Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-11-7-7
УДК 539.3
А. В. Лавров, В. С. Ерасов, Н. Ю. Подживотов, В. В. Автаев
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ГИБРИДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рассмотрены слоистые гибридные металлополимерные композиционные материалы с точки зрения выбора их состава и строения для различных условий функционирования. Показано влияние расположения и толщины высокомодульных слоев на цилиндрическую жесткость композита при симметричном и асимметричном (одностороннем) изгибе. Даны рекомендации по выбору гибридных композитов в зависимости от вида нагружения.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 6. «Слоистые металлополимерные, биметаллические и гибридные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»)

Ключевые слова: слоистые металлополимерные композиционные материалы, гибридные композиционные материалы, composition laminate materials, hybrid composition materials.

Введение

В настоящее время композиционные материалы являются одними из наиболее перспективных для изготовления планера воздушного судна [1–4]. Гибридные композиты, сочетающие металлические и неметаллические компоненты, являются динамично развивающейся группой материалов [5–11], которые могут использоваться как для элементов силового набора и обшивки, так и для деталей интерьера летательных аппаратов.

Известно несколько значений термина «гибридный композиционный материал». Согласно работе [12], к данной группе относят материалы, имеющие в своем составе три или более компонента, регулирующих свойства композитов. Соответственно, указанные материалы могут быть полиматричными, обладающими двумя или более матричными компонентами, или полиармированными, с различными видами армирующих компонентов.

В работе [13] к гибридным относят композиты, в которых частицы дисперсной фазы имеют бимодальный гранулометрический состав.

Кроме того, к гибридным композитам традиционно принято относить слоистые композиционные материалы, в которых слои из металлических материалов (алюминиевые, титановые сплавы и т. д.) чередуются со слоями из полимерных композиционных материалов [5–8, 10]. Данная группа материалов объединяет положительные стороны традиционных металлических и полимерных композиционных материалов (ПКМ). Так, обладая большей удельной прочностью по сравнению с традиционными металлическими материалами, слоистые металлополимерные гибридные композиты имеют удовлетворительные характеристики пластичности, что повышает надежность деталей из таких материалов по сравнению с изготовленными из традиционных ПКМ.

Данная статья посвящена рассмотрению слоистых гибридных композитов с точки зрения обеспечения их оптимальных механических свойств.

 

Материалы и методы

Запишем условие совместности деформаций составляющих слоистого гибридного композита для случая одноосного нагружения в плоскости листа

εМеПКМ=ε,     (1)

 

где ε – относительная деформация в направлении приложения нагрузки, %; индексы Ме и ПКМ относятся к металлическим слоям гибрида и к слоям из полимерного композиционного материала соответственно.

 

Поскольку суммарная нагрузка Р, воспринимаемая композитом, равна сумме нагрузок, воспринимаемых металлической и ПКМ составляющими, с учетом допущения об упругой изотропии составляющих и равенстве их коэффициентов Пуассона, из выражения (1) получим:

PМеFМеПКМFПКМ, (2)

где σ – напряжение, МПа; F – суммарная площадь поперечного сечения композита, занятая данной структурной составляющей (Ме или ПКМ), м2.

 

Из уравнений (1) и (2) получим:

P=ε(EMeFМe+EПКМFПКМ),  (3)

где Е – модуль упругости, МПа, в составляющих гибридного композита в направлении приложения нагрузки.

 

Таким образом, выбирая соотношение модулей упругости и (или) объемных долей металлической и ПКМ составляющей композита, можно регулировать уровень напряжений в его слоях при данном Р и оптимизировать свойства материала для различных видов нагружения.

 

Результаты

Рассмотрим некоторые случаи нагружения слоистого гибридного композита с точки зрения оптимизации его состава.

