ГРАДИЕНТНЫЙ МЕТАЛЛОСТЕКЛОПЛАСТИК И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к области слоистых алюмополимерных композиционных материалов, содержащих тонкие листы из алюминиевых сплавов и слои армированных полимерных композиционных материалов и применяемых в качестве конструкционного материала для силовых элементов планера самолета (обшивок, стрингеров, противопожарных перегородок фюзеляжа и крыла, панелей пола, соединительных лент, стопперов и др.) и их ремонта, а также для других транспортных средств.

Известен класс слоистых композиционных алюмополимерных материалов на основе алюминиевых листов и прослоек стеклопластика. Материалы этого типа, предложенные фирмой «AKZO» (Нидерланды) и обозначенные маркой Glare (Glass + Aluminium + Reinforced), состоят из тонких листов сплавов традиционных систем легирования Al-Cu (2024Т3 - типа Д16чТ), Al-Zn (7075Т6.Т76 - типа В95пчТ1Т2) и промежуточных слоев стеклопластика, которые содержат непрерывные стеклянные волокна и термопластичное или термореактивное связующее [Патент США №5,039,571].

На базе алюминиевых сплавов имеются российские слоистые алюмостеклопластики, обозначенные маркой СИАЛ (Стекло И Алюминий) [O.G. Senatorova, L.I. Anikhovskaya, J.N. Fridlyander, V.V. Sidelnikov, a.o Features of Al Laminate Behavior at Fatigue Loading. Proc. of ICAA-5, France, 1996].

Одним из основных недостатков этой серии слоистых алюмополимерных композиционных материалов, обусловленных свойствами слоев стеклопластика, является пониженный на 10-30% модуль упругости по сравнению с основными конструкционными алюминиевыми сплавами.

Кроме того, композиты обладают большей (до 8-10%) плотностью по сравнению с ранее разработанными слоистыми алюмоорганопластиками класса АЛОР (ARALL).

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является слоистый композиционный материал, состоящий из листов алюминий-литиевого высокомодульного сплава пониженной плотности и слоев стеклопластика на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя из высокопрочных стеклянных волокон [Патент РФ №2185964].

Использование в составе слоистого материала тонких листов из Al-Li сплава, предпочтительно системы Al-Li-Cu-Mg, с высоким модулем упругости (не менее 78 ГПа) и пониженной плотностью (не более 2620 кг/м³) вместо листов из традиционных среднепрочных сплавов типа дуралюмин системы Al-Cu-Mg с модулем упругости 71,5 ГПа и плотностью 2770 кг/м³, позволяет повысить в целом модуль упругости при растяжении и сжатии слоистого алюмостеклопластика на ~10% (до более 60 ГПа) и приблизить его к модулю для алюминиевых сплавов, а также дополнительно понизить плотность материала преимущественно до 2300-2400 кг/м³.

Для обеспечения монолитности слоя стеклопластика и его надежной связи с алюминиевыми листами и повышения температуры эксплуатации материала до 130°C применяется модифицированное термореактивное связующее с повышенной температурой отверждения (170-180°C).

К общим главным недостаткам этих слоистых алюмостеклопластиков двух групп относятся:

- слоистый композиционный материал имеет недостаточную статическую прочность (предел текучести) при достижении пониженной плотности и повышенной жесткости, что сужает область их применения;

- в структуре композиционного материала используются одинаковые тонкие алюминиевые листы (из одного сплава, размера, объемной доли), взаимосвязанные с величиной предела текучести и ограничивающие изготовление различных видов изделий.

Технической задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание высокопрочного слоистого градиентного композиционного материла на основе листов из двух типов градиентных высокомодульных Al-Li сплавов пониженной плотности и слоев стеклопластика, обладающего высокой статической прочностью (по пределу текучести), при сохранении повышенного модуля упругости, пониженной плотности, сопротивления усталостному разрушению и других эксплуатационных характеристик трещиностойкости для конструкционного применения в основных силовых элементах планера самолетов и изделий других транспортных средств.

