СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КЛЕЕВЫХ ПРЕПРЕГОВ

Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2014-0-8-6-6
УДК 678.8
Л. А. Дементьева, А. А. Сереженков, Н. Ф. Лукина, К. Е. Куцевич
СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ КЛЕЕВЫХ ПРЕПРЕГОВ

Приведены свойства композиционных материалов клеевых (КМК) на основе широкого ассортимента клеевых препрегов на стекло- и угленаполнителях. Приведены сведения о преимуществах и особенности технологического процесса изготовления элементов ПКМ из клеевых препрегов. Указано назначение КМК – для изготовления деталей из ПКМ, в том числе сотовых конструкций одинарной и двойной кривизны, предназначенных для эксплуатации при температурах 80–175°С.

Ключевые слова: композиционные материалы, клеевые препреги, клеевое связующее, угле- и стеклонаполнители, прочностные характеристики, сотовая конструкция.

На основе выполненных в ВИАМ фундаментальных и прикладных исследований в области физики и химии многокомпонентных полимерных систем за годы деятельности лаборатории клеев под руководством к.т.н. В.П. Батизата создан класс высокопрочных пленочных клеев конструкционного назначения, в том числе клеев   марок ВК-36, ВК-51 и других. Эти клеи по своим  прочностным, деформационным и технологическим свойствам не имеют аналогов в России, соответствуют уровню лучших мировых аналогов и отвечают жестким требованиям, предъявляемым к материалам для изделий авиационной техники. С их применением разработаны перспективные технологии склеивания, на базе которых в КБ отрасли совместно с ВИАМ созданы принципиально новые типы клееных сотовых и слоистых конструкций, обладающих высокой удельной прочностью, весовой эффективностью, стойкостью к действию вибрационных и акустических нагрузок [1].

В трехслойных сотовых конструкциях пленочные клеи используются для склеивания обшивок из алюминиевых сплавов или стекло-, углепластиков с сотовым заполнителем. Эти материалы широко внедрены в конструкцию изделий авиакосмической техники ведущих КБ, обеспечили высокий уровень прочности клеевых соединений и благодаря этому – повышенный ресурс и надежность клееных конструкций в процессе эксплуатации [2]. Имеющийся опыт длительной (более 30 лет) эксплуатации клееных конструкций в составе изделий авиационной техники подтверждает высокий уровень свойств высокопрочных клеев. Однако при эксплуатации клееных конструкций в странах с чрезвычайно агрессивным климатом (повышенной температурой в сочетании с высокой влажностью) в некоторых случаях отмечалось снижение прочностных характеристик сотовых конструкций по границе  раздела между обшивкой из ПКМ и пленочным клеем [3]. В результате исследований, проведенных в ВИАМ, было установлено, что снижение прочности клеевых соединений во многом является результатом некачественной подгонки склеиваемых поверхностей и наличия зазоров в случае формования трехслойных сотовых конструкций с использованием заранее отформованных обшивок из ПКМ [4].

Техническое решение об использовании полимерной основы высокопрочного пленочного клея в качестве клеевого связующего для пропитки стекло- или угленаполнителя при изготовлении полуфабриката – препрега, обладающего клеящими свойствами, положило начало созданию принципиально новых материалов – долгоживущих клеевых препрегов и композиционных материалов (стекло- и углепластиков) на их основе.

На основе клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными) и различных наполнителей отечественного производства – углеродных тканей, лент, стеклотканей, в том числе на основе высокомодульных и кварцевых волокон, – создан ассортимент клеевых препрегов марок КМКУ (на угленаполнителях) и КМКС (на стеклонаполнителях) [5].

Клеевые препреги позволили реализовать разработанную в ВИАМ высокоэффективную технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых и слоистых  конструкций из неметаллических материалов, отличительной особенностью которой является то, что формование обшивки и ее приклеивание к сотовому заполнителю происходит одновременно, за одну технологическую операцию, при этом в процессе изготовления сотовой конструкции взамен пленочного клея используют клеевой препрег с увеличенным содержанием связующего [6].

С использованием этой технологии возможно изготовление деталей сложной формы двойной кривизны, в том числе сочетающих в конструкции сотовые и слоистые элементы. В результате применения клеевых препрегов достигается снижение: цикла изготовления конструкций в 2–3 раза, трудоемкости изготовления сотовых конструкций – на 40–50% (за счет сокращения технологических операций по сравнению с обычными клееными панелями), 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 за счет использования безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. Реализация данной технологии обеспечивает герметичность конструкций из ПКМ благодаря использованию в составе препрегов клеевых связующих расплавного типа и за счет исключения зазоров между склеиваемыми поверхностями, повышение трещиностойкости на 40–50%, прочности при межслоевом сдвиге – на 20–35% [7].

