Слоистый гибридный композиционный материал и изделие, выполненное из него
LAYER HYBRID COMPOSITE MATERIAL AND THE PRODUCT MADE OF IT

Изобретение относится к области слоистых гибридных композиционных материалов, содержащих внешние и внутренние листы из алюминий-литиевых сплавов и слои стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя, применяемых в качестве конструкционного материала для силовых обшивок крыла самолета, а также для использования в других транспортных средствах.
Многие годы обшивки крыла изготавливаются механической обработкой плит (листов, прессованных панелей): верхние из высокопрочных сплавов типа В95очТ2 (7475-Т76 за рубежом), отличающиеся, главным образом, повышенной статической прочностью при сжатии, нижние из ресурсных среднепрочных сплавов типа 1163Т (2524-Т351 за рубежом), отличающиеся повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости, и используются как монолитные стрингерные конструкции, с толщиной обработанного полотна ~5-10 мм (А.А. Туполев, В.В. Сулименков, В.К. Зельтин. Повышение эксплуатационных характеристик и эффективности конструкций пассажирских самолетов. Металловедение алюминиевых сплавов М., Наука, 1985, с. 22-40; О.Г. Сенаторова, В.В. Антипов, А.В. Бронз, А.В. Сомов, Н.Ю. Серебренникова. Высокопрочные и сверхпрочные сплавы традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu, их роль в технике и возможности развития // ТЛС, 2016, №2, с. 43-49).
Известен класс слоистых гибридных алюмостеклопластиков под маркой GLARE (Glass + Aluminium + Reinforced), которые предложены и реализованы в обшивке фюзеляжа фирмой AKZO (Нидерланды) (ЕР 0312151 А1, опубл. 1989), состоящие из тонких одинаковой толщины (0,2-0,5 мм) листов традиционных сплавов систем легирования Al-Cu-Mg (2024-Т3 - типа Д16чТ) и Al-Zn-Mg-Cu (7475-Т76 - типа В95очТ2) и промежуточных слоев стеклопластика, как правило, на клеевом связующем, армированным непрерывными стекловолокнами из стекла типа S (серии ВМП в России).
Известны российские слоистые композиционные гибридные алюмостеклопластики марки СИАЛ (Стекло И Алюминий) пониженной плотности и повышенного модуля упругости на базе тонких листов из Al-Li сплавов типа ресурсного 1441 (RU №2185964, опубл. 27.07.2002; RU №2565215, опубл. 20.10.2015 г.), обозначенные маркой СИАЛ-1-1Р.
Материалы (GLARE и СИАЛ) используются в виде относительно тонких обшивок фюзеляжа толщиной до 2,5 мм (максимальной структуры 6/5, где 6 - количество алюминиевых листов и 5 - количество прослоек стеклопластика). Основные недостатки известных слоистых алюмостеклопластиков (GLARE и СИАЛ) применительно к крыльевым панелям состоят в следующем: при использовании в обшивках крыла требуется большая многослойность, при которой резко возрастает трудоемкость изготовления композита - усложняется подготовка поверхности тонких Al-Li листов (анодное окисление и покрытие грунтом) и ручная выкладка большего количества слоев клеевых препрегов; параллельно нарастают проблемы дефектности и трудности их определения.
По этим основным причинам разработанные многослойные материалы класса СИАЛ и GLARE сложно применять в массивных обшивках крыла увеличенной толщины.
Из уровня техники известен градиентный металлостеклопластик, состоящий из внешних листов одинаковой толщины высокомодульного Al-Li сплава с пределом текучести в диапазоне 300-400 МПа и слоев стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из стекловолокон в виде тканей или ровинга. Он содержит внутренние листы из высокопрочного Al-Li сплава с пределом текучести более 500 МПа, причем каждый слой стеклопластика расположен между упомянутым внутренним листом и внешними листами, толщина внутреннего листа составляет 25-40% от общей толщины градиентного металлостеклопластика (RU 2565215, опубл. 20.10.2015, В32В 15/08).
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является слоистый композиционный материал, состоящий из чередующихся алюминиевых листов и слоев стеклопластика с термореактивным связующим и армирующим наполнителем. Материал содержит, по крайней мере, два слоя алюминиевых листов, один из которых выполнен из высокомодульного Al-Li сплава пониженной плотности с содержанием Li более 1,5%, а другой - из сплава системы Al-Mg-Si при соотношении толщин слоев (70-12):1 (RU 2270098, опубл. 20.02.2006, В32В 15/08).
