Свойства и назначение композиционных материалов на основе клеевых препрегов

На основе выполненных в ВИАМ фундаментальных и прикладных исследований в области физики и химии многокомпонентных полимерных систем за годы деятельности лаборатории клеев под руководством к.т.н. В.П. Батизата создан класс высокопрочных пленочных клеев конструкционного назначения, в том числе клеев   марок ВК-36, ВК-51 и других. Эти клеи по своим  прочностным, деформационным и технологическим свойствам не имеют аналогов в России, соответствуют уровню лучших мировых аналогов и отвечают жестким требованиям, предъявляемым к материалам для изделий авиационной техники. С их применением разработаны перспективные технологии склеивания, на базе которых в КБ отрасли совместно с ВИАМ созданы принципиально новые типы клееных сотовых и слоистых конструкций, обладающих высокой удельной прочностью, весовой эффективностью, стойкостью к действию вибрационных и акустических нагрузок [1].

В трехслойных сотовых конструкциях пленочные клеи используются для склеивания обшивок из алюминиевых сплавов или стекло-, углепластиков с сотовым заполнителем. Эти материалы широко внедрены в конструкцию изделий авиакосмической техники ведущих КБ, обеспечили высокий уровень прочности клеевых соединений и благодаря этому – повышенный ресурс и надежность клееных конструкций в процессе эксплуатации [2]. Имеющийся опыт длительной (более 30 лет) эксплуатации клееных конструкций в составе изделий авиационной техники подтверждает высокий уровень свойств высокопрочных клеев. Однако при эксплуатации клееных конструкций в странах с чрезвычайно агрессивным климатом (повышенной температурой в сочетании с высокой влажностью) в некоторых случаях отмечалось снижение прочностных характеристик сотовых конструкций по границе  раздела между обшивкой из ПКМ и пленочным клеем [3]. В результате исследований, проведенных в ВИАМ, было установлено, что снижение прочности клеевых соединений во многом является результатом некачественной подгонки склеиваемых поверхностей и наличия зазоров в случае формования трехслойных сотовых конструкций с использованием заранее отформованных обшивок из ПКМ [4].

Техническое решение об использовании полимерной основы высокопрочного пленочного клея в качестве клеевого связующего для пропитки стекло- или угленаполнителя при изготовлении полуфабриката – препрега, обладающего клеящими свойствами, положило начало созданию принципиально новых материалов – долгоживущих клеевых препрегов и композиционных материалов (стекло- и углепластиков) на их основе.

На основе клеевых связующих расплавного типа с регулируемыми характеристиками (вязкоупругими, прочностными, деформационными и температурными) и различных наполнителей отечественного производства – углеродных тканей, лент, стеклотканей, в том числе на основе высокомодульных и кварцевых волокон, – создан ассортимент клеевых препрегов марок КМКУ (на угленаполнителях) и КМКС (на стеклонаполнителях) [5].

Клеевые препреги позволили реализовать разработанную в ВИАМ высокоэффективную технологию сборки клееных высоконагруженных сотовых и слоистых  конструкций из неметаллических материалов, отличительной особенностью которой является то, что формование обшивки и ее приклеивание к сотовому заполнителю происходит одновременно, за одну технологическую операцию, при этом в процессе изготовления сотовой конструкции взамен пленочного клея используют клеевой препрег с увеличенным содержанием связующего [6].

С использованием этой технологии возможно изготовление деталей сложной формы двойной кривизны, в том числе сочетающих в конструкции сотовые и слоистые элементы. В результате применения клеевых препрегов достигается снижение: цикла изготовления конструкций в 2–3 раза, трудоемкости изготовления сотовых конструкций – на 40–50% (за счет сокращения технологических операций по сравнению с обычными клееными панелями), количества оснастки – в 1,5–2 раза, массы конструкции (особенно с сотовым заполнителем) – на 30–50%, количества выбросов вредных веществ в атмосферу – в 10–15 раз за счет использования безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них. Реализация данной технологии обеспечивает герметичность конструкций из ПКМ благодаря использованию в составе препрегов клеевых связующих расплавного типа и за счет исключения зазоров между склеиваемыми поверхностями, повышение трещиностойкости на 40–50%, прочности при межслоевом сдвиге – на 20–35% [7].

