Гибридная композитная панель для авиаконструкций
HYBRID COMPOSITE PANEL FOR AIRFRAME

Изобретение относится к области разработки композитных авиационных конструкций с повышенной ударной прочностью и высокими деформационно-прочностными характеристиками, а также разработке метода их получения, в частности к герметичным панелям конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета, и может быть использовано для разработки авиационной техники.
Известна конструкция композитной балки, нижней основной плиты и фюзеляж самолета, включающий такие балки. Балка состоит из стопки матов из однонаправленных углеродных волокон, ориентированных в направлении высоты балки, арамидных волокон и углеродного волокнистого материала. Нижняя основная плита связана со сторонами ребра, нижний край каждого однонаправленного углеродного материала расположен внутри относительно соответствующих краев материала и вышеуказанные края имеют пилообразные грани [патент US 6948684 В2, МПК В64С 1/00, 27.09.2005].
Недостатками данных конструкций являются дорогостоящий метод производства композиционных материалов и отсутствие способа контролирования содержания связующего в полученном композите.
Известна подкрепленная композитная панель, включающая обшивку, выполненную из композитных материалов, и подкрепляющие стрингеры с нижними полками на обшивке [патент US 20160176500, МПК В64С 3/26, 09.08.2013].
Недостатком данной конструкции является отсутствие защиты панели от ударных воздействий. Как известно, ударные воздействия существенно снижают остаточную прочность силовых композитных авиаконструкций, что требует излишних весовых затрат для обеспечения необходимой прочности конструкции. Так, если данная панель будет выполнена из углепластиковых композиционных материалов, то невозможно будет обеспечить ее прочность при низких весовых затратах.
Известна композитная панель для самолета с защитой от ударных воздействий с высокой энергией, включающая слоистый композиционный материал, состоящий из двух слоев, один из которых изготовлен из сверхэластичного материала и приклеен к другому для защиты от ударных воздействий [патент US 20120040159, МПК В32В 7/02, В32В 5/02, В32В 27/38, В32В 25/16, В32В 37/14, В32В 37/12, (S.A.S.), 26.03.2009].
Недостатком данного изобретения, принятого за прототип, является то, что защита от ударных воздействий обеспечивается лишь с одной стороны композитной панели. Однако авиационные панели, в частности панели фюзеляжа, подвергаются ударам как снаружи, так и изнутри фюзеляжа в процессе сборки и эксплуатации конструкции. Кроме того, не обеспечивается защита подкрепляющих элементов (стрингеров) от ударных воздействий изнутри отсека.
Задачей и техническим результатом изобретения являются разработка высокоэффективной композитной панели силовой конструкции планера летательного аппарата, обеспечивающая повышение ударно-прочностных характеристик со снижением удельного веса конструкции.
2
Решение поставленной задачи и технический результат изобретения достигаются тем, что в гибридной композитной панели силовой конструкции планера летательного аппарата содержатся слои из разных материалов, одни из которых составлены из углеродной ткани двунаправленного плетения с количеством элементарных нитей в филаменте (пучке нитей) не менее 6000 и уложены в пакет. На обеих поверхностях и внутри пакета уложены слои из арамидной ткани полотняного переплетения с поверхностной плотностью не менее 300 г/м. Количество слоев в пакете варьируется в зависимости от поставленной задачи и необходимой прочности, но оптимально составляет не менее 10 слоев. Содержание арамидного волокна к углеродному в получаемой композитной панели варьируется в пределах 10-25%. Образованный многослойный композитный пакет пропитан эпоксисодержащим связующим, которое состоит из двух эпоксидных смол, модифицированных каучуком или термопластом, и отвердителя. Пропитка композитного пакета осуществляется методом вакуумной инфузии. Связующее отверждается под вакуумом по специальному режиму. Связующее состоит из двух эпоксидных смол, при этом одна из смол является эпоксидиановой с содержанием эпоксидных групп 16-22%, а вторая - эпоксиноволачной с содержанием эпоксидных групп 23-25%, смолы смешаны в соотношении: на 100 масс. частей эпоксиноволачной смолы приходится от 30 до 100 масс. частей эпоксидиановой смолы.
