Огнестойкий слоистый металлостеклопластик и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области слоистых алюмополимерных композиционных материалов, применяемых в качестве конструкционных материалов для элементов планера самолета (противопожарных перегородок фюзеляжа и крыла, огнезащитных отсеков, капотов двигателя, потолочных и боковых облицовок багажно-грузовых отсеков и др.) и их ремонта, а также для других транспортных средств.

Известны зарубежные слоистые металлостеклопластики на основе алюминиевых листов и прослоек стеклопластика, обозначенные маркой GLARE (Glass Aluminium Reinforced) (Fibre Metal Laminates /Ed. by Ad. Vlot, Yan. W. Gunnik. Academic Publishers. 2001, c. 527).

Так, например, известен ламинат из металлостеклопластика, содержащего слой стеклопластика на основе термопластичного связующего и стеклянных нитей с модулем упругости не менее 80 ГПа, состоящих из 58-69 масс. % оксида кремния, 18-29 масс. % оксида алюминия, 7-19 масс. % оксида магния. Стеклянные нити имеют прочность на разрыв не менее 4 ГПа и удлинение при разрыве не менее 4%. Термопластичное связующее может представлять собой аморфную смолу (полиарилаты, полиэфирные сульфоны, полиэфиримиды, поли-р-фениленовые эфиры, полифениленсульфиды, полиэфиркетоны, жидкокристаллические полимеры) (ЕР 0312151 А1, 19.04.1989).

В структуре материалов типа GLARE металлические слои состоят из листов традиционных алюминиевых сплавов 2024Т3 (типа Д16чТ), 7075Т6, Т76 (типа В95пч T1, Т2), плотность которых составляет 2780 кг/м³, что не позволя-ет понизить плотность композиционного материала менее 2500 кг/м³.

Также известны российские слоистые металлостеклопластики на основе алюминиевых листов и прослоек стеклопластика, обозначенные маркой СИАЛ (стекло и алюминий) (Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. «Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ». Авиационные материалы и технологии. 2011. №3, с. 36-41).

Так, например, известен слоистый композиционный материал, состоящий из чередующихся листов алюминиевого сплава и слоев стеклопластика на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя. В качестве алюминиевого сплава он содержит высокомодульный сплав пониженной плотности с содержанием лития более 1,5 масс. %, а армирующий наполнитель выполнен в виде однонаправленной стеклоткани с основой из высокопрочных стеклянных волокон и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала (RU 2185964 С1, 27.07.2002).

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является градиентный алюмостеклопластик, состоящий из внешних листов алюминий-литиевого высокомодульного сплава с пределом текучести в диапазоне 300-400 МПа, слоев стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем и внутреннего листа 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 (RU 2565215 С1, 20.10.2015).

Основные недостатки слоистых алюмополимерных композиционных материалов серии СИАЛ применительно к противопожарным элементам в конструкции летательного аппарата, состоят в следующем:

- в структуре композиционного материала используется стеклопластик, состоящий, как правило, из одного или двух слоев клеевого препрега, что недостаточно для отсутствия сквозного прогорания при воздействии пламени газовой горелки с температурой 1100°С в течение не менее 15 минут (по требованиям авиационных правил (АП-23, АП-25, АП-27, АП-29), предъявляемых к пожарной безопасности материалов и типовых конструктивных элементов на их основе);

- в структуре СИАЛов применяются металлические листы толщиной 0,35-0,5 мм, что не позволяет понизить плотность слоистого композита менее 2500 кг/м³.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка огнестойкого слоистого металлостеклопластика с улучшенными огнезащитными характеристиками для конструкционного применения в элементах планера самолетов и изделий других транспортных средств, позволяющего в случае возникновения пожароопасной ситуации обеспечить требуемое в соответствии с авиационными правилами (АП-23, АП-25, АП-27, АП-29) время для эвакуации пассажиров.

Техническим результатом является увеличение продолжительности проникновения пламени сквозь металлостеклопластик (обеспечение огнестойкости и огненепроницаемости материала при воздействии пламени с температурой 1100°С в течение 5 и 15 мин. соответственно), снижение плотности до значений не выше 2400 кг/м³ и сохранение предела прочности σ_B≥600 МПа.