При создании гражданских самолетов «Сухой-Суперджет-100» и МС-21 была поставлена задача по разработке ПКМ с новым комплексом свойств, отвечающих ужесточенным требованиям, учитывающим эксплуатацию изделий во всеклиматических условиях [8]. Для выполнения этой задачи была проведена модификация состава клеевого связующего, что позволило повысить температуру стеклования клеевой матрицы в составе ПКМ до 155°С, что обеспечивает надежность работы клеевых соединений при повышенных температурах как в исходном состоянии, так и при воздействии термовлажностных условий. При сочетании модифицированного связующего с отечественными стеклонаполнителями – тканями марок Т-10-80 и Т-15, а также тканями на основе высокомодульных волокон марок Т-60(ВМП) и Т-64(ВМП), отработана технология получения клеевых препрегов марок КМКС-2м.120 и на их основе разработаны композиционные материалы (стеклопластики), длительно работоспособные при температуре 120°С [9].

Клеевое связующее модифицированного состава было использовано также для создания КМК на основе углеродных наполнителей отечественного и импортного производства (фирма «Porcher», Франция), благодаря чему было достигнуто повышение некоторых характеристик углепластиков, в том числе предела прочности при растяжении.

Углепластик на основе клеевого препрега марки КМКУ-2м.120.Р4510, изготовленный из однонаправленной ткани фирмы «Porcher» арт. 4510, превосходит по основным свойствам углепластик на основе отечественной углеродной ленты ЭЛУР-П марки КП. Углепластик на основе равнопрочной ткани фирмы «Porcher» арт. 2009 также характеризуется высокими прочностными свойствами [10].

Задача по обеспечению новой техники ОАО «ОКБ Сухого» с превосходящими тактико-техническими характеристиками потребовала создания ПКМ с более высоким уровнем теплостойкости. Для этих целей было разработано клеевое связующее с температурой стеклования 180±5°С. В качестве углеродных наполнителей клеевых препрегов были использованы углеродные ленты марок ЭЛУР-П-КП, УОЛ-300Р и
УОЛ-300Р(У) улучшенной текстильной формы с повышенными прочностными характеристиками [11].

Разработанные ранее композиционные материалы из клеевых препрегов марки КМКС-4.175 на основе стеклотканей Т-10 и Т-15, обладающие удовлетворительным уровнем радиотехнических характеристик, нашли применение в изделиях авиационной  техники для изготовления радиоантенных обтекателей сотовой конструкции [12]. С использованием в составе клеевых препрегов взамен тканей указанных марок стеклоткани марки Т-64(ВМП) на основе высокомодульных волокон и кварцевой ткани марки ТС-8/3-К-ТО разработаны стеклопластики с высоким уровнем диэлектрических свойств, что позволило применить эти материалы в конструкции обтекателей новых изделий авиационной техники [13].

Клеевые препреги являются в настоящее время одними из наиболее востребованных материалов. Они широко применяются для изготовления деталей и агрегатов из ПКМ в конструкции изделий авиакосмического комплекса: ОАО «ОКБ Сухого» (истребитель пятого поколения Т-50), ОАО «ГСС» (самолет «Сухой-Суперджет-100»), ФГУП «РСК „МиГ”», ФГУП «ЭМЗ им. В.М. Мясищева», ОАО «АК им. С.В. Ильюшина», АНТК им. А.Н. Туполева, ОАО «Камов», ОАО «РКК „Энергия им. С.П. Королева”» и других.

Эти материалы также внесены в конструкторскую документацию на изделие МС-21 ОАО «НПК «Иркут» [14, 15].