Молниезащитное покрытие на основе полимерной композиционной пленки с интегрированной металлической сеткой

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – одно их стремительно развивающихся направлений современного материаловедения. Само слово «композиционный» означает многокомпонентный с существенно различающимися физическими и/или химическими свойствами, что в свою очередь дает безграничные возможности для проведения эксперимента и получения новых видов материалов с улучшенными характеристиками, в том числе со специальными свойствами.

Благодаря этому преимуществу доля ПКМ в различных отраслях промышленности только увеличивается, и авиационная отрасль, где вопросы весовой эффективности, реализации повышенных упруго-прочностных характеристик и специальных свойств материалов в конструкции остаются актуальными уже много десятилетий [1], – не исключение.

Бо́льшую часть жизненного цикла авиационная техника проводит в условиях эксплуатации в атмосфере, и обеспечение безопасности полетов является приоритетной задачей для авиаконструктора [2] и разработчика материалов для деталей и сборочных единиц летательного аппарата. К одному из красивейших и опаснейших атмосферных явлений относится гроза, при которой внутри облаков или между облаками и земной поверхностью возникают электрические разряды молнии различной интенсивности. По статистике, самолет подвергается удару молнии 1–2 раза в год. При попадании молнии в авиационную технику ток проходит через обшивку, самолет работает как клетка Фарадея, отводя разряд. При попадании молнии в самолет возможны локальные повреждения обшивки, вре́менные сбои электроники, а иногда и возгорание топливных баков, что может привести к трагическим последствиям и гибели сотен людей, поэтому вопрос молниезащиты авиационной техники имеет особое значение.

Когда в конструкции авиационной техники применяли только различные виды металлов [3], этот вопрос решался сам собой: металлы – это материалы, хорошо проводящие электрический ток (проводники), поэтому при попадании электрического разряда молнии в металлическую часть самолета ток стекал по внешней аэродинамической поверхности в атмосферу, оставляя при сильном разряде след (прогар).

Однако в настоящее время в конструкции авиационной техники присутствует >50 % ПКМ: стекло- и органопластики, которые относятся к диэлектрикам и не проводят электрический ток, и углепластики, являющиеся полупроводниковыми материалами, но их электропроводности недостаточно, чтобы быстро свести электрический заряд с поверхности летательного аппарата и предотвратить разрушение и деструкцию материала. При попадании разряда молнии в ПКМ происходят «термический шок» (мгновенный перегрев до температуры 30000 °С, что провоцирует расслоение, деструкцию поверхности и хрупкость материала) и электродинамические нагрузки (взрывное расширение плазмы создает ударную волну, вызывая также деламинацию, микротрещины в матрице, потерю прочности и устойчивости конструкции) [4].

Для обеспечения надежной и эффективной защиты авиационных конструкций, выполненных из ПКМ, от поражающих факторов разрядов молнии в самолетостроении традиционно применяют следующие меры [5]:

– конструкторские решения (токопроводящие металлические сетки (вязаные, просечно-вытяжные), шины различной поверхностной плотности, напыление металлов, заземление, которое обеспечивает путь для тока молнии без накопления заряда на поверхности, защита топливных баков в части предотвращения искр в зонах возможного удара);

– электронная защита (экранирование проводки, устройства защиты от перенапряжений);

– дополнительные меры (статистические разрядники, которые установлены на законцовках крыльев и отводят накопленный электрический заряд, снижая риск удара).

В данной статье рассмотрено конструкторское решение для защиты внешнего контура авиационной техники, выполненного из ПКМ, заключающееся в применении токопроводящих металлических сеток (вязаных, просечно-вытяжных).

В условиях современного отечественного производства изделий из ПКМ, выходящих на внешний контур авиационной техники, с применением молниезащитных металлических сеток используют следующую схему выкладки: пакет заготовки из слоев препрега ПКМ, например на основе равнопрочного углеродного наполнителя; изоляционный слой на основе стеклянной ткани; адгезионный слой на основе полимерного клея (как правило, поверхностной плотностью ~300 г/м²) для лучшего крепления (укладки); слой металлической сетки необходимой поверхностной плотности (от 70 до 200 г/м²). В большинстве случаев клеевая пленка может быть уложена на металлический слой для формирования качественного антиэрозионного слоя на поверхности изделия. Затем пакет заготовки подвергается отверждению с последующим нанесением системы лакокрасочного покрытия [6].

