Особенности разрушения сотовых панелей Со сферопластиками

ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

М.Г. Долматовский, И.И. Соколов

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СОТОВЫХ ПАНЕЛЕЙ СО СФЕРОПЛАСТИКАМИ

Один из видов полимерных композиционных материалов, называемый сферопласти-ками, используется в качестве заполнителя трехслойных сотовых конструкции, которые нашли широкое распространение в различных отраслях промышленности, прежде всего в изделиях авиационной техники.

Ключевые слова: сферопластики, сотовые конструкции.

Авиационные полимерные сферопластики, разработанные в ВИАМ [1,2],- легкие композиции плотностью 0,5-0,7 г/см3, соответствующие требованиям ИКАО по пожаробе-зопасности, на основе, как правило, эпоксидных и фенольных связующих, основным компонентом которых являются полые стеклянные микросферы.

В связи с наметившимся в последнее время расширением объема применения этих материалов в РФ (тонны) и разнообразием конструктивных решений для сотовых панелей интерьера пассажирских самолетов, летательных аппаратов космического назначения, при ремонте поврежденных участков различных перегородок, заполнении пустот с целью защиты от коррозии ит. п., возникает необходимость достаточно корректного подбора соответствующих марок сферопластиков для указанных вариантов, исходя из классического положения: состав - свойства.

В данной работе приведены результаты исследований и статических испытаний образцов сотовых панелей на вырыв наиболее распространенных видов закладных деталей -крепежных втулок, установленных (смонтированных) с использованием сферопластиков ВПЗ-7М, -10, -14 и некоторых марок зарубежных сферопластиков.

Разработкой и производством полимерных сферопластиков для авиастроения занимаются как в России, так и в ряде зарубежных стран. В частности, фирмы «ЗМ Со.» и «American Cyanamid Со.» (США) выпускают легкие полимерные композиции с наполнителями в виде полых стеклянных микросфер для применения в сотовых конструкциях. Композиции отверждаются при комнатной или повышенной температурах и отличаются по физико-механическим и специальным свойствам.

Например, сферопластик фирмы «ЗМ Со.», выпускаемый под маркой ЕС-3524 В/А, представляет собой пастообразную композицию с жизнеспособностью ~2 ч, отверж-дающуюся без нагрева в течение 16-24 ч, с плотностью после отверждения 0,47-0,50 г/см и прочностью при сжатии 15,5 МПа, и предназначен для заделки торцев сотовых панелей и заполнения пустот.

Сферопластик Araldite 255 (известный также под маркой Redux 255), предлагаемый фирмой «Huntsman Advance Materials» (Швейцария) в виде двух компонентов, представляет собой пастообразную композицию зеленого цвета с жизнеспособностью ~1 ч (навеска массой 100 г при 25°С), отверждающуюся без нагрева в течение ~16 ч, или 2 ч при 70°С, с плотностью после отверждения 0,65 г/см3, прочностью при сжатии 30 МПа, и предназначен для заполнения кромок сотовых конструкций, различных полостей, щелей и т. п.

Близкими к указанному сферопластику по составу и свойствам являются также Araldite 252 В/А (голубого цвета), ЕС 612 В/А и ЕС 662 В/А, разработанные европейской фирмой «Euro Composite», и др.

В отечественном авиастроении приоритет в области создания сферопластиков традиционно принадлежит ФГУП «ВИАМ». Разработанные в институте сферопластики ВПЗ-7М, ВПЗ-14 (модифицированный ВПЗ-5) представляют собой полимерные композиции на основе эпоксидных связующих, а ВПЗ-9, ВПЗ-10 - на основе фенольных связующих, включающие полые стеклянные микросферы и различные порошкообразные наполнители. Эти сферопластики отверждаются при комнатной (ВПЗ-7М, -9, -10) или повышенной температурах (ВПЗ-14). Основные свойства сферопластиков, получивших наибольшее распространение в авиационной промышленности, представлены в таблице.

