Гибридные материалы класса СИАЛ на базе тонких алюминиевых листов из конструкционных сплавов и стеклопластика из препрегов на основе клеевых связующих расплавного типа и стеклонаполнителей с различной структурой армирования являются слоистыми материалами нового поколения, которые предназначены для обеспечения живучести и ресурса самолетных конструкций благодаря чрезвычайно высокому сопротивлению усталостному разрушению, что отвечает стратегическим направлениям развития авиационных материалов и технологий [1, 2].

Начало работ по повышению живучести элементов планера авиатехники было положено в 1973 году после крушения самолета Ан-10А под Харьковом в мае 1972 года. В ходе работ комиссией по расследованию причин катастрофы было установлено, что во время снижения самолета на высоте 1700 м началось «разрушение центроплана крыла в воздухе из-за разрыва нижней панели центроплана, вызванного усталостными трещинами стрингеров и обшивки». В работе комиссии от Всесоюзного института авиационных материалов (ВИАМ) принимал участие Иосиф Наумович Фридляндер – выдающийся ученый-материаловед, академик РАН. Именно им было доказано, что причиной разрушения элементов планера явились усталостные нагрузки, а не взрыв – как предполагали вначале. И.Н. Фридляндер рассказывал: «Профили – стрингеры – напоминали обломанные ребра скелета какого-нибудь динозавра. Изломы замазаны и почернели. Отчистив их, увидели трещины – частичное разрушение стрингера от усталости. Позднее нашли такие же на всех остальных стрингерах». Три года спустя требования по живучести были внесены в основные отечественные нормативные документы, регламентирующие создание авиатехники.

Тогда впервые при ремонте всего парка самолетов ОКБ Антонова были применены клеевые накладки, которые использовались в местах концентрации напряжений, что значительно увеличило стойкость конструкций к усталостным нагрузкам. В процессе проведения исследований определяли скорость роста трещины усталости на образцах, представляющих собой пластину из алюминиевого сплава с клеевыми накладками с центральными надрезами длиной 8–10 мм, которые имитировали поверхностные дефекты в обшивке. Было установлено, что длительность стадии роста трещины составила: 500 тыс. циклов нагружения при сквозном надрезе образца, 100 тыс. циклов при надрезе одного слоя усиливающей клеевой накладки около отверстия и более 600 тыс. циклов при надрезе одного слоя накладки в регулярной зоне листа (без отверстия). Таким образом, было подтверждено, что даже при сквозном надрезе образца с усиливающими клеевыми накладками достигается значительное замедление роста трещины. Также было установлено, что при толщине усиливающей клеевой накладки, равной       2 мм, скорость роста трещины усталости (СРТУ) снижается в 5–6 раз по сравнению с СРТУ для монолитного листа. В образце из алюминиевого листа с поверхностным повреждением одной из приклеенных накладок трещина в образце не развивалась. В случае повреждения усиливающей клеевой накладки в зоне заклепочного отверстия усталостная трещина не зарождается ни в обшивке, ни в накладке, даже при напряжении σ_max=160 МПа (R=0,1). Испытания проводились до 100000 циклов нагружения.

Работы по повышению конструкционной прочности металлических материалов были продолжены в направлении создания клееных слоистых материалов (КСМ), которые представляли собой материал, состоящий из чередующихся листов металла и слоев высокопрочного пленочного клея. Важнейшие преимущества КСМ – сопротивление усталостным нагрузкам и трещиностойкость. В процессе эксплуатации разнородные материалы, составляющие КСМ, работают одновременно, что позволяет при определенной структуре КСМ обеспечить высокую прочность наряду с малой чувствительностью к концентрации напряжений и высоким сопротивлением усталостным нагрузкам. Наиболее типичным видом соединения в таких конструкциях являются клееные слоистые материалы в качестве обшивочного материала. Второй вид соединений – склеивание продольных панелей обшивок встык с двумя накладками в пределах одной панели. Третий вид клеевых соединений – соединение элементов жесткости (стрингеров, шпангоутов) с обшивкой. Такие КСМ обеспечивают: жесткость и прочность агрегата, равномерное распределение напряжений между соединяемыми элементами, уменьшение скорости распространения усталостной трещины и, как следствие, увеличение на 50% срока службы самолетных конструкций. Одновременно достигается снижение массы конструкции на 10–20% и трудоемкости ее изготовления – в 1,5–2 раза. КСМ были использованы в конструкциях планера широкофюзеляжных самолетов Ил-86, Ил-96,
Ан-124 и других приоритетных изделий [3].

