Свойства и назначение пленочных клеев (конструкционного и вспенивающегося) с пониженной горючестью
Приведены результаты исследования свойств эпоксидных пленочных клеев с пониженной горючестью и теплостойкостью до 120 °С – ВК-108 и ВКВ-28. Клей конструкционного назначения ВК-108 используется для склеивания деталей и агрегатов из металлических материалов и полимерных композиционных материалов, в том числе сотовой конструкции. Вспенивающийся клей ВКВ-28 предназначен для соединения сотового заполнителя между собой и с элементами каркаса в сотовых конструкциях из алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов. Клеи являются самозатухающими и отвечают требованиям АП-25 (Приложение F, Часть I).
Введение
Клеевые соединения имеют особое значение при создании конструкций, используемых в авиационной технике. Особенно актуальны трехслойные сотовые конструкции, в которых клеи не только соединяют обшивку и сотовый заполнитель, но и обеспечивают необходимую прочность и деформационные характеристики. Объемы производства таких конструкций неуклонно растут.
В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана широкая номенклатура полимерных композиционных материалов (стекло- и углепластиков), среди которых все большее применение находят материалы с пониженной горючестью. Кроме того, ученые института разрабатывают новые композиционные материалы для создания крыльев, фюзеляжей и других частей самолетов, обладающих высокой прочностью, весовой эффективностью и теплостойкостью. Институт сотрудничает с ведущими авиационными компаниями России, что позволяет ему быть на передовой в области разработки новых материалов; способствует усовершенствованию авиационной техники и повышению безопасности авиаперевозок, в том числе за счет применения в конструкции материалов, отвечающих требованиям АП-25. Исследование клеевых соединений является важной задачей, поскольку их качество напрямую влияет на прочность изделия [1–6].
Разработанные ранее пленочные конструкционные клеи (ВК-51, ВК-36 и др.) обеспечивают надежное соединение обшивок из алюминия и композиционных материалов с сотовым заполнителем в различных термических условиях. Использование высокопрочных клеев позволяет увеличить долговечность и надежность изделий авиационной техники в процессе эксплуатации. Целью новых разработок является создание эффективных клеев, не только обладающих высокими техническими характеристиками, но и безопасных в эксплуатации за счет пониженной горючести [7–12]. Совместно с конструкционными пленочными клеями при изготовлении трехслойных конструкций применяются и вспенивающиеся клеи. Например, вспенивающийся пленочный эпоксидный клей марки ВКВ-3 [13] соединяет сотовый заполнитель между собой и с элементами каркаса, работает при температурах до 150 °С. Однако клеи перечисленных марок обладают горючестью и неэффективны при сборке конструкций из полимерных композиционных материалов с пониженной горючестью.
Таким образом, разработка новых высокопрочных клеев с улучшенными техническими характеристиками имеет особое значение для современной промышленности. Они позволяют обеспечить надежные и прочные соединения в широком диапазоне температур, что открывает новые перспективы для развития различных отраслей промышленности и содействует совершенствованию технического прогресса.
НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ имеет компетенции в разработке клеев с пониженной горючестью. Например, разработан пленочный клей с пониженной горючестью марки ВК-46Б. Однако он имеет рабочую температуру до 80 °С, что в современных условиях не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкции изделий новой техники. Это диктует необходимость создания клея с пониженной горючестью и повышенной до 120 °С теплостойкостью [14–17].
Для решения данной проблемы проведена научно-исследовательская работа, в результате которой разработаны новые клеи: высокопрочный клей конструкционного назначения ВК-108 и вспенивающийся клей ВКВ-28. Эти материалы обладают повышенной теплостойкостью до 120 °С, что значительно расширяет область их применения. Они идеально подходят для склеивания различных материалов, в том числе полимерных композиционных нового поколения, характеризующихся не только высокой теплостойкостью, но и пониженной горючестью. Клеи ВК-108 и ВКВ-28 обладают
высокой прочностью и надежностью. Они соответствуют стандартам качества и безопасности, что гарантирует надежность при эксплуатации клееных конструкций, изготовленных с их применением.