Основные свойства отечественных сферопластиков

Показатель Значения показателей для материалов

ВПЗ-7М ВПЗ-10 ВПЗ-14

Внешний вид, консистенция Однородная Однородная Однородная

пастообразная пастообразная пастообразная

композиция композиция композиция

светло-зеленого светло-бежевого светло-коричневого

цвета цвета цвета

Количество входящих ком- 6 4 5

понентов

Жизнеспособность при 2 1 4

18±3°С, ч

Плотность, г/см3 0,57-0,61 0,62-0,64 0,65-0,75

Разрушающее напряжение 40 35 35

при сжатии, МПа

Горючесть, группа 2 г; самозатухаю- 1 г; трудносго- 2 г; самозатухаю-

щий рающий щий

Показатель рН водной вы- 6,6-7,1 7,56 6,6-7,5

тяжки

Имеются сведения о том, что в качестве альтернативы сферопластикам отдельные предприятия пытаются применять эпоксидный пенокомпаунд марки ПЭК-74, предназначенный для выравнивания дефектных поверхностей с нанесенной ТИ, изготовления сотовых конструкций, склеивания деталей из металлов и неметаллов с большими знакопеременными нагрузками. ПЭК-74 готовится и отверждается при 15-35°С не менее 48 ч. В отвержденном состоянии представляет собой пенопласт замкнутоячеистой структуры с плотностью <0,5 г/см , прочностью при сжатии >10 МПа.

Следует обратить особое внимание на методические особенности определения некоторых основных свойств сферопластиков. Так, согласно патенту США WO 99/57182 «Ероху - syntactic foam - insulated pipes» 1999 г. рекомендовано придерживаться:

- ASTM D 695-96 «Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics». -Сжатие. Размеры образца-параллелепипеда 12,7x12,7x25,4 мм (Н), или 012,7x25,4 мм;

- ASTM D 790-96а «Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced Plastics and Electrical Insulating Materials». - Изгиб. Размеры образца-полоски 127 (L)/ \ 2,7 (B)x3,2 мм (Я);

- ASTM D 638-96 «Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics». - Растяжение. Гантелеобразные образцы армированных и неармированных пластиков толщиной <14 мм.

Для надлежащей оценки возможности использования в конструктивных элементах с закладными деталями того или иного сферопластика общепринято проводить, в первую очередь, сравнение по прочности (ср.с) и удельной прочности (ор с Id, км) при сжатии (ор с -разрушающее напряжение при сжатии).

Однако до сих пор применительно к полимерным сферопластикам авиационного назначения нет устоявшегося мнения о форме, типоразмерах образцов, условиях нагружения и

т. п. Так, фирмы «Huntsman», «ЗМ», «Boeing» [3], ссылаясь на ASTM D 695-96, полагают целесообразным проводить испытания образцов сферопластиков на сжатие в виде параллелепипедов или цилиндров, полученных механическим путем из предварительно изготовленных и отвержденных блоков, а разработчики пенокомпаунда ПЭК-74 - в виде образцов-кубиков с длиной ребра 30 мм.

В материалах первой международной конференции по сферопластикам и пено-пластам, состоявшейся в 2004 г. в канадском городе Banff, и в ряде других публикаций методике испытаний и особенностям разрушения образцов сферопластиков при сжатии также уделяется большое внимание [4].

Так, предлагается подвергать испытаниям образцы-цилиндры 040 мм, высотой Н= 80 мм [5]; кубики с ребром 25,4 мм [6]; призмы высотой 25,4 мм и основанием 25,4x12,5 мм [7], высотой 15 мм и основанием 5x8 мм [8], высотой 25,4 мм и 026,1 мм [9], высотой 10 мм и основанием от 1 lxl 1 мм до 25x25 мм [10].

