Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе

УДК 621.792.053

Л.А. Дементьева, А.А. Сереженков, Н.Ф. Лукина, К.Е. Куцееич

КЛЕЕВЫЕ ПРЕПРЕГИ И СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Указаны отличительные особенности клеевых препрегов и приведены результаты их применения. Дано описание нового класса алюмополимерных слоистых материалов марок СИАЛ, которые представляют собой гибридный материал на базе тонких алюминиевых листов из конструкционных сплавов и стеклопластика на основе клеевых препрегов из клеевых связующих расплавного типа и стеклонаполнителей с различной структурой армирования.

Ключевые слова: конструкционные клеи, клеевые препреги, композиционные материалы клеевые, угле- и стеклонаполнители, клеевая матрица, технологические свойства, СИАЛы, прочностные характеристики.

Distinctive features of adhesive prepregs and results of their application are demonstrated. Description of a new class of alumopolymer layered materials (SIAL grade) - a hybrid material on the basis of thin sheets made from structural aluminium alloys and fiberglass on the basis of adhesive prepregs from melt-type bonding adhesive and glass fillers with various structure of reinforcing is given.

Key words: structural adhesives, adhesive prepregs, adhesive composite materials, coal- and glass fillers, adhesive matrix, processing characteristics, SIALs, strength properties.

Совершенствование аэродинамических характеристик планера летательных аппаратов с обеспечением весовой эффективности во многом решается путем применения в конструкции авиационной техники перспективных композиционных материалов. Авторами выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований прочностных и вязкоупругих свойств многокомпонентных полимерных композиций. Результаты этих исследований явились основой для разработки высокопрочных и высокоэластичных пленочных клеев конструкционного назначения, которые по своим прочностным, деформационным и технологическим свойствам находятся на уровне лучших мировых аналогов и отвечают жестким требованиям, предъявляемым к материалам для изделий авиационной техники.

Особое значение конструкционные клеи приобрели в связи с поставленными задачами по созданию полимерных композиционных материалов (ПКМ) с принципиально новыми свойствами. В этом случае составы высокопрочных клеев используются в качестве основы клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными), с применением которых впервые в отечественной практике разработаны долгоживущие клеевые препреги и на их основе - композиционные материалы клеевые (КМК). При изготовлении клеевых препрегов в их составе используются различные наполнители отечественного и зарубежного производства: углеродные ленты, жгуты (клеевые препреги марок КМКУ) и стеклонаполнители, в том числе на основе высокомодульных волокон (клеевые препреги марок КМКС), что позволяет варьировать свойства КМК в широких пределах.

Отличительной особенностью клеевых препрегов является то, что они позволяют реализовать высокоэффективную технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых (слоистых) конструкций из неметаллических материалов одинарной и сложной кривизны, в процессе которой формирование обшивки и приклеивание ее к сотовому заполнителю происходит за одну технологическую операцию. Эта же технология позволяет создавать сложные конструкции, сочетающие сотовые и монолитные элементы. Трехслойные сотовые конструкции из ПКМ в зависимости от назначения, конструктивно-технологических особенностей и требуемых свойств изготовляют методами автоклавного или прямого прессования [1, 2]. Результат применения клеевых препрегов выражается в снижении: цикла изготовления конструкций - в 2-3 раза, трудоемкости изготовления сотовых конструкций - на 40-50% по сравнению с обычными клееными панелями (за счет сокращения технологических операций в 3 раза), количества оснастки - в 1,5-2 раза, массы конструкции (особенно с сотовым заполнителем) - на 3050%, количества выбросов вредных веществ в атмосферу - в 10-15 раз благодаря использованию безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. Композиционные материалы клеевые позволяют повысить герметичность конструкций из ПКМ в 10 раз, трещи -ностойкость - на 40-50%, прочность при межслоевом сдвиге - на 20-35%.