Клеи ВК-108 и ВКВ-28 прошли общую квалификацию и отвечают требованиям АП-25 (Приложение F, Часть I). Результаты научных исследований представлены в данной статье.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [18–22].
Материалы и методы
Объектами исследования являются:
– конструкционный пленочный клей марки ВК-108 (ТУ 20.52.10.120-075-07545412–2022);
– вспенивающийся пленочный клей марки ВКВ-28 (ТУ 20.52.10.120-092-07545412–2023).
Прочность клеевых соединений при сдвиге определяли по ГОСТ 14759–69, при равномерном отрыве обшивки от сот – по ОСТ 1 90069–72, при отслаивании – по РТМ 1.2.015–99. Горючесть клеев исследовали в соответствии с требованиями АП-25 (Приложение F, Часть I) и ГОСТ Р 57924–2017.
Результаты и обсуждение
Новый конструкционный пленочный клей ВК-108 обладает пониженной горючестью, эффективно используется для склеивания различных материалов при создании слоистых и сотовых конструкций из угле- и стеклопластиков. Толщина пленочного клея составляет 0,24 мм, а отверждение происходит при температуре 175 °С. Клей обладает высокой работоспособностью при различных температурах и успешно прошел испытания как в контролируемых лабораторных условиях, так и после воздействия внешних факторов. Клей ВК-108 обеспечивает надежное и качественное склеивание, является эффективным материалом для создания прочных соединений из алюминиевых сплавов, углеродистых сталей и неметаллических материалов в различных условиях эксплуатации. Однако при склеивании титанового сплава прочность клеевого соединения снижается из-за особенностей структуры поверхностного слоя титана. Важно отметить, что при работе со стекло- и углепластиками прочность клеевых соединений зависит от прочности самих материалов, поскольку разрушение происходит по поверхностному слою пластика. Таким образом, правильный выбор клея с учетом вида материала позволит обеспечить надежность и долговечность конечного изделия.
Исследован характер изменения прочности клеевых соединений при склеивании различных материалов в диапазоне температур от –60 до +145 °С (табл. 1). Показано, что прочностные характеристики клеевых соединений при длительном воздействии повышенной температуры (120 °С) в течение 500 и 1000 ч сохраняются на уровне от 93 и 87 % соответственно (табл. 2). Кратковременное воздействие в течение 100 ч температуры 145 °С не оказывает значительного влияния на прочностные свойства, что свидетельствует о высокой теплостойкости клея ВК-108. Данные исследования подтверждают надежность и эффективность клеевого соединения, что делает его идеальным для применения в условиях повышенных температур.
Таблица 1
Прочностные характеристики клеевых соединений, выполненных
с использованием клея ВК-108, при различных температурах
Показатели | Склеиваемые материалы | Значение показателя при температуре испытания, °С | |||
–60 | 20 | 120 | 145 | ||
Прочность при сдвиге τв, МПа | Сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром | 43,3 | 38,1 | 36,0 | – |
Сплав Д19-АТ Ан.Окс.хром | – | – | – | 32,0 | |
Сталь 30ХГСА опескоструенная | 42,3 | 37,6 | 32,2 | 31,0 | |
Сплав ВТ6 с оксидно-фосфатным покрытием | 17,4 | 19,9 | 19,0 | 21,4 | |
Стеклопластик ВПС-42П опескоструенный | 8,7* | 9,5* | 11,9* | 8,9* | |
Углепластик ВКУ-61 опескоструенный | 12,3* | 13,4* | 12,1* | 9,3* | |