Отечественный ГОСТ 4651 «Пластмассы. Метод испытаний на сжатие» рекомен-

4 2 3

дует для пластмасс с модулями упругости <1-10 кгс/см (<10 МПа) испытывать образцы-параллелепипеды с квадратным основанием 10x10 мм и высотой (Н) 15 мм или цилиндры 010 мм и высотой (Н) 15 мм.

Анализируя приведенные данные, следует сделать вывод о возможной сопоставимости показателей свойств отечественных и зарубежных сферопластиков при сжатии, полученных при испытаниях образцов-параллелепипедов с размерами основания (12,5-13)х(12,5-13) и высотой 18-25 мм (т. е. 1,5-2,0 от размера стороны основания).

В ВИАМ (см. таблицу) испытания сферопластиков на сжатие проводятся на образцах-параллелепипедах указанных размеров.

По мнению ряда ведущих зарубежных («Boeing») и отечественных КБ (ОАО «АК им. C.B. Ильюшина, ОАО «Туполев»), наряду с определением показателей физико-механических свойств сферопластиков (сжатие), для оценки эксплуатационной работоспособности целесообразно проводить также испытания на «вырыв» несложных конструктивных элементов, в частности втулок, устанавливаемых в сотовых панелях с использованием сферопластиков.

Следует иметь в виду при этом, что в РФ специализированные методики испытаний сферопластиков в составе конструктивных сотовых элементов отсутствуют. Но имеют место весьма разнообразные подходы как к конструкции и материалам закладных втулок, так и к технологическим особенностям оформления таких элементов.

Итак, применяются три основных варианта фиксации втулок в сотовых панелях - в зависимости от их назначения (крепление исследовательского оборудования, силовой крепеж, резьбовые, болтовые соединения деталей и др.), конструктивных особенностей изделия и специфики производства:

- заполнение участка сотовой панели сферопластиком, отверждение сферопластика, механическая обработка (сверление или фрезерование с целью образования пустотелого объема), вклеивание втулки, например с помощью клея ВК-9 (вариант №1);

- удаление объема сотового заполнителя из заданного участка, заполнение его сферопластиком, установка втулки, отверждение сферопластика (вариант №2);

- удаление объема сотового заполнителя, установка и фиксация втулки, введение (шприцевание) сферопластика и его отверждение (вариант №3).

На рис. 1 приведены схемы испытаний на «вырыв» и «скручивание» втулок, установленных по варианту №2 на участках сотовых панелей, заполненных сферопластиками ВПЗ-7М, -10, -14 (так называемые зоны «сотосферопластика»), использованные авторами на основании аналогичных схем фирмы «Boeing».

На рис. 2 представлены некоторые наиболее часто используемые в сотовых панелях втулки, а на рис. 3 - результаты их испытаний на «вырыв» из зоны «сотосферопластика».

а)

б)

Вырыв

Скручивание

Рис. 1. Схема испытаний закладных элементов - металлических втулок - на «вырыв» из сотовой панели:

а - участок сотовой панели с установленной втулкой (ширина панели 60 мм, растояние от края панели до отверстия 30 мм, между соседними отверстиями 60 мм); б - участок сотовой панели с установленной втулкой в разрезе: 1 - втулка; 2 - сферопластик; 3 - тяга; 4 - опорное кольцо

а)

д)

в)

г)

4

ж)

Рис. 2. Типовые закладные элементы - втулки, устанавливаемые в сотовые панели: а - втулка 012 мм, высотой (Н) 9 мм; 6-08 мм, Н= 10 мм; в - 08 мм, #=18 мм; г-ж - втулки сложной формы Н= 6-18 мм

30001

12

В

= 2000--п- -

я

к —

2 —

о.

