Развитие различных отраслей промышленности и, прежде всего, авиа- и автомобилестроения, неразрывно связано с созданием новых конструкционных материалов. Существенный вклад в улучшение характеристик машин и конструкций вносят композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ). Более 40 лет в качестве полимерной матрицы использовались термореактивные материалы. Однако многокомпонентность термореактивных связующих, их ограниченная жизнеспособность, большая длительность процесса отверждения, многооперационность процесса переработки, недостаточная воспроизводимость свойств материалов, сложности утилизации брака и отходов переработки и создания безопасных для окружающей среды условий стимулировали поиски использования в качестве связующих термопластичных материалов [1–5].

Применение термопластичных матриц в составе композиционных термопластичных материалов (КТМ) обеспечивает ряд преимуществ: присутствие связующего с заданной молекулярной массой и завершенной химической структурой; неограниченный срок хранения полуфабриката (препрега, листа); отсутствие длительного процесса отверждения; способность к релаксации напряжений; возможность вторичной переработки; отсутствие выделения растворителей; взрывобезопасность, нетоксичность [4, 6, 7].

По уровню прочностных и упругих характеристик термопласты не уступают отвержденным полимерам, а по химической стойкости, тепло- и электроизоляционным характеристикам, герметичности в ряде случаев превосходят последние.

В связи с кратковременностью нагрева заготовок процесс формования деталей из КТМ менее трудоемок, особенно в условиях крупномасштабного производства. Это упрощает получение деталей сложной конфигурации, повышает производительность оборудования, создавая предпосылки для его автоматизации. Применение КТМ в авиастроении способствует замене мелких деталей на более крупные, в 1,5 раза уменьшая их количество и сокращая объем сборочных операций.

Практически все промышленно выпускаемые термопласты могут служить матрицей для КТМ [6–9].

В последнее 15-летие тенденцией в развитии КТМ является использование высокотермостойких конструкционных термопластов, характеризующихся высокими упругопрочностными свойствами: полиарилсульфонов, полиэфирсульфонов, полиэфиримидов, полиэфиркетонов, полиимидов, полифениленсульфидов.

За рубежом организованы специализированные фирмы, которые занимаются выпуском термопластичных препрегов, листовых пластиков и изделий из них. Наиболее известны компании: Ten Cate (Phoenucx TPC, США), AFPT (Германия, Нидерланды), Fiber Forge (США), Automated Dynamics (США).

Компании Ten Cate и Fiber Forge для производства изделий из своих материалов применяют технологию горячего прессования. С помощью данной технологии можно производить изделия сложной геометрической формы и больших размеров. Для производства изделий проектируется и изготовляется форма, в ней выкладывается препрег, и под давлением проводится нагрев до температуры плавления связующего, затем выдержка под давлением и охлаждение до комнатной температуры.

Компании AFPT и Automated Dynamics для производства изделий из своих материалов применяют лазерную технологию формования. Лазерная технология позволяет использовать базовые технологии намотки и выкладки с уплотнением валиком. Плавление связующего происходит при помощи нагрева лазером в месте прикатки [3, 4, 9–11].

В России разработкой и выпуском КТМ занимаются только в ВИАМ (табл. 1) [4, 6, 7].

Таблица 1

Свойства отечественных композиционных термопластичных материалов (КТМ)

На рис. 1 представлены области применения композиционных материалов в самолете Airbus А-380.

 Рисунок 1. Области применения композиционных термопластичных материалов (КТМ) в Аэробусах А-380

Формование и сборка деталей из КТМ методом сварки

Более широкому применению изделий из КТМ мешает то обстоятельство, что и за рубежом, и в России КТМ выпускаются в виде полуфабрикатов (листы, препреги) или в виде профилей различной конфигурации, использовать которые можно только при наличии надежного способа их соединения [12–14].

Применяемые для ПКМ на основе реактопластов клеевые соединения и механическое крепление для изделий из КТМ малопригодны.

Наиболее предпочтительно соединять детали из КТМ с помощью сварки, как это делается в случае ненаполненных термопластов. Все особенности сварки ненаполненных термопластов можно в равной степени отнести и к сварке КТМ. Однако в связи с наличием в КТМ армирующих волокон они могут в значительной степени отличаться от ненаполненных термопластов по тангенсу угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости, модулю упругости, акустическим характеристикам и другим свойствам.

