Совершенствование аэродинамических характеристик планера летательных аппаратов с одновременным обеспечением весовой эффективности во многом решается путем применения в конструкциях авиационной техники полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1]. Благодаря своим уникальным свойствам они нашли широкое применение в силовых конструкциях авиакосмической и других видов техники, в конструкции планера, объем их применения в настоящее время достиг 50%, что позволило снизить массу на 20–25% [2].

В последнее время интенсивно развиваются работы по созданию нового класса конструкционных материалов на основе долгоживущих клеевых препрегов (материалы КМК), в которых в качестве связующего расплавного типа для пропитки стекло- и угленаполнителей широко используются модифицированные высокопрочные пленочные клеевые композиции с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и т. д.) [3].

Отличительной особенностью клеевых препрегов является возможность изготовления за одну технологическую операцию высоконагруженных сотовых (слоистых) конструкций из неметаллических материалов одинарной и сложной кривизны [4].

Технология имеет существенные преимущества перед традиционными технологиями формования деталей такого типа. Основное преимущество разработанной технологии – достижение герметичности и весовой эффективности деталей и агрегатов из ПКМ и, как следствие, повышение живучести и ресурса работы клееных конструкций, что отвечает стратегическим направлениям развития авиационных материалов и технологий [5, 6]. В результате применения клеевых препрегов также достигается значительное повышение трещиностойкости конструкций, уменьшение количества выбросов вредных веществ в атмосферу благодаря использованию безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. В процессе изготовления деталей обеспечивается существенное сокращение количества технологических операций и за счет этого – снижение трудоемкости работ [7, 8].

Композиционные материалы на основе клеевых препрегов марок КМКС (на основе стеклонаполнителей) и КМКУ (на основе угленаполнителей) обладают широким спектром свойств в зависимости от физико-механических характеристик клеевых связующих и наполнителей, используемых в их составе [9].

Среди номенклатуры клеевых препрегов марок КМКС особо следует отметить препреги марок КМКС-2м.120 и КМКС-4.175 (табл. 1) на стеклонаполнителях марок Т-10 и Т-15, с использованием которых ведущими КБ (филиал ПАО «Компания «Сухой» «ОКБ Сухого», АО «РСК «МиГ») разработаны новые конструкции радиопрозрачных обтекателей [10, 11].

Таблица 1

Основные свойства стеклопластиков  на основе клеевых препрегов марок КМКС-2м.120

Благодаря применению в составе клеевых препрегов стеклоткани марки Т-64 (ВМП) на основе высокомодульных волокон и кварцевой ткани марки ТС-8/3-К-ТО взамен тканей Т-10 и Т-15, а также теплостойкого до 175°С клеевого связующего разработаны композиционные материалы с повышенным уровнем диэлектрических и теплофизических свойств (табл. 2), что позволило применить их в конструкции обтекателей новых изделий авиационной техники [12].

Таблица 2

Основные свойства стеклопластиков радиотехнического назначения

на основе клеевых препрегов марок КМКС-4.175

Стеклопластики на основе стеклоткани Т-10 обладают высокими физико-механическими характеристиками, однако наполнитель часто характеризуется наличием поверхностных дефектов (складок, гофров), которые образуются при изготовлении препрегов на современном оборудовании. Дефекты на поверхности вызывают разброс значений по содержанию связующего в препреге и соответственно – значительный разброс величины физико-механических характеристик отформованных деталей и агрегатов из ПКМ (в том числе разброс значений радиотехнических характеристик обтекателя сотовой конструкции) [13]. Во ФГУП «ВИАМ» разработан композиционный материал на основе клеевого связующего с теплостойкостью 120°С и стеклоткани марки Ст-62005 фирмы «ХК Композит» специальной текстильной формы (аналог ткани Т-10), обеспечивающий сохранение прочности при растяжении (σ_в) при температуре 120°С на уровне 90% от исходной прочности (вместо 70% – для материала КМКС-2м.120.Т10 на основе стеклоткани Т-10-14) [14]. Прочностные характеристики разработанного материала представлены в табл. 3.

Таблица 3

Прочностные характеристики* композиционных материалов клеевых

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Видно, что стеклопластик на основе отечественной стеклоткани Ст-62005 превосходит по своим прочностным характеристикам стеклопластик на основе стеклоткани Т-10-14. При этом стеклоткань марки Ст-62005 обладает хорошей драпируемостью и не образует поверхностных дефектов (складок, гофров) при изготовлении препрега.

Среди композиционных материалов на основе угленаполнителей, рекомендованных для длительной работы при температуре 150°С, наиболее высоким уровнем свойств по этому показателю обладает углепластик из клеевого препрега КМКУ-3м.150.УОЛ(У) на основе отечественной углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300Р улучшенной текстильной формы и клеевого препрега марки КМКУ-3м.150.Р14535, изготовленного из однонаправленной ленты фирмы Porcher арт. 14535, Франция (табл. 4). Следует отметить, что эти материалы рекомендованы к применению в конструкции истребителя пятого поколения Т-50 и обеспечивают создание агрегатов, сочетающих сотовые и монолитные элементы [15, 16].