1. Статическое растяжение в плоскости листа. В данном случае, согласно формуле (3), целесообразно использовать слои ПКМ с возможно большим модулем упругости, что позволит повысить несущую способность за счет снижения напряжений в металлической составляющей. Жесткость при растяжении будет линейно возрастать с увеличением объемной доли высокомодульной составляющей композита. Наиболее оптимальными в данном случае являются композиции «алюминиевый сплав–высокомодульный однонаправленный органопластик» [14] и «титановый сплав–углепластик» [6]. При выборе компонентов гибридного композита следует учитывать их электрохимическую совместимость [15].

2. Статическое сжатие в плоскости листа. Для гибридов на основе ПКМ, которые при сжатии в плоскости листа обладают более низкими значениями модуля упругости, чем металлическая составляющая, для повышения жесткости композита и надежности изделий из него следует увеличивать объемное содержание металлической составляющей. При этом, как следует из формулы (3), в результате снижения значений e для данного уровня внешней нагрузки напряжения как в металлической, так и в ПКМ составляющей будут снижаться.

3. Устойчивость при продольном изгибе или знакопеременный (симметричный) изгиб. Поскольку ПКМ, как правило, имеют более низкие значения предела прочности и модуля упругости при сжатии по сравнению с растяжением, для случаев знакопеременного изгиба или сжатия до потери устойчивости целесообразно располагать слои гибридного композита таким образом, чтобы крайние слои («обкладки») были выполнены из металлических материалов с высокими значениями удельной прочности и жесткости.

В качестве примера на рис. 1 показана местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополимерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки» обшивки, стрингеры) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие с оценкой несущей способности (разработка и изготовление образца производились на самолетостроительном предприятии ПАО «ВАСО» в сопровождении специалистов ФГУП «ВИАМ» В.В. Сидельникова, Н.Ю. Серебренниковой, Е.В. Котовой, испытания проводились во ФГУП «ЦАГИ»).

 

 

Рис. 1. Местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополимерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки», стрингер) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие (несущую способность): общий вид (а); увеличенное место разрушения (б)

 

Увеличение толщины высокомодульных обкладок будет приводить к увеличению цилиндрической жесткости и жесткости при сжатии [16]. При этом следует учитывать следующее:

– с увеличением объемной доли металлической составляющей поверхностная плотность композиции будет линейно возрастать;

– существует предельное значение толщины обкладок, превышение которого не даст заметного увеличения жесткости композиции.

На рис. 2 представлены результаты расчета цилиндрической жесткости трехслойной симметричной панели по методике, изложенной в работе [16], где по горизонтальной оси отложены значения относительной толщины обкладок (S), равной отношению суммы толщин обкладок к толщине центрального слоя при общей толщине композиции 9 мм; по вертикальной оси отложены значения цилиндрической жесткости (D) композиции.

 

Рис. 2. Зависимость цилиндрической жесткости трехслойной панели от относительной толщины обкладок из Al–Li сплава (), титана () и стали (Δ)

 

В качестве материала обкладок использовали сталь, титановый и алюминий-литиевый сплавы. Материал центрального слоя – слоистый гибридный композит типа СИАЛ [4, 7]. Расчет проводили в предположении изотропии упругих характеристик материалов. Свойства материалов, использованные в расчете, представлены в таблице.

 

Механические свойства материалов гибридного композита

Свойства

Значения свойств

центрального слоя

обкладок из

стали

титанового сплава

алюминий-литиевого сплава

Модуль упругости, ГПа

69

200

112

78

Коэффициент Пуассона

0,33

0,33

0,33

0,33

 

Из данных, приведенных на рис. 2, следует, что для всех использованных в расчете материалов обкладок графики подобны и отличаются только масштабом по вертикальной оси. При малых значениях S небольшое увеличение толщины обкладок приводит к интенсивному росту параметра D, однако при дальнейшем увеличении толщины обкладок рост жесткости замедляется. При значении S=2 (толщина каждой из обкладок равна толщине центрального слоя) значение D отличается на величину ~2% от соответствующего значения для S, равного 8 (толщина каждой из обкладок в 4 раза превышает толщину центрального слоя). Данная закономерность наблюдается для всех материалов обкладок.