Разработчики молниезащитных систем создают перспективные альтернативы имеющимся подходам, основываясь на стремлении уменьшить массу конструкции, снизить трудоемкость при производстве и сделать свое изобретение более передовым. Среди зарубежных разработок большую популярность приобрели молниезащитные покрытия на основе полимерных композиционных пленок, в которые могут быть интегрированы металлические сетки или перфорированные фольги различной плотности. Они сочетают легкость полимеров с электропроводностью металлов, обеспечивая безопасный отвод тока молнии [6]. К таким покрытиям относятся: композиционная клейкая пленка Surface Master™ 905 на основе эпоксидного связующего с перфорированной фольгой (алюминий, медь) (компания Solvay); препрег Strike Guard LSP с включениями перфорированных фольг из различных металлов (алюминий, медь, бронза и др.), интегрированных в эпоксидное связующее или клей (компания APCM (Adhesive Prepregs for Composite Manufacturers)); интегрированные системы на основе пленочных клеев Redux и эпоксидных препреговых связующих HexPly с включенной бронзовой, медной или алюминиевой вязаной сеткой или перфорированной фольгой (компания Hexcel Corporation); поверхностная пленка LOCTITE^® EA 9845 LC AERO (компания Henkel Corporation); поверхностная молниезащитная пленка 3M™ Scotch-Weld™ AF536 с эпоксидным связующим и молниезащитным проводником; поверхностная пленка TC235LS (компания Toray). Они предназначены для выравнивания и обеспечения антиэрозионной защиты внешней поверхности авиационной техники. Кроме того, доказано, что их использование значительно сокращает трудоемкость и увеличивает весовую эффективность конструкции, а это именно те задачи, на решение которых направлены основные усилия современных разработчиков материалов. Однако в отечественной практике в настоящее время отсутствуют такого типа материалы, так как до определенного момента применение зарубежных материалов было доступно с точки зрения как ценовой политики, так и международной обстановки.

Принцип действия таких покрытий прост: молния ударяет по поверхности самолета, ток мгновенно растекается по металлической сетке, энергия рассеивается по большой площади, тем самым предотвращая локальный перегрев и пробо́й обшивки из композиционного материала, далее ток отводится к заземленным элементам каркаса (например, через титановые заклепки), переходит на статистические разрядники и с потоком воздуха стекает в атмосферу [7]. Преимущества таких покрытий – масса, гибкость (драпируемость), коррозионная стойкость, ремонтопригодность.

В связи с общей тенденцией по развитию материалов отечественного производства в самолетостроении в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ проведены работы по созданию полимерного пленочного покрытия с интегрированным металлическим слоем, которому присвоена марка ВМЗП-1, обладающего функцией молниезащиты и являющегося аналогом импортного материала типа LOCTITE^® EA 9845 LC AERO.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

Полимерное пленочное покрытие с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-1 (рис. 1) в составе ПКМ применимо в качестве выравнивающего поверхностного слоя, для защиты от молниевых разрядов и снятия статического электричества с внешней аэродинамической поверхности летательных аппаратов, работающих в диапазоне температур от –60 до +120 °С, кратковременно до +150 °С, и совместимо в едином цикле формования [8] с препрегами линейки материалов на основе связующего ВСЭ-1212 (препрегами углепластиков типа ВКУ-29, ВКУ-39, ВКУ-25, применяемых в мотогондоле двигательных установок ПД-8 и ПД-14) [9].

В качестве интегрированной металлической медной сетки (см. таблицу) в молниезащитном полимерном пленочном покрытии могут использоваться [10]:

– вязаные и вязано-паяные сетки из медной металлической проволоки;

– просечно-вытяжные (перфорированные) медные металлические фольги.

Вязаные и вязано-паяные сетки из металлической проволоки (рис. 2) – это хорошо зарекомендовавшее себя и применяющееся на протяжении многих лет традиционное решение для обеспечения молниезащиты композиционных авиационных конструкций, где требуется гибкость (драпируемость) и минимальная масса [11]. Их основное отличие от стандартных тканых сеток – уникальная структура, обеспечивающая повышенную стойкость к ударным нагрузкам и термоциклированию.

Вязаный тип сетки изготавливают из металлических проволочных нитей диаметром 0,05–0,20 мм, которые на высокоскоростных станках между собой формируют петли, на выходе получается эластичное полотно с ячейками размером 1–5 мм. В вязано-паяном типе сетки после вязки узлы точечно спаиваются медным припоем, образуется жесткий каркас с фиксированными размерами [12]. Основными преимуществами вязаных и вязано-паяных медных сеток являются:

– драпируемость (могут растягиваться на 30–50 %, повторяя форму сложных криволинейных поверхностей (носовая часть, кромки крыльев));

– ударная вязкость (петлистая структура поглощает энергию удара, например, града или щебня без разрыва);

– термостойкость (вязано-паянные сетки сохраняют целостность при повышенных температурах (300–400 °С));

– хорошая электропроводность и распределение тока (спаянные узлы создают непрерывные пути для тока молнии, увеличивая скорость отвода заряда, и минимизируют разрушение композита).

