Клеящие материалы в составе ПКМ на основе органических наполнителей*
Рассмотрено применение различных клеев и клеевых связующих в составе органопластиков, а также клеев для приклеивания элементов конструкций из органопластиков в составе изделий. Приведены примеры использования пленочного клея ВК-3 в составе органопластиков ВКО-20 и ВКО-2ТБ, клея ВК-36РТ в составе органопластиков ВКО-19 и ВКО-19Л, а также клеевого связующего ВСК-14-2м в составе органопластика ВКО-24. Представлены результаты применения клея ВК-41М в составе алюмоорганопластика Алор Д16/41 и использования этого материала в конструкции самолета Ан-124.
Введение
Органопластики относят к полимерным композиционным материалам (ПКМ), в которых полимерное связующее армировано органическими волокнами. Органопластики впервые привлекли внимание материаловедов в качестве отличных диэлектриков для радиопрозрачных и радиопоглощающих конструкций [1]. Совершенствование свойств органопластиков позволило разработать конструкционные и баллистические материалы, которые нашли применение в вертолетостроении, конструкции корпуса вентиляторов авиационных двигателей [2–4]. Первые органопластики получали при использовании в их составе связующих в форме раствора в органических растворителях. В основном это были материалы на основе эпоксидных олигомеров, в которых в качестве растворителя использовали смесь этилового спирта с ацетоном. Однако применение таких связующих не позволяет получить тонкие обшивки (0,4–0,5 мм) высокого качества: обшивки получаются негерметичными из-за пористости, возникающей вследствие удаления из связующего остатков растворителя при проведении процесса формования [5].
Для повышения баллистической стойкости органопластиков при их изготовлении вместо растворных связующих стали использовать пленочные клеи – феноло-каучуковый пленочный клей ВК-3, эпоксидный пленочный клей ВК-36, а также эпоксидное клеевое связующее ВСК-14-2м, не содержащие растворитель. При изготовлении слоистого гибридного металлополимерного композиционного материала Алор Д16/41 применяют эпоксидный пленочный клей ВК-41М [6, 7].
Использование в качестве связующих клеев, не содержащих в своем составе органических растворителей, позволяет обеспечить экологическую безопасность производства, повысить технологичность процесса изготовления изделий различной формы и кривизны.
Свойства используемых клеящих материалов в качестве связующих в составе органопластиков приведены в табл. 1.
Таблица 1
Прочностные характеристики клеевых соединений, выполненных с применением
клеящих материалов, используемых в составе органопластиков
(склеиваемый материал – алюминиевый сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром)
Клеящий материал | Нормативно-техническая документация | Режим отверждения | Предел прочности при сдвиге, МПа (не менее), при температуре испытания, °С | Форма поставки | ||
20 | 80 | 150 | ||||
ВСК-14-2м | ТУ 1-595-14-1034–2009 | 175±5 °С, 3 ч | 19,6 | – | 17,6 | Однородная пластичная масса |
ВК-3 | ТУ 6-17-663–84 | 165±5 °С, 1 ч | 15,0 | 10,0 | – | Пленка |
ВК-36РТ | ТУ 1-596-389–96 | 175±5 °С, 3 ч | 33,0 | 33,0 | 25,0 | |
ВК-41М | ТУ 1-596-389–96 | 125±5 °С, 3 ч | 31,0 | 27,0 | – | |
Цель работы – разработка органопластиков авиационного назначения с применением в качестве связующих клеящих материалов
Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [8–10].
Материалы и методы
В качестве объектов исследования использованы широко применяемый пленочный клей ВК-3, пленочный клей ВК-36РТ, клеевое связующее ВСК-14-2м и пленочный клей ВК-41М.
Исследования проводили с использованием стандартных методов испытаний: прочность клеевых соединений при сдвиге – в соответствии с ГОСТ 14759–91; прочность клеевых соединений при равномерном отрыве – в соответствии с ГОСТ 14760–85.
Результаты и обсуждение
Полимерные композиционные материалы на основе арамидной ткани (органопластики) относятся к ударостойким и баллистически стойким материалам, имеющим широкий спектр применения. В составе органопластиков в качестве связующего используют пленочный клей ВК-3 [10, 11].
