Введение

Широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкциях авиационной техники – общемировая тенденция [1–6]. Использование ПКМ позволяет улучшить массовые, прочностные и эксплуатационные характеристики конструкций, снизить трудоемкость их изготовления, повысить экономическую эффективность авиационной техники в целом.

В настоящее время вертолетостроение является одной из важнейших отечественных отраслей промышленности, где доля применения ПКМ составляет до 60 % [7] (рис. 1).

Рис. 1. Доля полимерных композиционных материалов в конструкциях отечественной вертолетной техники гражданского назначения

В соответствии с дорожной картой холдинга «Вертолеты России», проводится большая работа по переводу агрегатов, изготавливаемых из металлических материалов, на агрегаты из ПКМ. К таким агрегатам относятся лопасти и втулка несущего винта, рулевого винта и фенестрона, корпус главного промежуточного и хвостового редукторов, капоты двигателей, обтекатели и др. [8].

В настоящее время большинство перечисленных агрегатов уже изготавливают из ПКМ. Из оставшихся конструкций наибольший интерес конструкторов холдинга вызывают капоты мотогондолы силовой установки, причем изготавливаться они должны безавтоклавным способом.

К решению данного вопроса конструкторы холдинга подходили не единожды. Более 10 лет назад для перспективного скоростного вертолета конструкторы сформировали технические требования к материалу и способу его переработки:

В рамках научно-исследовательской работы (НИР) в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в 2012–2015 гг. разработан углепластик на основе равнопрочного углеродного армирующего наполнителя с номинальной поверхностной плотностью 200 г/м² марки Porcher (Франция) и инфузионного полициануратного связующего, соответствующего указанным техническим требованиям [9–13]. В качестве перспективной безавтоклавной технологии переработки выбрана пропитка под вакуумом (вакуумная инфузия). Прорабатывался вопрос о применении данного материала в конструкции вертолета Ка-226Т (рис. 2, а). Однако вследствие введения санкций и ухода производителя углеродной ткани марки Porcher с российского рынка внедрение данного материала и технологии его переработки в конструкции вертолетной техники приостановлено. Все попытки заменить импортную ткань на имеющиеся тогда наполнители отечественного производства с достижением заданных технических требований не увенчались успехом.

Рис. 2. Прототипы капота мотогондолы, изготовленного из углепластика (а), алюмостеклопластика класса СИАЛ (б) и по гибридной схеме (в), для вертолета Ка-226Т

Параллельно разработке углепластика в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проводили еще одну НИР, по результатам которой капот изготавливался вакуум-автоклавным способом из алюмостеклопластика класса СИАЛ (рис. 2, б). Конструкция капота представляла собой обшивку из двух внешних монолитных слоев из алюминий-литиевого сплава 1441-Т11 и одной прослойки стеклопластика, состоящей из трех монослоев клеевого препрега, выложенных в направлении [0/90/0]. Для соединения элементов проема с обшивкой капота использовали метод сращивания с помощью семислойной композиции, состоящей из четырех металлических листов и трех прослоек стеклопластика, каждая из которых сформирована аналогично прослойке в обшивке капота. В качестве ребер жесткости внутреннего набора применяли гнутые профили из тонкого листа из алюминий-литиевого сплава 1441-Т11, которые укладывали в соответствии с чертежом детали и крепили к обшивке с помощью клеевого препрега. Однако данная технология и материал также не нашли применения в конструкции вертолета Ка-226Т. В основном это связано с тем, что конструкция из алюмостеклопластика класса СИАЛ уступала аналогичной конструкции из углепластика на основе углеродной ткани марки Porcher и инфузионного полициануратного связующего по массе в 1,5 раза, трудоемкости изготовления – в 10 раз. Кроме того, формование данного материала осуществляется только с применением автоклава [14–16].

Для обеспечения поставки вертолетов Ка-226Т специалистами Инжинирингового центра «КАИ-композит» в 2018–2019 гг. реализована гибридная схема конструкции капота мотогондолы (рис. 2, в), представляющая собой трехслойную панель, состоящую из внутренней обшивки (титановый сплав), гофрового заполнителя и внешней обшивки (высокотемпературный углепластик). Углепластик изготавливали из препрега на основе бисмалеимидного связующего и равнопрочной углеродной ткани (КНР) с поверхностной плотностью 200 г/м² вакуум-автоклавным способом. Сборку осуществляли посредством применения клеезаклепочного соединения [17]. По данной технологии, в соответствии с решением конструкторов, изготовлена только одна партия вертолетов. В настоящее время капоты, как и другие изделия холдинга, по-прежнему изготавливают из титановых сплавов. 