Для достижения технического результата предложен слоистый металлостеклопластик, содержащий по меньшей мере один слой стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из стекловолокон и чередующиеся с ним листы Al-Li сплава, при этом листы Al-Li сплава имеют толщину 0,25-0,35 мм, слой стеклопластика изготовлен из не менее трех слоев клеевого препрега таким образом, что стекловолокна соседних слоев клеевого препрега ориентированы перпендикулярно относительно друг друга, причем стекловолокна контактирующих с листами Al-Li сплава слоев клеевого препрега ориентированы вдоль проката соответствующих листов, а объемное содержание слоя стеклопластика в металлостекло-пластике составляет 40-50 об. %.

Предпочтительно, чтобы листы Al-Li сплава имели плотность не более 2600 кг/см³, предел прочности не менее 420 МПа и модуль упругости при растяжении не менее 78 ГПа.

Стекловолокна могут быть выполнены в виде стеклоровинга или однонаправленной стеклоткани с объемным содержанием стекловолокна 50-65 об. %.

Предпочтительно, чтобы стекловолокна имели диаметр ∅=5-16 мкм, плотность d=1900-2580 кг/м³, предел прочности σ_B=4500-6000 МПа, модуль упругости при растяжении Е=85-95 ГПа.

Также предложено изделие, выполненное из заявленного слоистого ме-таллостеклопластика.

Настоящее изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема огнестойкого металлостеклопластика. На фиг. 2 показана схема слоя стеклопластика. На чертежах обозначены следующие элементы:

1, 2 - листы Al-Li сплава,

3 - слой стеклопластика на основе клеевого препрега с армирующим наполнителем из стекловолокон, 4, 5, 6 - слои клеевого препрега.

Важнейшим преимуществом предлагаемого слоистого металлостеклопластика является его повышенная огнестойкость и огненепроницаемость (отсутствие сквозного прогорания при 1100°С в течение 5 и 15 мин. соответственно), что обеспечивает увеличение продолжительности проникновения пламени с сохранением структурной жесткости конструкции. Особенности слоистой структуры композита, включая состав и взаимное расположение слоев, а именно наличие между листами Al-Li сплава слоя стеклопластика, изготовленного из не менее трех слоев клеевого препрега, расположенных таким образом, что стекловолокна соседних слоев ориентированы перпендикулярно относительно друг друга, причем стекловолокна первого слоя ориентированы вдоль проката внешнего листа Al-Li сплава, а также указанное увеличенное объемное содержание слоев стеклопластика в металлостеклопластике (до 40-50 объемных процентов) позволяет сохранить структурную жесткость конструкции и тем самым увеличить продолжительность проникновения пламени сквозь материал и, соответственно, время эвакуации пассажиров из транспортного средства.

Наличие в составе слоистого материала более тонких листов Al-Li сплава толщиной 0,25-0,35 мм каждый обеспечит плотность композиционного материала менее 2400 кг/м³, что позволит достичь весовую эффективность от применения предлагаемого металлостеклопластика в конструкции.

Экспериментально установлено, что из Al-Li сплава возможно прокатать листы толщиной 0,25-0,35 мм. Для этого предпочтительно использовать технологичный Al-Li сплав, имеющий плотность не более 2600 кг/см³, предел прочности не менее 420 МПа и модуль упругости при растяжении не менее 78 ГПа.

В качестве стекловолокна предпочтительно использовать стеклоровинг или однонаправленную стеклоткань с объемным содержанием стекловолокна 50-65 об. %, которые за счет увеличенной плотности упаковки волокон приводят к дополнительному увеличению продолжительности проникновения пламени сквозь металлостеклопластик.

Для обеспечения высоких статических свойств металлостеклопластика в направлении армирования (предел прочности σ_B≥600 МПа) и дополнительного снижения плотности предпочтительно использовать стекловолокна (например, марки ВМП) со следующими характеристиками: диаметр стекло-волокна ∅=5-16 мкм, плотность d=1900-2580 кг/м³, предел прочности σ_B=4500-6000 МПа, модуль упругости при растяжении Е=85-95 ГПа.

Для изготовления слоя стеклопластика предпочтительно использовать термореактивное связующее расплавного типа на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения (175±5)°С и обладающее пониженной динамической вязкостью, повышенными деформационными и теплопрочностными характеристиками (например, марок ВСК-14-2 мР и ВСК-14-2м).

Дополнительным преимуществом использования данного типа связующих с повышенной температурой отверждения является их совместимость по температурно-временным параметрам упрочняющей термообработки с листами Al-Li сплавов для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями.

Ввиду особенностей слоистой структуры металлостеклопластик обладает высоким сопротивлением усталостному разрушению (dl/dN ≤ 0,2 мм/кцикл).

Примеры осуществления.