Толщина пленок клея ВК-3 составляет от 0,08 до 0,15 мм. Они выпускаются серийно в соответствии с ТУ 6-17-663–84 на специализированном предприятии, оснащенном необходимым оборудованием [6]. Использование пленочного клея ВК-3 в органопластике в качестве связующего, вместо растворных связующих, позволяет склеивать арамидную ткань без пропитки и благодаря этому сохранить ее свойства. Клей располагается преимущественно между слоями армирующей ткани и обеспечивает ее структурную подвижность и деформативность при баллистическом воздействии. В результате органопластики, полученные с использованием пленочного клея ВК-3, являются ударо- и баллистически стойкими [12–14]. С применением данного клея в качестве связующего в сочетании с тканью Руслан разработаны органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20. Свойства указанных органопластиков приведены в табл. 2 [11].
Таблица 2
Свойства органопластиков ВКО-2ТБ и ВКО-20 [11]
Свойства | Значения свойств органопластиков | |
ВКО-2ТБ | ВКО-20 | |
Плотность, кг/м3 | 1020–1120 | 1060 |
Прочность при растяжении, МПa | 670 | 676 |
Модуль упругости при растяжении, ГПа | 3,6 | 8,1 |
Прочность при сжатии, МПa | – | 39 |
Прочность при изгибе, МПa | 60 | 41 |
Горючесть | Трудносгорающий | Самозатухающий (при толщине 5 мм) |
Стойкость к баллистическому воздействию пули калибра 44 Magnum (при массе пули 15,6 г и скорости 436 м/с) | Отсутствие сквозных повреждений (при массе 1 м2 органопластика 5,5 кг) | |
Коррозионная безопасность | Может применяться в контакте с алюминиевыми, титановыми сплавами и сталями | |
Органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20 обеспечивают баллистическую стойкость элементов авиационных конструкций в соответствии с требованиями п. 25.795 Авиационных правил АП-25 (при массе 1 м2 органопластика 5,5 кг). Материалы являются пожаро- и коррозионнобезопасными, устойчивыми к воздействию микроорганизмов, сохраняют работоспособность при длительном воздействии повышенной влажности и перепадов температур. По физико-механическим свойствам они могут быть использованы для изготовления средне- и слабонагруженных конструкций или в качестве защитных покрытий элементов конструкций.
Детали из органопластиков изготавливают способами прессового или автоклавного формования. В качестве полуфабриката используют препреги органопластиков.
Органопластики ВКО-2ТБ и ВКО-20 рекомендованы для изготовления ударо- и баллистически стойких конструкций (корпус вентилятора двигателя, двери и перегородки кабины экипажа и другие защитные устройства), работающих в интервале температур от –60 до +70 °С, в том числе при температуре +70 °С в течение не менее 2000 ч. Органопластик ВКО-2ТБ применяют в конструкции самолета Sukhoi Superjet 100 для изготовления перегородки кабины экипажа [15–17]. Таким образом, применение пленочного клея ВК-3 в качестве связующего вместо типовых растворных связующих позволяет увеличить стойкость конструкционных органопластиков к ударным и баллистическим воздействиям.
Пленочный эпоксидный клей ВК-36РТ использовали в качестве связующего в составе органопластиков марок Органит 11ТЛ (армирующий наполнитель – ткань из арамидных волокон СВМ), ВКО-19 и ВКО-19Л (армирующий наполнитель – ткань саржевого плетения Руслан). Благодаря использованию в качестве связующего пленочного клея ВК-36РТ и применению отработанной технологии изготовления материала происходит формирование полимерной матрицы с минимальной пористостью, обеспечивается герметичность и устойчивость элементов конструкции из такого материала к воздействию тепла и влаги.
Органопластики Органит 11ТЛ и ВКО-19Л предназначены для изготовления тонкослойных обшивок для трехслойных сотовых панелей внешнего контура вертолетов и самолетов и рассчитаны на длительную эксплуатацию при воздействии температур от –60 до +80 °С. В настоящее время Органит 11ТЛ применяют в обшивках хвостовых секций несущего винта вертолетов Ми-28Н и Ми-38 (табл. 3) [18–20].
