Оптимизация структуры гибридных композиционных материалов авиационного назначения

Введение

В настоящее время композиционные материалы являются одними из наиболее перспективных для изготовления планера воздушного судна [1–4]. Гибридные композиты, сочетающие металлические и неметаллические компоненты, являются динамично развивающейся группой материалов [5–11], которые могут использоваться как для элементов силового набора и обшивки, так и для деталей интерьера летательных аппаратов.

Известно несколько значений термина «гибридный композиционный материал». Согласно работе [12], к данной группе относят материалы, имеющие в своем составе три или более компонента, регулирующих свойства композитов. Соответственно, указанные материалы могут быть полиматричными, обладающими двумя или более матричными компонентами, или полиармированными, с различными видами армирующих компонентов.

В работе [13] к гибридным относят композиты, в которых частицы дисперсной фазы имеют бимодальный гранулометрический состав.

Кроме того, к гибридным композитам традиционно принято относить слоистые композиционные материалы, в которых слои из металлических материалов (алюминиевые, титановые сплавы и т. д.) чередуются со слоями из полимерных композиционных материалов [5–8, 10]. Данная группа материалов объединяет положительные стороны традиционных металлических и полимерных композиционных материалов (ПКМ). Так, обладая большей удельной прочностью по сравнению с традиционными металлическими материалами, слоистые металлополимерные гибридные композиты имеют удовлетворительные характеристики пластичности, что повышает надежность деталей из таких материалов по сравнению с изготовленными из традиционных ПКМ.

Данная статья посвящена рассмотрению слоистых гибридных композитов с точки зрения обеспечения их оптимальных механических свойств.

Материалы и методы

Запишем условие совместности деформаций составляющих слоистого гибридного композита для случая одноосного нагружения в плоскости листа

ε_Ме=ε_ПКМ=ε,     (1)

где ε – относительная деформация в направлении приложения нагрузки, %; индексы Ме и ПКМ относятся к металлическим слоям гибрида и к слоям из полимерного композиционного материала соответственно.

Поскольку суммарная нагрузка Р, воспринимаемая композитом, равна сумме нагрузок, воспринимаемых металлической и ПКМ составляющими, с учетом допущения об упругой изотропии составляющих и равенстве их коэффициентов Пуассона, из выражения (1) получим:

P=σ_МеF_Ме+σ_ПКМF_ПКМ, (2)

где σ – напряжение, МПа; F – суммарная площадь поперечного сечения композита, занятая данной структурной составляющей (Ме или ПКМ), м².

Из уравнений (1) и (2) получим:

P=ε(E_MeF_Мe+E_ПКМF_ПКМ),  (3)

где Е – модуль упругости, МПа, в составляющих гибридного композита в направлении приложения нагрузки.

Таким образом, выбирая соотношение модулей упругости и (или) объемных долей металлической и ПКМ составляющей композита, можно регулировать уровень напряжений в его слоях при данном Р и оптимизировать свойства материала для различных видов нагружения.

Результаты

Рассмотрим некоторые случаи нагружения слоистого гибридного композита с точки зрения оптимизации его состава.

1. Статическое растяжение в плоскости листа. В данном случае, согласно формуле (3), целесообразно использовать слои ПКМ с возможно большим модулем упругости, что позволит повысить несущую способность за счет снижения напряжений в металлической составляющей. Жесткость при растяжении будет линейно возрастать с увеличением объемной доли высокомодульной составляющей композита. Наиболее оптимальными в данном случае являются композиции «алюминиевый сплав–высокомодульный однонаправленный органопластик» [14] и «титановый сплав–углепластик» [6]. При выборе компонентов гибридного композита следует учитывать их электрохимическую совместимость [15].

2. Статическое сжатие в плоскости листа. Для гибридов на основе ПКМ, которые при сжатии в плоскости листа обладают более низкими значениями модуля упругости, чем металлическая составляющая, для повышения жесткости композита и надежности изделий из него следует увеличивать объемное содержание металлической составляющей. При этом, как следует из формулы (3), в результате снижения значений e для данного уровня внешней нагрузки напряжения как в металлической, так и в ПКМ составляющей будут снижаться.

