СОТОВАЯ ПАНЕЛЬ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HONEYCOMB PANEL FROM POLYMER COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники
Группа изобретений относится к области производства летательных аппаратов, в частности сотовых конструкций планера и пассажирских салонов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может найти применение в производстве сотовых конструкций с термопластичными обшивками и для других транспортных средств. Объектами группы изобретений являются сотовая панель и способ ее изготовления.
Уровень техники
Лидирующее место в производстве сотовых слоистых (сэндвич) конструкций в авиационной технике занимают панели с обшивками из полимерных композиционных материалов на основе тканых и нетканых волокнистых материалов на основе термореактивной полимерной матрицы, содержащей клеящую компоненту. Производятся панели с использованием препрегов (волокнистых материалов, предварительно пропитанных связующим) горячим формованием/склеиванием в прессах, автоклавах и т.п. Так, например, из ЕР 0927737 известна сотовая панель, содержащая средний слой сотового заполнителя из арамидного сотовидного слоя и наружные верхнюю и нижнюю обшивки из полимерного композиционного материала на основе термореактивной полимерной матрицы. Такая панель имеет низкую массу и достаточно высокую прочность, что является ее преимуществом, однако при этом она обладает невысокими ударной вязкостью, влагостойкостью и ремонтопригодностью.
В строительстве широко применяются многослойные панели, в т.ч. сотовые, из термопластичных материалов, обладающие технологичностью и низкой стоимостью, однако они, как правило, достаточно тяжелые и низкопрочные, что исключает их применение в летательных аппаратах.
В последнее время некоторыми зарубежными фирмами разработаны сотовые панели из композиционных материалов на основе термопластичной полимерной матрицы (ТПКМ). Изготовленные целиком из ТПКМ обшивки и сотовый заполнитель, содержащие однородную полимерную термопластичную матрицу, прочно склеиваются (свариваются) друг с другом. Такая сотовая панель известна из опубликованной заявки US 2001042593. Панель содержит выполненные из композиционного материала на основе термопластичной матрицы: средний слой сотового заполнителя и наружные обшивки. Кроме того, из заявки US 2001042593 известен способ изготовления сотовой панели, при котором осуществляют предварительный нагрев до заданных температур, образующих конструкционную панель сердечника и обшивок, последующее совместное формование сердечника и обшивок при заданной температуре в пресс-форме. Сотовая панель и способ ее изготовления из заявки US 2001042593 приняты в качестве ближайшего аналога к предлагаемой группе изобретений. Известная панель обладает высокой ударной вязкостью, влагостойкостью и ремонтопригодностью. Однако производство сотовых заполнителей на основе термопластичной матрицы - это чрезвычайно сложная техническая задача, т.к. при сваривании термопластичного материала сотообразующих ячеек для скрепления их между собой высока вероятность нарушения структуры в готовом сотовом слое и, как следствие, получение панели низкого качества.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка состава сотовой панели и способа ее изготовления, обеспечивающих надежное склеивание обшивки из волокнистого композиционного материала на основе термопластичного связующего (ТПКМ) с сотовым заполнителем из термореактивного полимерного композита.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении качества сотовой панели, в упрощении технологии ее изготовления, в унификации процесса изготовления за счет использования дуплексного препрега.
Для достижения указанного технического результата предлагается трехслойная сотовая панель, содержащая средний слой сотового заполнителя и наружные верхнюю и нижнюю обшивки. Слой сотового заполнителя выполнен из термореактивного полимерного композита. Наружные обшивки выполнены из препрега на основе термопластичной матрицы из полимерного композиционного материала. В слое каждой обшивки, прилегающем к сотовому заполнителю, содержится термореактивный клей, внедренный в структуру волокнистого материала обшивки со стороны, прилегающей к сотовому заполнителю. В составе термореактивного клея содержится термопласт идентичной природы с полимерной матрицей обшивки.
В качестве препрега обшивки использован дуплексный препрег, образованный с одной стороны волокнистым полимерным композиционным материалом, совмещенным с термопластичной пленкой, и с другой стороны пропитанный термореактивным клеем.
В качестве второго объекта изобретения предлагается способ изготовления трехслойной сотовой панели в виде пакета из среднего слоя сотового заполнителя и наружных обшивок из препрега, пропитанного связующим. Обшивки панели формируют на основе дуплексного препрега, который получают путем дублирования волокнистого полимерного композиционного материала с одной стороны пленкой из термопластичного полимера в горячем каландре при температуре размягчения и плавления указанной пленки и с последующим дублированием волокнистого материала с другой стороны клеевой термореактивной пленкой в горячем каландре при температуре перехода клея в состояние размягчения и плавления. Полученный препрег приформовывают к слою сотового заполнителя при температуре отверждения клея. При дублировании волокнистого материала клеевой пленкой используется разделительная силиконизированная бумага
Осуществление изобретения
Сотовая панель содержит средний слой сотового заполнителя из термореактивного полимерного композита и наружные верхнюю и нижнюю обшивки. Слой сотового заполнителя заключен между двумя наружными композитными обшивками, которые выполнены из препрега на основе термопластичной матрицы из полимерного композиционного материала.
В качестве волокнистого наполнителя препрега могут быть использованы ткани, тканые ленты, жгутовые материалы на основе стеклянных или арамидных волокон или их сочетания.
