Первая публикация статьи - в журнале «Авиационные материалы и технологии», №3, 2011 г.
Данная редакция (дополненная, переработанная) подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №3, 2013 г.

СИАЛы (Стеклопластик И АЛюминий) – класс перспективных конструкционных слоистых гибридных материалов, состоящих из тонких (0,3–0,5 мм) листов алюминиевых  конструкционных  сплавов  (Al–Li сплава  пониженной плотности  1441,  дуралюминов 1163, Д16ч., высокопрочных сплавов В95п.ч./о.ч.) и прослоек (0,2–0,5 мм) пластика на основе клеевых препрегов, армированных высокопрочными стеклонаполнителями. Зарубежным аналогом является материал GLARE (GL – стекло, А – алюминий, RE – армирование), который эффективно использован в качестве обшивки фюзеляжа самого большого самолета А-380 компании «Airbus» [1-4].

СИАЛы имеют преимущества по сравнению с монолитными алюминиевыми листами: высокую трещиностойкость (на порядок выше сопротивление росту трещины усталости: <0,3 мм/кцикл при ΔK=31 МПа), пониженную плотность (2,35–2,5 г/см³) – на 10–15%, высокую прочность (σ_в >600 МПа), обладают уникальным комплексом других характеристик – высокими пожаростойкостью, коррозионной стойкостью и ударостойкостью. В результате повышаются живучесть, ресурс и весовая эффективность конструкций [1, 5–8].

В ВИАМ создан, запатентован и осваивается конкурентноспособный слоистый алюмостеклопластик СИАЛ на базе высокомодульного (Е=79 ГПа), высокотехнологичного Al-Li сплава 1441Т11 пониженной плотности – d=2590 кг/м³ [9, 10].

Сопротивление распространению пламени особенно важно для больших широкофюзеляжных самолетов, пассажиры которых должны покинуть самолет в течение 90 с в случае пожароопасной ситуации [1, 11, 12].

Как показывает анализ, СИАЛы способны существенно повысить сопротивление распространению пламени при пожаре (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) ввиду особенностей своей слоистой структуры и состава.

Для оценки пожаростойкости (огнестойкости) СИАЛов проведены две серии испытаний горизонтально расположенных листовых образцов размером 220×220 мм (размер рабочей зоны: ~200×200 мм) на лабораторных установках при одностороннем воздействии открытого пламени газовой горелки (рис. 1, а) и в закрытой камере (рис 1, б).

Процедура проведения испытаний* и критерии оценки работоспособности материалов выполнялись с учетом требований Авиационных правил. Сквозное прогорание образцов регистрировалось визуально, кроме того, фиксировались температура над поверхностью образца, расслоения, дымовыделение, искривление и т. д.

Исследовалось шесть типов структур СИАЛов (толщиной 1,1–2,4 мм) на базе листов сплавов 1441-РДТ11, Д16ч.-АТ и клеевого препрега, армированного стекловолокнами ВМП при различной ориентации и количестве монослоев (табл. 1).

 * В испытаниях принимали участие С.Л. Барботько, В.И. Постнов.

Таблица 1

Структура и результаты испытаний на пожаростойкость исследованных СИАЛов на базе листов сплава 1441

Установлено и подтверждено, что алюминиевые листы толщиной 1–2 мм (обычно используемые для обшивок фюзеляжа) прогорают насквозь быстро – через 1,5–2 мин (рис. 2).

Рис. 2. Изменение температуры на расстоянии 100 мм от листов из СИАЛов и сплава Д16ч.-Т со стороны, противоположной пламени

У всех типов структур СИАЛов отсутствовало сквозное прогорание при воздействии пламени с температурой 950°С в течение 15 мин, однако наблюдалось прогорание первого алюминиевого листа и двух монослоев первого слоя стеклопластика со стороны пламени.

Сквозное прогорание отсутствовало также при температуре 1100°С при увеличении многослойности материала со структурой 4/3 (до семи слоев) и количества монослоев (до четырех) в слое стеклопластика.

Как показали исследования, листы СИАЛов обладают высокими теплозащитными свойствами: со стороны, противоположной пламени, на расстоянии 100 мм температура воздуха остается сравнительно низкой (не выше 120°С) в течение 5 мин (см. рис. 2).

Рис. 3. Вид образцов (со структурой 3/2) с двух сторон после воздействия пламени при 1100°С в течение 30 мин на материалы СИАЛ-3-1 [0°/90°] со сквозным прогоранием (а, б) и СИАЛ-2-1 [0°/90°/0°] с односторонним прогоранием (в) и отсутствием прогорания со стороны, противоположной пламени (г)

На основании анализа характера разрушения, установлен следующий механизм противодействия разрушению СИАЛов. Тонкие алюминиевые листы (0,3–0,5 мм) в составе СИАЛа (независимо от сплава) прогорают через ~15 с (как известно, алюминий имеет температуру плавления ~700°С). Расположенные за алюминиевыми листами слои пластика, в состав которых входят армирующие стеклянные (жаропрочные) волокна с температурой плавления ~1700°С, что выше температуры пламени (1100°С), – создают барьер огню. При этом эпоксидная матрица слоя пластика подвергается термодеструкции (температура коксования 300–350°С), вызывая образование газообразных продуктов (дымовыделение – до 3 мин) и практически полное расслоение материала, что позволяет проходить воздуху через промежуточные слои и действовать как дополнительный изолирующий эффект от потока пламени. Поэтому сквозного прогорания СИАЛа не происходит (рис. 3), так как распространению пламени противодействуют два фактора – наличие стекловолокон и расслоение материала.

Данные о повышенной пожаростойкости СИАЛов (Россия) близки к значениям показателей по пожаростойкости аналогичных материалов, созданных компаниями «Airbus» (рис. 4) и «Boing» [1–3] (табл. 2).

 Рис. 4. Изменение температуры на наружной и внутренней стороне фюзеляжа из различных материалов при огневых испытаниях (по данным компании «Airbus»).

Таблица 2

Сравнительные результаты испытаний на пожаростойкость материалов компании     «Boeing»

Таким образом, слоистые СИАЛы, в том числе на базе листов Al–Li сплава 1441, обладают повышенной пожаростойкостью по сравнению с монолитными алюминиевыми листами и позволяют на порядок (с ~1,5 до 15 мин) увеличить продолжительность проникновения пламени, сохранить структурную жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаростойких перегородок.