Когда компания Umatex организовала производство отечественного углеродного волокна нового поколения, стало возможным изготавливать углеродные ткани не хуже импортных аналогов, в том числе ткани Porcher. Стало возможным вернуться к вопросу реализации безавтоклавной технологии изготовления капота мотогондолы силовой установки вертолетной техники из углепластика, но уже с использованием отечественного углеродного наполнителя.

Совместно со специалистами АО «НЦВ Миль и Камов» и НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в 2022 г. инициирована НИР с целью импортозамещения углеродного наполнителя марки Porcher, проведения общей квалификации углепластика на основе отечественного наполнителя и изготовления конструктивно-подобного образца капота мотогондолы силовой установки перспективной вертолетной техники типа Ми-171А3, Ми-38, Ансат и др.

Научная публикация, содержащая результаты данной работы, будет состоять из нескольких частей. Первая часть посвящена выбору отечественного углеродного наполнителя с номинальной поверхностной плотностью 200 г/м², отработке технологии изготовления углепластика на его основе и инфузионного полициануратного связующего, результатам исследования характеристик углепластика на соответствие техническим требованиям по сравнению с углепластиком на основе ткани Porcher. Во второй части научной публикации будут проанализированы характеристики углепластика, полученные в ходе общей квалификации. В третьей части будут представлены технологические особенности изготовления конструктивно-подобного образца капота мотогондолы силовой установки вертолетной техники типа Ми-171А3, Ми-38 или Ансат.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» [18].

Материалы и методы

Отечественный углеродный наполнитель выбирали из представленных на российском рынке углеродных тканей саржевого переплетения (2/2) с номинальной плотностью 200 г/м², количеством нитей (основа/уток) 50/50, количеством филаментов 3K (табл. 1). В табл. 2 приведены их сравнительные характеристики.

Таблица 1

Исследованные углеродные ткани

Таблица 2

Сравнительные характеристики тканей

Наполнитель выбирали путем сравнительного анализа результатов исследования смачиваемости нитей из указанных тканей, физико-механических испытаний и термоанализа образцов, вырезанных из плит, изготовленных методом пропитки под вакуумом инфузионным полициануратным связующим.

Смачиваемость нитей исследовали методом Вашбурна [19] на процессорном тензиометре. С целью определения соответствия материала техническим требованиям с помощью универсальной разрывной машины выполняли испытания физико-механических характеристик углепластика. Температуру стеклования ПКМ определяли с помощью динамического механического анализатора. Определены также объемная доля пор и плотность углепластика по ГОСТ 15139–69. Толщину монослоя определяли путем измерения микрометром толщины углепластика, значение которой делили на количество слоев.

Для проведения исследований произведена партия связующего. Проведены испытания этой партии на соответствие требованиям нормативной документации, выполнены исследования поверхностного натяжения и реологических показателей связующего. Поверхностное натяжение определяли методом пластины Вильгельми на процессорном тензиометре. Проведен сравнительный анализ показателей партий связующего, вновь изготовленной и полученной при проведении НИР в 2012–2015 гг.

Плиты из углепластика изготавливали безавтоклавным методом. С целью обеспечения однообразного изготовления плит заготовки, представляющие собой 10 слоев сухого армирующего наполнителя, укладывали под единый вакуумный мешок с учетом схемы сборки технологического пакета и материалов для его формирования. Единообразность изготовления образцов углепластика также соблюдена, механическую обработку выполняли с помощью фрезерного станка с числовым программным управлением.

Технологию изготовления углепластика на основе выбранного наполнителя отрабатывали путем корректировки режима пропитки с учетом реологических свойств связующего и влияния, оказываемого наполнителем.

Результаты и обсуждение

Изготовленная партия инфузионного полициануратного связующего исследована на соответствие нормативной документации. В табл. 3 представлено сравнение свойств партий связующего, изготовленных ранее и в рамках данной работы.

