Авиационные органические стекла

Органические стекла в деталях остекления самолетов рассматриваются наряду с металлическими материалами как силовые конструкционные материалы в конструкциях на внешнем контуре самолета и относятся к группе материалов, разрушение которых приводит к катастрофе. Они должны удовлетворять требованиям высокой конструкционной прочности в широком диапазоне эксплуатационных температур, надежности и основному функциональному требованию – высокому светопропусканию без оптических искажений.

В течение длительного времени интервал рабочих температур органического стекла составлял от -60 до +60°С, с развитием сверхзвуковой авиации и увеличением скорости полетов он расширился от -60 до +200°С и более. Детали остекления самолетов должны выдерживать разогрев и охлаждение внешней  поверхности в зависимости от типа летательного аппарата в интервале температур от -60 до +200°С и выше при температуре на внутренней поверхности +80°С, обладать ресурсом, сопоставимым с ресурсом планера. При температурах -60÷+60°С успешно эксплуатируется пластифицированное полиметилметакрилатное (ПММА) органическое стекло СО-95. Для остекления самолетов с рабочими температурами, превышающими 100°С, были разработаны и освоены промышленностью теплостойкие оргстекла линейной структуры:

– полиметилметакрилатные – СО-120, СО-120А, АО-120, АО-120А с температурой эксплуатации в деталях остекления самолетов – до 130°С и температурой размягчения 120°С;

– фторакрилатные – Э-2, Э-2У, СО-200 с температурой эксплуатации в деталях остекления самолетов – до 250°С и температурой размягчения 180–200°С.

Для перечисленных стекол накоплен опыт эксплуатации до 20–30 лет [1–7].

Произошедшие в стране политико-экономические изменения отразились на всех сторонах производства авиационных материалов: производство наиболее теплостойких фторакрилатных оргстекол Э-2, Э-2У, СО-200, не имеющих аналогов в мире, было прекращено и не может быть восстановлено по экологическим и экономическим причинам. В связи с этим актуальной задачей современного материаловедения является создание оргстекол, способных работать при температурах до 200°С и выше, – для остекления самолетов нового поколения и замены выработавших ресурс деталей остекления на основе теплостойких фторакрилатных оргстекол на эксплуатирующихся сверхзвуковых самолетах. Для решения этой задачи было предложено направление по химическому и физическому модифицированию акрилатных оргстекол – получение более экологически безопасных и менее дорогостоящих (по сравнению с оргстеклом Э-2) оргстекол редкосшитой структуры. Задача решалась подбором и строгим дозированием компонентов для модификации акрилатных оргстекол с последующим всесторонним изучением свойств полученных образцов [8]. Во ФГУП «ВИАМ» совместно с ФГУП «НИИ полимеров» разработаны органические стекла редкосшитой структуры СО-120С, ВОС-1, ВОС-2, ВОС-2АО с рабочими температурами от 160 до 200°С. Во ФГУП «ВИАМ» проведены комплексные исследования свойств разработанных оргстекол редкосшитой структуры, подтвердившие повышенную прочность, модуль упругости, ударную вязкость, «серебростойкость» под нагрузкой и действием растворителей, стойкость к воздействию термоударов до 200°С по сравнению с ранее применяемыми оргстеклами. Установлена возможность применения оргстекол частично сшитой структуры в ориентированном и неориентированном состояниях при температурах выше температуры стеклования [9–15].

Разработаны технологии физического модифицирования – молекулярной ориентации оргстекол редкосшитой структуры. Путем физического модифицирования созданы ориентированное гомополимерное оргстекло АО-120С и сополимерное акрилатное оргстекло ВОС-2АО в ориентированном состоянии. Установлена возможность получения оргстекол частично сшитой структуры со степенями ориентации от 30 до 70%; показано, что ориентация повышает на порядок «серебростойкость» оргстекол под действием отдельных эксплуатационных факторов – термических и механических напряжений, органических растворителей, атмосферных воздействий [16–17].

Исследованы свойства разработанных оргстекол редкосшитой структуры, получены паспортные характеристики, разработана нормативно-техническая документация, позволяющая изготовлять детали остекления самолетов из новых оргстекол редкосшитой структуры. В таблице приведены сравнительные характеристики новых оргстекол и оргстекол АО-120 и Э-2, эксплуатирующихся до настоящего времени на отечественных самолетах.

Свойства авиационных органических стекол

Отработаны технологии формования оргстекол редкосшитой структуры. Экспериментально установлено, что высокая стойкость к растрескиванию обеспечивает возможность «холодного» формования в неориентированном состоянии оргстекол частично сшитой структуры – ниже температуры стеклования, что позволяет избежать образования отпечатков от форм на поверхности оргстекла и получить детали с повышенными оптическими свойствами. Установлены оптимальные технологические режимы формования оргстекол редкосшитой структуры в ориентированном и неориентированном состояниях способами «горячего» и «холодного» формования. Показано, что изготовленные по разработанным технологиям модели и детали остекления  из оргстекол частично сшитой структуры – в отличие от оргстекол линейного строения – имеют повышенную формоустойчивость при воздействии  температур, превышающих температуру их стеклования [18].

Промышленное производство новых оргстекол требуемых промышленных номиналов и габаритов освоено на опытном заводе ФГУП «НИИ полимеров», ориентированных оргстекол ВОС-2АО – на предприятии ООО «Рошибус».

В настоящее время проводятся исследования моделей натурных элементов остекления из оргстекол СО-120С, АО-120С, ВОС-2 и ВОС-2АО под влиянием эксплуатационных факторов в лабораторных условиях в сопоставлении с результатами, полученными в условиях воздействия естественных климатических факторов. Эти исследования необходимы для прогнозирования и обоснования ресурса работы и срока эксплуатации новых оргстекол частично сшитой структуры.