Прочность при равномерном отрыве | Сплав Д19-АТ Ан.Окс.хром и сотовый заполнитель из фольги AMг2Н с ячейками размером 2,5 мм | 7,8 | 7,3 | 6,5 | 5,3 |
Прочность при отслаивании Sотсл, кН/м | Сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром | 5,6 | 6,1 | 6,4 | 4,9 |
* Разрушение по пластику. | |||||
Таблица 2
Влияние термостарения на прочностные характеристики клеевых соединений,
выполненных с использованием клея ВК-108
Склеиваемые материалы | Режим термостарения | τв, МПа, при температуре, °С | σотр, МПа, при температуре, °С | |||
температура, °С | продолжительность, ч | 20 | 120 | 20 | 120 | |
Сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром
| В исходном состоянии | 38,0 | 36,0 | – | – | |
120 | 500 | 35,2 | 36,7 | – | – | |
120 | 1000 | 33,0 | 34,7 | – | – | |
145 | 100 | 38,8 | 38,3 | – | – | |
Сплав Д16-АТ Ан.Окс.хром и сотовый заполнитель из фольги АМг2Н с ячейками размером 2,5 мм | В исходном состоянии | – | – | 7,3 | 6,5 | |
120 | 500 | – | – | 7,5 | 6,9 | |
120 | 1000 | – | – | 7,3 | 7,1 | |
145 | 100 | – | – | 7,2 | 6,9 | |
Примечание. τв – прочность при сдвиге; σотр – прочность при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя. | ||||||
Испытания клеевого соединения сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненного с использованием клея ВК-108, также показали отличные результаты при воздействии различных внешних факторов: прочность соединения остается на высоком уровне даже после длительного воздействия климатических факторов, циклического действия высоких и низких температур, воды и влаги. Результаты испытания представлены в табл. 3. Прочность клеевых соединений при сдвиге сохраняется на уровне от 75 и 91 % при воздействии воды и влаги в течение 3 мес. при температурах испытания 120 и 20 °С, после термовлажностного старения в течение 3 мес. – на уровне 58 и 75 % соответственно. Испытания в камере тропического климата показали сохранение свойств на уровне 69–74 %. Термоциклирование практически не оказало воздействия на образцы клеевых соединений, так как свойства сохранились на уровне 83–87 %.
Таблица 3
Влияние внешних факторов на прочностные характеристики клеевых соединений
сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108
Фактор воздействия | τв, МПа, при температуре, °С | σотр, МПа, при температуре, °С | ||
20 | 120 | 20 | 120 | |
Без воздействия (в исходном состоянии) | 38,1 | 36,0 | 7,3 | 6,5 |
Экспозиция в дистиллированной воде при температуре 23±2 °С | 30,5 | 27,0 | – | – |
Экспозиция при температуре 23±2 °С и относительной влажности 97±3 % | 34,5 | 28,6 | – | – |
Термовлажностное старение в течение 3 мес. | 28,5 | 20,9 | 7,1 | 5,1 |
Экспозиция в камере тропического климата в течение 3 мес. | 28,1 | 25,0 | 7,4 | 6,2 |
Термоциклирование (10 циклов) | 33,2 | 29,9 | 7,6 | 7,1 |
Примечание. τв – прочность при сдвиге; σотр – прочность при равномерном отрыве обшивки от сотового заполнителя. | ||||
В процессе эксплуатации клеевое соединение может подвергаться воздействию различных химических сред, в связи с чем проведены испытания клеевых соединений сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108, после выдержки в гидравлической жидкости Skydrol LD-4, нефрасе, масле ИПМ-10 и топливе ТС-1. Клеевое соединение выдерживали в данных жидкостях в течение 10 сут. Результаты испытаний продемонстрировали сохранение прочности при сдвиге на уровне 78–100 % (табл. 4).
