Введение

Развитие авиационной техники требует постоянного совершенствования материалов. Использование современных композиционных материалов позволяет повысить весовые и эксплуатационные характеристики изделий [1]. Снижение массы воздушного судна имеет принципиальное значение, поскольку позволяет снизить потребление топлива, увеличить полезную нагрузку, т. е. количество пассажиров и объем груза [2–4]. Арамидные пластики как конструкционные материалы, отличаются низкой плотностью, высокими характеристиками прочности и ударной вязкости. Органопластики – многофункциональные материалы. В зависимости от состава и структуры они могут применяться для изготовления деталей различного назначения – конструкционного, электро- и радиотехнического, теплоизоляционного, для защиты от механического и баллистического воздействия [5–7].

При попадании в двигатель самолета птиц или инородных предметов важно, чтобы разрушение лопаток вентилятора не привело к повреждению обшивок планера самолета и системы управления [8]. С целью защиты в авиационных турбореактивных двигателях корпуса вентилятора используют органопластики (Органит 6Н, Органит 6НТ). Органопластик позволяет локализовать зону разрушения и удержать разрушившиеся лопатки внутри корпуса вентилятора.

В соответствии с ужесточенными требованиями норм АП-23 корпус вентилятора двигателя должен удерживать лопатку вентилятора в случае ее разрушения в корневом сечении. При этом вторичные эффекты при разрушении лопатки (разрушение других лопаток, увеличение дисбаланса ротора, местное повышение температуры) не должны приводить к таким опасным последствиям, как возникновение нелокализованного пожара, разлет опасных фрагментов за пределы корпуса двигателя.

Для удерживающего устройства корпуса вентилятора разработан арамидный слоисто-тканый материал. Стойкость арамидного слоисто-тканого материала к высокоскоростному ударному воздействию зависит в первую очередь от баллистической стойкости ткани [9]. Способ фиксации слоев ткани относительно друг друга является наиболее значимым конструктивно-технологическим фактором для обеспечения максимальной реализации баллистических свойств ткани в составе изделия.

В настоящее время в России и за рубежом накоплен большой опыт ис­пользования тканей из высокопрочных арамидных волокон (СВМ, Русар, Кевлар, Тварон) для изготовления ненагруженных защитных конструкций (бронежилетов, броневых панелей автомобилей и др.) [10].

Известно, что с уменьшением линейной плотности элементарных волокон (филаментов) баллистическая стойкость тканей повышается [11, 12]. По данным разработчиков ткани из микрофиламентных нитей, именно малый диаметр филаментов в сочетании с химической структурой полимера позволяет нитям выдерживать значительные напряжения при изгибе без разрушения и обеспечивать высокие баллистические характеристики ткани.

При выборе армирующего наполнителя для арамидного слоисто-тканого материала для удерживающего устройства корпуса вентилятора наряду с баллистической стойкостью важным требованием является коррозионная безопасность арамидной ткани по отношению к металлам. Коррозионная безопасность является важнейшей характеристикой авиационных материалов. Коррозионно-опасными (коррозионно-активными) являются материалы, способные выделять во внешнюю среду кислые или щелочные продукты, вызывающие коррозию. Коррозионную активность оценивают по кислотности материала, выражаемой с помощью водородного показателя – рН водной выдержки, а также по концентрации ионов Сl' и SO₄² в водной вытяжке измельченного образца материала. Для авиационных материалов показатель рН водной вытяжки должен быть в пределах 6–7; содержание ионов Сl' не должно превышать 0,02%; ионов SO₄² – до 0,05%. Разработанные предприятием ЗАО «КШФ „Передовая текстильщица”» баллистические ткани из нейтральных арамидных нитей удовлетворяют этим требованиям. Целью данной работы является исследование характеристик арамидного слоисто-тканого материала в зависимости от его состава, структуры и технологических способов, используемых при его изготовлении.

