82) 100* По основе 330 260 395
Предел прочности 20 По основе 710 470 865
при изгибе, МПа По утку 410 275 440
(ГОСТ 4648-71) 100* По основе 500 370 725
Плотность, г/см3 - - 1,58-1,73 1,88-1,97 1,85-2,0
Температура - - От -60 до +100 От -60 до +100 От -60 до +80
эксплуатации, °С
* Для стеклопластика марки СТ-69Н(М) данные приведены при температуре испытаний 80 ° С.
Для изготовления деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом) разработан стеклопластик ВПС-39П на основе фенолформальдегидного связующего с температурой эксплуатации до 80 ° С, характеризующийся низким значением тепловыделения и полностью соответствующий требованиям АП-25 по пожаробезопасности (табл. 2) [3].
Таблица 2
Свойства стеклопластика ВПС-39П
Свойства Температура испытаний, ° С Значения свойств
Предел прочности при сжатии, МПа 20 80 360 315
Предел прочности при межслойном сдвиге, МПа 20 80 37 27
Дымообразующая способность - Слабодымящий
Горючесть - Самозатухающий
Тепловыделение (толщина образца 0,3 мм):
- максимальная скорость выделения тепла (пик), кВт/м2 - 25
- общее количество выделившегося тепла за пер- - 23
вые 2 мин, кВтмин/м2
Данные стеклопластики по уровню свойств не уступают аналогичным зарубежным материалам, однако из-за особенностей растворной технологии изготовления им присущ ряд неизбежных недостатков. В процессе формования стеклопластиков на основе растворных связующих выделяется значительное количество остаточных растворителей (ацетон, спирт), что повышает уровень пористости материала. Поры в изделиях из ПКМ, как известно, серьезно ухудшают механическую прочность материала - особенно под воздействием сжимающих и сдвиговых нагрузок. Помимо этого, растворные связующие не соответствуют принципам «зеленой» химии [4].
С каждым годом требования к экономической эффективности технологий и стоимости деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) все более ужесточаются. Повышаются требования к материалам как с точки зрения обеспечения необходимого уровня технологических свойств, так и широкого спектра эксплуатационных и специальных характеристик, что обуславливает крайнюю необходимость создания новых ПКМ и технологий их изготовления в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [5, 6].
В ВИАМ разработан ассортимент стеклопластиков на основе расплавных связующих, не содержащих органических растворителей, что позволяет минимизировать образование газообразных продуктов в процессе формования, и тем самым снизить пористость ПКМ и повысить упруго-прочностные характеристики. Благодаря отказу от работы с экологически опасными растворителями снижается количество выделяемых в атмосферу вредных веществ. Такой подход требует использования специализированного оборудования для производства препрегов - современных пропиточных установок, позволяющих изготавливать так называемые прецизионные препреги с минимальным разбросом содержания связующего в препреге, отличающегося от номинального не более чем на 2% [7]. Следует отметить, что созданное в ВИАМ производство препрегов из ПКМ является первым сертифицированным Авиационным регистром МАК производством препрегов в РФ [8].
Результаты и обсуждение
В настоящее время в ВИАМ разработаны и паспортизованы стеклопластики марок ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклотканей фирмы Porcher Ind. (Франция) арт. 7781 и 120 (табл. 3). Связующее ВСЭ-1212 с повышенными механическими и деформационными характеристиками, а также препреги на его основе обеспечивают возможность изготовления изделий
с высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, устойчивых к воздействию неблагоприятных эксплуатационных факторов [9, 10].
Таблица 3
Физико-механические свойства стеклопластиков на основе расплавного связующего
ВСЭ-1212
Свойства Температура испытаний, °С Значения свойств для стеклопластика марки
ВПС-48/120 ВПС-48/7781
Предел прочности при 20 420 430
растяжении, МПа 120 405 410
Модуль упругости 20 27 28
при растяжении, ГПа 120 25 26
Предел прочности, МПа:
- при межслойном сдвиге 20 85 95
120 60 66
- при изгибе 20 665 580
120 430 530
- при сжатии 20 540 630
120 350 460
Плотность, г/см3 - 1,80 1,89
Проведены исследования стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового (2000 ч) и тер-мовлажностного старения (3 мес) представлен на рис. 1, а после воздействия агрессивных сред - на рис. 2.
8 С
8 Н
о
ё
¡г о
Ч 5
ч
<и о
а С
100 806040200
В исходном состоянии
После теплового После
старения в течение термовлажностного 2000 ч старения в течение
3 мес
Рис. 1. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и термовлажностного старения при температуре испытаний 20 (■) и 120 ° С (□)
*Й100
80
60
20
/ у
4Г
Л'
>
Рис. 2. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после воздействия агрессивных сред при температуре испытаний 20 (■) и 120° С (□)
0
Полученные результаты наглядно демонстрируют, что разработанные стеклопластики обладают высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, в том числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и агрессивных сред, что в значительной мере связано с использованием связующих расплавного типа. Установлено, что сохранение упруго-прочностных характеристик стеклопластиков после воздействия указанных эксплуатационных факторов составляет не менее 60% от исходных значений [11].
Заключение
Стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 не уступают по своим характеристикам стеклопластикам зарубежных производителей, например, марок М21/37%/7581 и М21/45%/120 фирмы Hexel (США) и найдут применение при изготовлении среднена-груженных деталей перспективных изделий авиационной техники. В настоящее время стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 проходят квалификационные испытания для применения в конструкции мотогондолы двигателя ПД-14.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аврасин Я.Д., Бородин М.Я., Киселев Б.А. Стеклопластики в авиастроении //Авиационная промышленность. 1982. №8. С. 80-84.
2. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики в конструкциях авиационной и ракетной техники //Стекло и керамика. 2012. №4. С. 1-7.
3. Давыдова И.Ф., Кавун Н.С. Стеклопластики - многофункциональные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 253-260.
4. Поляков М. Зеленая химия: очередная промышленная революция //Химия и жизнь. 2004. №6.
С.2-12.
5. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
6. Каблов E.H. 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.
7. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4 (viam-works.ru).
8. Хрульков A.B., Григорьев М.М. Эволюция материала вертолетной лопасти: от накрахмаленной ткани и дерева к металлу и композиту //Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. №2 (14) (materialsnews.ru).
9. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.
10. Каблов E.H. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. T. LIV. №1. С. 3-4.
11. Соколов ИИ, Вавилова М.И. Конструкционные стеклопластики на основе расплавных связующих и тканей Porcher //Новости материаловедения. Наука и техника. 2013. №5. Ст. 02 (materialsnews.ru).
