СЛОИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к области слоистых гибридных алюмополимерных композиционных материалов, выполненных из листов алюминиевого сплава и слоев стеклоармированного материала, используемых преимущественно в качестве конструкционного ударостойкого листового материала для основных элементов планера самолета (обшивок и полов грузовых отсеков, перегородок, контейнеров и т.д.) и их ремонта, а также для изделий транспортного машиностроения.

Известны слоистые алюмополимерные композиционные материалы на основе листов из алюминиевых сплавов с промежуточными слоями стеклопластика, обладающие повышенной прочностью и пониженной плотностью, высоким сопротивлением усталостному разрушению при обеспечении требуемого уровня других эксплуатационных и технологических характеристик, для эффективного применения взамен монолитных листов и других полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, в основном в силовых обшивочных элементах наружного контура фюзеляжа, крыла самолетов и изделий транспортного машиностроения (патент США 5039571 от 13.08.1991, патент РФ №2185964 от 19.01.2001).

Однако указанные материалы обладают недостаточной стойкостью при ударных механических воздействиях, имеющих место, например, при погрузочно-разгрузочных работах, случайных падениях инструмента и других металлических предметов при обслуживании и эксплуатации самолета. Эти недостатки ограничивают использование известных композиционных материалов для ударостойких изделий. Поскольку на практике повреждения от ударов составляют примерно 10-15% от общего количества повреждений материалов, проблема создания ударостойкого материала является весьма актуальной.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является ударостойкий слоистый композиционный материал, содержащий чередующиеся слои алюминиевого сплава и слои стеклопластика на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя. Слой стеклопластика содержит четыре монослоя, упрочненных однонаправленными стеклянными волокнами, причем волокна в двух внутренних монослоях ориентированы в одном направлении, а волокна в двух внешних монослоях ориентированы перпендикулярно этому направлению (патент США 5547735 от 20.08.1996).

Недостатками указанного материала являются:

- использование в качестве полимерного термореактивного связующего эпоксидных, полиэфирных, фенольных и других смол, имеющих относительное удлинение при сдвиге менее 10%, что не позволяет обеспечить равномерное перераспределение нагрузки между армирующими стеклянными волокнами при локальном ударном воздействии на слоистый материал;

- монослои пластика, армированные только однонаправленными стекловолокнами, не способны равномерно воспринимать изгибающие нагрузки при фронтальных ударных воздействиях, что приводит к локальному повреждению и образованию трещин, особенно в зоне растяжения;

- отсутствие эластичного полимерного слоя на границе раздела металл - стеклопластик приводит к возникновению в этой области значительных и неравномерных напряжений при локальных механических воздействиях и, как следствие, к возможности расслоения материала по этой межфазной границе.

Технической задачей настоящего изобретения является создание слоистого алюмополимерного композиционного материала на основе листов из алюминиевого сплава с промежуточными слоями стеклопластика, обладающего повышенной прочностью при ударных воздействиях при сохранении требуемого уровня других эксплуатационных и технологических характеристик для эффективного и обоснованного применения взамен монолитных листов из алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов (стекло-, органо-, углепластики) в качестве полов, перегородок и стенок грузовых отсеков, дверей планера самолета и в других изделиях, где от материала требуется высокая стойкость к ударным механическим воздействиям.

Для достижения поставленной задачи предложен слоистый композиционный материал, содержащий чередующиеся листы алюминиевого сплава и слои стеклопластика, состоящего из наружных и внутренних монослоев на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя, отличающийся тем, что он дополнительно содержит эластичные полимерные слои, расположенные между листами алюминиевого сплава и слоями стеклопластика, а стеклопластик состоит из чередующихся слоев однонаправленных волокон и стеклоткани, причем армирующий наполнитель в виде однонаправленных волокон располагается в центральной части, а стеклоткань по наружным сторонам слоев стеклопластика.

На чертеже представлена схема чередования слоев заявляемого композиционного материала, где 1 - алюминиевый лист; 2 - эластичный полимерный слой; 3 - стеклопластик со стеклотканью; 4 - стеклопластик со стеклянными волокнами

Слоистый композиционный материал содержит связующее, которое имеет относительное удлинение при сдвиге 40-100%, на основе смеси эпоксидных смол с массовой долей эпоксидных групп от 2 до 24%, модифицированных карбоксилсодержащими бутадиен-нитрильными каучуками.