Для сварки КТМ можно использовать способы, применяемые для сварки термопластов. Предпочтительны следующие: термоконтактная сварка (закладным элементом заполнения), сварка индукционным нагревом, ультразвуком, ИК-излучением и вибротрением.

Преимущественная область применения каждого из этих способов четко не определена. Считается, что в случае термопластов ультразвуковая сварка особенно эффективна для соединения малогабаритных деталей из КТМ, причем детали под сварку должны иметь выступы для концентрации энергии; индукционная сварка осуществляется при частоте 2–10 МГц и предпочтительна для соединения вытянутых тонких деталей; сварка вибротрением при частоте вибрации 100–240 Гц и термоконтактная сварка закладным элементом могут использоваться для соединения деталей любой формы и конфигурации. Все эти способы сварки обеспечивают быстрое образование сварных соединений (СС). Прочность при сдвиге СС, полученных этими способами, выше прочности клеевых соединений.

Установлено, что сварка деталей из термопластичного углепластика вследствие электропроводности углеродных волокон может осуществляться по способу, аналогичному контактной сварке, применяемой для соединения металлов (сварка сопротивлением).

В России разработкой технологии сварки КТМ практически никто не занимается [6, 13]. Авторами была изучена свариваемость листовых КТМ на основе полиамида, поликарбоната и полисульфона. Сварку осуществляли одно- и двухсторонним контактным внешним нагревом, используя малоинерционные нагреватели (металлические ленты из стали Х18Н10Т).

Эксперименты по сварке термопластичного углепластика КТМУ-1 внешним контактным нагревом нахлесточных соединений показали следующее:

– для создания необходимого контакта в зоне соединения ширина нахлестки не должна превышать ширину нагревательной ленты;

– из-за коробления материала при нагреве продолжительность выдержки при температуре сварки следует ограничить;

– при двухстороннем нагреве материал КТМУ-1 толщиной 2 мм следует сваривать при температуре>320°С;

– давление при сварке Р=0,2–0,4 МПа;

– с уменьшением толщины материала на каждые 0,5 мм температура сварки должна смещаться на 10–15°С в сторону снижения, но не ниже 290°С;

– для нахлесточных СС из материала КТМУ-1 толщиной 2 мм оптимальная величина нахлестки составляет 30–45 мм;

– прочность СС из материала КТМУ-1 зависит от схемы укладки наполнителя (ленты ЭЛУР); максимальную прочность при сдвиге имеют СС с укладкой [0°/90°] при сварке соединения вдоль нитей ленты в поверхностном слое при толщине полимера на свариваемой поверхности 30–40 мкм;

– сварку материала КТМУ-1 толщиной

Для получения стыковых соединений, равнопрочных материалу, с двухсторонними накладками, ширина накладки должна быть не менее чем 1/2 ширины нахлестки. Так, при толщине 1 мм ширина накладки должна составлять 10–15 мм, при толщине
 0,5 мм: 7–8 мм.

Эксперименты по сварке термопластичного органопластика КТМУ-1 внешним контактным нагревом показали, что для этого материала оптимальным является следующий режим: Т_сварки=280°С, τ_св=60 с, из которых 30 с – подъем температуры до сварочной и 30 с – выдержка при Т_сварки и давлении Р=0,3 МПа. Величина термопластичного слоя на поверхности КТМУ-1 должна составлять 20–30 мкм. Прочность при сдвиге в этом случае составляет 16–19 МПа.

Композиционные термопластичные материалы на основе стеклоткани и полисульфона (КТМС-1, КТМС-1П, ВПС-38Т) можно сваривать при тех же режимах, что и материал КТМУ-1, с небольшими коррективами в отношении увеличения Т_сварки и τ_св. Прочность нахлесточных СС из этих материалов при сдвиге зависит от расположения сварного шва. Эти материалы целесообразно сваривать в долевом направлении при сочетании свариваемых поверхностей «лицевая поверхность–лицевая поверхность». Прочность при сдвиге в этом случае составляет 17–20 МПа.

Сварка КТМ с помощью растворителя

Сварку КТМ растворителем можно выполнять с помощью:

– чистого растворителя;

– лаковой композиции, представляющей собой раствор полимера (материала связующего) в органическом растворителе;

– мономера или раствора полимера в мономере. Возможно применение полимеризующихся композиций.

