Введение

Исследования в области создания стеклопластиков – композиционных материалов на основе стеклянных армирующих наполнителей и полимерных связующих (матриц) – впервые в нашей стране были начаты еще в 1945 г. по инициативе ВИАМ. Высокая механическая прочность, хорошие электро- и теплоизоляционные свойства, стойкость к воздействию агрессивных сред в различных климатических условиях, возможность конструирования изделий с учетом действующих нагрузок путем выбора рациональной структуры армирования, разнообразие и простота технологических методов изготовления изделий, доступность и относительно низкая стоимость стеклянных наполнителей – все это позволило широко применять стеклопластики для деталей и агрегатов ЛА, создавать изделия с необходимыми летно-техническими характеристиками [1].

Материалы и методы

При производстве нагруженных изделий из стеклопластиков для авиационной техники наиболее широкое распространение получила автоклавная технология переработки с применением полуфабрикатов (препрегов) – предварительно пропитанных связующим армирующих наполнителей. В зависимости от необходимости применения растворителя для обеспечения процесса пропитки армирующего наполнителя связующим существуют две технологии изготовления препрегов – растворная, в которой необходимые технологические свойства связующего достигаются применением активных или пассивных растворителей, и расплавная, где требуемые реологические характеристики связующего обеспечиваются применением повышенной температуры. Традиционно при изготовлении препрегов использовали растворную технологию, которая является наиболее простой. При расплавной технологии в состав связующего растворитель не добавляют, а само связующее подогревают на каландрах пропиточной машины непосредственно в процессе нанесения на армирующий наполнитель. Температура нагрева зависит от свойств связующего.

На основе различных видов стеклянных наполнителей и полимерных связующих растворного типа в ВИАМ разработан широкий спектр стеклопластиков, нашедших широкое применение в изделиях авиационной техники. Так, разработка эпоксидного стеклопластика марки СТ-69Н(М) (табл. 1) обеспечила создание средненагруженных элементов внешнего контура летательных аппаратов конструкционного и радиотехнического назначения – обтекателей РЛС, створок шасси и грузовых отсеков, капотов. С применением стеклопластика СТ-69Н(М) изготавливают силовую панель реверса, кожух задней подвески реверса звукопоглощающей конструкции двигателя ПС-90А2. Эпоксидные стеклопластики марок ВПС-33 и ВПС-34 применяют при изготовлении обшивок трехслойных панелей, люков, дверей, створок. На основе стеклопластика ВПС-33 изготавливают кожух сопла звукопоглощающей конструкции мотогондолы двигателя ПС-90А2 [2].

Таблица 1

Физико-механические свойства стеклопластиков на основе связующих растворного типа

* Для стеклопластика марки СТ-69Н(М) данные приведены при температуре испытаний 80°С.

Для изготовления деталей и обшивок трехслойных сотовых панелей интерьера (в том числе изготовленных бесклеевым методом) разработан стеклопластик ВПС-39П на основе фенолформальдегидного связующего с температурой эксплуатации до 80°С, характеризующийся низким значением тепловыделения и полностью соответствующий требованиям АП-25 по пожаробезопасности (табл. 2) [3].

Таблица 2

Свойства стеклопластика ВПС-39П

Данные стеклопластики по уровню свойств не уступают аналогичным зарубежным материалам, однако из-за особенностей растворной технологии изготовления им присущ ряд неизбежных недостатков. В процессе формования стеклопластиков на основе растворных связующих выделяется значительное количество остаточных растворителей (ацетон, спирт), что повышает уровень пористости материала. Поры в изделиях из ПКМ, как известно, серьезно ухудшают механическую прочность материала – особенно под воздействием сжимающих и сдвиговых нагрузок. Помимо этого, растворные связующие не соответствуют принципам «зеленой» химии [4].

С каждым годом требования к экономической эффективности технологий и стоимости деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) все более ужесточаются. Повышаются требования к материалам как с точки зрения обеспечения необходимого уровня технологических свойств, так и широкого спектра эксплуатационных и специальных характеристик, что обуславливает крайнюю необходимость создания новых ПКМ и технологий их изготовления в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [5, 6].

В ВИАМ разработан ассортимент стеклопластиков на основе расплавных связующих, не содержащих органических растворителей, что позволяет минимизировать образование газообразных продуктов в процессе формования, и тем самым снизить пористость ПКМ и повысить упруго-прочностные характеристики. Благодаря отказу от работы с экологически опасными растворителями снижается количество выделяемых в атмосферу вредных веществ. Такой подход требует использования специализированного оборудования для производства препрегов – современных пропиточных установок, позволяющих изготавливать так называемые прецизионные препреги с минимальным разбросом содержания связующего в препреге, отличающегося от номинального не более чем на 2% [7]. Следует отметить, что созданное в ВИАМ производство препрегов из ПКМ является первым сертифицированным Авиационным регистром МАК производством препрегов в РФ [8].

Результаты и обсуждение

В настоящее время в ВИАМ разработаны и паспортизованы стеклопластики марок ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 на основе расплавного эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и стеклотканей фирмы Porcher Ind. (Франция) арт. 7781 и 120 (табл. 3). Связующее ВСЭ-1212 с повышенными механическими и деформационными характеристиками, а также препреги на его основе обеспечивают возможность изготовления изделий с высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, устойчивых к воздействию неблагоприятных эксплуатационных факторов [9, 10].

Таблица 3

Физико-механические свойства стеклопластиков на основе расплавного связующего ВСЭ-1212

Проведены исследования стеклопластиков в условиях воздействия повышенных температур, влажности и различных агрессивных сред. Характер изменения прочности при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового (2000 ч) и термовлажностного старения (3 мес) представлен на рис. 1, а после воздействия агрессивных сред – на рис. 2.

Рис. 1. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после теплового и термовлажностного старения при температуре испытаний 20 (■) и 120°С (□)

Рис. 2. Прочность при межслойном сдвиге стеклопластика ВПС-48/7781 после воздействия агрессивных

сред при температуре испытаний 20 (■) и 120°С (□)

Полученные результаты наглядно демонстрируют, что разработанные стеклопластики обладают высоким уровнем упруго-прочностных характеристик, в том числе в условиях воздействия повышенных температур, влажности и агрессивных сред, что в значительной мере связано с использованием связующих расплавного типа. Установлено, что сохранение упруго-прочностных характеристик стеклопластиков после воздействия указанных эксплуатационных факторов составляет не менее 60% от исходных значений [11].

Заключение

Стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 не уступают по своим характеристикам стеклопластикам зарубежных производителей, например, марок М21/37%/7581 и М21/45%/120 фирмы Hexel (США) и найдут применение при изготовлении средненагруженных деталей перспективных изделий авиационной техники. В настоящее время  стеклопластики ВПС-48/7781 и ВПС-48/120 проходят квалификационные испытания для применения в конструкции мотогондолы двигателя ПД-14.