Введение

Производство полимерных композиционных материалов (ПКМ) является динамично развивающимся направлением, которое позволяет существенным образом увеличить валовую прибыль. В конструктивной составляющей множества изделий авиационной техники доля использования композиционных материалов ранее не превышала 11 %, при этом в настоящее время при создании авиационной техники предусматривается замена традиционных сталей и сплавов на перспективные ПКМ с долей использования последних до 50 % в зависимости от изделия. В частности, в конструктивной составляющей самолетов Boeing 787 и Airbus A350 XWB доля использования композиционных материалов превышает 50 %.

Современная тенденция по увеличению в авиационной технике объемной доли использования композиционных материалов связана с повышением требований к механическим характеристикам конструкционных материалов, а также экономической и весовой эффективности конечного изделия. Полимерные композиционные материалы являются широко используемым классом конструкционных материалов в самолетах нового поколения. В настоящее время ПКМ, получаемые с использованием современных технологий переработки, способны обеспечивать все возрастающие требования к упруго-прочностным характеристикам материалов и их эксплуатационной стабильности, которые необходимы для обеспечения работоспособности конструкций [1–3].

К материалам, используемым в интерьерах воздушных судов, а также транспортных средств, предъявляются требования по пожаробезопасности. В последнее время эта проблема стоит особенно остро в связи с заменой во многих агрегатах, используемых в изделиях авиационной техники, металлических материалов на ПКМ, которые позволяют снизить массу конструкций, но при этом являются более горючими.

В соответствии с нормами летной годности гражданских самолетов НЛГГС-3 в России в интерьерах самолетов могут применяться материалы с кислородным индексом >30 (самозатухающие) и дымообразованием по ГОСТ 24632–81 – не более IV группы, по ГОСТ 12.1.044–89 группа D1 – малая дымообразующая способность; с токсичностью продуктов горения HC L50 – не более 0,02 кг/м³, по ГОСТ 12.1.044–89 группа T1 HC L50 – до 40 мг/г (малоопасная). Международные авиационные организации FAR и FAA ввели более жесткие требования (FAR 25.853a, 25.836, 28.855) к материалам, применяемым в интерьерах самолетов, по сравнению с ранее действовавшими нормами FAR-25-15. Предложены новые требования к материалам интерьера по тепловыделению при горении (OSU-test) и по токсичности продуктов горения (Airbus Industries Tech Spec NATS 1000.001). Нормы, регламентирующие характеристики воспламеняемости, дымовыделения и токсичности продуктов горения (FST-свойства) материалов, используемых в авиакосмических конструкциях, изложены в Fire Test Methodology for Aerospace Materials (NASA-CR-166196) [4, 5].

Материалы, используемые в конструкции интерьеров пассажирских самолетов, должны отвечать требованиям авиационных правил по пожарной безопасности в соответствии с главами АП-23 и АП-25, в конструкции вертолетов – АП-27 и АП-29 [6].

Трудности при создании пожаробезопасных ПКМ заключаются не только в различных требованиях к материалу в зависимости от области применения, но и в наличии разнообразных показателей огнестойкости и пожаробезопасности, таких как кислородный индекс, скорость распространения пламени, тепловыделение при горении, коэффициент дымообразования, плотность дыма, токсичность продуктов горения. Все это приводит к необходимости точного подбора компонентов, включая антипирены, и их оптимальных соотношений в связующем с учетом не только данных испытаний на огнестойкость, но и требований технологии переработки и условий эксплуатации для каждого конкретного изделия [7–9].

В патентной научно-технической литературе наиболее часто встречаются огнестойкие материалы на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Благодаря малой усадке, низкому водопоглощению, отличным адгезионным свойствам и высокой прочности эпоксидные связующие нашли широкое применение в самых разных областях – от клеев и наливных полов до связующих для конструкционных ПКМ.

Среди российских заявителей следует отметить специалистов НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (далее – ВИАМ). Так, в патенте RU 2223988 [10] представлены ПКМ из угле-, органо- и стекловолокнистых наполнителей и связующего на основе эпоксидного олигомера N,N,N',N'-тетраглицидилдиамино-3,3'-дихлордифенилметана 100 с отвердителем 4,4'-диаминодифенилсульфоном 44 и 0,01–1,0 % (по массе) фуллерена (С_2n, где n – не менее 30) с добавлением специальных добавок: 0,1–1,5 % (по массе) открытых углеродных нанотрубок и 0,5–10 % (по массе) фуллероидного многослойного наномодификатора астралена – для применения в элементах конструкций авиационной и космической техники. Полимерные композиционные материалы получают пропиткой указанным связующим угле-, органо- и стекловолокнистых наполнителей. При введении в основную смолу связующего специальных добавок повышаются механические свойства материала.