Для полисульфона и полиэфирсульфона в качестве растворителей (после анализа литературных данных) остановили свой выбор на хлорсодержащих углеводородах – хлороформе и метиленхлориде. Оба растворителя отличаются высокой скоростью сорбции в глубь полиарилсульфонов и временным характером пластифицирующего действия на полимер, т.е. растворитель может быстро диффундировать в периферийные участки зоны шва и способствовать быстрому затвердеванию материала шва. Хорошо растворяющие полиарилсульфоны: диметилформамид и диметилацетамид – труднее удаляются из сварного шва и более токсичны, поэтому для сварки КТМ на полисульфоновых связующих малопригодны.

Установлено, что оптимальным содержанием полимера в составе присадочного материала является 23%. Прочность при сдвиге сваренных растворителем композиционных термопластичность материалов: КТМС-1, КТМС-1П, ВПС-38Т и КТМУ-1 – составляет 1000–1200 Н/см². Характер разрушения образцов одинаков – отрыв матрицы от наполнителя. На рис. 2 показаны детали из КТМ, полученные с применением сварки.

Рисунок 2. Трехслойная панель из стеклопластика СП-38Т и детали приборов из КТМУ-1, полученные сваркой растворителем (а) и тепловой сваркой (б)

Пенополиимиды

Полиимиды относятся к классу полимерных материалов, обладающих комплексом уникальных эксплуатационных свойств: диапазоном рабочих температур – от -196 до +250–350°С, пожаробезопасностью, коррозионной инертностью и грибстойкостью, устойчивостью к радиационному воздействию и УФ лучам, прекрасными диэлектрическими свойствами, низкой газопроницаемостью и т. д. [15].

Пеноматериалами на основе полиимидов стали широко заниматься 40–50 лет назад и в настоящее время за рубежом они нашли широкое применение в авиакосмической и атомной промышленности. Мировыми лидерами в поставках широкого ассортимента жестких листовых полиимидных пеноматериалов конструкционного и радиотехнического назначения является фирма Evonik (ФРГ), гибких (эластичных) полиимидных пеноматериалов – фирма Jenier (США).

Гибкие (эластичные) ПМИ-пенопласты

В настоящее время в отечественной авиакосмической технике для теплоизоляции пассажирских салонов, пневмо-, масло- и гидросистем применяются материалы типа АТМ (авиационные теплоизоляционные материалы), представляющие собой рубленное стекловолокно, упакованное в мешки-пакеты из тканепленочного полотна.

Теплоизоляционные материалы АТМ не соответствуют современным требованиям по звукоизоляции, плотности, теплопроводности (>0,06 Вт/(м∙К)), толщине (≥10 мм) и технологичности.

Эластичные пенополиимиды (ЭППИ) являются уникальным материалом, отли­чающимся низкими плотностью и теплопроводностью, высоким звукопоглощением, огнестойкостью, широким диапазоном рабочих температур, эластичностью, химической стойкостью.

На основе ЭППИ за рубежом выпускается теплоизоляционный материал, который состоит из листового гибкого вспененного полиимида марки «Солимид» (фирма Jenier, США), облицованного с одной стороны полиимидной пленкой. По технологичности (гибкий), плотности (<0,2 кг/м³), теплопроводности (0,05 Вт/(м∙К))и толщине материал «Солимид» не имеет отечественных аналогов.

За рубежом теплоизоляционные материалы на основе пенополиимида «Солимид» используются практически во всех самолетах фирмы Boeing, начато его применение в аэробусах фирмы «Аэрбас», также предусмотрено применение для теплоизоляции системы кондиционирования воздуха в самолете RRJ-100 (Россия).

Разработка теплоизоляции на основе эластичного трудносгорающего пенополиимида предусматривает ее широкое применение при создании различных конструкций современной и перспективной авиационной техники, проектировании надводных и подводных кораблей, тепловых и атомных электростанций.

В России (ФГУП «ВИАМ») ПМИ-пенопластами занимаются с 2009 года, когда в качестве полуфабриката был выбран порошковый полиимидный форполимер, разработанный в ИВС РАН. В настоящее время разработана экспериментальная технология получения трудносгорающего эластичного пенополиимида марки ВПП-1 (табл. 2).