С увеличением S снижается зависимость D от жесткости центрального слоя. Так, при S, равном 2, значение D в случае центрального слоя с модулем упругости 69 ГПа отличается от соответствующего значения для композиции с модулем упругости 60 ГПа на величину ~1%.

Следует отметить, что среди использованных в расчете материалов обкладок при одинаковой поверхностной плотности более высокими значениями цилиндрической жесткости обладают композиции с обкладками из алюминий-литиевого сплава, имеющего наиболее высокие значения удельной жесткости.

4. Асимметричный (односторонний) изгиб.

При асимметричном изгибе, с учетом изложенного в пп. 1–3, укладку слоев целесообразно осуществлять таким образом, чтобы со стороны действия растягивающих напряжений объемное содержание высокомодульного ПКМ было максимальным; со стороны действия сжимающих напряжений должно быть максимальное содержание металлической составляющей в виде утолщенной обкладки. В области нейтрального слоя композита целесообразно располагать слои различного функционального назначения, например, слои стеклоткани, повышающие характеристики пожаростойкости композиции [7].

По методике расчета трехслойных панелей с изотропным заполнителем [16] проведен расчет цилиндрической жесткости слоистого гибридного композита в зависимости от его состава. В качестве исходных данных принимали, что композит состоит из слоя ПКМ с модулем упругости 150 ГПа, промежуточного слоя с модулем упругости 69 ГПа и металлического слоя из алюминий-литиевого сплава с модулем упругости
80 ГПа.

На рис. 3 приведены графики зависимости цилиндрической жесткости композита от толщины обкладки из ПКМ при различной толщине металлической обкладки (от 1 до 6 мм) для общей толщины композита 9 мм. Видно, что при увеличении толщины высокомодульного слоя ПКМ жесткость композита возрастает. При толщине обкладки ПКМ от 3 до 5 мм (поверхность контакта «ПКМ–промежуточный слой» находится вблизи нейтрального слоя) рост цилиндрической жесткости замедляется. При дальнейшем увеличении толщины слоя ПКМ (переход поверхности контакта «ПКМ–промежуточный слой» в область сжатия) рост цилиндрической жесткости интенсифицируется.

 

 

Рис. 3. Зависимость цилиндрической жесткости композиции от толщины обкладки из ПКМ для различных толщин обкладки из Al–Li сплава: 1 (), 2 (), 3 (Δ), 4 (χ), 5 (*) и 6 мм ()

 

Цилиндрическая жесткость композита увеличивается при увеличении толщины металлической обкладки от 1 до 4 мм, при дальнейшем увеличении толщины металлической обкладки роста жесткости не происходит.

Поверхностная плотность композита снижается, а цилиндрическая жесткость увеличивается при увеличении толщины слоя ПКМ. Таким образом, для композита, работающего в условиях одностороннего изгиба, целесообразно максимально увеличивать толщину слоя ПКМ. Ограничение по толщине слоя ПКМ обусловлено максимальной величиной сжимающих напряжений, которые не приводят к разрушению ПКМ при данных условиях нагружения.

5. Скорость роста трещины усталости, усталость при растяжении.

В широко известных слоистых композитах типа СИАЛ [4, 7–9], состоящих из чередующихся слоев алюминиевого сплава и стеклопластика, значения скорости роста усталостной трещины на некотором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения на порядок ниже, чем для монолитного листа из соответствующего алюминиевого сплава, равного с композитом по толщине. Однако, поскольку модуль упругости стеклопластика ниже, чем у алюминиевого сплава, металлическая составляющая в данных материалах воспринимает повышенную нагрузку и образование усталостной трещины в таких материалах происходит значительно раньше, чем в монолитных алюминиевых сплавах. При достижении усталостной трещиной длины, обеспечивающей ее раскрытие, достаточное для передачи нагрузки на разрушенном участке слоям стеклопластика, скорость роста трещины резко снижается и далее трещина практически не развивается. Таким образом, данные материалы целесообразно использовать в конструкциях, допускающих наличие трещин безопасной длины и не предъявляющих повышенных требований к жесткости.