Исходя из перечисленных преимуществ, вязано-паяные медные сетки в авиации применяют для зон прямого удара молнии (носовой обтекатель, законцовки крыльев и стабилизаторов, пилоны двигателей) и радиопрозрачных зон, так как сетки с шагом ячейки >3 мм не экранируют радиоволны. Обычные вязаные сетки применяют на второстепенных поверхностях.

Просечно-вытяжные (перфорированные) металлические сетки (фольги) (рис. 3) – это современное решение для обеспечения молниезащиты композиционных авиационных конструкций в зонах прямого разряда молнии, где очень важна стабильность структуры покрытия [13]. Их применяют в современных лайнерах (Boeing, Airbus, Embraer) как эталон надежности. Просечно-вытяжные (перфорированные) металлические сетки (фольги) производят из цельного листа меди, а не из сплетенных проволок, что дает им уникальное преимущество для экстремальных зон воздействия тока молнии на самолет. Технология производства такого типа сеток заключается в следующем: тонкий медный лист (0,05–0,3 мм) пробивается ромбовидными или шестигранными ножницами, создавая сквозные щели, далее лист растягивается в перпендикулярных направлениях, формируя ячеистую структуру с узлами связи, в зонах растяжения медь упрочняется, повышая сопротивление усталости [10].

Основными преимуществами просечно-вытяжных (перфорированных) металлических сеток (фольг) являются:

– цельная структура (отсутствует риск расплетания или разрыва узлов, в отличие от вязаных сеток);

– высокая жесткость (сохраняет форму при выкладке на криволинейные поверхности);

– теплорассеивание (сплошные узлы связи эффективно отводят тепло (до 50 % эффективнее плетеных аналогов));

– коррозионная стойкость (отсутствие микрощелей снижает риск точечной коррозии);

– электропроводность за счет непрерывных токовых путей.

Основные недостатки – ограниченная эластичность (такие сетки не подходят для сильно криволинейных поверхностей) и сложность резки, так как требуется лазерная или гидроабразивная обработка, что может спровоцировать деформацию кромок.

Зоны применения в авиации просечно-вытяжных (перфорированных) металлических сеток (фольг) – это экстремальные зоны прямого удара молнии (носовой обтекатель, передние кромки крыльев, законцовки стабилизаторов), радиопрозрачные зоны и спутниковые антенны.

Просечно-вытяжные (перфорированные) металлические сетки (фольги) производства АО «ДКЗ» и ООО «Ультра» являются прямыми аналогами импортных сеток марки Dexmet (США), которые применяют в современных лайнерах и до 2020 г. использовали в гражданских изделиях отечественной авиационной техники.

Для полимерной основы молниезащитного покрытия марки ВМЗП-1 специально разработано расплавное эпоксидное связующее марки ВСЭ-78, обеспечивающее необходимые значения температуры стеклования в отвержденном состоянии (175–176 °С), что гарантирует рабочую температуру ≥120 °С, обладающее более длительной жизнеспособностью (по сравнению с другими экспериментальными композициями), а также необходимым уровнем вязкости [14], который не позволит связующему (в составе полимерного пленочного покрытия с интегрированной металлической сеткой) вытекать из сетки и равномерно растекаться по поверхности препрегов при их совмещении с покрытием [15].

Покрытие марки ВМЗП-1 изготавливают на специализированной установке методом совмещения (прикатки) металлического слоя сетки (фольги) с расплавным эпоксидным связующим, бумажной подложкой и полиэтиленовой защитной пленкой (рис. 4); покрытие поставляется в рулоне. Выпущена вся необходимая нормативная документация на материал, в том числе технические условия (ТУ 22.21.42-255-07545412–2025).

Основные характеристики молниезащитного полимерного пленочного покрытия с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-1:

В мотогондоле двигательных установок ПД-8 и ПД-14 для защиты от молниевого разряда ранее применяли импортные материалы – медную перфорированную фольгу фирмы Dexmet (США) [4]. Однако в связи с высокой стоимостью, длительными сроками поставки и впоследствии с невозможностью приобретения данного класса материалов по причине санкционной политики остро встал вопрос импортозамещения и подбора альтернативного варианта молниезащитного покрытия. Поскольку на тот момент отсутствовали прямые аналоги применяемых полимерных пленочных покрытий с металлическим слоем, начали использовать пленочные клеи ВК-36 и ВК-36А (с поверхностной плотностью 300 г/м²) и просечно-вытяжные (перфорированные) металлические фольги марок СФМ-051-84, СФМ-076-79, СФМ-051-70 производства АО «ДКЗ», которые являются аналогом линейки медных фольг фирмы Dexmet.