Разработка композиционных материалов клеевых (КМК) на основе клеевых препрегов была начата с 90-х годов прошлого века. Первым этапом работ в этом направлении явилась разработка композиционных материалов на основе клеевых препрегов марок КМКС-1.80 и КМКУ-1.80 с рабо-

чей температурой 80°С и марки КМКС-2.120 с рабочей температурой 120°С [3]. Использование клеевых матриц, различающихся составом, реологическими, прочностными и деформационными характеристиками в сочетании с разнообразными стекло- и угленаполнителями, позволило расширить ассортимент КМК, разработанных на основе клеевых препрегов марок: КМКС-2м.120 и КМКУ-2м.120 с рабочей температурой 120°С; КМКУ-3.150 с рабочей температурой 150°С; КМКС-4.175, КМКС-4м.175 и КМКС-4к.175 с рабочей температурой 175°С [4].

В табл. 1 представлены основные свойства некоторых композиционных материалов клеевых на основе стекло- и угленаполнителей.

В настоящее время композиционные материалы клеевые являются одними из наиболее востребованных полимерных материалов. Они применяются практически во всех современных изделиях авиационной и ракетно-космической техники, внедрены в конструкцию истребителя пятого поколения Т-50, самолета Super Jet-100 для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ. Планируется их использование в изделии МС-21.

С применением клеевых препрегов КМКС разработан новый класс алюмополимерных слоистых материалов марок СИАЛ, которые представляют собой гибридный материал на базе тонких алюминиевых листов из конструкционных сплавов и стеклопластика на основе клеевых препрегов из клеевых связующих расплавного типа и стеклона-полнителей с различной структурой армирования

[5, 6].

Разработана технология изготовления наиболее типичных структур материала СИАЛ - трехслойная и пятислойная. Создание необходимой степени анизотропии в соответствии с условиями работы конструкции регулируется перекрестным армированием слоев клеевого препрега в стеклопластике. В СИАЛ-1 стекловолокна расположены в одном направлении - [0°/0°], в СИАЛ-2: -70% в одном направлении и -30% в перпендикулярном, в СИАЛ-3: 50 и 50% соответственно - [90°/90°]*.

Ранее были созданы СИАЛы на базе листов алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и клеевого препрега КМКС-1.80.Т60 с теплостойкостью 80°С, которые наряду с повышенной (в 1,5-2 раза) прочностью и другими преимуществами по сравнению с монолитными листами из сплава Д16ч.-АТ обладали пониженным на 10-30% модулем упругости при растяжении. В связи с этим актуальной являлась задача по созданию материала СИАЛ на базе алюминийлитиевого сплава 1441, обладающего в сравнении со сплавом Д16ч.-АТ повышенным модулем упругости (£^80 ГПа), пониженной плотностью (3=2,59 г/см3) и повышенной температурой эксплуатации (~130°С). Разработаны материалы СИАЛ на базе листов из сплава 1441 толщиной 0,3-0,4 мм и теплостойкого препрега КМКС-2.120.Т60 на основе кордной ткани Т-60 из высокомодульного волокна ВМП, предназначенные для эксплуатации при температурах до 120°С.

Следующим этапом явились работы по созданию материалов СИАЛ-1-1Р и СИАЛ-3-1Р на базе сплава 1441 и теплостойкого (до 120°С) клеевого

Таблица 1

Основные свойства композиционных материалов на основе клеевых препрегов марок КМКС и КМКУ

Показатели Значения показателей по маркам клеевого препрега в зависимости от свойств наполнителя

КМКС-2м. 120 КМКС-4(к).175 КМКУ-2м.120 КМКУ-3.150

Рабочая температура, °С -60^+120 -60-+175 -60-+120 -60-+150

Плотность, г/см3 1,5-1,9 1,62-1,65 1,4-1,51 1,4-1,5

Предел прочности при растяжении, МПа: по основе по утку 385-1500 245 720-730 410-425 880- 1950 44-800 900-1700 42-46

Модуль упругости при растяжении, 1Па по основе по утку 19-42 11,5-22 28-30 67- 125 8-9 120- 125

Предел прочности при сжатии, МПа: по основе по утку 555-900 210-440 600-720 275-450 880-990 115-700 1020-1025 150-155

Предел прочности при статическом изгибе, МПа 440-1400 840-950 1200-2050 1545-2030

Ударная вязкость ак, кДж/м2 160-240 233-270 70 -

Предел прочности при межслоевом сдвиге, МПа 55-80 75-80 75-78 82-85

Диэлектрическая проницаемость 8 (при 106 Гц) 3,92-4,22 3,7-4,2 -

Тангенс угла диэлектрических потерь t 5 (при 106 Гц) 0,013-0,017 0,014-0,015 -

* Работа проводилась сотрудниками ВИАМ О.Г. Сенаторовой и В.В. Сидельниковым.