При наличии требований к жесткости в композиции целесообразно использовать ПКМ, обладающий более высокими значениями модуля упругости и предела прочности при растяжении, чем у металлической составляющей, например: алюминиевый сплав–высокомодульный однонаправленный органопластик, титановый сплав–углепластик.

При этом в соответствии с формулой (3) следует ожидать уменьшения напряжений в металлической составляющей и повышения долговечности до образования трещины, а также значений порогового коэффициента интенсивности напряжений Kth.

 

Заключение

На примере некоторых видов статического и циклического нагружения показано, что эффективность функционирования слоистого металлополимерного композиционного материала для каждого вида нагружения определяется свойствами материалов металлических и ПКМ слоев, их толщинами и последовательностью расположения в композите.

Таким образом, состав и структура слоистого гибридного металлополимерного композита должны выбираться с учетом предполагаемых условий его применения в конструкции, в том числе – характера приложенных нагрузок. В этом случае можно ожидать дальнейшего повышения эффективности использования данных материалов в конструкциях авиационной техники.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
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: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. С. 813.
3. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
4. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с AIRBUS и TU DELFT // Цветные металлы. 2013. №9 (849). С. 50–53.
5. Орешко Е.И., Ерасов В.С., Подживотов Н.Ю. Выбор схемы расположения высокомодульных слоев в многослойной гибридной пластине для ее наибольшего сопротивления потере устойчивости // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. С. 109–117.
6. Арисланов А.А., Гончарова Л.Ю., Ночовная Н.А., Гончаров В.А. Перспективы использования титановых сплавов в слоистых композиционных материалах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №10. Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 16.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-10-4-4.
7. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 36–41.
8. Антипов В.В. Технологичный алюминийлитиевый сплав 1441 и слоистые гибридные композиты на его основе // Металлург. №5. 2012. С. 36–39.
9. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226–230.
10. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №1. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-1-4-4.
11. Белоус В.Я., Лощинина А.О., Варламова В.Е., Никитин Я.Ю. Коррозионная стойкость и подготовка поверхности холоднокатаной ленты из стали ВНС-9-Ш для изготовления металлополимерного композиционного материала // Труды ВИАМ: электрон. науч. технич. журн. 2015. №11. Ст. 10. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-10-10.
12. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.
13. Пропедевтическая стоматология: учеб. для медицинских вузов / под ред. Э.А. Базикяна. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. 768 с.
14. Железина Г.Ф. Трещиностойкие металлоорганопластики для авиационных конструкций: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: ВИАМ, 1996. 32 с.
15. Трефилов Б.Ф. Разработка и исследование углеалюминиевого композиционного материала ВКУ-1 // Авиационные материалы. М.: ОНТИ ВИАМ, 1981. Вып. 1. С. 17–25.
16. Прочность, устойчивость, колебания: справочник в 3 т. / под общ. ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968.Т. 2. 464 с.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Rossii nuzhny materialy novogo pokoleniya [Materials of new generation are necessary to Russia] // Redkie zemli. 2014. №3. S. 813.
3. Kablov E.N. Aviakosmicheskoe materialovedenie [Aerospace materials science] // Vse materialy. Enciklopedicheskij spravochnik. 2008. №3. S. 2–14.
4. Kablov E.N., Antipov V.V., Senatorova O.G. Sloistye alyumostekloplastiki SIAL-1441 i sotrudnichestvo s AIRBUS i TU DELFT [Layered aluminum fibreglasses SIAL-1441and cooperation with AIRBUS and TU DELFT] // Tsvetnye metally. 2013. №9 (849). S. 50–53.