В патенте RU 2276638 [11] представлен ПКМ из армирующего стекловолокнистого наполнителя (стеклоткани), который дополнительно содержит полые стеклянные микросферы и гидроксид алюминия, и связующего на основе азотсодержащей фенолформальдегидной смолы резольного типа, модифицированной полиэтиленгликолем и фосдиолом. Этот материал предназначен для изготовления деталей интерьера с пониженным тепловыделением для авиации, судо- и автомобилестроения, железнодорожного транспорта и строительства, в том числе для крупногабаритных изделий сложной конфигурации. Его применение обеспечит выполнение современных требований летной годности АП-25, предъявляемых к транспортным средствам по пожаробезопасности при перевозке пассажиров.

При разработке огнестойких термопластичных материалов повышенное внимание уделяется проблеме предотвращения образования горящих капель. Для этого в состав связующего вводят волокнистый наполнитель, изготовленный из фторсодержащих термопластов [12], или амиды жирных кислот [13]. Для уменьшения горючести полиэфиров, в частности полибутилентерефталата, а также полистирола используют галогенсодержащие антипирены [14, 15].

Снижение горючести ПКМ можно обеспечить путем введения в состав связующих минеральных наполнителей или специальных огнестойких добавок – антипиренов, а также путем химического модифицирования олигомеров, используемых в качестве компонентов связующих.

Каждый из этих путей имеет свои преимущества и недостатки. Так, введение огнестойких добавок (наполнителей, антипиренов) хотя и является более простым и распространенным способом, однако при повышении температуры возможно выпотевание некоторых добавок, а также ухудшение прочностных характеристик отвержденных модифицированных связующих. При синтезе негорючих олигомеров используют мономеры, содержащие химически связанные огнегасящие элементы, однако стоимость таких олигомеров значительно больше аналогичных, не содержащих огнегасящих элементов. Ингибирующий эффект соединений, вступающих в химическое взаимодействие при отверждении клеевого связующего, обычно больше, чем для инертных продуктов [16].

Одной из проблем использования композиционных материалов в составе конструкций (в частности, трехслойных сотовых конструкций) является значительно меньшая стабильность их механических характеристик по сравнению с традиционными материалами [17]. Недостаточные знания о механических характеристиках композитных конструкций могут привести к созданию перетяжеленных конструкций. Помимо этого, композиционные конструкции, как правило, имеют чрезмерные запасы прочности, что существенно снижает эффективность их использования.

Панели пола в самолетах имеют большой объем: в магистральных самолетах с числом мест от 200 их площадь превышает 100 м², с числом мест от 24 до 80 составляет 14–45 м² [18].

Общая масса панелей пола в одном самолете составляет от 250 до 500 кг. Внедрение ПКМ при изготовлении панелей пола летательных аппаратов позволяет снизить их массу, существенно повысить долговечность при сохранении прочности и жесткости [19–21]. В связи с вышеизложенным при изготовлении панелей пола из ПКМ необходимо, чтобы входящие в их состав материалы обладали пониженной горючестью.

Поиск путей обеспечения минимальной массы элементов конструкции самолета является одним из приоритетных направлений развития современной авиационной техники. Одной из перспективных сфер применения ПКМ в конструкции современных пассажирских самолетов являются панели пола. Использование композиционных материалов с высокой удельной прочностью и жесткостью позволяет повысить весовую эффективность панелей пола и обеспечить резерв массы для увеличения дальности полета и полезной нагрузки или снижения расхода топлива и общей стоимости изделия [22, 23].

В общем случае панели пола представляют собой трехслойные конструкции, т. е. систему, которая состоит из сравнительно тонких несущих слоев (обшивок) и более толстого внутреннего слоя, называемого заполнителем [24]. В самолетах прошлого поколения (Ту-144, Ту-154, Ил-18) панели пола представляли собой трехслойные конструкции с обшивками из фанеры, алюминия или стеклопластика и заполнителями из алюминиевых сот или пенопласта. Средняя масса 1 м² панелей пола с использованием указанных материалов составляла 4,5–5,6 кг в зависимости от места установки в салоне самолета [18].