Таблица 3
Свойства органопластиков на основе пленочного клея ВК-36РТ
Свойства | Значения свойств органопластиков | ||
Органит 11ТЛ | ВКО-19Л | ВКО-19 | |
Плотность, г/см3 | 1,37–1,39 | 1,34 | 1,35 |
Водопоглощение за 24 ч, % | 0,76 | 0,10 | 0,10 |
Прочность при растяжении при температуре 20 °С, МПа | 670–680 | 750–760 | 820 |
Модуль упругости при растяжении при температуре 20 °С, ГПа | 30,5 | 32 | 33,9 |
Прочность при изгибе при температуре 20 °С, МПа | 510–520 | 510 | 505 |
Органопластик ВКО-19Л с рабочим диапазоном температур от –60 до +80 °С имеет назначение, аналогичное органопластику Органит 11ТЛ, и рекомендуется в качестве его замены в связи с тем, что обладает лучшими показателями свойств по прочности, герметичности и устойчивости к поглощению влаги.
Использование пленочного клея ВК-36РТ в качестве связующего позволяет снизить воздухопроницаемость органопластиков до нулевого значения при толщине обшивки до 0,44±0,04 мм. В табл. 4 приведены сравнительные данные по воздухопроницаемости тонких листовых обшивок для органопластиков, изготовленных с применением как растворных связующих, так и клея ВК-36РТ.
Таблица 4
Воздухопроницаемость тонколистовых обшивок (толщина 0,44±0,04 мм)
из органопластиков на основе связующих различных типов
Органопластик | Тип и марка связующего | Толщина листа, мм | Длительность испытания, ч | Воздухопроницаемость, л/(ч·м2) |
Органит 7Т | Растворное эпокси-фенольное 5-211-БН | 0,45 | 120 | 130 |
Органит 16Т-Рус | Растворное эпоксидное ВС-2526к | 0,48 | 240 | 145 |
Органит 18Т-Рус | Растворное эпоксидное ЭНФБ-2М | 0,44 | 160 | 150 |
Органит 11ТЛ | Пленочный клей ВК-36РТ | 0,44 | 360 | 12 |
ВКО-19 | – | – | – | 0 |
ВКО-19Л | – | – | – | 0 |
Органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л содержат в своем составе армирующий наполнитель Руслан и пленочный клей ВК-36РТ в качестве связующего и характеризуются высоким уровнем сохранения прочности после воздействия климатических факторов.
Органопластик ВКО-19 рекомендуется для изготовления средне- и слабонагруженных элементов конструкций (обшивки сотовых панелей, монолитных деталей), эксплуатируемых при температурах от –60 до +80 °С. Изготовление деталей с применением органопластика ВКО-19 осуществляют с помощью полуфабриката (препрега) по выкладочной технологии. Герметичный органотекстолит ВКО-19Л применяют для изготовления воздуховодов самолета Ил-96-300ПУ.
Таким образом, использование пленочного клея ВК-36РТ в качестве связующего вместо растворных связующих позволяет повысить герметичность материала, исключить воздухопроницаемость тонких обшивок, а также повысить устойчивость к воздействию тепла и влаги. Разработанные органопластики ВКО-19 и ВКО-19Л отличаются высокими эксплуатационной надежностью и ресурсом при изготовлении ответственных конструкционных элементов вертолетов.
На основе пленочного клея ВК-36РТ, использованного в качестве связующего, проведено опробование нового наполнителя – арамидного волокна Русар-НТ (разработчик – АО НПП «Термотекс») в составе органопластика авиационного назначения [13].
Показана возможность получения материалов на основе пленочного клея ВК-36РТ и арамидного наполнителя Русар-НТ с повышенной стойкостью в условиях высокой влажности, при воздействии жестких климатических условий.
В составе экспериментальных органопластиков использованы эпоксидные клеевые связующие ВСК-14-2м и ВСК-14-3 в сочетании с наполнителем из материала Русар-НТ. Клеевые связующие не содержат в своем составе растворитель и используются для получения препрегов, применяемых при изготовлении деталей и агрегатов из ПКМ слоистой и сотовой конструкции [21]. Свойства клеевых связующих представлены в табл. 5 [20].
Таблица 5
Свойства клеевых связующих
Связующее | Предел прочности при сдвиге, МПа (не менее), при температуре испытания, °С | Диапазон рабочих температур, °С | ||
20 | 120 | 150 | ||
ВСК-14-3 | 14,7 | – | 14,7 | От –60 до +150 |
ВСК-14-2м | 20,0 | 20,0 | – | От –60 до +120 |
С применением связующих ВСК-14-3 и ВСК-14-2м получены экспериментальные органопластики, армированные двумя типами наполнителей Русар-НТ: экспериментальной тканью атласного переплетения из нити Русар-НТ линейной плотности 14,3 текс; жгутом Русар-НТ линейной плотности 600 текс. Изготовлены органотекстолит состава ВСК-14-3/ткань Русар-НТ и однонаправленный органопластик состава ВСК-14-2м/жгут Русар-НТ.