5. Oreshko E.I., Erasov V.S., Podjivotov N.Yu. Vybor shemy raspolozheniya vysokomodulnyh sloev v mnogoslojnoj gibridnoj plastine dlya ee naibolshego soprotivleniya potere ustojchivosti [Arrangement of high-modular layers in a multilayer hybrid plate for its greatest resistance to stability loss] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №S4. S. 109–117.
6. Arislanov A.A., Goncharova L.J., Nochovnaya N.А., Goncharov V.A. Perspektivy ispolzovaniya titanovyh splavov v sloistyh kompozicionnyh materialah [Prospects for the use of titanium alloys in laminated composite materials] //Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №10. St. 04. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: February 16, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-10-4-4.
7. Antipov V.V., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V. Issledovanie pozharostojkosti sloistyh gibridnyh alyumostekloplastikov klassa SIAL [Research of fire firmness layered hybrid aluminum fibreglasses of SIAL’s class] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №3. S. 36–41.
8. Antipov V.V. Tehnologichnyj alyuminijlitievyj splav 1441 i sloistye gibridnye kompozity na ego osnove [Technological aluminum lithium alloy 1441 and layered hybrid composites on its basis] // Metallurg. №5. 2012. S. 36–39.
9. Antipov V.V., Senatorova O.G., Lukina N.F. i dr. Sloistye metallopolimernye kompozicionnye materialy [Layered metalpolymeric composite materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 226–230.
10. Gayamov A.M., Budinovskij S.A., Muboyadzhyan S.A., Kosmin A.A. Vybor zharostojkogo pokrytija dlya zharoprochnogo nikelevogo renij-rutenijsoderzhashhego splava marki VZhM4 [Selection of heat-resistant coating with metalloceramic barrier layer for protection of Re-Ru nickel-based superalloy] // Trudy VIAM : elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №1. St. 01. Available at: http://viam-works.ru (accessed: February 14, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-1-4-4.
11. Belous V. Ya., Loshhinina A.O., Varlamova V.E., Nikitin Ya.Yu. Korrozionna ya stojkost i podgotovka poverhnosti holodnokatanoj lenty iz stali VNS-9-Sh dl ya izgotovleni ya MPKM [Corrosion resistance and preparation of a surface of a cold rolled tape from VNS9-Sh steel for production of metalpolymeric composite material] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №11. St. 10. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: Febru-ary 14, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-10-10.
12. Bulanov I.M., Vorobej V.V. Tehnologiya raketnyh i aerokosmicheskih konstrukcij iz kompozicionnyh materialov: ucheb. dlya vuzov [Technology of rocket and space designs from composite materials: textbook for higher education institutions]. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 1998. 516 s.
13. Propedevticheskaya stomatologiya: ucheb. dlya medicinskih vuzov / pod red. E.A. Bazikyana [Propaedeutic stomatology: textbook for medical higher education institutions / ed. by E.A. Bazikyan]. M.: GEOTAR-Media, 2008. 768 s.
14. Zhelezina G.F. Treshhinostojkie metalloorganoplastiki dlya aviacionnyh konstrukcij: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk [Crack resistant metalorganoplastics for aviation designs: thesis … Cand. Tech. Sci.]. M.: VIAM, 1996. 32 s.
15. Trefilov B.F. Razrabotka i issledovanie uglealyuminievogo kompozicionnogo materiala VKU-1 [Development and research carbon aluminum VKU-1 composite material] // Aviacionnye materialy. M.: ONTI VIAM, 1981. Vyp. 1. S. 17–25.
16. Prochnost, ustojchivost, kolebaniya: spravochnik v 3 t. / pod obshh. red. I.A. Birgera, Ya.G. Panovko [Durability, stability, fluctuations: the directory in 3 vol. / gen. ed. by. I.A.Birger, Ya.G.Panovko]. M.: Mashinostroenie, 1968.T. 2. 464 s.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.