Пример конструктивной схемы выкладки пакета заготовки из ПКМ с молниезащитным покрытием представлен на рис. 5.

При использовании в схеме двух слоев пленочных клеев ВК-36 и ВК-36А (с поверхностной плотностью 300 г/м² каждый) и одного слоя просечно-вытяжной (перфорированной) металлической фольги марки СФМ-051-70 производства АО «ДКЗ» с максимальным значением поверхностной плотности 195 г/м² поверхностная плотность молниезащитного покрытия будет составлять ~795 г/м².

Поверхностная плотность одного слоя композиционного молниезащитного покрытия ВМЗП-1, включающего также металлический слой сетки марки СФМ-051-70, находится в интервале 238–578 г/м² в зависимости от требований заказчика продукции в части нанесения полимерной пленки в соответствии с допусками по ТУ.

При использовании одного слоя покрытия ВМЗП-1 (рис. 6), в которое уже интегрирована металлическая сетка, возможно повышение весовой эффективности на 27–70 % в сравнении со стандартной схемой (два слоя клеевой пленки ВК-36 и один металлический слой).

Для проведения испытаний на молниестойкость и оценки работоспособности молниезащитного покрытия за единый цикл формования изготовлены образцы размером 100×100 мм из углепластиков типа ВКУ-29 (на основе однонаправленной углеродной ткани полотняного плетения и эпоксидного связующего ВСЭ-1212) и типа ВКУ-39 (на основе равнопрочной углеродной ткани и эпоксидного связующего ВСЭ-1212) с молниезащитным покрытием марки ВМЗП-1, в том числе с нанесенной системой лакокрасочного покрытия.

Проведены испытания элементарных образцов размером 100×100 мм на молниестойкость (согласно АП-25, Часть 25, п. 25.581 «Защита от молнии») на высоковольтном стенде в условиях воздействия смещающихся разрядов с параметрами А + С, имитирующих ток молнии (сила тока I = 200 кА, переносимый заряд Q = 30 Кл, по одному удару на каждый образец) [16].

В летной практике при попадании молнии в самолет после приземления проверяется наличие повреждений конструкции следующими методами: визуальный осмотр на оплавление/пробоины, инструментальный контроль (термография для определения скрытых дефектов, ультразвуковые исследования для оценки расслоения) [17], тестирование электроники.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

После испытания на молниестойкость также проведен анализ элементарных образцов с использованием визуального осмотра, замера площади повреждений и оценки их характера, высокочастотного эхоимпульсного метода путем сканирования преобразователем всей поверхности с целью определения образовавшихся внутренних дефектов.

Методами визуального осмотра и замера зоны повреждения установлено:

– на всех образцах после проведения испытания сквозной пробо́й (перфорации) не зафиксирован;

– на части образцов обнаружены выгорание связующего, разрыв верхних слоев молниезащитного покрытия диаметром до 30 мм, а также деструкция связующего вдоль углеродных волокон и выгорание системы лакокрасочного покрытия на поверхности всего образца.

Внешний вид, характерные повреждения и результаты исследования образцов высокочастотным эхоимпульсным методом приведены на рис. 7.

Площадь повреждения образцов из углепластика типа ВКУ-39 с молниезащитным покрытием марки ВМЗП-1 составила от 352 до 1577 мм², при этом глубина повреждения достигла 0,1–0,7 мм при общей толщине образцов 2,55–2,60 мм. Площадь повреждения образцов из углепластика типа ВКУ-29 с молниезащитным покрытием марки ВМЗП-1 составила от 485 до 1372 мм², при этом глубина повреждения достигла 0,1–0,9 мм при общей толщине образцов 2,50–2,60 мм.

Установлено, что в результате испытаний всех образцов повреждены 1–3 слоя углепластика, сквозной пробо́й отсутствует.

Заключения

Испытания на молниестойкость элементарных образцов углепластиков типов ВКУ-29 и ВКУ-39 с разработанным в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ молниезащитным полимерным пленочным покрытием с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-1 считаются зачетными, так как на всех образцах отсутствуют сквозные повреждения (перфорации).

С целью защиты интеллектуальной собственности, связанной с разработкой нового полимерного пленочного покрытия с интегрированным металлическим слоем марки ВМЗП-1, получен патент РФ [14].

В конце 2025 г. будут проведены испытания на молниестойкость конструктивно-подобных элементов размером 500×500 мм, выполненных из углепластиков типов ВКУ-29 и ВКУ-39 с молниезащитным покрытием марки ВМЗП-1. Результаты планируются к публикации после завершения испытаний и проведения исследований.

Благодарности

Авторы статьи выражают благодарность за научный вклад в разработку молниезащитного материала начальнику сектора лаборатории НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ» А.И. Ткачуку.