Таблица 2

Сравнительные свойства гибких полиимидных пенопластов

Из данных табл. 2 видно, что трудносгорающий эластичный ВПП-1 не уступает по физико-механическим и пожаробезопасным свойствам зарубежному аналогу марки «Солимид» (США). Материал паспортизован и рекомендован для теплоизоляции пневмо-, гидро- и маслосистем авиакосмической техники, в том числе трубопроводов сложной конфигурации, элементов системы кондиционирования воздуха (СКВ) летательных аппаратов.

Жесткие листовые ПМИ-пенопласты

Фирма Evonik разработала более 10 марок полиимидных пенопластов (ПМИ-пены) под общей маркой Rohacell. Марки пены отличаются друг от друга технологическими параметрами вспенивания, температурой формования сэндвич-панелей, структурой пены, механическими свойствами.

В авиационной технике больше всего используются ПМИ-пены конструкционных марок Rohacell WF и Rohacell WF-HT, для изготовления антенн и обтекателей – марки Rohacell А, Rohacell HT. Основные свойства ПМИ-пен марок Rohacell и Rohacell WF представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства ПМИ-пенопластов марки Rohacell

В настоящее время силовые профили с наполнителем из пенопласта Rohacell успешно используются в конструкциях летательных аппаратов. Один из самых известных примеров его применения – в панелях воздухозаборного канала хвостового двигателя самолета Boeing MD11 (рис. 3).

Рисунок 3. Трапецеидальные стрингеры в панелях воздухозаборного канала в хвостовом двигателе самолета Boeing MD11: полые (а) и заполненные ПМИ-пенопластом (б)

Заполненные ПМИ-пенопластом стрингер-профили используются при создании заднего гермошпангоута Аэробусов А340 и А3400-600. Данная конструкция была принята также для заднего гермошпангоута самолета А380. Для этой модели концерну Airbus уже поставлено свыше 200 готовых к использованию заполненных пенопластом Rohacell 71 WF-HT стрингер-профилей, имеющих длину до 2,5 м, сложной формы. Кроме того, были успешно изготовлены с высоким качеством крупногабаритные переборки.

Ключом к успешному внедрению конструкции заполненного ПМИ-пенопластом трапецеидального стрингера стала простота механической обработки и термоформования материала Rohacell. Показано, что заполненный ПМИ-пенопластом трапецеидальный профиль вносит свой вклад в увеличение устойчивости тонкостенных конструкций из углепластика и их сопротивления продольному изгибу и осевой нагрузке. Применение материала Rohacell в качестве элемента жесткости позволяет толщину стенок конструкции ограничить одним-двумя слоями углепластика и таким образом получить выигрыш в массе.

Широко используются ПМИ-пены и в вертолетостроении. В 90-е годы прошлого века была начата программа по разработке высокотехнологичных вертолетных лопастей с сердцевиной из пены марки Rohacell. Целью этой программы стало получение более прочных лопастей с лучшими эксплуатационными качествами, увеличенным сроком службы и меньшими затратами на производство.

Российский аналогпены марки Rohacell – листовой пеноакрилимид ВПП-3 – предназначен для замены стеклобумажных сот при изготовлении сэндвич-панелей декоративного, конструкционного и радиотехнического назначения.

По предварительным данным замена стандартных сот на листовой пеноакрилимид при изготовлении сэндвич-панелей позволяет сократить на 20% трудоемкость и стоимость их изготовления.

В настоящее время проводятся исследования по отработке технологии получения пожаробезопасного листового пеноакрилимида толщиной от 5 до 40 мм, плотностью от 50 до 200 кг/м³, прочностью при сжатии до 4,5 МПа и радиотехническими свойствами при частоте 10¹⁰ Гц: tg δ≤1,8∙10^-3 и ε≤1,14.

По предварительным данным изделия, в составе которых находятся полиимидные пенопласты, могут использоваться в жилых помещениях и салонах транспортных средств, так как полностью отвечают по токсичности требованиям AITM 3.005.

В ближайшее время намечено провести расширенные испытания полиимидного пенопласта и отработать опытные технологии получения сэндвич-панелей, в том числе с использованием клеевых препрегов.