Таблица 3

Сравнительные характеристики инфузионного полициануратного связующего

Из результатов, представленных в табл. 3, можно сделать вывод, что показатели связующего соответствуют требованиям нормативной документации. Однако, учитывая тот факт, что качество основного компонента (компаунд ПК-14) в течение 8 лет изменилось, реакционная способность связующего незначительно снизилась. Данные показатели необходимо учесть в дальнейшем при отработке технологии изготовления углепластика и корректировке температурно-временны́х параметров режима пропитки.

Качество основного компонента также повлияло на реологические свойства связующего. На рис. 3 представлены зависимости кажущейся вязкости от температуры выдержки.

Рис. 3. Зависимости кажущейся вязкости партий инфузионного полициануратного связующего, изготовленных в 2016 (♦) и 2025 г. (■), от температуры изотермической выдержки

Партии связующего, изготовленные в 2025 г., имеют более высокую кажущуюся вязкость. Это свидетельствует о том, что процесс пропитки при температуре от 80 до 90 °С будет затруднен и требует доработки.

Учитывая изложенное, необходимо скорректировать режим: увеличить температуру пропитки технологического пакета с 80–90 до 110–130 °С.

С целью подтверждения правильности выбора температуры исследованы зависимости поверхностного натяжения инфузионного полициануратного связующего от температуры и смачиваемость волокон из изученных углеродных тканей в сравнении с волокном из импортного аналога (табл. 4) [19]. Поверхностное натяжение партий инфузионного полициануратного связующего, изготовленных в 2025 г., составило 48,69; 40,62 и 33,81 мН/м при температуре 110, 120 и 130 °С соответственно.

Таблица 4

Краевой угол смачивания (КУС) углеродного волокна

Лучшее взаимодействие на границе раздела фаз отмечено для углеродной ткани 4 на основе углеродного волокна UMT42S-3К-EP при температуре 130 °С. При этом значения краевого угла смачивания данной ткани и ткани Porсher находятся на одном уровне.

С целью выбора ткани изготовлены плиты из углепластика, из которых вырезаны образцы. Результаты сравнительных испытаний образцов представлены в табл. 5.

Из результатов испытаний видно, что все изготовленные образцы по механическим показателям (за исключением образца на основе ткани 4) и объемной доле пор не соответствуют техническим требованиям. При этом температура стеклования данного образца меньше, чем у образцов на основе ткани 1, 2 и 5. Толщина монослоя плит для всех образцов варьировала от 0,230 до 0,236 мм. С учетом предложенной корректировки температуры пропитки изготовлены плиты и образцы из них (табл. 6).

Исходя из полученных результатов, можно сделать выбор в пользу углеродной ткани на основе углеродного волокна UMT42S-3К-EP производства НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Толщина монослоя плит для всех образцов варьировала и составила ~0,21 мм. Результаты также свидетельствуют о целесообразности корректировки режима формования углепластика.

Таблица 5

Свойства образцов из углепластика на основе отечественных тканей

и инфузионного полициануратного связующего

Таблица 6

Свойства образцов из углепластика на основе отечественных тканей и инфузионного

полициануратного связующего, изготовленных по скорректированному режиму

С учетом результатов отработки режима пропитки изготовлены плиты, из которых вырезаны образцы толщиной 1, 2 и 4 мм. Проведены испытания при температуре 1100 °С на соответствие образцов АП-29. При продолжительности испытаний 5 мин все изученные материалы классифицированы как огнестойкие, 15 мин – огненепроницаемые. Сквозное прогорание материалов отсутствовало.

Дополнительно определена горючесть образцов в течение 60 с по ГОСТ Р 57924–2017 (табл. 7).

Таблица 7

Горючесть образцов из углепластика на основе отечественных тканей

и инфузионного полициануратного связующего

Заключения

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

В РФ производится углеродная ткань, по своим характеристикам не уступающая углеродной ткани Porcher.

Разработана и отработана технология изготовления методом вакуумной инфузии углепластика на основе инфузионного полициануратного связующего и тканого наполнителя на основе углеродного волокна UMT42S-3К-EP производства НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, которому присвоена марка. Полученный материал по своим характеристикам не уступает аналогу из углепластика на основе углеродной ткани Porcher, огнестоек, огненепроницаем и трудносгораем.