Введение

Органопластики относят к полимерным композиционным материалам (ПКМ), в которых полимерное связующее армировано органическими волокнами. Органопластики впервые привлекли внимание материаловедов в качестве отличных диэлектриков для радиопрозрачных и радиопоглощающих конструкций [1]. Совершенствование свойств органопластиков позволило разработать конструкционные и баллистические материалы, которые нашли применение в вертолетостроении, конструкции корпуса вентиляторов авиационных двигателей [2–4]. Первые органопластики получали при использовании в их составе связующих в форме раствора в органических растворителях. В основном это были материалы на основе эпоксидных олигомеров, в которых в качестве растворителя использовали смесь этилового спирта с ацетоном. Однако применение таких связующих не позволяет получить тонкие обшивки (0,4–0,5 мм) высокого качества: обшивки получаются негерметичными из-за пористости, возникающей вследствие удаления из связующего остатков растворителя при проведении процесса формования [5].

Для повышения баллистической стойкости органопластиков при их изготовлении вместо растворных связующих стали использовать пленочные клеи – феноло-каучуковый пленочный клей ВК-3, эпоксидный пленочный клей ВК-36, а также эпоксидное клеевое связующее ВСК-14-2м, не содержащие растворитель. При изготовлении слоистого гибридного металлополимерного композиционного материала Алор Д16/41 применяют эпоксидный пленочный клей ВК-41М [6, 7].

Использование в качестве связующих клеев, не содержащих в своем составе органических растворителей, позволяет обеспечить экологическую безопасность производства, повысить технологичность процесса изготовления изделий различной формы и кривизны.

Свойства используемых клеящих материалов в качестве связующих в составе органопластиков приведены в табл. 1.

Таблица 1

Прочностные характеристики клеевых соединений, выполненных с применением

клеящих материалов, используемых в составе органопластиков

(склеиваемый материал – алюминиевый сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром)

Цель работы – разработка органопластиков авиационного назначения с применением в качестве связующих клеящих материалов

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [8–10].

Материалы и методы

В качестве объектов исследования использованы широко применяемый пленочный клей ВК-3, пленочный клей ВК-36РТ, клеевое связующее ВСК-14-2м и пленочный клей ВК-41М.

Исследования проводили с использованием стандартных методов испытаний: прочность клеевых соединений при сдвиге – в соответствии с ГОСТ 14759–91; прочность клеевых соединений при равномерном отрыве – в соответствии с ГОСТ 14760–85.

Результаты и обсуждение

Полимерные композиционные материалы на основе арамидной ткани (органопластики) относятся к ударостойким и баллистически стойким материалам, имеющим широкий спектр применения. В составе органопластиков в качестве связующего используют пленочный клей ВК-3 [10, 11].

Толщина пленок клея ВК-3 составляет от 0,08 до 0,15 мм. Они выпускаются серийно в соответствии с ТУ 6-17-663–84 на специализированном предприятии, оснащенном необходимым оборудованием [6]. Использование пленочного клея ВК-3 в органопластике в качестве связующего, вместо растворных связующих, позволяет склеивать арамидную ткань без пропитки и благодаря этому сохранить ее свойства. Клей располагается преимущественно между слоями армирующей ткани и обеспечивает ее структурную подвижность и деформативность при баллистическом воздействии. В результате органопластики, полученные с использованием пленочного клея ВК-3, являются ударо- и баллистически стойкими [12–14]. С применением данного клея в качестве связующего в сочетании с тканью Руслан разработаны органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20. Свойства указанных органопластиков приведены в табл. 2 [11].

Таблица 2

Свойства органопластиков ВКО-2ТБ и ВКО-20 [11]

Органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20 обеспечивают баллистическую стойкость элементов авиационных конструкций в соответствии с требованиями п. 25.795 Авиационных правил АП-25 (при массе 1 м² органопластика 5,5 кг). Материалы являются пожаро- и коррозионнобезопасными, устойчивыми к воздействию микроорганизмов, сохраняют работоспособность при длительном воздействии повышенной влажности и перепадов температур. По физико-механическим свойствам они могут быть использованы для изготовления средне- и слабонагруженных конструкций или в качестве защитных покрытий элементов конструкций.

Детали из органопластиков изготавливают способами прессового или автоклавного формования. В качестве полуфабриката используют препреги органопластиков.

Органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20 рекомендованы для изготовления ударо- и баллистически стойких конструкций (корпус вентилятора двигателя, двери и перегородки кабины экипажа и другие защитные устройства), работающих в интервале температур от –60 до +70 °С, в том числе при температуре +70 °С в течение не менее 2000 ч. Органопластик ВКО-2ТБ применяют в конструкции самолета Sukhoi Superjet 100 для изготовления перегородки кабины экипажа [15–17]. Таким образом, применение пленочного клея ВК-3 в качестве связующего вместо типовых растворных связующих позволяет увеличить стойкость конструкционных органопластиков к ударным и баллистическим воздействиям.

Пленочный эпоксидный клей ВК-36РТ использовали в качестве связующего в составе органопластиков марок Органит 11ТЛ (армирующий наполнитель – ткань из арамидных волокон СВМ), ВКО-19 и ВКО-19Л (армирующий наполнитель – ткань саржевого плетения Руслан). Благодаря использованию в качестве связующего пленочного клея ВК-36РТ и применению отработанной технологии изготовления материала происходит формирование полимерной матрицы с минимальной пористостью, обеспечивается герметичность и устойчивость элементов конструкции из такого материала к воздействию тепла и влаги.

Органопластики Органит 11ТЛ и ВКО-19Л предназначены для изготовления тонкослойных обшивок для трехслойных сотовых панелей внешнего контура вертолетов и самолетов и рассчитаны на длительную эксплуатацию при воздействии температур от –60 до +80 °С. В настоящее время Органит 11ТЛ применяют в обшивках хвостовых секций несущего винта вертолетов Ми-28Н и Ми-38 (табл. 3) [18–20].

Таблица 3

Свойства органопластиков на основе пленочного клея ВК-36РТ

Органопластик ВКО-19Л с рабочим диапазоном температур от –60 до +80 °С имеет назначение, аналогичное органопластику Органит 11ТЛ, и рекомендуется в качестве его замены в связи с тем, что обладает лучшими показателями свойств по прочности, герметичности и устойчивости к поглощению влаги.

Использование пленочного клея ВК-36РТ в качестве связующего позволяет снизить воздухопроницаемость органопластиков до нулевого значения при толщине обшивки до 0,44±0,04 мм. В табл. 4 приведены сравнительные данные по воздухопроницаемости тонких листовых обшивок для органопластиков, изготовленных с применением как растворных связующих, так и клея ВК-36РТ.

Таблица 4

Воздухопроницаемость тонколистовых обшивок (толщина 0,44±0,04 мм)

из органопластиков на основе связующих различных типов

Органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л содержат в своем составе армирующий наполнитель Руслан и пленочный клей ВК-36РТ в качестве связующего и характеризуются высоким уровнем сохранения прочности после воздействия климатических факторов.

Органопластик ВКО-19 рекомендуется для изготовления средне- и слабонагруженных элементов конструкций (обшивки сотовых панелей, монолитных деталей), эксплуатируемых при температурах от –60 до +80 °С. Изготовление деталей с применением органопластика ВКО-19 осуществляют с помощью полуфабриката (препрега) по выкладочной технологии. Герметичный органотекстолит ВКО-19Л применяют для изготовления воздуховодов самолета Ил-96-300ПУ.

Таким образом, использование пленочного клея ВК-36РТ в качестве связующего вместо растворных связующих позволяет повысить герметичность материала, исключить воздухопроницаемость тонких обшивок, а также повысить устойчивость к воздействию тепла и влаги. Разработанные органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л отличаются высокими эксплуатационной надежностью и ресурсом при изготовлении ответственных конструкционных элементов вертолетов.

На основе пленочного клея ВК-36РТ, использованного в качестве связующего, проведено опробование нового наполнителя – арамидного волокна Русар-НТ (разработчик – АО НПП «Термотекс») в составе органопластика авиационного назначения [13].

Показана возможность получения материалов на основе пленочного клея ВК-36РТ и арамидного наполнителя Русар-НТ с повышенной стойкостью в условиях высокой влажности, при воздействии жестких климатических условий.

В составе экспериментальных органопластиков использованы эпоксидные клеевые связующие ВСК-14-2м и ВСК-14-3 в сочетании с наполнителем из материала Русар-НТ. Клеевые связующие не содержат в своем составе растворитель и используются для получения препрегов, применяемых при изготовлении деталей и агрегатов из ПКМ слоистой и сотовой конструкции [21]. Свойства клеевых связующих представлены в табл. 5 [20].