Недостатками данных материалов является малая толщина, пониженные несущая способность и сопротивление сжатию, недостаточная жесткость.
Технической задачей настоящего изобретения является создание слоистого гибридного композиционного материала на основе листов разной толщины из двух Al-Li сплавов и слоев стеклопластиков, обладающего повышенными ресурсом и несущей способностью при сжатии, при высоком сопротивлении усталостному разрушению, пониженной плотности, высокой прочности, повышенном модуле упругости, для конструкционного применения в основных силовых элементах планера самолета (типа обшивок крыла) и другой транспортной технике.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании слоистого гибридного композиционного материала на основе Al-Li листов с повышенным ресурсом и несущей способностью при сжатии, при сохранении высокого сопротивления усталостному разрушению и прочности, пониженной плотности, повышенного модуля упругости.
Для решения поставленной задачи предложен слоистый гибридный композиционный материал, содержащий внешние и внутренние слои из Al-Li сплавов и слои стеклопластика на базе клеевых препрегов с армирующим наполнителем. В качестве внешних слоев применяются Al-Li листы толщиной 1-2 мм. В качестве внутренних слоев используются Al-Li листы толщиной 0,3-0,5 мм в количестве не менее трех, при этом слои стеклопластика, расположенные под внешними Al-Li слоями, выполнены на основе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов (об. %).
3
3
В качестве металлических слоев используются листы из Al-Li сплавов с пониженной плотностью и повышенным модулем упругости при растяжении. Например, для внешних слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м и модулем упругости при растяжении не менее 76 ГПа, для внутренних металлических слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.
Между внутренними листами Al-Li сплава может применяться стеклопластик, армированный стекловолокном не менее 60 объемных процентов.
3
Армирующий наполнитель между внутренними листами Al-Li сплава может быть выполнен в виде однонаправленной стеклоткани (с основой из высокопрочных стеклянных волокон и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала) или в виде стеклоровинга. Основа армирующего наполнителя между внутренними листами Al-Li сплава может быть выполнена из стеклянных волокон диаметром 5-20 мкм, плотностью 2500-2580 кг/м, с пределом прочности 4000-5000 МПа, модулем упругости при растяжении 85-100 ГПа.
Клеевое связующее может быть выполнено на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°C и обеспечивает монолитность слоя стеклопластика и надежную связь между слоями композиционного материала.
Предложено также изделие, выполненное из заявленного слоистого гибридного композиционного материала.
3
3
Слоистый гибридный алюмополимерный композиционный материал (рис. 1) состоит из чередующихся листов разной толщины из Al-Li сплавов и слоев стеклопластика. Внешние (наружные) листы 1 имеют толщину 1-2 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м, внутренние 3 листы имеют толщину 0,3-0,5 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м. При этом количество внутренних (тонких) листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре составляет не менее трех, между которыми применен стеклопластик 4 с армирующим наполнителем не менее 60 объемных процентов из однонаправленных стеклянных волокон в виде стеклоровинга или однонаправленной стеклоткани. Между внешними листами толщиной 1-2 мм применен стеклопластик 2 на базе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов.
Предложенная регламентация количества внутренних тонких листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре не менее трех, между которыми применен стеклопластик на базе клеевого препрега с армирующим наполнителем из однонаправленных стеклянных волокон не менее 60 объемных процентов, обеспечивает повышение в 5-10 раз сопротивления росту трещиноусталости слоистого гибридного материала, что ведет к повышению ресурса.
3
Использование в составе слоистого гибридного материала листов из Al-Li сплавов пониженной плотности позволяет дополнительно повысить весовую эффективность, при этом применение в качестве внешних слоев листов увеличенной толщины 1-2 мм из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м ведет также к повышению несущей способности и жесткости конструкции.
Использование в составе слоистого гибридного материала слоев стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя позволяет повысить предел прочности при растяжении и сжатии, при этом стеклопластик, расположенный между внешними листами увеличенной толщины, армирован стеклотканью сатинового плетения, что способствует повышению статической прочности материала в поперечном направлении. Между внутренними тонкими листами применен стеклопластик, армированный однонаправленными стеклянными волокнами.