Отвердитель выполнен в виде анилинформальдегидной смолы, растворенной в фурфуроле и смешанной с указанными смолами в соотношении: на 100 масс. частей смеси смол приходится от 75 до 90 масс. частей отвердителя, а модификатор выполнен в виде синтетического бутадиенового каучука, смешиваемого с указанной смесью смол в объеме: на 100 масс. частей смолы приходится от 10 до 20 масс. частей модификатора.
Технический результат достигается также тем, что в гибридной композитной панели для авиаконструкций отвердитель выполнен в виде ангидридного агента, смешанного с указанными смолами в соотношении: на 100 масс. частей смеси смол приходится от 75 до 85 масс. частей ангидрида.
Технический результат достигается также тем, что в гибридной композитной панели для авиаконструкций модификатор выполнен в виде гибкого термостойкого термопласта, смешанного с указанной смесью смол в объеме: на 100 масс. частей смол приходится от 10 до 20 масс. частей модификатора.
2
Процесс изготовления гибридной композиционной панели для авиационной конструкции в виде, например, элемента фюзеляжа летательного аппарата показан на двух примерах. Вначале формируют одинакового состава композитный многослойный пакет, составленный из слоев углеродной ткани двунаправленного плетения с количеством элементарных нитей в филаменте не менее 6000. Количество слоев в пакете варьируют в зависимости от поставленной задачи и необходимой прочности, но оптимально оно составляет, как показали экспериментальные исследования, не менее 10 слоев. На обеих поверхностях и внутри пакета укладывают слои из арамидной ткани полотняного переплетения с поверхностной плотностью не менее 300 г/м, в которых содержание арамидного волокна к углеродному варьируется в пределах 10-25%. Для образования гибридной композитной панели многослойный пакет укладывают на обогреваемую форму (матрицу) и накрывают вакуумной пленкой, а затем пропитывают эпоксисодержащим связующим, которое состоит из двух эпоксидных смол, модифицированных каучуком или термопластом, и отвердителя. Пропитка композитного пакета осуществляется методом вакуумной инфузии. Связующее отверждается под вакуумом по специальному режиму.
Пример 1. По этому примеру эпоксисодержащее связующее состоит из смеси эпоксидных смол, в которой одна из них является эпоксидиановой, например ЭД-20 с содержанием эпоксидных групп 20-22%, а другая - эпоксиноволачной, например DEN 431 с содержанием эпоксидных групп 24,0-25,0%. Смолы смешивают в соотношении: на 100 масс. частей ЭД-20 приходится от 85 до 115 масс. частей DEN 431.
Модификатор представляет собой синтетический бутадиеновый каучук, смешиваемый со смолой в объеме: на 100 масс. частей смолы приходится от 10 до 20 масс. частей модификатора.
Отвердитель представляет собой анилинформальдегидную смолу СФ-340А, растворяемую в фурфуроле и смешиваемую со смесью смол ЭД-20 и DEN 431 в соотношении: на 100 масс. частей смолы приходится от 75 до 90 масс. частей отвердителя.
Пример 2. По этому примеру эпоксисодержащее связующее состоит из смеси эпоксидных смол, в которой одна из смол является эпоксидиановой, например ЭД-16 с содержанием эпоксидных групп 16-18%, а вторая - эпоксиноволачной, например DEN 438 с содержанием эпоксидных групп 23,8-24,4%. Смолы смешивают в соотношении: на 100 масс. частей DEN 438 приходится от 30 до 40 масс. частей ЭД-16.
Модификатор представляет собой гибкий термостойкий термопласт, например поликарбонат, смешиваемый со смолой в объеме: на 100 масс. частей смолы приходится от 10 до 20 масс. частей модификатора.
Отвердитель представляет собой изометилтетрагидрофталевый ангидрид и смешивается со смолой в соотношении: на 100 масс. частей смолы приходится 81 масс. частей изо-МТГФА.
После пропитки многослойного композитного пакета происходит процесс отверждения связующего по специально разработанному режиму для каждой эпоксидной системы при постоянном вакууме.