В структуру волокнистого материала обшивки со стороны, прилегающей к сотовому заполнителю, внедрен термореактивный клей. В составе клея, содержащем термореактивную отверждаемую композицию, содержится термопласт, природа которого идентична природе полимерной матрицы обшивки. Это обеспечивает надежное скрепление обшивки с сотовым заполнителем.
При формировании обшивки используют дуплексный препрег - это препрег, содержащий слой волокнистого полимерного композиционного материала, совмещенный с одной стороны с термопластичной пленкой, и пропитанный с другой стороны термореактивным клеем.
В качестве материала термопластичной пленки (термопластичных связующих) могут использоваться полисульфоны, полиамиды и другие при толщине пленки 0,08-0,15 мм. В качестве клеящей композиции могут быть использованы пленочные клеи: ВК-36, ВК-41, ВК-51, ВК-24, ПКС-171 и др. толщиной 0,15-0,20 мм. Сотопласты - на основе фенилоновых, арамидных, стеклянных и углеродных волокон с фенольными, полиамидными, бисмалеимидными и др. связующими.
ПРИМЕР 1
В качестве волокнистого материала обшивки используют стеклоткань Т-10-14 (ГОСТ 19170-2001), которая в горячем каландре при температуре 190°C и зазоре в валках 0,25-0,30 мм дублируется с одной стороны пленкой марки ПСН (ТУ 6-19-151-285-88) из полисульфона и сматывается в рулон. Затем в том же каландре при температуре 60-70°C и зазоре в валках 0,35-0,45 мм стеклоткань с другой стороны дублируется эпоксидной клеевой пленкой марки ВК-36 (ТУ 6-41-1499-89), содержащей до 30% порошкообразного полисульфона марки ПСК-1 (ТУ 6-06-46-90). Толщина пленки 0,18 мм. При дублировании стеклоткани клеевой пленкой используется разделительная силиконизированная бумага, которая вместе с полученным дуплексным препрегом сматывается в рулон.
2
Полученный дуплексный препрег со стороны клеевой пленки приформовывается к сотовому заполнителю марки ПСП-1-2,0-96 (ТУ 1-596-231-01) при температуре 175±5°C и давлении 2-4 кгс/см с выдержкой в течение 3-х ±0,5 часов. После приформовки или во время ее, обшивки дополнительно усиливаются слоями термопластичного препрега на основе полисульфона.
ПРИМЕР 2
В качестве волокнистого материала обшивки используют стеклоткань Т 45 (П)-76 (ТУ 6-48-107-94), которая в горячем каландре при температуре 190°C и зазоре в валках 0,25-0,30 мм дублируется с одной стороны пленкой марки ПА-6 (ТУ 6-19-255-84) из полиамида и сматывается в рулон. Затем в том же каландре при температуре 60-70°C и зазоре в валках 0,30-0,40 мм с другой стороны стеклоткань дублируется клеевой пленкой на основе полиамида марки ПКС-171 (ТУ 6-06-20-88). Толщина пленки 0,075 мм. При дублировании клеевой пленкой используется разделительная силиконизированная бумага, которая вместе с полученным дуплексным препрегом сматывается в рулон.
2
Полученный дуплексный препрег со стороны клеевой пленки приформовывается к сотовому заполнителю марки ПСП-1-2,0-64 (ТУ 1-596-231-01) при температуре 170±5°C и давлении 3-4 кгс/см с выдержкой в течение 1±0,1 часа. После приформовки или во время ее, обшивки дополнительно усиливаются слоями термопластичного препрега на основе полиамида.
Из полученных по примерам панелей вырезались:
- диски диаметром 60 мм для испытаний на равномерный отрыв по ОСТ 1 90069-72,
- пластины шириной 75 мм для испытаний на отслаивание на барабане по ОСТ 190196-75
- и для испытаний на пробой ударником квадратные образцы 100×100 мм по ASTM D3029-84.
Аналогичные образцы были изготовлены из панелей пола Тип II (ТУ 1-596-416-01) с использованием тех же сот и обшивок из стеклоткани Т-10-14, пропитанных эпоксидным связующим ЭП-2МК. Аналогичная панель была изготовлена из предварительно отформованных в прессе обшивок из ткани Т-10-14 и связующего из полисульфона, затем обшивки были приклеены к сотовому заполнителю ПСП-1-2,0-96 пленочным клеем ВК-36.
В таблице 1 приведены результаты испытаний.
Панель с обшивками, выполненными из стеклопластика на основе термореактивного связующего (ЭП-2МК), при хорошей прочности склеивания имеет сравнительно невысокую прочность на пробой.
Панель, склеенная с предварительно отформованными обшивками из термопластичного стеклопластика, имеет высокую прочность на пробой, но неудовлетворительную прочность склеивания.
Панель, изготовленная по предлагаемому изобретению, имеет высокие показатели по всем трем параметрам, приведенным в таблице 1.
Таблица 1
Прочность склеивания обшивки с сотами
Панель, ТУ из стеклопластика
Панель клееная с обшивками ТПКМ
По примеру 1 с дуплексным препрегом на основе полисульфона
По примеру 2 с дуплексным препрегом на основе полиамида
Равномерный отрыв, МПа
4,4
1,8
4,2
3,8
Отслаивание на барабане, Н/75 мм
260
140
320
290
Пробой ударником, Н*м
3,95
5,74
5,57
5,35