Для достижения заявленного технического результата предложен градиентный металлостеклопластик, состоящий из внешних листов высокомодульного Аl-Li сплава с пределом текучести в диапазоне 300-400 МПа, и слоев стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из стекловолокон в виде тканей или ровинга, отличающийся тем, что дополнительно содержит внутренний лист из высокопрочного Al-Li сплава с пределом текучести более 500 МПа, причем каждый слой стеклопластика расположен между упомянутым внутренним листом и внешними листами, причем толщина внутреннего листа составляет 25-40% от общей толщины градиентного металлостеклопластика.

Предпочтительно, в качестве внешнего листа Al-Li сплава используют сплав с плотностью не более 2620 кг/см³ и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.

Предпочтительно, в качестве внутреннего листа Al-Li сплава используют сплав с плотностью не более 2690 кг/см³ и модулем упругости при растяжении не менее 76 ГПа.

Предпочтительно, основа армирующего наполнителя выполнена из стеклянных волокон диаметром ⌀ 5-20 мкм, плотностью 2500-2580 кг/м³, с пределом прочности σ_в 4000-5000 МПа, модулем упругости при растяжении Е 85-100 ГПа.

Предпочтительно, в качестве термореактивного связующего он содержит связующее на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°C.

Настоящее изобретение поясняется чертежом

На фиг. 1 показана схема градиентного металлостеклопластика, где:

1 - внешний лист среднепрочного высокомодульного Al-Li сплава;

2 - термореактивное клеевое связующее с армирующим наполнителем из стекловолокон;

3 - внутренний лист высокопрочного высокомодульного Al-Li сплава.

Важнейшим преимуществом предлагаемого высокопрочного слоистого градиентного композиционного материала является его повышенная статическая прочность, как следствие присутствия внутренних симметрично расположенных неплакированных листов из высокопрочного Al-Li сплава с высоким пределом текучести. Это способствует расширению номенклатуры композиционного материала в целом. Разработанный металлостеклопластик является градиентным материалом, так как он состоит из нескольких слоев, уровень свойств которых систематически различается по толщине. Так, по краям у него листы среднепрочного Al-Li сплава, в центре лист из высокопрочного Al-Li сплава, а между ними прослойки стеклопластика.

Использование в составе композиционного материала внешних тонких листов из среднепрочного Al-Li сплава и слоев стеклопластика на базе модифицированного термореактивного связующего с различным стеклоармирующим наполнителем приводит к сохранению высокого сопротивления усталостному разрушению и других эксплуатационных характеристик трещиностойкости.

Использование в составе слоистого градиентного композиционного материала двух высокомодульных Al-Li сплавов пониженной плотности позволит достичь повышения жесткости и весовой эффективности от применения материала в конструкциях.

Предложенная регламентация соотношения толщин слоев внутреннего листа и материала в целом обеспечивает создание оптимального комплекса свойств композиционного алюмополимерного материала.

Существенным фактором является совместимость температурно-временных параметров отверждения двух градиентных Al-Li сплавов внешних и внутренних листов при повышенной температуре клеевого модифицированного связующего для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями, а также повышения температуры эксплуатации композиционного материала.

Указанное термореактивное клеевое связующее включает следующие компоненты: смесь эпоксидиановой смолы с одной из эпоксидных смол, выбранных из группы N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное низкомолекулярного фенол-формальдегидного новолака, триглицидилпроизводное парааминофенола, дициандиамид в качестве отвердителя и полиарилсульфон с концевыми гидроксильными группами, молекулярной массой 25000-45000 и температурой стеклования 190-260°C, являющийся продуктом нуклеофильной поликонденсации бис-(галогенарил)сульфонов с бисфенолом, которые взяты в следующем соотношении, мас.ч.:

Приготовление связующеего осуществляют следующим образом

В реактор загружают 50 мас.ч. эпоксидной смолы ЭД-20, 40 мас.ч. N,N-тетраглицидилпроизводное 3,3′-дихлор-4,4′-диаминодифенилметана и 25 мас.ч. полиарилсульфона с молекулярной массой 25000. Смесь нагревают при перемешивании до температуры 170-180°C. Затем в полученный расплав вводят 10 мас.ч. дициандиамида и осуществляют перемешивание до получения гомогенного состава. Затем полученный расплав охлаждают до комнатной температуры.

