Введение

С каждым годом доля внедрения полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции летательных аппаратов становится все более весомой [1]. Это обусловлено задачами по снижению массы летательных аппаратов, увеличению ресурса и надежности их конструкций, а также весовой и экономической эффективности, что недостижимо без материалов нового поколения с улучшенными характеристиками [2–5]. Ввиду того, что ПКМ – анизотропный материал, существует возможность создания конструкций с заданными свойствами. Реализация принципа управляемой анизотропии позволяет создавать конструкции с управляемым характером разрушения, например вдоль или под углом к действующим нагрузкам, что обеспечивает не лавинообразный, как у металлов, а длительный процесс разрушения без потери несущей способности в случае наличия производственных и эксплуатационных дефектов, а также появления повреждений.

В Российской Федерации в рамках Государственной программы «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы» предусмотрено создание линейки перспективных скоростных вертолетов [6].

Применение ПКМ в конструкциях вертолета обусловлено следующими их преимуществами по сравнению с металлами (алюминиевыми сплавами):

– высокий уровень удельных характеристик статической прочности и сопротивления усталости при относительно низкой плотности;

– высокая стойкость к концентраторам напряжений, технологическим и эксплуатационным дефектам, которая позволяет иметь мягкий и длительный характер разрушений;

– отсутствие возможности образования коррозионных повреждений, которые у металлов приводят к возникновению усталостных трещин с последующим катастрофическим разрушением лопасти.

Снижение массы авиационных конструкций вертолетной техники и повышение их ресурса возможно благодаря разработке и внедрению ПКМ нового поколения для элементов фюзеляжа, лопастей и системы управления. Эти направления в мире успешно развиваются. Например, конструкции фюзеляжа современной вертолетной техники на 70–100 % состоят из ПКМ. В связи с этим актуальной задачей является разработка технологии изготовления элементов фюзеляжа, лопастей и системы управления с применением ПКМ [7, 8].

Для обеспечения надежности и безопасности элементов вертолетной техники, в том числе в условиях Арктики, в процессе эксплуатации необходимо создание конструкционных материалов нового поколения и проведение исследований по оценке изменения их физико-механических характеристик при воздействии эксплуатационных факторов.

Одно из стратегических направлений развития НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ до 2030 г. – разработка линейки современных полимерных связующих, полуфабрикатов и ПКМ на их основе [9, 10].

Общим трендом развития направления по созданию новых ПКМ как в России, так и за рубежом является повышение механических и эксплуатационных характеристик материалов с применением энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий их переработки. Поэтому использование ПКМ с пониженными температурами отверждения позволяет существенно уменьшить энергозатраты при изготовлении конструкций вертолета [11, 12].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

В 1970-х гг. такие компании, как Sikorsky Aircraft и Bell Helicopter, одними из первых приступили к разработкам в области применения ПКМ в конструкции планера вертолета. По заявлению разработчиков данных вертолетов, композиционные материалы (в основном использовались графитовые волокна и эпоксидное связующее, кевлар на эпоксидном связующем, «бумажный» сотовый заполнитель типа Nomex и алюминиевые соты) составляли ~82 % от массы всей конструкции фюзеляжа. В свою очередь отечественные производители тоже широко применяли ПКМ в конструкциях вертолетов – в основном при изготовлении деталей планера (до 60–70 %). В конце XX в. в воздух поднялся вертолет Ка-226, в конструкции которого, помимо деталей планера, из ПКМ изготовлены оперение, панели контейнеров топливных баков, обтекатели и многое другое.

Результаты проведенных в 1990-х гг. во всем мире работ по опробованию и внедрению ПКМ в конструкции вертолетов свидетельствуют, что наметилась устойчивая тенденция к расширению области использования деталей из таких материалов в вертолетной технике.

В настоящее время ведущие зарубежные и отечественные производители вертолетов, такие как Eurocopter Helicopters, AgustaWestland, Sikorsky Aircraft, Bell Helicopter, АО «НЦВ Миль и Камов», ПАО «Казанский вертолетный завод» и др. в своих разработках используют широкий спектр ПКМ в конструкциях фюзеляжа, лопастей несущих и рулевых винтов. Буквально до 2015 г. при изготовлении конструкций российских вертолетов применяли как импортные, так и отечественные материалы, однако в настоящее время в рамках программ по импортозамещению проводится разработка ПКМ нового поколения по уровню свойств, не уступающих зарубежным аналогам [13].