В работе [17] показано, что арамидное волокно Русар-НТ не оказывает отрицательного влияния на процесс отверждения полимерных связующих ВСК-14-2м и ВСК-14-3 (табл. 6). Температуры отверждения связующего в исходном состоянии и в составе препрега совпадают, тепловой эффект реакции отверждения связующего соответствует тепловому эффекту отверждения связующего в препреге (при пересчете на 100 % связующего) [11].
Свойства однонаправленного органопластика на основе наполнителя жгута Русар-НТ и связующего ВСК-14-2м [18, 19]:
Свойства | Значения свойств |
Плотность, г/см3 | 1,3–1,4 |
Водопоглощение за 90 сут, % | 1,0–1,5 |
Прочность при растяжении при температуре 20 °С, МПа | 1300–1900 |
Модуль упругости при растяжении при температуре 20 °С, ГПа | 50–100 |
Сохранение прочности при температуре 80 °С, % | ˃90 |
Таблица 6
Параметры отверждения клеевых связующих и препрегов на их основе
Свойства | Значения свойств материалов | |||
связующее ВСК-14-2м | препрег состава ВСК-14-2м/ткань Русар-НТ | связующее ВСК-14-3 | препрег состава | |
Температура начала реакции отверждения, °С | 177 | 178 | 189 | 189 |
Температура максимума реакции отверждения, °С | 184 | 184 | 195 | 197 |
Тепловой эффект реакции отверждения, Дж/г | 491 | 387 | 513 | 315 |
Тепловой эффект реакции отверждения связующего в препреге с учетом доли связующего, Дж/г | 491 | 496 | 513 | 508 |
Органопластики (органотекстолиты и однонаправленные) более устойчивы к поглощению влаги, чем аналогичные органотекстолиты на основе серийной ткани Руслан. Например, водопоглощение образцов, армированных тканью из нити Русар-НТ, составляет 1,76 % (выдержка в воде в течение 90 сут), что в ~2 раза меньше, чем водопоглощение органопластиков аналогичного состава, но армированных тканью из нитей Руслан.
Анализ результатов проведенных исследований показал, что клеевые связующие расплавного типа ВСК-14-2м и ВСК-14-3 могут использоваться для изготовления конструкционных однонаправленных органопластиков и органотекстолитов, армированных арамидным наполнителем нового поколения Русар-НТ, обладающих высокими физико-механическими свойствами и эксплуатационной надежностью в условиях повышенных температуры и влажности. Использование в составе препрега клеевого связующего позволит также обеспечить экологическую безопасность производства, повысить технологичность и удобство применения препрега при изготовлении из него изделий различной формы и кривизны для получения ответственных силовых элементов, намоточных изделий, а также сократить процесс сборки клеевых высоконагруженных сотовых или слоистых конструкций до одной стадии.
Клей ВК-41М нашел применение при разработке слоистого гибридного алюмополимерного композиционного материала Алор Д16/41. В его состав входят чередующиеся листы из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ, промежуточные слои из ткани из органических волокон СВМ, пленочный клей ВК-41М (который соединяет эти материалы). Выбор пленочного клея ВК-41М обусловлен тем, что он имеет температуру отверждения 130 °С, поскольку при более высоких температурах происходит снижение прочности алюминиевых сплавов. Алюмоорганопластик Алор Д16/41 применен в конструкции самолета Ан-124, благодаря чему удалось увеличить ресурс отсеков крыла в 8 раз [2, 20, 21].
Заключения
Рассмотрены органопластики на основе пленочных клеев ВК-3, ВК-36РТ (серийные органопластики) и клеевых связующих ВСК-14-2м и ВСК-14-3 (перспективные органопластики).
Показано, что для изготовления конструкционных и баллистически стойких органопластиков применение пленочных клеев и расплавных клеевых связующих, как с технологической точки зрения, так и с точки зрения повышения уровня их свойств, является наиболее предпочтительным.
Показана возможность получения органотекстолитов и органопластиков нового поколения на основе клеевого пленочного связующего и арамидного наполнителя Русар-НТ, характеризующихся высокими физико-механическими свойствами и повышенной среди арамидных органопластиков стойкостью в условиях повышенной температуры и влажности.
