Введение

В настоящее время в авиационной промышленности для соединения изделий из термоусаживаемых материалов (например, трубок) c оболочками жгутов и корпусами электрических разъемов нашел широкое применение эпоксидный клей марки Adhesive S-1125 Kit 8 производства фирмы TE Connectivity (США), который поставляется расфасованным в сдвоенные картриджи. В готовом для использования виде клей Adhesive S-1125 Kit 8 представляет собой пастообразный состав, который отверждается при комнатной температуре. Клей Adhesive S-1125 Kit 8 работоспособен в интервале температур от –60 до +150 °С и выдерживает кратковременное (до 5 мин) воздействие температур от 200 до 250 °С. Клей является ремонтопригодным и позволяет производить демонтаж клеевого соединения при проведении ремонтных работ по замене термоусаживаемых трубок. Однако в настоящее время клей Adhesive S-1125 Kit 8 на отечественный рынок не поставляется, в связи с чем необходимо его импортозамещение на российский аналог [1].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ ранее разработан ряд эпоксидных клеев холодного отверждения, которые нашли широкое применение в авиационной промышленности [2–8]. Клей ВК-9 холодного отверждения (ТУ 1-595-14-842–2004) применяется для клеевых, клеесварных и клеерезьбовых соединений из стали, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, неметаллических материалов в конструкциях, работающих при температурах от –60 до +125 °С длительно. В составе клееных конструкций одноразового действия клей выдерживает воздействие температур до 250 °С. Клей ВК-9 при склеивании алюминиевого сплава типа Д16-АТ обеспечивает прочность соединения 14,7; 4,9 и 2,9 МПа при температурах 20, 125 и 150 °С соответственно. Клей ВК-27 холодного отверждения (ТУ 1-595-14-692–2008) широко используется для выполнения клеевых и клееклепаных соединений в конструкциях из алюминиевых и титановых сплавов, сталей и композиционных материалов, работающих в интервале температур от –60 до +80 °С длительно (1000 ч), при температуре 180–250 °С – кратковременно (30 мин). За счет наличия эластификатора клей ВК-27 в сравнении с клеем ВК-9 обеспечивает более высокий уровень прочностных характеристик при склеивании металлических и полимерных композиционных материалов: 24; 7 и 4 МПа при температурах 20, 80 и 125 °С соответственно. Быстроотверждающийся эпоксидный пастообразный клей холодного отверждения марки ВК-93 (ТУ 1-595-12-943–2008) предназначен для оперативного ремонта, в том числе в полевых условиях, деталей и агрегатов из металлических и композиционных материалов (стекло- и углепластиков), имеет начальную прочность ≥7 МПа через 5 ч после начала отверждения. После полного отверждения при комнатной температуре прочность клеевых соединений достигает 28,0; 14,5 и 10,5 МПа при температурах 20, 80 и 100 °С соответственно. Клей рекомендован для применения в диапазоне температур от –60 до +80 °С и характеризуется устойчивостью к воздействию климатических факторов [9–15].

Однако опробование клеев холодного отверждения перечисленных марок взамен импортного клея Adhesive S-1125 Kit 8 показало, что они не обеспечивают склеивания термоусаживаемых материалов с температурой плавления ≥200 °С с металлами и термопластами и не являются ремонтопригодными.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ выполнена научно-исследовательская работа, в рамках которой разработан клей марки ВК-106 холодного отверждения с характеристиками на уровне импортного аналога – клея Adhesive S-1125 Kit 8. Клей ВК-106 обладает тиксотропными свойствами, легко и равномерно наносится на склеиваемые поверхности, не стекая с них, не содержит растворителя и поэтому не требует открытой выдержки после нанесения, имеет продолжительную жизнеспособность (не менее 2 ч). Излишки клея после термоусадки термоусаживаемого изделия (трубки) легко удаляются. Последующее отверждение клеевых соединений проводится при температуре 20±3 °С. Клей ВК-106 работоспособен при температурах от –60 до +150 °С, выдерживает кратковременное воздействие температуры 175 °С и является ремонтопригодным, что позволяет при необходимости выполнять замену термоусаживаемого элемента в конструкции электрического жгута.

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») [16–22].

Материалы и методы

Объект исследований – клей марки ВК-106 (ТУ 20.52.10-081-07545412–2022).

Механические характеристики при сдвиге определяли по ГОСТ 14759–69. Воздействие термического старения изучали в соответствии с СТО 1-595-20-101–2016, тепловлажностного старения – ГОСТ 9.707–81, изменения температуры среды (термоциклирования) – ГОСТ 9.707–81, условий камеры тропического климата – СТП 1-595-20-100–2002.

Результаты и обсуждение

Клей марки ВК-106 представляет собой полимерную композицию на основе эпоксидной смолы и включает смесь наполнителей, определяющих оптимальный уровень его технологических свойств. Клей поставляется в виде комплекта из двух компонентов, которые тщательно перемешиваются перед употреблением, а также расфасованным в сдвоенные картриджи (по аналогии с импортным клеем Adhesive S-1125 Kit 8). Клей ВК-106 предназначен для соединения электрических разъемов с электрическими жгутами с помощью изделий (в основном трубок) из термоусаживаемых материалов с температурой плавления до 200 °С в самолетостроении. 

Исследованы механические характеристики клея ВК-106 в исходном состоянии и после экспозиции в условиях действия внешних факторов, в том числе термического старения, термоциклирования, факторов, имитирующих климатические условия (вода, влага, тепловлажностное старение, условия камеры тропического климата) [23–28].

В табл. 1 представлены данные, отражающие зависимость свойств клея ВК-106 от температуры в диапазоне от –60 до +175 °С.