Таблица 2

Основные свойства материалов СИАЛ пятислойной структуры

Материал Состав СИАЛа МПа Е, ГПа d, кг/м3 Рабочая температура, °С

алюминиевый сплав основа стеклопластика

СИАЛ-1 Д16ч.-АТ Клеевой препрег марки КМКС-1.80.Т60.37 на основе кордной ткани Т-60 (ВМП) 900 60 2470 80

СИАЛ-3 Д16ч.-АТ 600 55 2470

СИАЛ-1-1 1441 Клеевой препрег марки КМКС-2.120.Т60.37 на основе кордной ткани Т-60 (ВМП) 900 68 2360 120

СИАЛ-3-1 1441 600 64 2360

СИАЛ-1-1Р 1441 Клеевой препрег марки КМКС-2мР.120.РВМПН.30 на основе ровинга из высокомодульного стекловолокна 990 70 2350 120

СИАЛ-3-1Р 1441 630 64,5 2350

Алюминиевый сплав Д16ч.-АТ - 430 70 2780 80

1441-РДТ11 - 404 76-77 2590 ~130

препрега с наполнителем в виде ровинга из высокомодульного стекловолокна, что позволило повысить прочность, жесткость (Е) и снизить массу слоистых конструкций*.

В табл. 2 представлены сравнительные характеристики материалов СИАЛ.

Материалы СИАЛ превосходят по сопротивлению усталости, вязкости разрушения, статическим механическим свойствам, ударо- и огнестойкости монолитные листы из традиционных алюминиевых сплавов, которые в настоящее время применяются в авиации. Слоистые материалы также характеризуются пониженной плотностью.

Важнейшим преимуществом слоистых композитов типа СИАЛ перед монолитными алюминиевыми листами является также высокая трещино-стойкость, высокое сопротивление росту трещины усталости, определяющее надежность и ресурс работы самолетных конструкций.

Применение этих материалов в качестве элементов конструкций новых изделий авиационной техники позволит решить важнейшую задачу по повышению прочности, надежности и ресурса работы при одновременном снижении весовых характеристик, что обеспечит достижение высоких эксплуатационных свойств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мухаметов P.P., Ахмадиева K.P., Чурсова Л.В., Коган Д.И.

Новые полимерные связующие для перспективных методов изготовления конструкционных волокнистых ПКМ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 38-42.

2. Душин М.И., Хрульков A.B., Мухаметов P.P. Выбор

технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20-26.

3. Аниховская Л.И., Минаков В.Т. Клеи и клеевые пре-

прега для перспективных изделий авиакосмической техники /В сб.: Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: МИСиС-ВИАМ. 2002. С. 315-326.

4. Дементьева Л.А., Лукина Н.Ф., Сереженков A.A., Куцевич К.Е. Основные свойства и назначение ПКМ на основе клеевых препрегов /В сб. тезисов докладов XIX Международной науч.-технич. конф. «Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов». Обнинск. 2010. С. 11-12.

5. Фридляндер И.Н., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г.

и др. /В сб. трудов Международной конф. «Слоистые композиционные материалы-98». Волгоград. 1998. С. 30-32.

6. Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Лукина Н.Ф., Си-дельников В.В., Котова Е.В. Высокопрочные тре-щиностойкие легкие слоистые алюмостеклопласти-ки класса СИАЛ - перспективные материалы для авиационных конструкций //Технология легких сплавов. 2010. №1. С. 28-31.

* Работа проводилась при участии сотрудников ВИАМ Ю.О. Попова и Т.В. Колокольцевой.