Разработка и внедрение материалов нового поколения позволяет существенно снизить массу 1 м² панелей пола. Например, в конструкции трехслойных сотовых панелей пола самолета Ил-96 использован стеклотекстолит КАСТ-ВС в качестве верхней обшивки, углепластик пониженной горючести КМУ-3 – в качестве нижней обшивки и сотопласт ПСП-1 – в качестве сотового заполнителя, который соединен с обшивками посредством пленочного клея. Данные материалы позволили снизить массу 1 м² панелей пола до 3,4–3,8 кг в зависимости от места установки. Масса 1 м² панелей пола самолета Ил-114, представляющих собой трехслойную сотовую конструкцию с обшивками из стеклоткани на основе эпоксидного связующего и полимерного сотового заполнителя, составляет от 2,8 до 3,6 кг в зависимости от места установки. В конструкциях панелей пола самолета Ту-204 использованы обшивки на основе высокомодульного стеклопластика и полимерного сотового заполнителя, что позволило достичь массы 1 м² панелей пола в пределах 2,5–5,2 кг в зависимости от места установки [19, 25, 26].

В ВИАМ разработан принципиально новый класс полимерных материалов – композиционные материалы клеевые (КМК) на основе связующего пониженной горючести марки ВСК-14-6 и стекло-, угленаполнителей, предназначенных для изготовления обшивок трехслойных сотовых конструкций за один технологический цикл, в том числе панелей пола, с целью импортозамещения ПКМ фирмы Hexcel (США) [16].

Материалы и методы

Производство ПКМ должно базироваться на использовании современного оборудования, которое позволяет обеспечивать массовую долю содержания связующего с минимальным разбросом в пределах ±3 %.

Технологию получения клеевых препрегов отрабатывали путем нанесения расплава клеевого связующего на антиадгезионную бумагу (подложку) из верхнего и нижнего клеенаносящих узлов установки Coatema BL-2800  с использованием систем обогреваемых валов, двухстороннего дублирования наполнителя с пленками клеевого связующего в узлах обогреваемых каландров с последующей смоткой клеевого препрега через антиадгезионную прокладку в рулон (см. рисунок).

Установка Coatema BL-2800 для изготовления калиброванных прецизионных препрегов

В процессе отработки технологических режимов изготовления клеевых препрегов варьировали следующие параметры – температуру узла нанесения связующего, температуру каландров и скорость линии пропитки с определением содержания связующего в препреге.

Температуры наносящих валов, каландров и нагревательных столов определялись интервалом температур переработки  клеевого связующего ВСК-14-6. Величину зазора между наносящими валами, обеспечивающими равномерное распределение связующего в препреге и качественное совмещение с наполнителем, определяли исходя из толщины монослоя разрабатываемых препрегов (с учетом толщин подложки и пленки).

В данной статье использованы следующие нормативные ссылки (табл. 1).

Таблица 1

Использованная нормативная документация

Результаты и обсуждение

При разработке ПКМ на основе клеевых препрегов пониженной горючести в качестве матрицы выбрано клеевое связующее марки ВСК-14-6 (ТУ 1-595-14-1423–2014) с теплостойкостью 80 °С на основе бромсодержащей эпоксидной смолы. По результатам исследования комплекса свойств ПКМ выбраны образцы КМК на основе высокопрочного углеродного жгутового наполнителя марки SYT49(S)-12К и стеклоткани Т-60(ВМП) со средними значениями пределов прочности при растяжении >1400 и >1300 МПа соответственно.

Свойства КМК на основе клеевого связующего пониженной горючести марки ВСК-14-6 в сравнении с аналогами представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства разрабатываемых российских композиционных клеевых материалов на основе клеевого связующего пониженной горючести марки ВСК-14-6 в сравнении с аналогами

Исследованы прочностные свойства на соответствие требованиям ТУ 1-595-14-1423–2014 при сдвиге по ГОСТ 14759–2016 при температуре 20 и 80 °С на образцах из сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром и определена массовая доля летучих веществ (табл. 3).

Таблица 3

Основные свойства клеевого связующего марки ВСК-14-6

Установлено, что массовая доля летучих веществ и предел прочности при сдвиге при температуре испытаний 20 и 80 °С партии клеевого связующего соответствует требованиям ТУ 1-595-14-1423–2014.

С применением клеевого связующего ВСК-14-6 на автоматизированной установке Coatema BL-2800 изготовлены клеевые препреги с использованием как углеродных, так и стеклянных наполнителей. На основе углеродных наполнителей разработаны препреги КМКУ-6.80.SYT49(S).45/65, на основе стеклянных наполнителей – препреги КМКС-6.80.T60(ВМП).37/55. Свойства препрегов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Технические требования к клеевым препрегам

По результатам исследований разработаны технические условия на клеевые угле- и стеклопрепреги:

– ТУ 1-595-11-1775–2018 «Препрег клеевой марки КМКУ-6.80.SYT49(S)»;

– ТУ 1-595-11-1776–2018 «Препрег клеевой марки КМКС-6.80.Т60(ВМП)».