При создании гражданских самолетов «Сухой-Суперджет-100» и МС-21 была поставлена задача по разработке ПКМ с новым комплексом свойств, отвечающих ужесточенным требованиям, учитывающим эксплуатацию изделий во всеклиматических условиях [8]. Для выполнения этой задачи была проведена модификация состава клеевого связующего, что позволило повысить температуру стеклования клеевой матрицы в составе ПКМ до 155°С, что обеспечивает надежность работы клеевых соединений при повышенных температурах как в исходном состоянии, так и при воздействии термовлажностных условий. При сочетании модифицированного связующего с отечественными стеклонаполнителями – тканями марок Т-10-80 и Т-15, а также тканями на основе высокомодульных волокон марок Т-60(ВМП) и Т-64(ВМП), отработана технология получения клеевых препрегов марок КМКС-2м.120 и на их основе разработаны композиционные материалы (стеклопластики), длительно работоспособные при температуре 120°С [9].

Клеевое связующее модифицированного состава было использовано также для создания КМК на основе углеродных наполнителей отечественного и импортного производства (фирма «Porcher», Франция), благодаря чему было достигнуто повышение некоторых характеристик углепластиков, в том числе предела прочности при растяжении.

Углепластик на основе клеевого препрега марки КМКУ-2м.120.Р4510, изготовленный из однонаправленной ткани фирмы «Porcher» арт. 4510, превосходит по основным свойствам углепластик на основе отечественной углеродной ленты ЭЛУР-П марки КП. Углепластик на основе равнопрочной ткани фирмы «Porcher» арт. 2009 также характеризуется высокими прочностными свойствами [10].

Задача по обеспечению новой техники ОАО «ОКБ Сухого» с превосходящими тактико-техническими характеристиками потребовала создания ПКМ с более высоким уровнем теплостойкости. Для этих целей было разработано клеевое связующее с температурой стеклования 180±5°С. В качестве углеродных наполнителей клеевых препрегов были использованы углеродные ленты марок ЭЛУР-П-КП, УОЛ-300Р и
УОЛ-300Р(У) улучшенной текстильной формы с повышенными прочностными характеристиками [11].

Разработанные ранее композиционные материалы из клеевых препрегов марки КМКС-4.175 на основе стеклотканей Т-10 и Т-15, обладающие удовлетворительным уровнем радиотехнических характеристик, нашли применение в изделиях авиационной  техники для изготовления радиоантенных обтекателей сотовой конструкции [12]. С использованием в составе клеевых препрегов взамен тканей указанных марок стеклоткани марки Т-64(ВМП) на основе высокомодульных волокон и кварцевой ткани марки ТС-8/3-К-ТО разработаны стеклопластики с высоким уровнем диэлектрических свойств, что позволило применить эти материалы в конструкции обтекателей новых изделий авиационной техники [13].

Клеевые препреги являются в настоящее время одними из наиболее востребованных материалов. Они широко применяются для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ в конструкции изделий авиакосмического комплекса: ОАО «ОКБ Сухого» (истребитель пятого поколения Т-50), ОАО «ГСС» (самолет «Сухой-Суперджет-100»), ФГУП «РСК „МиГ”», ФГУП «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», АНТК им. А.Н. Туполева, ОАО «Камов», ОАО «РКК „Энергия им. С.П. Королева”» и других.

Эти материалы также внесены в конструкторскую документацию на изделие МС-21 ОАО «НПК «Иркут» [14, 15].