3. Устойчивость при продольном изгибе или знакопеременный (симметричный) изгиб. Поскольку ПКМ, как правило, имеют более низкие значения предела прочности и модуля упругости при сжатии по сравнению с растяжением, для случаев знакопеременного изгиба или сжатия до потери устойчивости целесообразно располагать слои гибридного композита таким образом, чтобы крайние слои («обкладки») были выполнены из металлических материалов с высокими значениями удельной прочности и жесткости.

В качестве примера на рис. 1 показана местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополимерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки» обшивки, стрингеры) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие с оценкой несущей способности (разработка и изготовление образца производились на самолетостроительном предприятии ПАО «ВАСО» в сопровождении специалистов ФГУП «ВИАМ» В.В. Сидельникова, Н.Ю. Серебренниковой, Е.В. Котовой, испытания проводились во ФГУП «ЦАГИ»).

Рис. 1. Местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополимерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки», стрингер) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие (несущую способность): общий вид (а); увеличенное место разрушения (б)

Увеличение толщины высокомодульных обкладок будет приводить к увеличению цилиндрической жесткости и жесткости при сжатии [16]. При этом следует учитывать следующее:

– с увеличением объемной доли металлической составляющей поверхностная плотность композиции будет линейно возрастать;

– существует предельное значение толщины обкладок, превышение которого не даст заметного увеличения жесткости композиции.

На рис. 2 представлены результаты расчета цилиндрической жесткости трехслойной симметричной панели по методике, изложенной в работе [16], где по горизонтальной оси отложены значения относительной толщины обкладок (S), равной отношению суммы толщин обкладок к толщине центрального слоя при общей толщине композиции 9 мм; по вертикальной оси отложены значения цилиндрической жесткости (D) композиции.

Рис. 2. Зависимость цилиндрической жесткости трехслойной панели от относительной толщины обкладок из Al–Li сплава (●), титана (■) и стали (Δ)

В качестве материала обкладок использовали сталь, титановый и алюминий-литиевый сплавы. Материал центрального слоя – слоистый гибридный композит типа СИАЛ [4, 7]. Расчет проводили в предположении изотропии упругих характеристик материалов. Свойства материалов, использованные в расчете, представлены в таблице.

Механические свойства материалов гибридного композита

Из данных, приведенных на рис. 2, следует, что для всех использованных в расчете материалов обкладок графики подобны и отличаются только масштабом по вертикальной оси. При малых значениях S небольшое увеличение толщины обкладок приводит к интенсивному росту параметра D, однако при дальнейшем увеличении толщины обкладок рост жесткости замедляется. При значении S=2 (толщина каждой из обкладок равна толщине центрального слоя) значение D отличается на величину ~2% от соответствующего значения для S, равного 8 (толщина каждой из обкладок в 4 раза превышает толщину центрального слоя). Данная закономерность наблюдается для всех материалов обкладок.

С увеличением S снижается зависимость D от жесткости центрального слоя. Так, при S, равном 2, значение D в случае центрального слоя с модулем упругости 69 ГПа отличается от соответствующего значения для композиции с модулем упругости 60 ГПа на величину ~1%.

Следует отметить, что среди использованных в расчете материалов обкладок при одинаковой поверхностной плотности более высокими значениями цилиндрической жесткости обладают композиции с обкладками из алюминий-литиевого сплава, имеющего наиболее высокие значения удельной жесткости.

4. Асимметричный (односторонний) изгиб.

При асимметричном изгибе, с учетом изложенного в пп. 1–3, укладку слоев целесообразно осуществлять таким образом, чтобы со стороны действия растягивающих напряжений объемное содержание высокомодульного ПКМ было максимальным; со стороны действия сжимающих напряжений должно быть максимальное содержание металлической составляющей в виде утолщенной обкладки. В области нейтрального слоя композита целесообразно располагать слои различного функционального назначения, например, слои стеклоткани, повышающие характеристики пожаростойкости композиции [7].