Материалы и методы

Для армирования арамидного слоисто-тканого материала выбрана ткань из нейтрального отечественного арамидного волокна. Ткань имеет высокую баллистическую стойкость, повышенную стойкость к поглощению влаги, в том числе благодаря водоотталкивающей пропитке. Ткань имеет высокие технологические свойства (высокая формоустойчивость текстильной структуры и гибкость) и может быть использована для изготовления изделия методом намотки [13, 14].

Слои арамидного слоисто-тканого материала для удерживающего устройства корпуса вентилятора необходимо фиксировать относительно друг друга, чтобы исключить их смещение в процессе эксплуатации и обеспечить работоспособность изделия. Полимерный материал для соединения слоев ткани должен обладать высокой адгезией и химико-технологической совместимостью с арамидными волокнами [15–19].

Для соединения слоев арамидной ткани использовали клеи двух марок – ВКР-27 и ВК-3. Преимуществом клея ВКР-27 является его способность к отверждению при комнатной температуре. Особенностью этого клея является то, что его следует наносить на ткань непосредственно при намотке изделия, т. е. использовать «мокрую» намотку при изготовлении изделия. Клей ВК-3 – клей горячего отверждения. Преимуществом этого клея является возможность изготовления на его основе препрегов (путем предварительного нанесения на арамидную ткань), которые можно использовать при изготовлении изделий методом «сухой» намотки. Клеи ВКР-27 и ВК-3 позволяют реализовать баллистические свойства ткани в составе арамидного слоисто-тканого материала. Технологические характеристики клеев позволяют осуществлять их локальное дозированное нанесение на армирующий наполнитель при изготовлении изделия методом «мокрой» (клей ВКР-27) или «сухой» намотки (клей ВК-3).

Клеи ВКР-27 и ВК-3 обладают высокой липкостью, которая исключает возможность смещения слоев при изготовлении изделия методом намотки. Важно, что при использовании этих клеев возможно локальное дозированное нанесение их на поверхность ткани для создания локальных зон фиксации слоев ткани относительно друг друга.

Площадь и характер распределения зон фиксации слоев арамидной ткани могут влиять на весовые характеристики и баллистическую стойкость арамидного слоисто-тканого материала. Для выявления этих закономерностей проведены исследования влияния способа фиксации слоев ткани (соединение слоев ткани по всей поверхности, локальные соединения различной площади) на баллистические характеристики арамидного слоисто-тканого материала и осуществлена оценка свойств такого материала при различном расположении локальных зон фиксации слоев.

Для исследования влияния способов фиксации на баллистическую стойкость арамидного слоисто-тканого материала проводили нанесение полимерного материала на арамидную ткань различными способами (рис. 1):

– равномерное нанесение полимерного материала по всей поверхности ткани (на 100% поверхности ткани);

 – локальное нанесение в виде полос шириной 5–20 мм, занимающих от 10 до 50% поверхности ткани.

Рисунок 1. Равномерное нанесение клея по всей поверхности ткани (а) и локальное нанесение клея в виде полос шириной 5–20 мм, занимающих от 10 до 50% поверхности ткани (б)

При локальном нанесении варьировали расположение зон нанесения полос клея на поверхность ткани: параллельно нитям основы ткани или под углом к нитям основы.

Баллистические испытания образцов арамидного слоисто-тканого материалапроводили на образцах размером 240×240 мм и толщиной 4,5–5,4 мм. Баллистическое воздействие осуществляли стальным шариком массой 1 г, Ø6,35 мм из баллистического ствола калибром 7 мм по ГОСТ РВ8470-001–2008 с определением u₅₀ – скорости
50%-ного непробития (скорости шарика, при которой вероятность непробития преграды составляет 50%).