Для реализации конструктивного решения по получению современных ПКМ для изготовления деталей фюзеляжа и лопастей вертолета требуется подход к разработке необходимого комплекса материалов на основе наполнителей однонаправленной и тканой структур и эпоксидного расплавного связующего с пониженной температурой отверждения, что позволит снизить энергозатраты при производстве элементов конструкций фюзеляжа вертолета [14].

Объекты исследования:

– эпоксидное связующее марки ВСЭ-34 (основные свойства представлены в табл. 1);

– ткани из стеклянных нитей марок Т-10-14 и Т-64(ВМП)-78.

Таблица 1

Свойства эпоксидного связующего марки ВСЭ-34

Исследуемые свойства и нормативный документ:

– плотность – по ГОСТ 15139–69, ГОСТ Р 566882–2015;

– предел прочности при растяжении и модуль упругости – по ГОСТ 25.601–80, ГОСТ 56785–2015;

– предел прочности при сжатии и модуль упругости – по ГОСТ Р 56812–2015;

– предел прочности при изгибе – по ГОСТ Р 56805–2015;

– кажущийся предел прочности при межслойном сдвиге методом короткой балки – по ГОСТ 32659–2014.

Результаты и обсуждение

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработано эпоксидное расплавное связующее марки ВСЭ-34 с конечной температурой отверждения 140 °С и углепластики на его основе марок ВКУ-45Ж/UMT-12К.ОЖН (на основе углеродного однонаправленного жгута) и ВКУ-45/UMT-3К.РТН (на основе углеродной равнопрочной ткани). Для обеспечения совместного формования препрегов стекло- и углепластиков на основе связующего ВСЭ-34 за единый технологический цикл требовалось провести разработку стеклопластиков на основе российских наполнителей вместо импортных препрегов стеклопластиков фирмы Hexcel (США).

Задачи работы:

– разработка технологии изготовления препрегов стеклопластиков для применения в конструкциях вертолета;

– разработка нормативной документации на материал;

– проведение работ по общей квалификации (паспортизации) стеклопластиков на основе разработанных препрегов.

Требуемый уровень минимальных свойств стеклопластиков, разрабатываемых взамен импортных материалов, представлен в табл. 2.

Таблица 2

Свойства стеклопластиков фирмы Hexcel (США)

Для решения поставленных задач в первую очередь проанализировали российский рынок отечественных стеклонаполнителей. Выбрали стеклоткани двух марок – Т-10-14 и Т-64(ВМП)-78, выпускаемые по ГОСТ 19170–2001 и ТУ 5952-009-16319666–98 соответственно, и эпоксидное связующее марки ВСЭ-34.

Начальная работа состояла из нескольких этапов:

– отработка технологических режимов и разработка нормативной документации на изготовление препрегов стеклопластиков [15];

– отработка режимов формования стеклопластиков на основе разработанных препрегов [16];

– повторное изготовление стеклопластиков для подтверждения правильности выбранных режимов.

Если подход для отработки технологических режимов и разработки нормативной документации на изготовление препрегов рассматривали ранее и принцип его не изменился, то для разработки ПКМ на основе изготовленных препрегов одним из основных критериев является отработка технологии его формования. Для этого требуется провести исследование влияния различных режимов изготовления (температуры формования, скорости нагрева, давления и др.) на свойства ПКМ. При этом необходимо оценивать влияние режимов изготовления не только на механические свойства материала, но и на его микроструктуру [17, 18].

Для этого по отработанным режимам изготовили партию препрегов на основе стеклотканей марок Т-10-14 и Т-64(ВМП)-78 и провели исследование влияния параметров технологических режимов изготовления на свойства стеклопластиков марок ВПС-53/Т-10 и ВПС-53/Т-64(ВМП). На установке DSC 204F1 (фирма Netzsch, Германия) проведено исследование кинетики отверждения связующего ВСЭ-34 для определения оптимальных параметров режима отверждения препрегов стеклопластиков [19].

Для выбора оптимального температурного режима отверждения стеклопластика ВПС-42П/Т-64 исследована кинетика отверждения связующего ВСФ-16М на установке DSC 204F1 в программной среде Netzsch Kinetics 3/1. На основании проведенного расчета в данной программе оценены режимы отверждения в зависимости от продолжительности изотермической выдержки при различных температурах. Критерием оценки являлась степень конверсии, равная 90–95 %, которая была достигнута за 257 мин при температуре 130 °С, за 164 мин при температуре 140 °С, за 108 мин при температуре 150 °С.