Таблица 4
Влияние химических сред на прочность при сдвиге клеевых соединений
сплава Д16-АТ Ан.Окс.хром, выполненных с использованием клея ВК-108
Среда воздействия | Прочность при сдвиге τв, МПа, при температуре испытания, °С | |
20 | 120 | |
Без воздействия (в исходном состоянии) | 38,1 | 36,0 |
Гидравлическая жидкость Skydrol LD-4 | 29,6 | 28,6 |
Нефрас | 39,3 | 34,7 |
Масло ИПМ-10 | 40,4 | 34,1 |
Топливо ТС-1 | 39,7 | 33,2 |
Немаловажными свойствами клеевого соединения являются грибостойкость и коррозионная стойкость. Результаты испытаний подтвердили, что клей ВК-108 устойчив к действию микологической среды. Склеенные данным клеем титановые и алюминиевые сплавы, нержавеющие и конструкционные стали не подвергаются дополнительному коррозионному воздействию. В соответствии с требованиями по горючести АП-25 (Приложение F, Часть I), клей ВК-108 относится к самозатухающим материалам на полимерной основе.
Результаты расширенных испытаний подтвердили, что конструкционный эпоксидный пленочный клей ВК-108 можно применять для склеивания металлических и полимерных материалов в авиационной технике. Он обладает повышенной теплостойкостью и пониженной горючестью, что делает его незаменимым при создании клееных деталей и агрегатов, в том числе слоистой и сотовой конструкции.
В процессе производства сотовых конструкций возникает необходимость соединения сотового заполнителя между собой и с замыкающими элементами каркаса. Для этих целей разработан вспенивающийся пленочный клей марки ВКВ-28, который, так же как и конструкционный клей ВК-108, обладает пониженной горючестью. Клеи ВКВ-28 и ВК-108 можно использовать совместно, так как они имеют одну химическую природу и процесс отверждения проходит по одинаковому режиму при температуре 175 °С. Свойства клея ВК-28:
Рабочая температура, °С | 120 |
Прочность при равномерном отрыве обшивки от сот (среднее значение), МПа, при температуре, °С: 20 |
4,8 |
120 | 4,5 |
–60 | 6,8 |
Коэффициент вспенивания | 1,5 |
Горючесть | Трудносгорающий (отвечает требованиям АП-25 (Приложение F, Часть I)) |
Клей ВКВ-28 обладает высокими прочностными характеристиками при склеивании обшивки с сотовым заполнителем как при пониженных, так и при повышенных температурах, имеет коэффициент вспенивания на уровне широко применяемого вспенивающегося пленочного клея ВКВ-3, по горючести, в соответствии с авиационными правилами АП-25 (Приложение F, Часть I), является трудносгорающим.
Заключения
Разработаны клеи марок ВК-108 и ВКВ-28 с пониженной горючестью и теплостойкостью до 120 °С. Конструкционный эпоксидный пленочный клей ВК-108 предназначен для склеивания деталей и агрегатов из металлических материалов и полимерных композитов, включая сотовые конструкции; вспенивающийся эпоксидный пленочный клей ВКВ-28 – для склеивания блоков неперфорированного сотового заполнителя между собой и с замыкающими элементами каркаса из металлических и неметаллических материалов. Исследования показали возможность совместного использования конструкционного клея ВК-108 и вспенивающегося клея ВКВ-28 в процессе производства трехслойных сотовых конструкций для авиационной техники.
Проведена квалификационная оценка свойств клеевых соединений, выполненных с использованием клея ВК-108, которая показала, что клей обеспечивает высокий уровень свойств как в исходном состоянии, так и после воздействия внешних факторов, термического старения, термоциклирования, условий камеры тропического климата, тепловлажностного старения, воды и влаги.
Таким образом, клеи ВК-108 и ВКВ-28 могут занять достойное место среди клеящих материалов для применения в авиационной отрасли. Сочетание теплостойкости, прочности, пониженной горючести и устойчивости к неблагоприятным внешним факторам делают эти клеи неотъемлемым компонентом производства сотовых конструкций, которые используются в новых изделиях авиации. Благодаря таким инновационным материалам возможно создание прочных, пожаробезопасных авиационных конструкций, способных выдерживать высокие нагрузки в процессе длительной эксплуатации.
- Каблов Е.Н. Основные направления развития материалов для авиакосмической техники XXI века // Перспективные материалы. 2000. № 3. С. 27–36.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки // Вестник Российской академии наук. 2020. Т. 90. № 4. С. 331–334.