В опытном производстве были отформованы листовые заготовки слоистого алюмополимерного композиционного материала габаритами 600x600 мм, состоящие из листов среднепрочного (σ_B=440 МПа, σ_0,2=340 МПа) высокомодульного (Е=80 ГПа) Al-Li сплава пониженной плотности не более 2600 кг/м³ (для примеров 1-3) и внутреннего слоя стеклопластика с тремя слоями клеевого препрега, на основе клеевого связующего, армированного высокопрочными, высокомодульными стеклянными волокнами.

Характеристики структуры и свойств компонентов заявленного (примеры 1-3), известных (примеры 4-5) слоистых алюмополимерных композиционных материалов на основе алюминий-литиевых листов и слоев стеклопластика и известного монолитного материала (пример 6) представлены в таблице 1.

Формование листов композита проводили автоклавным способом (автоклав «Italmatic AIC» с рабочим пространством ∅ 800×2000 мм).

Предварительно проводили подготовку поверхности алюминий-литиевых листов (1): обезжиривание, травление, анодное оксидирование в комбинированном фосфорно-кислотном электролите, в хромовой или фосфорной кислотах, нанесение защитного адгезионного грунта. Листы после подготовки поверхности помещали на плиту, и затем выполняли послойную укладку алюминий-литиевых листов и слоев препрегов в соответствии с требуемой ориентацией армирующих стеклянных волокон и направлением проката алюминий-литиевых листов для создания необходимой структуры композиционного материала.

Микроструктуру и регламентированные объемные соотношения металлических листов и слоев стеклопластика, структура и объемное содержание других компонентов в листовых заготовках слоистых алюмополимерных композиционных материалов оценивали на шлифах, вырезанных из разных зон, методами количественного микроструктурного анализа в оптических микроскопах.

Механические свойства при растяжении (предел прочности σ_B, предел текучести σ_0,2) определяли на образцах с шириной рабочей части 15 мм, вырезанных из различных зон алюминий-литиевых листов и слоистых алюмополимерных композиционных материалов в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Плотность композитов определяли методом гидростатического взвешивания.

Оценку огнестойкости и огненепроницаемости проводили на горизонтально расположенных листовых образцах на лабораторной установке при одностороннем воздействии открытого пламени в закрытой камере с учетом требований авиационного стандарта ISO2685, предъявляемых к материалам, предназначенным для пожароопасных зон в авиационной технике.

В таблице 2 показаны механические, физические свойства и характеристики пожаробезопасности листов из заявленного (примеры 1-3), известных (примеры 4-5) слоистых алюмополимерных композиционных материалов и известного монолитного материала (пример 6).

В примере 1 был изготовлен слоистый материал с двумя Al-Li листами и одним внутренним слоем стеклопластика из трех слоев клеевого препрега со стеклоровингом, в примере 2-е двумя Al-Li листами и одним внутренним слоем стеклопластика из трех слоев клеевого препрега с однонаправленной стеклотканью Т60, в примере 3-е тремя Al-Li листами и двумя внутренними слоями стеклопластика из трех слоев клеевого препрега со стеклоровингом каждый, в примере 4 (прототип) - с двумя Al-Li листами и одним слоем стеклопластика из двух слоев клеевого препрега со стеклоровингом, в примере 5 (зарубежный материал GLARE) - с двумя алюминиевыми листами среднепрочного сплава 2024 системы Al-Cu и одним слоем стеклопластика из двух слоев клеевого препрега со стеклоровингом, в примере 6 монолитный материал представлял собой титановый лист из сплава ОТ4 толщиной 0,6 мм.

Как свидетельствуют полученные механические характеристики и данные по огнестойкости материалов (представлены в таблице 2), структура и состав предложенного огнестойкого слоистого металлостеклопластика позволили обеспечить огнестойкость и огненепроницаемость (отсутствие сквозного прогорания при 1100°С в течение 5 и 15 мин. соответственно). Также позволили понизить плотность материала до значений не выше 2400 кг/м³ и обеспечить сохранение высокого уровня предела прочности σ_B ≥ 600 МПа.

Таким образом, предложенный огнестойкий слоистый металлостекло-пластик обладает расширенной областью применения в качестве противопожарного материала и обеспечивает увеличение продолжительности проникновения пламени с сохранением структурной жесткости конструкции и, как следствие, увеличение требуемого времени эвакуации пассажиров. Материал рекомендуется для изготовления противопожарных перегородок фюзеляжа и крыла, огнезащитных отсеков, капотов двигателя, потолочных и боковых облицовок багажно-грузовых отсеков самолета.