Введение

Клеевые соединения имеют особое значение при создании конструкций, используемых в авиационной технике. Особенно актуальны трехслойные сотовые конструкции, в которых клеи не только соединяют обшивку и сотовый заполнитель, но и обеспечивают необходимую прочность и деформационные характеристики. Объемы производства таких конструкций неуклонно растут.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана широкая номенклатура полимерных композиционных материалов (стекло- и углепластиков), среди которых все большее применение находят материалы с пониженной горючестью. Кроме того, ученые института разрабатывают новые композиционные материалы для создания крыльев, фюзеляжей и других частей самолетов, обладающих высокой прочностью, весовой эффективностью и теплостойкостью. Институт сотрудничает с ведущими авиационными компаниями России, что позволяет ему быть на передовой в области разработки новых материалов; способствует усовершенствованию авиационной техники и повышению безопасности авиаперевозок, в том числе за счет применения в конструкции материалов, отвечающих требованиям АП-25. Исследование клеевых соединений является важной задачей, поскольку их качество напрямую влияет на прочность изделия [1–6].

Разработанные ранее пленочные конструкционные клеи (ВК-51, ВК-36 и др.) обеспечивают надежное соединение обшивок из алюминия и композиционных материалов с сотовым заполнителем в различных термических условиях. Использование высокопрочных клеев позволяет увеличить долговечность и надежность изделий авиационной техники в процессе эксплуатации. Целью новых разработок является создание эффективных клеев, не только обладающих высокими техническими характеристиками, но и безопасных в эксплуатации за счет пониженной горючести [7–12]. Совместно с конструкционными пленочными клеями при изготовлении трехслойных конструкций применяются и вспенивающиеся клеи. Например, вспенивающийся пленочный эпоксидный клей марки ВКВ-3 [13] соединяет сотовый заполнитель между собой и с элементами каркаса, работает при температурах до 150 °С. Однако клеи перечисленных марок обладают горючестью и неэффективны при сборке конструкций из полимерных композиционных материалов с пониженной горючестью.

Таким образом, разработка новых высокопрочных клеев с улучшенными техническими характеристиками имеет особое значение для современной промышленности. Они позволяют обеспечить надежные и прочные соединения в широком диапазоне температур, что открывает новые перспективы для развития различных отраслей промышленности и содействует совершенствованию технического прогресса.

НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ имеет компетенции в разработке клеев с пониженной горючестью. Например, разработан пленочный клей с пониженной горючестью марки ВК-46Б. Однако он имеет рабочую температуру до 80 °С, что в современных условиях не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкции изделий новой техники. Это диктует необходимость создания клея с пониженной горючестью и повышенной до 120 °С теплостойкостью [14–17].

Для решения данной проблемы проведена научно-исследовательская работа, в результате которой разработаны новые клеи: высокопрочный клей конструкционного назначения ВК-108 и вспенивающийся клей ВКВ-28. Эти материалы обладают повышенной теплостойкостью до 120 °С, что значительно расширяет область их применения. Они идеально подходят для склеивания различных материалов, в том числе полимерных композиционных нового поколения, характеризующихся не только высокой теплостойкостью, но и пониженной горючестью. Клеи ВК-108 и ВКВ-28 обладают
высокой прочностью и надежностью. Они соответствуют стандартам качества и безопасности, что гарантирует надежность при эксплуатации клееных конструкций, изготовленных с их применением.

Клеи ВК-108 и ВКВ-28 прошли общую квалификацию и отвечают требованиям АП-25 (Приложение F, Часть I). Результаты научных исследований представлены в данной статье.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [18–22].

Материалы и методы

Объектами исследования являются:

– конструкционный пленочный клей марки ВК-108 (ТУ 20.52.10.120-075-07545412–2022);

– вспенивающийся пленочный клей марки ВКВ-28 (ТУ 20.52.10.120-092-07545412–2023).

Прочность клеевых соединений при сдвиге определяли по ГОСТ 14759–69, при равномерном отрыве обшивки от сот – по ОСТ 1 90069–72, при отслаивании – по РТМ 1.2.015–99. Горючесть клеев исследовали в соответствии с требованиями АП-25 (Приложение F, Часть I) и ГОСТ Р 57924–2017.

Результаты и обсуждение

Новый конструкционный пленочный клей ВК-108 обладает пониженной горючестью, эффективно используется для склеивания различных материалов при создании слоистых и сотовых конструкций из угле- и стеклопластиков. Толщина пленочного клея составляет 0,24 мм, а отверждение происходит при температуре 175 °С. Клей обладает высокой работоспособностью при различных температурах и успешно прошел испытания как в контролируемых лабораторных условиях, так и после воздействия внешних факторов. Клей ВК-108 обеспечивает надежное и качественное склеивание, является эффективным материалом для создания прочных соединений из алюминиевых сплавов, углеродистых сталей и неметаллических материалов в различных условиях эксплуатации. Однако при склеивании титанового сплава прочность клеевого соединения снижается из-за особенностей структуры поверхностного слоя титана. Важно отметить, что при работе со стекло- и углепластиками прочность клеевых соединений зависит от прочности самих материалов, поскольку разрушение происходит по поверхностному слою пластика. Таким образом, правильный выбор клея с учетом вида материала позволит обеспечить надежность и долговечность конечного изделия.

