Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ

4. Крамченков Е.М. Исследование эрозионного изнашивания материалов: автореф. дис. канд. техн. наук. М. 1996. 26 с.

5. Урбанович Л.И., Крамченков Е.М., Чуносов Ю.Н. Разогрев твердого тела в зоне удара эродирующей твердой частицы //Трение и износ. 1994. Т. 15. №6. С. 965-972.

6. Кондратов Э.К. Эрозионностойкие лакокрасочные покрытия. М.: Химия. 1989. 136 с.

7. Бодрышев В.В. Удельная энергия разрушения как определяющий параметр эрозионной стойкости материала//Известия вузов. 1978. №2. С. 133-137.

8. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М.: Машиностроение. 1982. 192 с.

УДК 669.715+678.034

В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, В.В. Сиделъников

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОЖАРОСТОЙКОСТИ СЛОИСТЫХ ГИБРИДНЫХ АЛЮМОСТЕКЛОПЛАСТИКОВ КЛАССА СИАЛ

Приведены результаты испытаний на пожаростойкостъ (сопротивление распространению пламени) слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ различной структуры и состава (прежде всего на базе листов Al-Li сплава 1441). Испытания образцов с размером рабочей зоны 200*200 мм на лабораторных установках при воздействии пламени газовой горелки показали, что СИАЛы позволяют (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) на порядок (с ~1,5 до 15 мин при 1100°С) увеличить время сопротивления распространению пламени, сохранить жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Установлен механизм противодействия разрушению СИАЛов при воздействии пламени. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаро-стойких перегородок.

Ключевые слова: пламя, температура, продолжительность прогорания, газовая горелка.

СИАЛы (Стеклопластик И АЛюминий) - класс перспективных конструкционных слоистых гибридных материалов, состоящих из тонких (0,3-0,5 мм) листов алюминиевых конструкционных сплавов (Al-Li сплава пониженной плотности 1441, дура-люминов 1163, Д16ч., высокопрочных сплавов В95п.ч./о.ч.) и прослоек (0,2-0,5 мм) пластика на основе клеевых препрегов, армированных высокопрочными стеклонапол-нителями. Зарубежным аналогом является материал GLARE (GL - стекло, А - алюминий, RE - армирование), который эффективно использован в качестве обшивки фюзеляжа самого большого самолета А-380 компании «Airbus» [1, 2].

СИАЛы имеют преимущества по сравнению с монолитными алюминиевыми листами: высокую трещиностойкость (на порядок выше сопротивление росту трещины

усталости: <0,3 мм/кцикл при AK=31 МП^Тм), пониженную плотность (2,35-2,5 г/см3) -на 10-15%, высокую прочность (ов >600 МПа), обладают уникальным комплексом других характеристик - высокими пожаростойкостью, коррозионной стойкостью и ударостойкостью. В результате повышаются живучесть, ресурс и весовая эффективность конструкций [1, 4].

Сопротивление распространению пламени особенно важно для больших широкофюзеляжных самолетов, пассажиры которых должны покинуть самолет в течение 90 с в случае пожароопасной ситуации [1, 3].

Как показывает анализ, СИАЛы способны существенно повысить сопротивление распространению пламени при пожаре (по сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов) ввиду особенностей своей слоистой структуры и состава.

Для оценки пожаростойкости (огнестойкости) СИАЛов проведены две серии испытаний горизонтально расположенных листовых образцов размером 220*220 мм (размер рабочей зоны: -200*200 мм) на лабораторных установках при одностороннем воздействии открытого пламени газовой горелки (рис. 1, а) и в закрытой камере (рис 1, б).

а) б)

Рис. 1. Схемы установок для испытания листовых образцов на пожаростойкость при одностороннем воздействии пламени:

а - открытое пламя; б - в закрытой камере

Процедура проведения испытаний и критерии оценки работоспособности материалов выполнялись с учетом требований Авиационных правил. Сквозное прогорание образцов регистрировалось визуально, кроме того, фиксировались температура над поверхностью образца, расслоения, дымовыделение, искривление и т. д.

* В испытаниях принимали участие С.Л. Барботько, В.И. Постнов.

Исследовалось шесть типов структур СИАЛов (толщиной 1,1-2,4 мм) на базе листов сплавов 1441-РДТ11, Д16ч.-АТ и клеевого препрега, армированного стекловолокнами ВМП при различной ориентации и количестве монослоев (табл. 1).

Таблица 1

Структура и результаты испытаний на пожаростойкость исследованных СИАЛов на базе листов сплава 1441

Марка материала Структура СИАЛа Условия испытаний

Al лист/слой стеклопластика Ориентация слоев препрега в слое стеклопластика 950°С, 15 мин 1100°С

СИАЛ-1-1 2/1 [0°/0°] Отсутствует  сквозное прогорание -

СИАЛ-2-1 2/1 [0°/90°/0°] 15 мин

СИАЛ-3-1 3/2 [0°/90°] 30 мин

СИАЛ-2-1 3/2 [0°/90°/0°] 60 мин

СИАЛ-5-1 3/2 [0°/90°/0°/90°]

СИАЛ-3-1 4/3 [0°/90°]

Д16ч.-АТ, 1441-РДГ11 До 2 мм Сквозное прогорание до 2 мин

Установлено и подтверждено, что алюминиевые листы толщиной 1-2 мм (обычно используемые для обшивок фюзеляжа) прогорают насквозь быстро - через 1,5-2 мин (рис. 2).