Применение стеклопластика, армированного тканью сатинового плетения, взамен стеклопластика, армированного ровингом из традиционных высокопрочных волокон (ВМП, S и др.), способствует повышению статических прочностных свойств материала по ширине, т.к. обшивка крыла самолета испытывает действие рабочих нагрузок в долевом и поперечном направлениях.
Пониженное содержание до 40 объемных процентов армирующего наполнителя обеспечивает достаточное качество соединения внешних листов, о чем свидетельствуют прямые испытания на сдвиг (таблица 1) и отсутствие расслоений в образцах при других видах испытаний.
Дополнительным фактором является совместимость сплавов внешних и внутренних Al-Li листов по температурно-временным параметрам упрочняющей термообработки. Эти параметры, в свою очередь, совместимы с повышенной температурой отверждения (170-180°C) используемого клеевого модифицированного связующего для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями и повышения температуры эксплуатации композиционного материала.
На рисунке 1 приведена схема слоистого гибридного материала, где:
1 - внешний (наружный) слой толщиной 1,0-2,0 мм из Al-Li сплава;
2 - стеклопластик на базе клеевого препрега на стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не более 40 об. %;
3 - внутренний слой толщиной 0,3-0,5 мм из Al-Li сплава;
4 - стеклопластик на базе клеевого препрега на ровинге или однонаправленной стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не менее 60 об. %.
В таблице 3 показаны механические и физические свойства листовых заготовок из заявленного (примеры 2, 3), экспериментального (пример 1, 4), известных (примеры 5, 6) слоистых композиционных материалов и известного монолитного материала (пример 7). Пример 1 - с содержанием в структуре двух внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 2 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 3 - с содержанием в структуре четырех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 4 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм и прослойками стеклопластика, армированного тканью (до 40 об. %); пример 5 - СИАЛ-1-1Р с одинаковыми по толщине листами из Al-Li сплава и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 6 - GLARE с одинаковыми по толщине среднепрочными листами из сплава 2024 системы Al-Cu и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 7 - монолитный лист толщиной 5-10 мм из Al-Li сплава.
Примеры осуществления
B
B
3
3
В опытно-промышленном производстве были отформованы слоистые гибридные листовые заготовки предлагаемого композиционного материала габаритами 5×500×500 мм, состоящие из: двух внешних (наружных) листов Al-Li сплава (толщиной от 1,0 до 2,0 мм, пределом прочности σ~560 МПа, пониженной плотностью d~2680 кг/м и повышенным модулем упругости Е~78 ГПа) и слоев внутренних однонаправленых алюмостеклопластиков структуры 2/1, 3/2 и 4/3 на основе тонких листов из Al-Li сплава (толщиной 0,35 мм (в количестве двух, трех, четырех), пределом прочности σ~460 МПа, пониженной плотностью d~2590 кг/м и повышенным модулем упругости Е~79 ГПа) и слоев стеклопластика с тканевым армирующим наполнителем не более 40 об. %, расположенные между внешними Al-Li слоями, и слоев стеклопластика с ровингом, армированным не менее 60 об. % непрерывными высокопрочными волокнами между внутренними тонкими листами в однонаправленных алюмостеклопластиках структуры 2/1, 3/2 и 4/3.
Алюминий-литиевые листы подвергали предварительной подготовке поверхности: обезжириванию, травлению, анодному окислению и покрытию адгезионным грунтом. Выкладку материала осуществляли ручным методом. Формование листовых заготовок слоистого гибридного материала проводили автоклавным способом при повышенной температуре отверждения модифицированного связующего (170-180°C).
Микроструктуру и регламентированные соотношения листов и слоев стеклопластика, объемное содержание компонентов в слоистом гибридном материале оценивали на шлифах, вырезанных из разных зон, методами количественного микроструктурного анализа в оптическом микроскопе.
Таким образом, предложенный трещиностойкий, легкий, высокопрочный, высокомодульный слоистый гибридный композиционный материал расширяет возможности производства деталей, обеспечивает повышение ресурса, надежности, весовой эффективности, жесткости, несущей способности при сжатии, температурного диапазона эксплуатации изделий.
Материал рекомендуется для изготовления обшивок (панелей) крыла самолета, а также для изделий наземного транспорта и другой транспортной техники взамен монолитных плит (листов, прессованных панелей) из алюминиевых и Al-Li сплавов и слоистых материалов серии СИАЛ/GLARE.