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Чурсова Л.В., Коган Д.И. Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38–42.
2. Препрег и изделие, выполненное из него: пат. 2427594 Рос. Федерация; опубл. 21.12.2009.
3. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Петрова А.П., Сереженков А.А. Конструкционные и термостойкие клеи //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 328–335.
4. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминийлитиевого сплава 1441 с пониженной плотностью //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 174–183.
5. Куцевич К.Е., Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Чурсова Л.В. Свойства и назначение клея ВК-36РМ для авиационной техники //Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №8. С. 5–7.
6. Хрычев Ю.И., Шкодина Е.П., Магин Н.А., Дементьева Л.А., Хайретдинов Р.Х., Куцевич К.Е. Разработка технологического процесса изготовления радиопрозрачного обтекателя из клеевых препрегов типа КМКС-2м.120 //Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №2. С. 27–30.
7. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19–21.
8. Сытый Ю.В., Сагомонова В.А., Кислякова В.И., Большаков В.А. Новые вибропоглощающие материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 51–54.
9. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Котова Е.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и композиционные материалы на их основе //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 53–56.
10. Клеевая композиция: пат. 2471842 Рос. Федерация; опубл. 11.05.2011.
11. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 05
(viam-works.ru).
12. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Бочарова Л.И., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Петрова А.П. Свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов //Клеи. Герметики. Технологии. 2012. №6. С. 19–24.
13. Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков А.А., Куцевич К.Е. Основные свойства и назначение ПКМ на основе клеевых препрегов /В сб. тезисов докладов XIX Международной науч.-технич. конф. «Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск. 2010. С. 11–12.
14. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
15. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения //Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34–40.
1. Muhametov R.R., Ahmadieva K.R., Chursova L.V., Kogan D.I. Novye polimernye svjazujushhie dlja perspektivnyh metodov izgotovlenija konstrukcionnyh voloknistyh PKM [New polymeric binders for advanced manufacturing techniques of structural fibrous RMB] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 38–42.
2. Prepreg i izdelie, vypolnennoe iz nego [Prepreg and a product made therefrom]: pat. 2427594 Ros. Federacija; opubl. 21.12.2009.
3. Lukina N.F., Dement'eva L.A., Petrova A.P., Serezhenkov A.A. Konstrukcionnye i termostojkie klei [Structural and heat-resistant adhesives] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 328–335.
4. Kablov E.N., Antipov V.V., Senatorova O.G., Lukina N.F. Novyj klass sloistyh aljumostekloplastikov na osnove aljuminijlitievogo splava 1441 s ponizhennoj plotnost'ju [New class of layered alyumostekloplastikov alyuminiylitievogo based alloy 1441 with a reduced density] //Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2011. №SP2. S. 174–183.
5. Kucevich K.E., Dement'eva L.A., Lukina N.F., Chursova L.V. Svojstva i naznachenie kleja VK-36RM dlja aviacionnoj tehniki [Properties and application of adhesive VC-36RM for aircraft] //Klei. Germetiki. Tehnologii. 2013. №8. S. 5–7.
6. Hrychev Ju.I., Shkodina E.P., Magin N.A., Dement'eva L.A., Hajretdinov R.H., Kucevich K.E. Razrabotka tehnologicheskogo processa izgotovlenija radioprozrachnogo obtekatelja iz kleevyh prepregov tipa KMKS-2m.120 [Development process of manufacturing radiotransparent fairing of the adhesive prepreg type KMKS-2m.120] //Klei. Germetiki. Tehnologii. 2013. №2. S. 27–30.
7. Dement'eva L.A., Serezhenkov A.A., Lukina N.F., Kucevich K.E. Kleevye prepregi i sloistye materialy na ih osnove [The adhesive prepreg and laminates based on their] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 19–21.
8. Sytyj Ju.V., Sagomonova V.A., Kisljakova V.I., Bol'shakov V.A. Novye vibropogloshhajushhie materialy [New vibration-absorbing materials] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 51–54.
9. Lukina N.F., Dement'eva L.A., Serezhenkov A.A., Kotova E.V., Senatorova O.G., Sidel'nikov V.V., Kucevich K.E. Kleevye prepregi i kompozicionnye materialy na ih osnove [Adhesive prepregs and composite materials based on them] //Rossijskij himicheskij zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 53–56.
10. Kleevaja kompozicija [The adhesive composition]: pat. 2471842 Ros. Federacija; opubl. 11.05.2011.
11. Lukina N.F., Dement'eva L.A., Anihovskaja L.I. Kleevye prepregi dlja sloistyh aljumostekloplastikov klassa SIAL [Adhesive layered prepregs alyumostekloplastikov class SIAL] //Trudy VIAM. 2014. №1. St. 05 (viam-works.ru).
12. Dement'eva L.A., Serezhenkov A.A., Bocharova L.I., Lukina N.F., Kucevich K.E., Pet-rova A.P. Svojstva kompozicionnyh materialov na osnove kleevyh prepregov [Properties of composite materials based adhesive prepreg] //Klei. Germetiki. Tehnologii. 2012. №6. S. 19–24.
13. Dement'eva L.A., Lukina N.F., Serezhenkov A.A., Kucevich K.E. Osnovnye svojstva i naznachenie PKM na osnove kleevyh prepregov [Main properties and usages RMB based adhesive prepreg] /V sb. tezisov dokladov XIX Mezhdunarodnoj nauch.-tehnich. konf. «Konstrukcii i tehnologija poluchenija izdelij iz nemetallicheskih materialov». Obninsk. 2010. S. 11–12.
14. Kablov E.N. Strategicheskie napravlenija razvitija materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of development of materials and technologies to process them for the period up to 2030] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
15. Kablov E.N., Starcev O.V., Krotov A.S., Kirillov V.N. Klimaticheskoe starenie kompozicionnyh materialov aviacionnogo naznachenija. III. Znachimye faktory starenija [Climatic aging of composite materials for aircraft industry. III. Significant factors of aging] //Deformacija i razrushenie materialov. 2011. №1. S. 34–40.

Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.