Разработанные технические условия на клеевые препреги регламентируют показатели качества, представленные в табл. 4.

Автоклавным методом формования изготовлены плиты из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 на основе клеевых препрегов марок КМКУ-6.80.SYT49(S) и КМКС-6.80.Т60(ВМП).

Проведено исследование свойств углепластика и стеклопластика, изготовленных на основе клеевых препрегов, которые представлены в табл. 5.

Таблица 5

Механические свойства углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68

со схемой армирования [0]_n при температуре испытания 20 и 80 °С

Результаты испытаний образцов углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 на горючесть по АП-25, Приложение F, Часть I, п. 853 (а) и на дымообразование по АП-25, Приложение F, Часть V, п. 853 (d) представлены в табл. 6.

Таблица 6

Горючесть углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68

Установлено, что образцы из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 по горючести отвечают требованиям АП-25, Приложение F, Часть I, п. 853 (а), а по дымообразованию относятся к классу V – сильнодымящие.

Для снижения весовых характеристик трехслойных сотовых конструкций панелей пола четырех зон проведена оптимизация их конструктивно-технологического облика (структуры и геометрических параметров) с учетом характерных случаев их нагружения.

Проведены испытания образцов трехслойных сотовых конструкций панелей пола с обшивками из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 на горючесть согласно АП-25. Результаты представлены в табл. 7.

Таблица 7

Результаты испытаний на горючесть образцов трехслойных сотовых конструкций

панелей пола с обшивками из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68

Установлено, что образцы трехслойных сотовых конструкций панелей пола с обшивками из клеевых препрегов угле- и стеклопластиков на основе клеевого связующего марки ВСК-14-6 отвечают требованиям АП-25, Приложение F, Часть I.

Проведена сравнительная оценка образцов трехслойных сотовых конструкций панелей пола с обшивками из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 в сопоставлении с существующими панелями пола для изделий Ил-114, Ил-96, Ту-204, Ту-214. Результаты представлены в табл. 8.

Таблица 8

Сравнительная оценка трехслойных сотовых панелей пола

Сравнительная оценка трехслойных сотовых панелей пола с обшивками из клеевых угле- и стеклопластиков на основе связующего марки ВСК-14-6 в сопоставлении с существующими панелями пола изделий Ил-114, Ил-96, Ту-204, Ту-214 показала их высокую весовую эффективность (масса 1 м² панелей пола 2,5–3,6 кг вместо 2,5–5,2 кг) в совокупности с обеспечением требуемых характеристик.

Заключения

Использование российских препрегов на основе связующего пониженной горючести ВСК-14-6 и стекло- и угленаполнителей (стеклянные ткани либо углеродные жгут или лента, или ткань) позволит получить конструкционные ПКМ с толщиной монослоя 0,13–0,28 мм, с необходимыми технологическими и эксплуатационными свойствами, позволяющими изготовить высоконагруженные сотовые (слоистые) конструкции одинарной и сложной кривизны, предназначенные, в частности, для конструкции пола, а также агрегатов наружного контура летательного аппарата. Клеевое эпоксидное связующее образует при отверждении при температуре 100–140 °С полимерную матрицу с высокими прочностными свойствами и пониженной горючестью. Низкая температура отверждения (до 140 °С) связующего ВСК-14-6 (за счет введения в его состав латентного отвердителя аминного типа с катализаторами отверждения) сочетается с высокой жизнеспособностью, что обеспечивает препрегам, в составе которых используются стекло- и угленаполнители и связующее ВСК-14-6, срок хранения при температуре от 0 до +8 °С не менее 6 мес.

Еще одним достоинством таких препрегов является реализация высокоэффективной технологии сборки слоистых клееных сотовых конструкций из неметаллических материалов, отличительная особенность которой – одновременное (за одну технологическую операцию) формование обшивки и ее приклеивание к сотовому заполнителю.

Новый тип трехслойных сотовых панелей пола с обшивками из угле- или стеклопластиков на основе клеевого препрега и полимерного сотового заполнителя различной плотности позволяет достичь массы 1 м² панелей пола в диапазоне от 2,5 до 3,6 кг в зависимости от места установки. Материалы обшивок обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, а также пониженной горючестью, что делает конструкции трехслойных сотовых панелей пола на их основе конкурентоспособными по отношению к ПКМ фирмы Hexcel (США).