= юоо- - -м- - -

а

К

о

>> -и-и-и-и-и-и-

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Изменение усилия вырыва втулок в зависимости от их типоразмеров и марки сфе-ропластика:

1 - на клее ВК-9; 2,3,5- ВПЗ-10; 4,6- ВПЗ-7М, ВПЗ-14

Необходимо отметить три принципиальных, по мнению авторов, момента, связанных с показателями усилия «вырыва»:

- разрушающая нагрузка при скручивании практически не зависит от типа сферопластика (ВПЗ-7М, -10, -14), типоразмера и материала втулки и составила 11-13,8 Н м. При этом происходило разрушение (срез) винтового индентора (М4, М5);

- между нижним торцем втулки и внутренней поверхностью обшивки сотовой панели должен быть слой сферопластика толщиной не менее 0,5 мм, поскольку усилие вырыва существенно зависит от прочности связи между материалами втулки и обшивки. Так, прочность при отрыве аоф (ГОСТ 14760) соединения сталь-стеклопластик в слое сферопластика толщиной 1-2 мм при 20°С составляет:

Материал о„ф, МПа

ВПЗ-7М..........................................9-20

ВПЗ-10...........................................3-5

ВПЗ-14...........................................8-16

.\raldite 255 ....................................... 11-18;

- диаметр зоны (участка) заполнения сферопластиком подготовленного объема в сотовой панели должен составлять не менее 2,5-3,0 диаметров цилиндрической части втулки.

Таким образом, разрушающая нагрузка - величина силы «вырыва» втулки на мо-

мент страгивания - составила:

- при использовании клея ВК-9 (см. рис. 2, а)................^600 Н;

- при использовании ВПЗ-10 (см. рис. 2, б, в)................<1300-2000 Н;

- при использовании ВПЗ-7М (см. рис. 2, б, в)...............<1500-2250 Н;

- при использовании ВПЗ-14 (см. рис. 2, б, в)................<2100-2250 Н.

На рис. 4, а представлены элементы сотовых панелей из алюминиевого сплава (соты АМг2Н высотой 15 мм с ячейкой 3,5 мм), на рис. 4, б - из стеклопластика (соты ССП высотой 15 мм с ячейкой 2,5 мм) после испытания на «вырыв» закладного элемента.

CI)

б)

Рис. 4. Внешний вид образцов сотовых панелей после испытаний на «вырыв»: а - соты АМг2Н

По результатам проведенных исследований сферопластики ВПЗ-7М, -10, -14 рекомендованы для применения в составе сотовых панелей интерьера пассажирских самолетов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соколов ИИ, Долматовский М.Г., Деев И.С., Стеценко В.Я. Влияние физико-механических характеристик полых стеклянных микросфер на свойства сферо-пластиков //Пластические массы, 2005, №7, с. 16-18.

2. Соколов ИИ, Долматовский М.Г. Сферопластики //Полимерные материалы, 2005, №9, с. 20-21.

3. Boeing Material Specification. Honeycomb edge filling and potting compound. 1987.

4. Syntactic and Composite Foams I. Engineering Conference International (ECI). August 1-6, 2004, Banff, Alberta (Canada).

5. Palumbo M., Tempesti E. On the nodular morphology and mechanical behavion of syntactic foam cured in thermal and microwave fields //Acta Polym., 1998, №49, p. 482-486.

6. Gupta N., Woldesenbet E. Compressive fracture feature of syntactic foams - microscopic examination//J. of Materials Science, 2002, №37, p. 3199-3209.

7. Jadhav A. Effect of density and strain rate on properties of syntactic foams //J. of Materials Science, 2005, №40, p. 4009-4017.

8. Fine Т., Sautereav H. Innovative processing and mechanical properties of high temperature syntactic foams based on a thermoplastic/thermoset matrix //J. of Materials Science, 2003, №38, p. 2709-2716.

9. Gladysz G.M. Three-phase syntactic foams: structure property relabionships //J. of Materials Science, 2006, №41, p. 4085-4092.

10. Sankaran S. Studies on compressive failure features in syntactic foam material //J. of Materials Science, 2001, №36, p. 4485-4491.