Эластичный полимерный слой выполнен на основе фенольных смол резольного типа и высокомолекулярного каучука. Толщина эластичного полимерного слоя составляет 20-100 мкм, а относительное удлинение при сдвиге 100-250%.

Из слоистого композиционного материала могут быть выполнены различные изделия, преимущественно для приготовления ударостойких элементов самолета.

Одновременное присутствие в слое стеклопластика сочетания однонаправленных нитей и тканей различного плетения позволяет более равномерно распределить нагрузку между всеми стеклянными нитями композита при воздействии на боковую поверхность листового материала локальных ударных нагрузок и тем самым уменьшить вероятность появления расслоений, трещин и разрывов армирующего наполнителя.

Связующее на основе эпоксидных смол с массовой долей эпоксидных групп от 2 до 24%, модифицированных карбоксилсодержащими бутадиен-нитрильными каучуками, обеспечивает монолитность слоя стеклопластика, надежную связь и перераспределение нагрузки при ударных воздействиях между слоями композиционного материала при сохранении свойств листов из алюминиевого сплава в состаренном состоянии.

Наличие эластичного слоя на внутренних поверхностях металлических слоев позволяет, помимо демпфирующего действия, более равномерно распределить ударную нагрузку между слоями металла и стеклопластика, что препятствует расслоению и способствует сохранению целостности слоистого композиционного материала. Диапазон толщин в 20-100 мкм не вызывает заметного снижения модуля упругости слоистого композиционного материала.

Состав, структура, технологические приемы изготовления позволяют обеспечить повышенную стойкость материала к ударным механическим воздействиям предложенного слоистого композиционного материала, состоящего из чередующихся листов алюминиевого сплава и слоев стеклопластика и изделий из них при сохранении всех основных эксплуатационных характеристик материала.

Примеры осуществления.

В условиях опытного производства были отформованы листы слоистого алюмополимерного композиционного материала.

Пример 1.

Листы из алюминиевого сплава Д16чАТ размерами 600×600×0,3 мм подвергали обезжириванию, травлению и анодному окислению. На подготовленный алюминиевый лист наносился эластичный полимерный слой толщиной 20 мкм на основе смол ГР-С, ФЛ5111 и бутадиен-нитрильного каучука СКН-40КНТ. К поверхности эластичного полимерного слоя проводили послойную прикатку монослоев препрега термоваликом. Полученный слой стеклопластика состоял из двух монослоев препрега со стеклянными волокнами и двух монослоев препрега со стеклотканью. Препрег со стеклотканью располагался по наружным сторонам слоя стеклопластика.

Использовался препрег марки КМКС 1.80, который содержал 67 вес.% стекла ВМП в виде нитей диаметром 6 мкм и ткани, а также 33 вес.% связующего на основе смеси эпоксидных смол ЭД-20, ЭД-22, Э05К, ЭДХ, ЭД-8 и бутадиен-нитрильного карбоксилатного каучука СКН-30КТР.

Полученный пакет накрывался другим алюминиевым листом с вышеописанной подготовкой поверхности и нанесенным на него эластичным полимерным слоем толщиной 20 мкм. Формование слоистого композиционного материала проводили в гидравлическом прессе при температуре 120°С и давлении 10 МПа в течение 3-х часов.

Пример 2.

Процесс изготовления материала аналогичен описанному в примере 1, но листы были размером 1000×600×0,4. На алюминиевый лист наносился эластичный полимерный слой толщиной 70 мкм на основе смолы Эпокс 0,1 с ОКМ-2 и каучука СКН-40КНТ. В стеклопластике использовалось связующее, содержащее бутадиен-нитрильный карбоксилатный каучук СКН-18КТР. Формование осуществлялось в автоклаве при давлении 9 МПа и температуре 125°С.

Пример 3.

Процесс изготовления аналогичен описанному в примере 1, но использовались листы сплава 1163 размером 1500×600×0,5. На алюминиевые листы наносился эластичный полимерный слой толщиной 100 мкм на основе смол ГР-С и ФЛ 5111 и бутадиен-нитрильного каучука СКН-40КНТ. Слой стеклопластика состоял из трех монослоев препрега со стеклянными волокнами и двух монослоев препрега со стеклотканью. Монослои препрега со стеклотканью располагались по наружным сторонам слоя стеклопластика. Формование осуществлялось в автоклаве при давлении 8 МПа и температуре 130°С в течение 3-х часов.

Пример изготовления материала прототипа.

Процесс изготовления аналогичен описанному в примере 1. Использовались листы из сплава 2024ТