Полимерное пленочное покрытие с интегрированным металлическим слоем для защиты от молниевых разрядов элементов из ПКМ вертолетной техники

Введение

Современное материаловедение находится на этапе интенсивного развития, ключевыми векторами которого являются разработка и масштабное внедрение полимерных композиционных материалов (ПКМ). По аналогии с самолетами в конструкции вертолетов нового поколения доля ПКМ неуклонно увеличивается, достигая уже ≥50 % от общей массы фюзеляжа, а по площади внешней поверхности – до 80 % [1]. Лопасти несущих и рулевых винтов, капоты двигательных отсеков, элементы фюзеляжа и хвостовые балки – это только часть элементов и агрегатов, где основные классы ПКМ (угле- и стеклопластики) уверенно вытесняют металлы и их сплавы [2, 3]. Конечно, это уже известный факт, что такой стремительный переход к применению композиционных материалов обусловлен их выраженными преимуществами: высокие показатели удельной прочности и жесткости, снижение массы конструкции (до 25 %) и трудоемкости ее изготовления (до 30 %), коррозионная стойкость и др. [4].

Однако применение ПКМ в вертолетной технике приводит к возникновению новых проблем, одной из которых является необходимость обеспечения молниезащиты. Такие материалы обладают на 3–4 порядка более высокими значениями удельного электрического сопротивления, чем металлы, являющиеся хорошими проводниками, обеспечивающие высокую проводимость и, соответственно, растекание тока молнии по их поверхности с минимальными локальными повреждениями [1]. Углепластики, широко применяемые в несущих конструкциях вертолетной техники, несмотря на содержание токопроводящего углеродного наполнителя, занимают промежуточное положение между диэлектриками (стекло- и органопластиками) и металлами. Однако полимерная матрица, как правило, является диэлектрической, в результате электрический ток, возникающий при попадании молнии, не может распределяться по углепластику так же эффективно, как по металлической конструкции. Это приводит к локальному повышению плотности тока, интенсивному нагреву и выделению большого количества тепловой энергии – температура канала молнии может достигать 30000 °С, амплитуда тока – до 200 кА [1]. При попадании молнии в особо опасные зоны незащищенные конструкции из ПКМ получают необратимые повреждения – происходят разрушение и вырыв волокон, выгорание лакокрасочного покрытия и связующего, расслоение композита, сквозной пробой. Например, при попадании молнии в топливные баки происходит воспламенение топлива, что вызывает отказ силовых элементов, а следовательно, приводит к возможной авиакатастрофе [1, 5].

Согласно статистике гражданской авиации, на 2000–3000 ч налета приходится в среднем один удар молнии, что делает проблему молниезащиты летательных аппаратов повседневной инженерной задачей. Для вертолетной техники, которая эксплуатируется в широком диапазоне высот и метеоусловий, включая активную грозовую деятельность, эта проблема является актуальной. При этом нормативные требования к молниезащищенности винтокрылых аппаратов регламентируются Авиационными правилами АП-29 «Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории» (п. 29.610 «Защита от молнии и статического электричества»), что также подтверждает необходимость разработки и сертификации молниезащитных систем для обеспечения безопасности полетов [6].

Основная задача молниезащиты для ПКМ заключается в создании внешнего проводящего пути, способного принять значительную часть импульсного тока и равномерно перераспределить его по поверхности конструкции летательного аппарата.

Традиционным способом защиты композиционных конструкций из ПКМ, в том числе вертолетной техники, является применение металлических сеток, фольг или напыленных металлических покрытий. Однако использование сплошных металлических элементов увеличивает массу конструкции, а металлические сетки требуют дополнительных технологических операций при изготовлении композиционных деталей и агрегатов [7, 8]. В связи с этим одним из перспективных направлений исследований в области молниезащиты летательных аппаратов является разработка облегченных композиционных пленочных систем, в которых металлический проводящий слой интегрирован непосредственно в полимерную пленку. Современным этапом развития технологий стало создание тонких пленочных систем, т. е. переход от одного проводящего слоя к многослойным системам, в которых проводящий компонент объединяется с полимерной матрицей, в том числе с армирующим наполнителем [9].

Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ведут работы по созданию композиционных молниезащитных пленок марок ВМЗП-1, ВМЗП-2 и ВМЗП-3 применительно к ПКМ с различными температурами переработки и областями применения. Например, разработанное полимерное пленочное покрытие с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-1 предназначено для защиты от молниевых разрядов и снятия статического электричества с внешней аэродинамической поверхности летательных аппаратов, работающих в диапазоне температур от –60 до +120 °С, кратковременно – до +150 °С. Покрытие совместимо в едином цикле формования с препрегами на основе связующего ВСЭ-1212: препрегами углепластиков типа ВКУ-29, ВКУ-39, ВКУ-25, применяемыми в мотогондоле двигательных установок ПД-8 и ПД-14.

В первую очередь, композиционные полимерные молниезащитные пленки должны иметь химическую совместимость и адгезию к ПКМ, для которого они предназначены [9, 10]. Связующее пленки должно химически взаимодействовать с матрицей основного материала конструкции для формирования прочных химических связей и обеспечения возможности переработки в едином цикле формования по одному температурному режиму. Невозможно использовать универсальную композиционную пленку: адгезия будет слабой, под действием высокой температуры и ударной волны, вызываемой молниевым разрядом, слой защиты отслоится. Именно поэтому для каждого типа ПКМ создают свою молниезащитную пленку, а ее формование в едином цикле с изделием обеспечивает надежность, минимальную массу и технологическую эффективность [11].

Цель работы – оценить молниестойкость образцов углепластика типа ВКУ-45 с применением молниезащитного полимерного пленочного покрытия с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-3, в том числе с подложкой на основе стеклянного наполнителя.

Материалы и методы

Полимерное пленочное покрытие с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-3 (рис. 1) в составе ПКМ применимо в качестве выравнивающего поверхностного слоя, для защиты от молниевых разрядов и снятия статического электричества с внешней аэродинамической поверхности летательных аппаратов, работающих в диапазоне температур от –60 до +80 °С, кратковременно – до +100 °С, и совместимо в едином цикле формования с препрегами углепластиков типа ВКУ-45 на основе связующего ВСЭ-34.

В зависимости от требований заказчика молниезащитное полимерное покрытие марки ВМЗП-3 изготавливается с различными типами вязаных и вязано-паяных сеток из медной металлической проволоки и просечно-вытяжных (перфорированных) медных металлических фольг (табл. 1), в том числе с использованием подложки на основе стеклянного наполнителя – ткани Т-64 (ТУ 5952-009-16319666–98) с поверхностной плотностью ~100 г/м². Различия в структуре металлических слоев приведены на рис. 2.

Для полимерной основы молниезащитного покрытия марки ВМЗП-3 разработано расплавное эпоксидное связующее марки ВСЭ-87, обеспечивающее необходимые значения температуры стеклования в отвержденном состоянии (145–155 °С), что гарантирует рабочую температуру ≥80 °С. Необходимый уровень вязкости не позволяет связующему (в составе полимерного пленочного покрытия с интегрированной металлической сеткой) вытекать из сетки и равномерно растекаться по поверхности препрегов при их совмещении с покрытием. Массовая доля связующего в покрытии составляет 55±10 %.

Покрытие марки ВМЗП-3 изготавливают на специализированной установке методом совмещения (прикатки) металлического слоя сетки (фольги) с расплавным эпоксидным связующим и подложкой на основе стеклянной ткани (при необходимости), бумажной подложкой и полиэтиленовой защитной пленкой. Покрытие поставляется в рулоне.

Значения поверхностной плотности молниезащитного полимерного пленочного покрытия с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-3 представлены в табл. 2.

Для проведения испытаний на молниестойкость за единый цикл формования изготовлены девять образцов (размерами 100×100 мм, толщиной 2,5–2,6 мм) углепластика типа ВКУ-45 на основе российских углеродных волокон и эпоксидного связующего марки ВСЭ-34 с молниезащитным покрытием марки ВМЗП-3 с интегрированным металлическим слоем марки СФМ-076-70 (поверхностная плотность 195,3 г/м²) и подложкой на основе стеклянной ткани марки Т-64 (рис. 3).

При использовании одного слоя покрытия ВМЗП-3, в которое уже интегрирована металлическая сетка и подложка из стеклянного наполнителя, возможны повышение весовой эффективности (до 50 %) и снижение трудоемкости (до 30 %) в сравнении со стандартной схемой (два слоя клеевой пленки ВК-51, металлический слой и слой стеклянного наполнителя) сборки пакета заготовки изделия.

Испытания образцов на молниестойкость проводили согласно Авиационным правилам АП-29 «Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории» (п. 29.610 «Защита от молнии и статического электричества») и квалификационным требованиям КТ-160G/14G [12, 13]. Образцы углепластика с использованием полимерного пленочного покрытия ВМЗП-3 с интегрированным металлическим слоем и подложкой на основе стеклянного наполнителя подвергали воздействию высоковольтных импульсных разрядов, имитируя воздействие молниевого разряда для зон 2А, 1В и 2В. Каждая зона характеризуется параметрами воздействия, обусловленными вероятностью попадания молнии в конструкцию вертолета на земле и во время полета на разных высотах (рис. 4) [14].

Классификация зон поражения молнией вертолета основана на стандартах SAE ARP 5414B, ED-91F и Авиационных правилах АП-29:

• зона 1 – поверхности вертолета с высокой вероятностью первоначального касания молнии (прямого попадания молнии). Зоны 1А и 1В имеют низкую (носовая часть, законцовки несущего и рулевого винтов) и высокую (нижняя часть фюзеляжа в режиме полета) вероятность «зависания» дуги соответственно;
• зона 2 – поверхности вертолета с высокой вероятностью смещения канала молнии потоком воздуха из зоны 1А. Зоны 2А и 2В имеют низкую и высокую вероятность «зависания» канала молнии соответственно;
• зона 3 – поверхности вертолета, не включенные в перечисленные зоны, с низкой вероятностью прямого попадания или касания канала молнии, но через эту зону могут протекать большие токи между точками присоединения [15, 16].

На основании данных, полученных от потенциального потребителя, выбраны параметры воздействия на образцы импульсов главного разряда (компонент А), промежуточного тока (компонент В), продолжительного тока (компонент С), продолжительного тока в зонах перемещения канала при малых задержках (С*) и повторного удара молнии (компонент D), имитирующих воздействие разряда молнии для зон 2А, 1В и 2В (табл. 3).

Исследования проводили с использованием генератора импульсных токов ГИТ-М, воспроизводящего компоненты А–D тока молнии [17]. Устройство крепления образцов и подвода тока молнии через воздушный промежуток от генератора импульсных токов к образцам приведено на рис. 5.

После извлечения образцов из устройства крепления проводили визуальный осмотр, замеры площади повреждения, анализ состояния образцов на предмет нарушения целостности, а также исследования высокочастотным эхоимпульсным методом путем сканирования преобразователем всей поверхности с целью определения образовавшихся внутренних дефектов [18].

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний представлены в табл. 4.

Внешний вид образцов 1, 6 и 9 после воздействия импульсом тока, соответствующим зонам 2А, 1В и 2В соответственно, приведен на рис. 6.

Проанализировав полученные результаты, можно сделать вывод, что молниезащитное полимерное пленочное покрытие марки ВМЗП-3 с интегрированным металлическим слоем марки СФМ-076-70 работоспособно и может быть рекомендовано для применения в конструкциях авиационной техники, на которые в процессе эксплуатации воздействуют высоковольтные импульсные разряды молнии с параметрами, соответствующими зонам 2А и 2В. Данные образцы получили минимальные поверхностные повреждения, площадь и глубина залегания повреждений были небольшими, сквозной пробой отсутствовал.

Для возможности применения молниезащитного полимерного пленочного покрытия марки ВМЗП-3 с интегрированным металлическим слоем марки СФМ-076-70 в зоне 1В требуется проведение дополнительных исследований с использованием технологических решений при изготовлении конструкции, так как образцы имели обширную площадь, значительную глубину повреждений и сквозной пробой, что может негативно влиять на поведение конструкции из ПКМ в процессе эксплуатации авиационной техники после попадания в нее разряда молнии.

Заключения

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработано новое молниезащитное полимерное пленочное покрытие марки ВМЗП-3 для применения в качестве выравнивающего поверхностного слоя, защиты от молниевых разрядов и снятия статического электричества с внешней аэродинамической поверхности летательных аппаратов, работающих в диапазоне температур от –60 до +80 °С, кратковременно – до +100 °С. Покрытие совместимо в едином цикле формования с препрeгами на основе связующего ВСЭ-34 (препрегами углепластиков типа ВКУ-45).

Проведены испытания на молниестойкость элементарных образцов согласно Авиационным правилам АП-29 «Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории» (п. 29.610 «Защита от молнии и статического электричества») и квалификационным требованиям КТ-160G/14G. Образцы углепластика с использованием полимерного пленочного покрытия ВМЗП-3 с интегрированным металлическим слоем СФМ-076-70 и подложкой на основе стеклянного наполнителя подвергали воздействию высоковольтных импульсных разрядов, имитируя воздействие молниевого разряда для зон 2А, 1В и 2В.

По результатам испытаний разработанное покрытие рекомендовано для применения в конструкциях авиационной техники, на которые в процессе эксплуатации воздействуют высоковольтные импульсные разряды молнии в зонах 2А и 2В. Для возможности его применения в зоне 1В требуется использование дополнительных технологических решений при изготовлении конструкции.