Особое значение высокопрочные пленочные клеи конструкционного назначения, используемые в составе слоистых материалов, приобрели в связи с поставленными задачами по созданию полимерных композиционных материалов (ПКМ) с принципиально новыми свойствами [4–6]. В этом случае составы высокопрочных клеев были использованы в качестве полимерной основы клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными), с применением которых впервые в отечественной практике разработаны долгоживущие клеевые препреги и на их основе – композиционные материалы клеевые (угле-, стеклопластики, сотовые и слоистые конструкции). При изготовлении клеевых препрегов в их составе используются различные наполнители отечественного и зарубежного производства: углеродные ленты, жгуты (клеевые препреги марок КМКУ) и стеклонаполнители, в том числе на основе высокомодульных волокон (клеевые препреги марок КМКС), что позволяет в широких пределах варьировать свойства композиционных материалов на их основе.

Клееные конструкции из клеевых препрегов в зависимости от назначения, конструктивно-технологических особенностей и требуемых свойств изготовляют методами автоклавного или прямого прессования [7, 8].

Разработка составов и технологий изготовления композиционных материалов на основе клеевых препрегов была начата в 90-х годах прошлого века. Первым этапом работ в этом направлении явилась разработка композиционных материалов на основе клеевых препрегов с рабочими температурами 80 (марки КМКС-1.80 и КМКУ-1.80) и 120°С (марка КМКС-2.120) [3]. Позднее были разработаны клеевые препреги марок: КМКС-2м.120 и КМКУ-2м.120 с рабочей температурой 120°С; КМКУ-3.150 с рабочей температурой 150°С; КМКС-4.175, КМКУ-4м.175, КМКУ-4к.175 с рабочей температурой 175°С [9–14].

В табл. 1 представлены свойства некоторых композиционных материалов на основе клеевых связующих и стекло- и угленаполнителей.

Таблица 1

Свойства некоторых композиционных материалов на основе клеевых связующих и стекло-, углепластиков

В настоящее время композиционные материалы клеевые являются одними из наиболее востребованных полимерных материалов. Они применяются практически во всех современных изделиях авиационной и ракетно-космической техники, внедрены в конструкцию истребителя пятого поколения, самолета Super Jet-100 для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ. Планируется их использование в изделии МС-21.

Достигнутый результат применения клеевых препрегов при изготовлении деталей и агрегатов из ПКМ – снижение: цикла изготовления конструкций в 2–3 раза, трудоемкости изготовления сотовых конструкций на 40–50% по сравнению с обычными клееными панелями (за счет сокращения технологических операций в 3 раза), количества оснастки в 1,5–2 раза, массы конструкции (особенно с сотовым заполнителем) на 30–50%, количества выбросов вредных веществ в атмосферу в 10–15 раз благодаря использованию безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. Композиционные материалы на основе клеевых препрегов позволяют повысить герметичность конструкций в 10 раз, трещиностойкость – на 40–50%, прочность при межслоевом сдвиге – на 20–35%.

Клеевые препреги марок КМКС применены при разработке слоистых материалов нового поколения – алюмостеклопластиков класса СИАЛ, что отвечает стратегическим направлениям развития авиационных материалов и технологий [15–21]. СИАЛы представляют собой гибридный материал на базе тонких (0,3–0,5 мм) алюминиевых листов из конструкционных сплавов и стеклопластика на основе клеевых связующих расплавного типа и стеклонаполнителей с различной структурой армирования.

В отличие от слоистого материала марки АЛОР Д16/41, где для соединения слоев органической ткани и алюминиевого сплава Д16ч.-АТ применили пленочный клей   ВК-41, при разработке материалов класса СИАЛ для соединения тонких листов из алюминиевого сплава использовались слои клеевых препрегов марки КМКС, которые представляют собой стеклонаполнитель определенной структуры, равномерно пропитанный термореактивным клеевым связующим расплавного типа.