Исследован характер изменения прочности клеевых соединений при склеивании различных материалов в диапазоне температур от –60 до +145 °С (табл. 1). Показано, что прочностные характеристики клеевых соединений при длительном воздействии повышенной температуры (120 °С) в течение 500 и 1000 ч сохраняются на уровне от 93 и 87 % соответственно (табл. 2). Кратковременное воздействие в течение 100 ч температуры 145 °С не оказывает значительного влияния на прочностные свойства, что свидетельствует о высокой теплостойкости клея ВК-108. Данные исследования подтверждают надежность и эффективность клеевого соединения, что делает его идеальным для применения в условиях повышенных температур.

Таблица 1

Прочностные характеристики клеевых соединений, выполненных

с использованием клея ВК-108, при различных температурах

Таблица 2

Влияние термостарения на прочностные характеристики клеевых соединений,

выполненных с использованием клея ВК-108

Испытания клеевого соединения сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненного с использованием клея ВК-108, также показали отличные результаты при воздействии различных внешних факторов: прочность соединения остается на высоком уровне даже после длительного воздействия климатических факторов, циклического действия высоких и низких температур, воды и влаги. Результаты испытания представлены в табл. 3. Прочность клеевых соединений при сдвиге сохраняется на уровне от 75 и 91 % при воздействии воды и влаги в течение 3 мес. при температурах испытания 120 и 20 °С, после термовлажностного старения в течение 3 мес. – на уровне 58 и 75 % соответственно. Испытания в камере тропического климата показали сохранение свойств на уровне 69–74 %. Термоциклирование практически не оказало воздействия на образцы клеевых соединений, так как свойства сохранились на уровне 83–87 %.

Таблица 3

Влияние внешних факторов на прочностные характеристики клеевых соединений

сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108

В процессе эксплуатации клеевое соединение может подвергаться воздействию различных химических сред, в связи с чем проведены испытания клеевых соединений сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108, после выдержки в гидравлической жидкости Skydrol LD-4, нефрасе, масле ИПМ-10 и топливе ТС-1. Клеевое соединение выдерживали в данных жидкостях в течение 10 сут. Результаты испытаний продемонстрировали сохранение прочности при сдвиге на уровне 78–100 % (табл. 4).

Таблица 4

Влияние химических сред на прочность при сдвиге клеевых соединений

сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108

Немаловажными свойствами клеевого соединения являются грибостойкость и коррозионная стойкость. Результаты испытаний подтвердили, что клей ВК-108 устойчив к действию микологической среды. Склеенные данным клеем титановые и алюминиевые сплавы, нержавеющие и конструкционные стали не подвергаются дополнительному коррозионному воздействию. В соответствии с требованиями по горючести АП-25 (Приложение F, Часть I), клей ВК-108 относится к самозатухающим материалам на полимерной основе.

Результаты расширенных испытаний подтвердили, что конструкционный эпоксидный пленочный клей ВК-108 можно применять для склеивания металлических и полимерных материалов в авиационной технике. Он обладает повышенной теплостойкостью и пониженной горючестью, что делает его незаменимым при создании клееных деталей и агрегатов, в том числе слоистой и сотовой конструкции.

В процессе производства сотовых конструкций возникает необходимость соединения сотового заполнителя между собой и с замыкающими элементами каркаса. Для этих целей разработан вспенивающийся пленочный клей марки ВКВ-28, который, так же как и конструкционный клей ВК-108, обладает пониженной горючестью. Клеи ВКВ-28 и ВК-108 можно использовать совместно, так как они имеют одну химическую природу и процесс отверждения проходит по одинаковому режиму при температуре 175 °С. Свойства клея ВК-28:

Клей ВКВ-28 обладает высокими прочностными характеристиками при склеивании обшивки с сотовым заполнителем как при пониженных, так и при повышенных температурах, имеет коэффициент вспенивания на уровне широко применяемого вспенивающегося пленочного клея ВКВ-3, по горючести, в соответствии с авиационными правилами АП-25 (Приложение F, Часть I), является трудносгорающим.

Заключения

Разработаны клеи марок ВК-108 и ВКВ-28 с пониженной горючестью и теплостойкостью до 120 °С. Конструкционный эпоксидный пленочный клей ВК-108 предназначен для склеивания деталей и агрегатов из металлических материалов и полимерных композитов, включая сотовые конструкции; вспенивающийся эпоксидный пленочный клей ВКВ-28 – для склеивания блоков неперфорированного сотового заполнителя между собой и с замыкающими элементами каркаса из металлических и неметаллических материалов. Исследования показали возможность совместного использования конструкционного клея ВК-108 и вспенивающегося клея ВКВ-28 в процессе производства трехслойных сотовых конструкций для авиационной техники.

Проведена квалификационная оценка свойств клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-108, которая показала, что клей обеспечивает высокий уровень свойств как в исходном состоянии, так и после воздействия внешних факторов, термического старения, термоциклирования, условий камеры тропического климата, тепловлажностного старения, воды и влаги.

Таким образом, клеи ВК-108 и ВКВ-28 могут занять достойное место среди клеящих материалов для применения в авиационной отрасли. Сочетание теплостойкости, прочности, пониженной горючести и устойчивости к неблагоприятным внешним факторам делают эти клеи неотъемлемым компонентом производства сотовых конструкций, которые используются в новых изделиях авиации. Благодаря таким инновационным материалам возможно создание прочных, пожаробезопасных авиационных конструкций, способных выдерживать высокие нагрузки в процессе длительной эксплуатации.