Таблица 1

Механические свойства соединений, выполненных клеем ВК-106, в исходном состоянии

Свойства клея ВК-106 в исходном состоянии, а также характер их изменения в зависимости от температуры испытаний соответствуют основным показателям импортного аналога – клея Adhesive S-1125 Kit 8.

Уровень сохраняемости свойств клеевых соединений, изготовленных с применением клея ВК-106, относительно свойств в исходном состоянии при температуре 20 °С составляет 91 и 86 % после термического старения при температуре 100 °С в течение 500 и 1000 ч соответственно (табл. 2). Уровень прочностных показателей при температуре испытаний 20 °С после выдержки при температуре 150 °С в течение 100 ч практически не изменился.

Таблица 2

Прочность при сдвиге соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром),

выполненных клеем ВК-106, после термического старения

Анализ характера изменения прочностных показателей клея ВК-106 после термического старения относительно показателей прочности в исходном состоянии при температуре испытаний 150 °С показал следующее. После воздействия температуры 100 °С в течение 500 ч прочностные показатели увеличились на 15 %, 100 °С в течение 1000 ч – на 6 %, 150 °С в течение 100 ч – на 27,3 %.

Установлен характер воздействия переменных температур (10 циклов по режиму: 150 °С в течение 4,5 ч, 20 °С в течение 18,5 ч, –60 °С в течение 1 ч) на прочность соединений, выполненных клеем ВК-106, при температурах испытаний 20 и 150 °С (табл. 3).

Таблица 3

Прочность при сдвиге соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром),

выполненных клеем ВК-106, после термоциклирования

Показано, что клей ВК-106 способен выдерживать циклический перепад температур: уровень сохраняемости прочностных показателей при сдвиге после экспозиции в условиях действия термоциклирования относительно исходных прочностных показателей при температуре испытаний 20 °С составил 96,3 %. Прочностные показатели образцов с клеем ВК-106 после экспозиции в условиях термоциклирования при температуре испытаний 150 °С повысились на 15 %.

Выполнена оценка характера изменения прочностных показателей образцов под воздействием климатических факторов – влаги, воды, тепловлажностной среды (при температуре 60 °С и влажности 85 %), условий камеры тропического климата, натурной экспозиции в условиях действия климата г. Москвы и г. Геленджика (табл. 4).

Таблица 4

Прочность соединений сплава Д16-АТ (Ан.Окс.хром), выполненных клеем ВК-106,

после воздействия климатических факторов

Более агрессивным является воздействие на образцы с клеем ВК-106 тепловлажностной среды, условий камеры тропического климата и натурных испытаний в умеренно теплом климате приморской атмосферы (г. Геленджик) (при температуре испытаний 20 °C). Снижение прочности образцов по отношению к контрольным показателям после действия климатических факторов при температуре испытаний 20 °С составило 16–19 %. Прочность образцов сохранилась на более высоком уровне после экспозиции в воде и влаге.

Оценка коррозионной агрессивности показала, что клей ВК-106 может применяться в контакте с титановыми сплавами, нержавеющими сталями, конструкционными сталями с гальваническими покрытиями и алюминиевыми сплавами с анодно-оксидными покрытиями с учетом допустимых нагревов для контактирующих материалов.

Отработана технология использования клея ВК-106 для соединения термоусаживаемых элементов с электрическими разъемами. На рис. 1–5 представлены этапы технологического процесса изготовления конструктивно-подобного образца «термоусаживаемая трубка + электрический разъем» с использованием клея ВК-106.

Рис. 5. Конструктивно-подобный образец «термоусаживаемый элемент + электрический разъем», изготовленный с использованием клея ВК-106

Опробование конструктивно-подобного образца «термоусаживаемый элемент + электрический разъем» показало, что клей ВК-106 обладает сочетанием оптимальных технологических свойств и прочностных характеристик в составе клеевых соединений. Клей ВК-106 является тиксотропным составом, не стекает с поверхности склеиваемых материалов, удобен для нанесения, не течет в процессе термоусадки трубки, работоспособен в широком диапазоне температур. Кроме того, установлено, что клей ВК-106 является ремонтопригодным и позволяет при необходимости выполнять ремонт по замене термоусаживаемой трубки [29–34].

Заключения

Разработан эпоксидный клей марки ВК-106, предназначенный для соединения при температуре плавления изделий из термоусаживаемых материалов с оболочками электрических жгутов и корпусами электрических разъемов с последующим отверждением клеевого соединения при температуре 20 °С.

Установлено влияние внешних факторов, в том числе термического старения, термоциклирования, воды, влаги, тепловлажностного старения, условий камеры тропического климата, натурных испытаний, на характер изменения прочностных характеристик клеевых соединений. Проанализирован характер изменения прочностных свойств клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-106, после воздействия внешних факторов в сравнении с исходными показателями.

Приведены этапы технологического процесса изготовления конструктивно-подобного образца «термоусаживаемый элемент + электрический разъем», изготовленного с использованием клея ВК-106. Подтверждена возможность использования клея по данному назначению.

Таким образом, клей ВК-106, предназначенный для использования в конструкции электрических жгутов, имеет оптимальное сочетание технологических и физико-механических характеристик. Клей ВК-106 обладает тиксотропными свойствами, за счет чего не стекает со склеиваемых поверхностей, работоспособен в диапазоне температур от –60 до +150 °С, является ремонтопригодным. Все перечисленные свойства позволяют рекомендовать клей ВК-106 для замены эпоксидного клея марки Adhesive S-1125 Kit 8 производства фирмы TE Connectivity (США), который в настоящее время широко используется для аналогичных целей.

Благодарности

Авторы выражают благодарность О.А. Стародубцевой за участие в разработке клея ВК-106.