Таблица 5

Свойства клеевых связующих

С применением связующих ВСК-14-3 и ВСК-14-2м получены экспериментальные органопластики, армированные двумя типами наполнителей Русар-НТ: экспериментальной тканью атласного переплетения из нити Русар-НТ линейной плотности 14,3 текс; жгутом Русар-НТ линейной плотности 600 текс. Изготовлены органотекстолит состава ВСК-14-3/ткань Русар-НТ и однонаправленный органопластик состава ВСК-14-2м/жгут Русар-НТ.

В работе [17] показано, что арамидное волокно Русар-НТ не оказывает отрицательного влияния на процесс отверждения полимерных связующих ВСК-14-2м и ВСК-14-3 (табл. 6). Температуры отверждения связующего в исходном состоянии и в составе препрега совпадают, тепловой эффект реакции отверждения связующего соответствует тепловому эффекту отверждения связующего в препреге (при пересчете на 100 % связующего) [11].

Свойства однонаправленного органопластика на основе наполнителя жгута Русар-НТ и связующего ВСК-14-2м [18, 19]:

Таблица 6

Параметры отверждения клеевых связующих и препрегов на их основе

Органопластики (органотекстолиты и однонаправленные) более устойчивы к поглощению влаги, чем аналогичные органотекстолиты на основе серийной ткани Руслан. Например, водопоглощение образцов, армированных тканью из нити Русар-НТ, составляет 1,76 % (выдержка в воде в течение 90 сут), что в ~2 раза меньше, чем водопоглощение органопластиков аналогичного состава, но армированных тканью из нитей Руслан.

Анализ результатов проведенных исследований показал, что клеевые связующие расплавного типа ВСК-14-2м и ВСК-14-3 могут использоваться для изготовления конструкционных однонаправленных органопластиков и органотекстолитов, армированных арамидным наполнителем нового поколения Русар-НТ, обладающих высокими физико-механическими свойствами и эксплуатационной надежностью в условиях повышенных температуры и влажности. Использование в составе препрега клеевого связующего позволит также обеспечить экологическую безопасность производства, повысить технологичность и удобство применения препрега при изготовлении из него изделий различной формы и кривизны для получения ответственных силовых элементов, намоточных изделий, а также сократить процесс сборки клеевых высоконагруженных сотовых или слоистых конструкций до одной стадии.

Клей ВК-41М нашел применение при разработке слоистого гибридного алюмополимерного композиционного материала Алор Д16/41. В его состав входят чередующиеся листы из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ, промежуточные слои из ткани из органических волокон СВМ, пленочный клей ВК-41М (который соединяет эти материалы). Выбор пленочного клея ВК-41М обусловлен тем, что он имеет температуру отверждения 130 °С, поскольку при более высоких температурах происходит снижение прочности алюминиевых сплавов. Алюмоорганопластик Алор Д16/41 применен в конструкции самолета Ан-124, благодаря чему удалось увеличить ресурс отсеков крыла в 8 раз [2, 20, 21].

Заключения

Рассмотрены органопластики на основе пленочных клеев ВК-3, ВК-36РТ (серийные органопластики) и клеевых связующих ВСК-14-2м и ВСК-14-3 (перспективные органопластики).

Показано, что для изготовления конструкционных и баллистически стойких органопластиков применение пленочных клеев и расплавных клеевых связующих, как с технологической точки зрения, так и с точки зрения повышения уровня их свойств, является наиболее предпочтительным.

Показана возможность получения органотекстолитов и органопластиков нового поколения на основе клеевого пленочного связующего и арамидного наполнителя Русар-НТ, характеризующихся высокими физико-механическими свойствами и повышенной среди арамидных органопластиков стойкостью в условиях повышенной температуры и влажности.

Показана возможность получения алюмоорганопластиков на основе алюминиевых листов Д16ч.-АТ с промежуточными слоями из ткани на основе органических волокон СВМ и пленочного клея ВК-41М, применение которых в конструкции самолета Ан-124 позволило увеличить ресурс отсеков крыла в 8 раз.

* Исследование проводилось под руководством кандидата технических наук Г.Ф. Железиной.