Для проведения сравнительных исследований изготовили по три плиты из стеклопластиков марок ВПС-53/Т-10 и ВПС-53/Т-64(ВМП) методом вакуум-автоклавного формования при выбранных конечных температурах отверждения от 130 до 150 °С и давлении формования 0,7 МПа [20]. Из полученных плит вырезали образцы для проведения испытаний. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-10

в зависимости от температуры отверждения

Таблица 4

Свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-64(ВМП)

в зависимости от температуры отверждения

Далее проведены сравнительные испытания стеклопластиков, изготовленных при различном давлении формования (от 0,9 до 7 кН/м²). Из изготовленных методом механической обработки плит из стеклопластиков вырезаны стандартные образцы и проведены исследования их основных физико-механических свойств. Полученные результаты представлены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Основные свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-64(ВМП)

в зависимости от давления формования

Таблица 6

Основные свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-10

в зависимости от давления формования

Результаты испытания, представленные в табл. 3–6, показали, что свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-64(ВМП), изготовленного при давлении формования от 5 до 7 кН/м² и температуре формования 140 °С, находятся на более высоком уровне (на 10–30 %) по сравнению со свойствами стеклопластика, изготовленного по другим режимам формования. Свойства стеклопластиков марки ВПС-53/Т-10, изготовленных при давлении формования от 3 до 7 кН/м² и вне зависимости от температуры формования, находятся приблизительно на одном уровне.

В связи с тем, что отверждение связующего в период формования происходит не одновременно во всем объеме, а с некоторыми различиями во времени (обусловлены прежде всего условиями подачи, отвода тепла и природой выбранного связующего), проведено исследование микротвердости матрицы по толщине (2,0±0,1 мм) плит из стеклопластика, изготовленных по разным режимам формования образцов, влияние которых оценивали в пяти симметричных по сечению образца зонах, условно названных – подповерхностные, полусредние и сердцевинные [21–23]. Результаты испытаний представлены в табл. 7 и 8.

Рост величины микротвердости от лицевой и оборотной сторон образца к его сердцевине можно объяснить тем, что при отверждении формуемого образца передача выделяемого в окружающую среду или в формовочную оснастку тепла с поверхностных зон благодаря экзотермической реакции отверждения происходит более интенсивно, чем с зон, которые не имеют прямого выхода на поверхность образца. Однако в исследуемых образцах из стеклопластиков, в зависимости от их зоны проведения испытаний, критической разницы по показателям микротвердости не наблюдается, что косвенно свидетельствует о стабильности свойств по всей толщине и площади изготовленных ПКМ.

Таблица 7

Микротвердость матрицы в образцах из стеклопластика марки ВПС-53/Т-10,

изготовленных по разным режимам формования

Таблица 8

Микротвердость матрицы в образцах из стеклопластика марки ВПС-53/Т-64(ВМП),

изготовленных по разным режимам формования

На основании выполненных исследований выбран оптимальный режим формования стеклопластика и проведены изготовление стеклопластиков и испытания образцов. Сравнительные свойства изготовленных стеклопластиков и их импортных аналогов представлены в табл. 9 и 10.

Таблица 9

Свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-10 в сравнении с импортным аналогом

Таблица 10

Свойства стеклопластика марки ВПС-53/Т-64(ВМП) в сравнении с импортным аналогом

Результаты, представленные в табл. 9 и 10, показывают, что значения свойств разработанных стеклопластиков превосходят значения свойств импортных материалов, что свидетельствует о правильном подходе к разработке материала.

Заключения

На основании проведенной работы выбраны подходы к разработке препрегов и стеклопластиков на их основе. Для получения необходимых механических свойств ПКМ подобран режим отверждения стеклопластиков на основе эпоксидного связующего марки ВСЭ-34. Исследования микроструктуры стеклопластиков подтвердили правильность выбранного режима формования.

Сформирована и выпущена вся необходимая нормативная документация для изготовления препрегов и стеклопластиков на их основе для конструкций вертолетной техники.

Следует также отметить, что разработки новых материалов в области полимерных материалов [24] требуют всестороннего их изучения и оценки [25], причем расширение методов исследования свойств материала и применение статистических методов всегда приводит к получению более объективной информации.