Показана возможность получения алюмоорганопластиков на основе алюминиевых листов Д16ч.-АТ с промежуточными слоями из ткани на основе органических волокон СВМ и пленочного клея ВК-41М, применение которых в конструкции самолета Ан-124 позволило увеличить ресурс отсеков крыла в 8 раз.
* Исследование проводилось под руководством кандидата технических наук Г.Ф. Железиной.
- Машинская Г.П. Органопластики – итоги и проблемы // Авиационные материалы на рубеже ХХ–ХХI веков. М.: ВИАМ, 1994. С. 219–228.
- Машинская Г.П., Перов Б.В., Шалин Р.Е. Органопластики многоцелевого назначения для авиационной техники // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2002: юбил. науч.-техн. сб. / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2002. С. 247–270.
- Железина Г.Ф. Особенности разрушения органопластиков при ударных воздействиях // Авиационные материалы и технологии: юбил. науч.-техн. сб. / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. С. 272–277.
- Гуняев Г.М., Железина Г.Ф., Зеленина И.В. и др. Корпоративные нано- и CALS-технологии в наукоемких отраслях промышленности // Труды 4-й Междунар. конф. «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (ТПКММ). М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. С. 739–743.
- Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., 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.
- Петрова А.П., Донской А.А., Чалых А.Е., Щербина А.А. Клеящие материалы. Герметики. СПб.: Профессионал, 2008. 589 с.
- Петрова А.П., Малышева Г.В. Клеи, клеевые связующие и клеевые препреги: учеб. пособие / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2017. 472 с.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения // Защита и безопасность. 2014. № 4. С. 28–29.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки // Вестник Российской академии наук. 2020. Т. 90. № 4. С. 331–334.
- Кулагина Г.С., Железина Г.Ф. Конструкционные и баллистически стойкие органопластики на основе пленочных клеев // Сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования в области создания клеев, клеевых связующих и клеевых препрегов» (Москва, 24 мая 2018 г.). М.: ВИАМ, 2018. С. 31–42.
- Железина Г.Ф., Шульдешова П.М. Конструкционные органопластики на основе пленочных клеев // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 2. С. 9–14.
- Железина Г.Ф., Кулагина Г.С., Шульдешова П.М., Черных Т.Е. Органопластики на основе термостойких полимерных волокон и матриц // Труды ВИАМ. 2021. № 5 (99). Ст. 08. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 16.07.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-5-78-86.
- Железина Г.Ф., Тихонов И.В., Черных Т.Е. и др. Арамидные волокна третьего поколения Русар-НТ для армирования органотекстолитов авиационного назначения // Пластические массы. 2019. № 3–4. С. 43–47.
- Раскутин А.Е. Российские полимерные композиционные материалы нового поколения, их освоение и внедрение в перспективных разрабатываемых конструкциях // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. C. 349–367. DOL: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-349-367.
- Железина Г.Ф., Войнов С.И., Соловьева Н.А., Кулагина Г.С. Арамидные органотекстолиты для ударостойких авиационных конструкций // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 3. С. 358–364. DOI: 10.1134/S0044461819030101.
- Шульдешова П.М., Деев И.С., Железина Г.Ф. Особенности разрушения арамидных волокон СМВ и конструкционных органопластиков на их основе // Труды ВИАМ. 2016. № 2 (38). Ст. 11. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 29.03.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-2-11-11.
- Железняк В.Г., Мухаметов Р.Р., Чурсова Л.В. Исследование возможности создания термореактивного связующего на рабочую температуру до 400 °С // Авиационные материалы и технологии. 2013. № S2. C. 58–61.
- Железина Г.Ф., Гуляев И.Н., Соловьева Н.А. Арамидные органопластики нового поколения для авиационных конструкций // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. C. 368–378. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-368-378.
- Кулагина Г.С., Железина Г.Ф., Шульдешова П.М. Органопластики авиационного назначения, свойства и применения // Сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. «Полимерные композиционные материалы нового поколения для гражданских отраслей промышленности» (Москва, 23 окт. 2020 г.). М.: ВИАМ, 2020. С. 55–62.
- Антипов В.В., Котова Е.В., Серебренникова Н.Ю., Петрова А.П. Клеевые связующие и клеевые препреги для алюмополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ. 2018. № 5 (65). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 22.07.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-5-44-54.