Так как разработанная для авиационных конструкций композитная панель со связующим состоит из более чем трех полиматричных и полиармированных компонентов, она отнесена к классу гибридных композитных материалов [Арзамасов Б.Н. и др. «Материаловедение. Учебник для вузов», 2002 г., стр. 468; Ржевская С.В. «Материаловедение. Учебник для вузов», 2004 г., стр. 70].
Образованная гибридная композитная панель обладает особой эффективностью: ее наружные слои первыми принимают на себя ударное воздействие и обеспечивают максимальное поглощение энергии индентора (проникающего элемента испытательной машины, предназначенной для экспериментальных исследований ударного воздействия), а нижние слои при этом не подвергаются повреждению.
Наружные арамидные слои пакетов пробиваются по механизму «раздавливания», для этого они изготовлены из плотной арамидной ткани со структурой, которая эффективно преобразует локальное воздействие индентора в распределенный по объему конус деформации, в котором арамидные волокна работают, в основном, на растяжение.
Арамидные волокна имеют фибриллярную структуру, что является их преимуществом, позволяющим обеспечить высокое энергопоглощение ударного воздействия [Аскадский А.А. «Деформация полимеров», 1973 г., стр. 65; Берлин А.А., Басин В.Е. «Основы адгезии полимеров», 1969 г., стр. 102]. Межфибриллярные прослойки в волокнах из гибкоцепных полимеров имеют большое число цепей, проходящих из одной фибриллы в другую в поперечном направлении. Высокая жесткость макромолекул ароматических полиамидов затрудняет межфибриллярный переход цепей, следствием чего является продольная расщепляемость микрофибрилл со значительной затратой энергии на преодоление межмолекулярного взаимодействия. Удержание высокоскоростного удара полимерными волокнами с фибриллярной структурой обеспечивается комплексным механизмом торможения роста трещин:
1) созданием барьеров на пути трещин - фибриллярное расщепление волокон на плоскости с минимальной поверхностной энергией;
2) затуплением вершины трещины вследствие многостадийного протекания релаксационных процессов;
3) низкой чувствительностью волокон к концентраторам напряжений;
4) сильной фибрилляцией с отщеплением микрофибрилл с поверхности волокон при увеличении деформации, образованием микротрещин вместо роста макротрещины.
Как показывают экспериментальные исследования, использование высокопрочного связующего напрямую влияет на свойства конечного композиционного материала, закономерно повышая его прочность.
Экспериментальные данные, полученные на стандартном оборудовании и в соответствии с действующими ГОСТами, показывают, как видно из таблицы, что у двух образцов, соответствующих примерам 1 и 2, с помощью предлагаемого состава достигнуты такие показатели, как высокое поглощение энергии удара (ударная вязкость), а также относительное удлинение при разрыве. Благодаря этому готовый гибридный композиционный материал способен воспринимать большие ударные нагрузки по сравнению с известными составами (например, ЭД-20 и ЭТАЛ-45). Связующее, обладающее повышенной эластичностью (относительное удлинение) при сохранении прочности, позволяет снизить хрупкость композиционного материала и тем самым повысить стойкость композитной панели к ударным воздействиям.
Также из экспериментальных данных видно, что у образца по примеру 1 прочность при разрыве и сжатии немного выше, чем у образца по примеру 2, и более чем в полтора раза выше, чем у образца известного состава. Благодаря этому прочность композиционного материала по примеру 1 в направлении армирующих волокон будет выше по сравнению с традиционными эпоксидными связующими и примером 2 предлагаемого связующего. Однако конечные свойства готового гибридного композиционного материала напрямую зависят от типа (марки и свойств) армирующей ткани и количества ее слоев.
Основными преимуществами предлагаемой композитной гибридной панели, таким образом, по сравнению с аналогами являются:
1. Высокие ударно-прочностные характеристики композитной панели.
2. Малый удельный вес изделия, что позволяет эффективно использовать изобретение в авиации.
3. Возможность использования гибридной многослойной композитной панели в качестве защитного противоударного слоя для силовых композитных конструкций.