Таблица 4

Сравнительные показатели* свойств материалов

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

В настоящее время одним из перспективных направлений является разработка энергосберегающих технологий. В связи с этим в институте проведены работы по снижению температуры отверждения клеевых препрегов [17].

Так, разработаны стеклопластики марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К на основе клеевых препрегов КМКС-1с.80.Т60 и КМКС-1с.80.ТС8/3-К с использованием высокомодульных и кварцевых стеклонаполнителей с температурой отверждения 140±5°С (вместо 175±5°С), которые предназначены для изготовления агрегатов из ПКМ сотовой конструкции за одну технологическую операцию, в том числе радиотехнического назначения (обтекатели), работоспособных при температурах от -60 до +80°С [18]. Прочностные свойства стеклопластиков марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К приведены в табл. 5.

Таблица 5

Прочностные свойства стеклопластиков марок ВПС-44К.Т60 и ВПС-45К.ТС8/3-К

Разработан также углепластик марки ВКУ-34КУОЛ(У) на основе клеевого препрега КМКУ-5м.150.УОЛ(У) с пониженной температурой отверждения 150–160°С (вместо 180±5°С) и нового углеродного наполнителя улучшенной текстильной формы марки УОЛ-300Р, свойства которого представлены в табл. 6.

Таблица 6

Физико-механические характеристики* композиционного материала

марки ВКУ-34КУОЛ(У)

* В числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

Проведены испытания образцов углепластика марки ВКУ-34КУОЛ(У) на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).45 на прочность при сжатии после длительного воздействия климатических факторов: влагостойкость (при влажности φ=98%), тропикостойкость, термостарение при 150°С в течение 500 и 1000 ч, грибостойкость.

Установлено, что сохранение прочности при сжатии после длительного воздействия различных факторов (φ=98%, тропическая камера, грибостойкость, термостарение) при 20°С составило 87–97%, при 150°С: 68–74%.

Проведены исследования прочности клеевых соединений при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сот с использованием клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 в исходном состоянии и после выдержки в камере тропиков, а также после воздействия влажности (φ=98%) в течение 1 и 3 мес.

Установлено, что после 3 мес выдержки образцов в камере тропиков процент сохранения прочности при сдвиге при температуре испытания 20°С составил 82%, при температуре испытания 150°С: 68%, что свидетельствует о тропикостойкости материала. Сохранение прочности клеевых соединений при сдвиге после воздействия влаги в течение 3 мес при температуре испытания 20°С составило 84%, а при 150°С: 70%, в результате чего можно сделать вывод о влагостойкости материала.

Проведены испытания клеевых соединений на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 на прочность при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя после их выдержки при температуре 150°С в течение 500 и 1000 ч.

Значения прочности при сдвиге и равномерном отрыве обшивки от сот клеевых соединений после термостарения в течение 1000 ч при 150°С остались на уровне исходных значений. Таким образом, проведя анализ полученных результатов, можно сделать вывод, что клеевые соединения на основе клеевого препрега марки КМКУ-5м.150.УОЛ(У).65 устойчивы к длительному воздействию температуры до 150°С.

Композиционные материалы клеевые марок КМКС и КМКУ нашли широкое применение в конструкции изделий авиационной техники. Однако они относятся к классу полимерных горючих материалов, что делает невозможным их применение в интерьере самолета (в частности, для изготовления панелей пола). В связи с этим одним из ключевых направлений на данный момент является создание новых КМК на основе связующего пониженной горючести с теплостойкостью 80°С и отечественных стекло- и угленаполнителей. Разработка позволит использовать эти материалы для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ монолитной и сотовой конструкции и применить их не только в салоне самолета (панели пола), но и для агрегатов наружного контура, что обеспечит снижение пожароопасности изделия [19]. Работы во ФГУП «ВИАМ» в данном направлении уже проводятся.

Композиционные материалы клеевые на основе клеевых препрегов внедрены в конструкцию многих изделий авиакосмической техники ведущих КБ [20, 21]. Они широко применяются в конструкциях изделий авиакосмического комплекса: ПАО «Компания «Сухой» (самолет «Сухой Суперджет 100»), АО «РСК МиГ» (самолеты серии МиГ всех модификаций), в самолетах ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», ПАО «Туполев», ПАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева», вертолетах АО «Камов», ракетной технике ОАО «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева» и других [22].

К деталям и агрегатам, в которых применены композиционные материалы на основе клеевых препрегов, относятся: панели фюзеляжа, створки шасси, обтекатели, отдельные детали механизации крыла и оперения, воздухозаборный канал сотовой конструкции и т. д. [23, 24].

Имеющийся в настоящее время опыт длительной эксплуатации (более 25 лет) клееных конструкций в составе изделий авиационной техники подтверждает высокий уровень свойств ПКМ на основе клеевых препрегов [25].