Испытания к высокоскоростному ударному воздействию образцов арамидного слоисто-тканого материалапроводили ударником (стальной цилиндр массой 20 г, Ø14 мм, длиной 17 мм). Для разгона ударника в стволе пушки использовались гильзы, представляющие собой тонкостенные стаканы из стеклопластика Ø39,8 мм с толщиной стенки 1 мм. На дне стакана сделана ответная часть Ø14 мм и длиной 7 мм для удержания ударника. Внутрь дна гильзы для его укрепления впрессована круглая пластинка из текстолита толщиной 2 мм. Для захвата гильзы, перед образцом устанавливалась ловушка в виде массивной шайбы Ø70 мм и сквозным отверстием Ø25 мм. При ударе о ловушку цилиндрическая часть гильзы разбивалась на мелкие фрагменты, ее задняя, наиболее массивная, часть задерживалась в ловушке, а цилиндрический ударник продолжал полет с той же скоростью в сторону образца. Испытательная установка и вид образца после ударных испытаний показаны на рис. 2.

Рисунок 2. Установка для испытаний (а) и вид образца (б) арамидного слоисто-тканого материала после высокоскоростного ударного воздействия

В качестве критерия оценки стойкости арамидного слоисто-тканого материала к высокоскоростному ударному воздействию использовали следующие параметры:

– скорость ударника перед и за образцом;

– остаточная выпуклость образца после удара.

Результаты

В табл. 1 представлены результаты проведенных баллистических испытаний образцов арамидного слоисто-тканого материала, отличающихся размером площади фиксации слоев ткани относительно друг друга и характером распределения зон фиксации в объеме материала.

Таблица 1

Баллистическая стойкость образцов арамидного слоисто-тканого материала

в зависимости от способов фиксации слоев ткани

* Коэффициент баллистической стойкости рассчитывается как отношение u₅₀ арамидного слоисто-тканого материала к u₅₀ пакета ткани.

Установлено, что при уменьшении площади зон фиксации (локальное соединение) от 100 до 10% реализация баллистической стойкости ткани возрастает с 0,89 до 0,97, поэтому для реализации высоких баллистических характеристик ткани и снижения массы изделия целесообразно использовать локальное соединение слоев ткани.

Результаты испытаний на стойкость к высокоскоростному ударному воздействию образцов арамидного слоисто-тканого материала с локальным соединением слоев представлены в табл. 2.

Таблица 2

Стойкость опытных образцов арамидного слоисто-тканого материала

к высокоскоростному ударному воздействию

* Образцы арамидного слоисто-тканого материала и пакета арамидной ткани содержат одинаковое количество слоев.

В результате проведенных исследований установлено, что по стойкости к высокоскоростному удару опытные образцы арамидного слоисто-тканого материала не уступают пакету исходного армирующего наполнителя. При проведении испытаний на результаты эксперимента большое влияние оказывает положение ударника при соприкосновении его с образцом: наиболее жесткие условия воздействия возникают при ударе ребром ударника.

Локальная фиксация слоев слоисто-тканого материала обеспечивает механическую связь между слоями, но при этом не фиксирует жестко все армирующие волокна, что позволяет обеспечить высокую сопротивляемость такого материала ударному воздействию за счет способности его к большим деформациям и поглощению энергии удара трением, возникающим между отдельными волокнами.

Обсуждение и заключения

На баллистическую стойкость слоисто-тканого материала влияет характер распределения зон фиксации. Наибольшей баллистической стойкостью обладают образцы слоисто-тканого материала с более равномерным распределением зон фиксации в объеме материала, со смещением зон относительно друг друга по толщине материала.

Высокая стойкость арамидного слоисто-тканого материала к ударным и баллистическим воздействиям позволяет рассматривать эти материалы как перспективные для изготовления защитных конструкций различных типов – удерживающих устройств корпуса вентилятора турбореактивных двигателей, панелей, перегородок, обеспечивающих безопасность эксплуатации авиационных конструкций в нештатных ситуациях (разрушение механизмов, баллистическое поражение пулями и осколками взрывных устройств).