По методике расчета трехслойных панелей с изотропным заполнителем [16] проведен расчет цилиндрической жесткости слоистого гибридного композита в зависимости от его состава. В качестве исходных данных принимали, что композит состоит из слоя ПКМ с модулем упругости 150 ГПа, промежуточного слоя с модулем упругости 69 ГПа и металлического слоя из алюминий-литиевого сплава с модулем упругости
80 ГПа.

На рис. 3 приведены графики зависимости цилиндрической жесткости композита от толщины обкладки из ПКМ при различной толщине металлической обкладки (от 1 до 6 мм) для общей толщины композита 9 мм. Видно, что при увеличении толщины высокомодульного слоя ПКМ жесткость композита возрастает. При толщине обкладки ПКМ от 3 до 5 мм (поверхность контакта «ПКМ–промежуточный слой» находится вблизи нейтрального слоя) рост цилиндрической жесткости замедляется. При дальнейшем увеличении толщины слоя ПКМ (переход поверхности контакта «ПКМ–промежуточный слой» в область сжатия) рост цилиндрической жесткости интенсифицируется.

Рис. 3. Зависимость цилиндрической жесткости композиции от толщины обкладки из ПКМ для различных толщин обкладки из Al–Li сплава: 1 (♦), 2 (■), 3 (Δ), 4 (χ), 5 (*) и 6 мм (●)

Цилиндрическая жесткость композита увеличивается при увеличении толщины металлической обкладки от 1 до 4 мм, при дальнейшем увеличении толщины металлической обкладки роста жесткости не происходит.

Поверхностная плотность композита снижается, а цилиндрическая жесткость увеличивается при увеличении толщины слоя ПКМ. Таким образом, для композита, работающего в условиях одностороннего изгиба, целесообразно максимально увеличивать толщину слоя ПКМ. Ограничение по толщине слоя ПКМ обусловлено максимальной величиной сжимающих напряжений, которые не приводят к разрушению ПКМ при данных условиях нагружения.

5. Скорость роста трещины усталости, усталость при растяжении.

В широко известных слоистых композитах типа СИАЛ [4, 7–9], состоящих из чередующихся слоев алюминиевого сплава и стеклопластика, значения скорости роста усталостной трещины на некотором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения на порядок ниже, чем для монолитного листа из соответствующего алюминиевого сплава, равного с композитом по толщине. Однако, поскольку модуль упругости стеклопластика ниже, чем у алюминиевого сплава, металлическая составляющая в данных материалах воспринимает повышенную нагрузку и образование усталостной трещины в таких материалах происходит значительно раньше, чем в монолитных алюминиевых сплавах. При достижении усталостной трещиной длины, обеспечивающей ее раскрытие, достаточное для передачи нагрузки на разрушенном участке слоям стеклопластика, скорость роста трещины резко снижается и далее трещина практически не развивается. Таким образом, данные материалы целесообразно использовать в конструкциях, допускающих наличие трещин безопасной длины и не предъявляющих повышенных требований к жесткости.

При наличии требований к жесткости в композиции целесообразно использовать ПКМ, обладающий более высокими значениями модуля упругости и предела прочности при растяжении, чем у металлической составляющей, например: алюминиевый сплав–высокомодульный однонаправленный органопластик, титановый сплав–углепластик.

При этом в соответствии с формулой (3) следует ожидать уменьшения напряжений в металлической составляющей и повышения долговечности до образования трещины, а также значений порогового коэффициента интенсивности напряжений K_th.

Заключение

На примере некоторых видов статического и циклического нагружения показано, что эффективность функционирования слоистого металлополимерного композиционного материала для каждого вида нагружения определяется свойствами материалов металлических и ПКМ слоев, их толщинами и последовательностью расположения в композите.

Таким образом, состав и структура слоистого гибридного металлополимерного композита должны выбираться с учетом предполагаемых условий его применения в конструкции, в том числе – характера приложенных нагрузок. В этом случае можно ожидать дальнейшего повышения эффективности использования данных материалов в конструкциях авиационной техники.