Примеры осуществления

В опытном производстве были отформованы пятислойные градиентные листы композиционного материала (см. фиг. 1) габаритами 500×500 мм, состоящие из двух внешних листов тонких (1), например толщиной (t=0,31 мм), предпочтительно односторонне плакированных листов из сред непрочного (σ_0,2=340 МПа) высокомодульного (Е=80 ГПа) Al-Li сплава пониженной плотности (d~2600 кг/м³), и внутреннего листа (3) из другого высокопрочного (σ_0,2=500 МПа) высокомодульного (Е=77 ГПа) Al-Li сплава пониженной плотности (d~2670 кг/м³), и двух слоев стеклопластика (2) с двунаправленной схемой армирования высокопрочными, высокомодульными стеклянными волокнами, распределенными в связующем на основе модифицированных эпоксидных смол.

Характеристики структуры и свойств компонентов заявленного (примеры 1-3) и известного (примеры 4, 5) слоистых композиционных материалов на основе алюминиевых листов и слоев стеклопластика представлены в таблице 1.

Алюминиевые листы (1, 3) подвергали предварительно обезжириванию, травлению, анодному окислению в хромовой или фосфорной кислотах, далее они были покрыты адгезионным грунтом с помощью распылителя. Листы после подготовки поверхности помещали на плиту и затем выполняли послойную укладку алюминиевых листов и монослоев препрегов в соответствии с требуемой ориентацией армирующих стеклянных волокон и направлением прокатки алюминиевых листов для создания необходимой структуры композиционного материала.

Формование листов композита проводили автоклавным способом (автоклав «Шольц» с рабочим пространством ⌀ 800×2000 мм) при повышенной температуре отверждения модифицированного связующего.

Микроструктуру и регламентированные соотношения листов (1, 3) и слоев стеклопластика (2), структура и объемное содержание других компонентов в слоистых листах из полученных высокопрочных градиентных композиционных материалов оценивали на шлифах, вырезанных из разных зон, методами количественного микроструктурного анализа в оптических микроскопах.

Механические свойства исследовали на образцах, вырезанных из алюминиевых листов и слоистых градиентных композиционных материалов.

Механические свойства при растяжении (предел текучести σ_0,2, модуль упругости Е) определяли на образцах с шириной рабочей части 15 мм в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Трещиностойкость (скорость роста трещины усталости) изучали на образцах размерами 140×420 мм с исходным центральным отверстием ⌀ 4 мм и пропилом 2l₀~6 мм при следующих условиях усталостного нагружения: σ_max=120 МПа; R=0; f=5 Гц.

Плотность композитов определяли методом гидростатического взвешивания.

В таблице 2 показаны механические и физические свойства листов из заявленного (примеры 1-3) и известного (примеры 4, 5) слоистых композиционных материалов. Примеры 1-3 - с Al-Li внутренними высокопрочными различной толщины листами; пример 4 - с одинаковыми по толщине среднепрочными листами сплава системы Al-Li; пример 5 - с одинаковыми по толщине среднепрочными листами сплава 2024 системы Al-Cu.

Как свидетельствуют полученные и представленные в таблице 2 результаты, структура и состав предложенного высокопрочного слоистого алюмостеклопластика позволили повысить статическую прочность (до σ_0,2≥400 МПа). При этом сохраняется пониженная плотность композита, высокий уровень модуля упругости, сопротивления развитию трещин усталости и обеспечивается повышенная температура эксплуатации.

Таким образом, предложенный высокопрочный, высокомодульный, легкий, трещиностойкий слоистый градиентный композиционный материал расширяет возможности производства деталей, обеспечивает повышение ресурса, надежности, весовой эффективности, жесткости, температурного диапазона эксплуатации изделий. Материал рекомендуется для изготовления листов, плит, гнутых профилей.

Слоистый высокопрочный градиентный композиционный материал на основе листов (1, 3) из двух типов градиентных высокомодульных Al-Li сплавов предпочтительно пониженной плотности и слоев стеклопластика (2) предназначен в качестве эффективного, практически реализуемого конструкционного материала для основных элементов планера самолета (обшивок, стрингеров, противопожарных перегородок фюзеляжа и крыла, панелей пола, соединительных лент и др.) и их ремонта (как стоппер трещин), а также для изделий наземного транспорта и других транспортных средств, взамен конструкционных монолитных алюминиевых сплавов и слоистых материалов серии GLARE.