- Каблов Е.Н. Роль фундаментальных исследований при создании материалов нового поколения // Тез. докл. ХХI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии: в 6 т. СПб., 2019. Т. 4. С. 24.
- Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Аниховская Л.И. Клеи и материалы на их основе для ремонта конструкций авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2002. № 1. С. 61–65.
- Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 231–242.
- Антипов В.В., Серебренникова Н.Ю., Коновалов А.Н., Нефедова Ю.Н. Перспективы применения в авиационных конструкциях слоистых металлополимерных материалов на основе алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 45–53. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-45-53.
- Петрова А.П. Основные этапы технологии склеивания // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 2. С. 24–30.
- Каблов Е.Н., Лаптев А.Б., Прокопенко А.Н., Гуляев А.И. Релаксация полимерных композиционных материалов под длительным действием статической нагрузки и климата (обзор). Часть 1. Связующие // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 4 (65). Ст. 08. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-4-70-80.
- Авиационные материалы: справочник в 13 т. / под ред. Е.Н. Каблова. 7-е изд., доп. и перераб. М.: ВИАМ, 2019. Т. 10: Клеи, герметики, резины, гидрожидкости, ч. 1: Клеи, клеевые препреги. 276 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.
- Петрова А.П., Донской А.А. Клеящие материалы. Герметики. СПб.: Профессионал, 2008. 589 с.
- Шершак П.В., Яковлев Н.О., Шокин Г.И., Куцевич К.Е., Попкова Е.А. Метод оценки и факторы, влияющие на качество склеивания обшивки с сотовым заполнителем в конструкциях пола и интерьера воздушных судов // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 2 (59). С. 81–88. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-2-81-88.
- Петрова А.П. Вспенивающиеся клеи и их применение в авиастроении // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 1. С. 2–5.
- Куцевич К.Е., Тюменева Т.Ю., Петрова А.П. Влияние наполнителей на свойства клеевых препрегов и ПКМ на их свойства // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 4 (49). С. 51–55. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-4-51-55.
- Дементьева Л.А., Тюменева Т.Ю., Шарова И.А. Клеи с пониженной горючестью для авиационной техники // Сб. тр. VІ Междунар. конф. Вологда, 2011. С. 127–128.
- Застрогина О.Б., Швец Н.И., Серкова У.А., Вешкин Е.А. Пожаробезопасные материалы на основе феноло-формальдегидных связующих // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. № 7. С. 22–27.
- Застрогина О.Б., Серкова Е.А., Сарычев И.А., Вавилова М.И. Влияние винифлекса российского и китайского производства на свойства связующего ВФТ и стеклотекстолита на его основе // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 3 (60). С. 3–9. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-3-3-9.
- Донской А.А., Баритко Н.В. Самозатухающие герметики низкой плотности // Клеи. Герметики. Технологии. 2006. № 9. С. 10–12.
- Куршубадзе И.В., Петрова А.П., Работоспособность клеевых соединений в условиях морских субтропиков // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 12. С. 14–17.
- Лукина Н.Ф., Исаев А.Ю., Стародубцева О.А., Балабанова О.С. Свойства токопроводящего клея с пониженной температурой отверждения // Труды ВИАМ. 2023. № 5 (123). Ст. 05. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-5-54-63.
- Петрова А.П., Лукина Н.Ф., Исаев А.Ю., Смирнов О.И. Влияние адгезионного грунта ЭП-0234 на свойства клеевых соединений, полученных с применением клея ВК-36 // Труды ВИАМ. 2022. № 6 (112). Ст. 04. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-39-48.
- Лукина Н.Ф., Котова Е.В., Петрова А.П., Исаев А.Ю. Улучшение свойств фенолформальдегидных клеев при модификации их поливинилацеталями // Труды ВИАМ. 2022. № 7 (113). Ст. 03. URL: http//www.viam-works.ru (дата обращения: 21.03.2024). DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-7-27-36.