Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ
Приведены результаты испытаний на пожаростойкость (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 пожаростойких перегородок.
Первая публикация статьи - в журнале «Авиационные материалы и технологии», №3, 2011 г.
Данная редакция (дополненная, переработанная) подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №3, 2013 г.
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, дуралюминов 1163, Д16ч., высокопрочных сплавов В95п.ч./о.ч.) и прослоек (0,2–0,5 мм) пластика на основе клеевых препрегов, армированных высокопрочными стеклонаполнителями. 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» [1-4].
СИАЛы имеют преимущества по сравнению с монолитными алюминиевыми листами: высокую трещиностойкость (на порядок выше сопротивление росту трещины усталости: <0,3 мм/кцикл при ΔK=31 МПа
), пониженную плотность (2,35–2,5 г/см3) – на 10–15%, высокую прочность (σв >600 МПа), обладают уникальным комплексом других характеристик – высокими пожаростойкостью, коррозионной стойкостью и ударостойкостью. В результате повышаются живучесть, ресурс и весовая эффективность конструкций [1, 5–8].
В ВИАМ создан, запатентован и осваивается конкурентноспособный слоистый алюмостеклопластик СИАЛ на базе высокомодульного (Е=79 ГПа), высокотехнологичного Al-Li сплава 1441Т11 пониженной плотности – d=2590 кг/м3 [9, 10].
Сопротивление распространению пламени особенно важно для больших широкофюзеляжных самолетов, пассажиры которых должны покинуть самолет в течение 90 с в случае пожароопасной ситуации [1, 11, 12].
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).
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.
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).
* В испытаниях принимали участие С.Л. Барботько, В.И. Постнов.
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 (сквозное прогорание) | |
СИАЛ-3-1 | 3/2 | [0°/90°] | 30 мин (сквозное прогорание) | |
СИАЛ-2-1 | 3/2 | [0°/90°/0°] | 60 мин (сквозное прогорание отсутствует) | |
СИАЛ-5-1 | 3/2 | [0°/90°/0°/90°] | ||
СИАЛ-3-1 | 4/3 | [0°/90°] | ||
Д16ч.-АТ, 1441-РДТ11 | 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).
Рис. 2. Изменение температуры на расстоянии 100 мм от листов из СИАЛов и сплава Д16ч.-Т со стороны, противоположной пламени
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).
Рис. 3. Вид образцов (со структурой 3/2) с двух сторон после воздействия пламени при 1100°С в течение 30 мин на материалы СИАЛ-3-1 [0°/90°] со сквозным прогоранием (а, б) и СИАЛ-2-1 [0°/90°/0°] с односторонним прогоранием (в) и отсутствием прогорания со стороны, противоположной пламени (г)
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).
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 «Boeing»
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 в течение 15 мин, (без прогорания) | 220 | 5 |
GLARE 3-3/2 | СИАЛ 3-3/2 | 160 | 5 | |
GLARE 4-2/1 | СИАЛ 5-2/1 | 215 | 10 | |
Монолитный лист (1,5–2 мм) из алюминиевого сплава | 1100±25 °С
| Сквозное прогорание | 1,5 | |
2024-Т3 | 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.
- Roebroeks G.H.J.J. GLARE: a structural material for fire resistant fuselages /In: AGARD Conference Proceedings. October 1996. Р. 26–1; 26–13.
- Vlot A. Glare history of development of a new aircraft material /In: Kluwer Academic Publishers. 2001. P. 222.
- Fibre Metal Laminates an introduction. Ed. by A. Vlot, J.W. Grunnink /In: Kluwer Academic Publishers. 2001. P. 527.
- Hoijimeijer P.A. Burn-through and lightning strike in «Fibre-Metal Laminates» /Inn: Kluner Academic Publishers. 2001. Р. 399–408.
- Старцев О.В., Кротов А.С., Сенаторова О.Г., Аниховская Л.И., Антипов В.В., Гращенков Д.В., Сорбция и диффузия влаги в слоистых металлополимерных ком-позиционных материалах типа СИАЛ //Материаловедение. 2011. №12. С. 38–44.
- Fridlyander I.F., Senatorova O.G., Antipov V.V., Sidelnikov V.V., Lukina N.F., Mitrakov O.V., Lavro N.A. High-Manufacturable Al–Li 1441 Alloy and Fibre-Metal Laminates (FML) on its Busis /In: Summary of Conference Proceedings „Aluminium of Two Thousand”, Italy. 2007. Р. 22.
- Постнов В.И., Постнова М.В., Казаков И.А., Абрамов П.А. Особенности контур-ной обработки резанием листовых заготовок МПКМ в серийном производстве //Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 3–8.
- Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Антипов В.В. Слоистые алюмо-полимерные материалы СИАЛ /В сб.: «75 лет. Авиационные материалы. Избран-ные труды ВИАМ 1932–2007». М.: ВИАМ. 2007. С. 188–192.
- Beumler T., Starikov R., Senatorova O., Controlling the Damage with Fiber Metal Laminate Structures: First International Conference on Damage Tolerance of Aircraft Structures, TU Delft, The Netherlands. 2007. P. 914–925.
- Сенаторова О.Г, Антипов В.В., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В., Митраков О.В., Попов В.И., Ершов А.С. Высокопрочные трещиностойкие легкие слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ – перспективный материал для авиационных конструкций //Технология легких сплавов. 2009. №2. С. 28–31.
- Characterisation of Fibre Metal Laminates under Thermo-mechanical Loadings: Ed. M. Hagenbeek. Netherlands. 2005. Р. 17–22.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 226–230.
- В.И. Постнов, О.Г. Сенаторова, С.А. Ка-римова, Т.Г. Павловская, Г.Ф. Железина, И.А. Казаков, П.А. Абрамов, М.В. Постнова, О.Е. Котов. Особенности формова-ния крупногабаритных листов металлополимерных КМ, их структура и свойства //Авиационные материалы и технологии. 2009. № 4. С. 23-32.
- В.В. Антипов. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алю-миниевых сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный на-уч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 157-167.
- Е.Н. Каблов. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 7-17.