Разнообразие структур и свойств слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ (зарубежный аналог – GLARE) дает возможность конструктору выбрать марку СИАЛа, соответствующую техническим требованиям*. Число слоев алюминиевых листов и стеклопластика, толщина каждого слоя и его строение, подготовка поверхности алюминиевых  листов  зависят  от  назначения  слоистого  материала.  Наиболее  типичные структуры – трехслойная (2 алюминиевых листа+1 слой стеклопластика) и пятислойная (3 алюминиевых листа+2 слоя стеклопластика). Создание необходимой степени анизотропии в соответствии с условиями работы конструкции регулируется перекрестным армированием слоев пластика. В СИАЛ-1НТ все стекловолокна (100%) ориентированы в одном направлении. Этот материал применяется в конструкциях, которые в процессе эксплуатации работают на растяжение (стопперы). В этом случае прочность СИАЛа в продольном направлении в 2,5 раза выше, чем у сплава Д16ч.-АТ. В СИАЛ-2 слои стеклопластика содержат 70% стекловолокон в одном направлении и 30% – в перпендикулярном направлении, такой материал рекомендуется применять для обшивок фюзеляжа. В СИАЛ-3 стекловолокна расположены взаимно перпендикулярно друг к другу в соотношении 50:50. Равнопрочные СИАЛы рекомендуются в качестве обшивок фюзеляжа, грузовых отсеков, перегородок, полов и т. д. При этом прочность СИАЛ-2 и СИАЛ-3 в 1,5–1,8 раз выше, чем у традиционных алюминиевых сплавов. Разработанные слоистые алюмостеклопластики типа СИАЛ обладают высокой трещиностойкостью, удельной прочностью, стойкостью к усталостным нагрузкам, коррозионной стойкостью в сочетании с пониженной плотностью. Разработанные ранее материалы СИАЛ на базе листов алюминиевого сплава Д16ч.-АТ наряду с повышенной (в 1,5–2 раза) прочностью и другими преимуществами по сравнению со сплавом Д16ч.-АТ имеют пониженный на 10–30% модуль упругости при растяжении. В табл. 2 представлено типичное строение материалов СИАЛ.

 * Работа проводилась при участии С.А. Каримовой, Т.Г. Павловской, А.Б. Лямина, В.В. Гуляевой.

Таблица 2

Типичное строение материалов СИАЛ

Сначала были созданы СИАЛы на базе листов алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и клеевого препрега КМКС-1.80.Т60 на основе клеевого связующего с теплостойкостью 80°С и кордной стеклоткани Т-60(ВМП), которые наряду с повышенной (в 1,5–2 раза) прочностью и другими преимуществами по сравнению с монолитными листами из сплава Д16ч.-АТ имеют пониженный модуль упругости при растяжении. В связи с этим актуальной являлась задача по созданию материала СИАЛ на базе алюминийлитиевого технологичного сплава 1441, обладающего по сравнению со сплавом Д16ч.-АТ повышенным модулем упругости (Е≈80 ГПа), пониженной плотностью (d≈2,59 г/см³) и повышенной температурой эксплуатации (~130°С). Материалы СИАЛ на базе листов из сплава 1441 толщиной 0,3–0,5 мм и теплостойкого препрега КМКС-2.120.Т60 на основе связующего с повышенной теплостойкостью и стеклоткани Т-60(ВМП) предназначены для эксплуатации при температурах до 120°С [7–9].

Следующим этапом этого направления явились работы по созданию материалов СИАЛ-1-1Р и СИАЛ-3-1Р на базе листов из алюминиевого сплава 1441 и клеевого препрега на основе клеевого связующего с повышенной до 120°С теплостойкостью и наполнителем в виде ровинга из высокомодульного стекловолокна, что позволило повысить прочность, жесткость (Е) и снизить массу слоистых конструкций* [15, 18, 22].

В табл. 3 представлены сравнительные характеристики материалов СИАЛ.

Материалы класса СИАЛ превосходят по сопротивлению усталости, вязкости разрушения, статическим механическим свойствам, ударо- и огнестойкости монолитные листы из традиционных алюминиевых сплавов, которые в настоящее время применяются в изделиях авиационной техники. Слоистые материалы также характеризуются пониженной плотностью.

Важнейшими преимуществами слоистых композитов типа СИАЛ перед монолитными алюминиевыми листами являются также высокая трещиностойкость, высокое сопротивление росту трещины усталости.

Таблица 3

Основные свойства материалов СИАЛ пятислойной структуры

* Работа выполнялась при участии Е.В. Котовой, Ю.О. Попова, Т.В. Колокольцевой.

Применение перспективных материалов класса СИАЛ в качестве элементов конструкций изделий военной и гражданской авиационной техники позволит решить важнейшую задачу по повышению прочности, надежности и ресурса работы при одновременном снижении весовых характеристик, что обеспечит достижение высоких эксплуатационных свойств.