240

а 160 &

& 120 с

и

н 80 40

0

Рис. 2. Изменение температуры на расстоянии 100 мм от листов из СИАЛов и сплава Д16ч.-Т со стороны, противоположной пламени

О

в Л Д16ч.-Т

/ *

( 9 Г / 5 СР АЛ-2-1

# • / си^ \Л-3-1 X I У А \

с Й жТ^г 1. ^ 1

40 80 120 160 200 240 280 Продолжительность прогорания, с

У всех типов структур СИАЛов отсутствовало сквозное прогорание при воздействии пламени с температурой 950°С в течение 15 мин, однако наблюдалось прогорание первого алюминиевого листа и двух монослоев первого слоя стеклопластика со стороны пламени.

Сквозное прогорание отсутствовало также при температуре 1100°С при увеличении многослойности материала со структурой 4/3 (до семи слоев) и количества монослоев (до четырех) в слое стеклопластика.

Как показали исследования, листы СИАЛов обладают высокими теплозащитными свойствами: со стороны, противоположной пламени, на расстоянии 100 мм температура воздуха остается сравнительно низкой (не выше 120°С) в течение 5 мин (см. рис. 2).

а) б)

Рис. 3. Вид образцов

На основании анализа характера разрушения, установлен следующий механизм противодействия разрушению СИАЛов. Тонкие алюминиевые листы (0,3-0,5 мм) в составе СИАЛа (независимо от сплава) прогорают через ~15 с (как известно, алюминий имеет температуру плавления ~700°С). Расположенные за алюминиевыми листами

слои пластика, в состав которых входят армирующие стеклянные (жаропрочные) волокна с температурой плавления ~1700°С, что выше температуры пламени (1100°С), -создают барьер огню. При этом эпоксидная матрица слоя пластика подвергается термодеструкции (температура коксования 300-350°С), вызывая образование газообразных продуктов (дымовыделение - до 3 мин) и практически полное расслоение материала, что позволяет проходить воздуху через промежуточные слои и действовать как дополнительный изолирующий эффект от потока пламени. Поэтому сквозного прогорания СИАЛа не происходит (рис. 3), так как распространению пламени противодействуют два фактора - наличие стекловолокон и расслоение материала.

Данные о повышенной пожаростойкости СИАЛов (Россия) близки к значениям показателей по пожаростойкости аналогичных материалов, созданных компаниями «Airbus» (рис. 4) и «Boing» [1-3] (табл. 2).

Продолжительность прогорания, с

Рис. 4. Изменение температуры на наружной и внутренней стороне фюзеляжа из различных материалов при огневых испытаниях (по данным компании «Airbus»).

Таблица 2

Сравнительные результаты испытаний на пожаростойкость _материалов компании «Boing»_

Марка материала Условия испытаний Значения показателей на стороне,

противоположной пламени

Европа, США Россия Температура, °С Продолжительность прогорания, мин

GLARE 3-2/1 СИАЛ 3-2/1 1100±25 °С 220 5

GLARE 3-3/2 СИАЛ 3-3/2 в течение 15 мин, 160 5

GLARE 4-2/1 СИАЛ 5-2/1 (без прогорания) 215 10

Монолитный лист (1,5-2 мм) 1100±25 °С Сквозное 1,5

из алюминиевого сплава прогорание

2024-ТЗ Д16ч.-Т

Таким образом, слоистые СИАЛы, в том числе на базе листов Al-Li сплава 1441, обладают повышенной пожаростойкостью по сравнению с монолитными алюминиевыми листами и позволяют на порядок (с ~1,5 до 15 мин) увеличить продолжительность проникновения пламени, сохранить структурную жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров из самолета. Результаты испытаний также показали, что СИАЛы (GLARE) возможно использовать в качестве пожаростойких перегородок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Roebroeks G.H.J.J. GLARE: a structural material for fire resistant fuselages. AGARD Conference Proceedings. October 1996. P. 26-1-26-13.

2. Hoijimeijer P.A. Burn-through and lightning strike in «Fibre-Metal Laminates», Klun-er Academic Publishers. 2001. P. 399-408.

3. Characterisation of Fibre Metal Laminates under Thermo-mechanical Loadings, Ed. By Michiel HAGENBEEK. Netherlands. 2005. P 17-22.

4. Постнов В.И., Постнова M.B., Казаков И.А., Абрамов П.А. Особенности контурной обработки резанием листовых заготовок МПКМ в серийном производстве. Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 3-8.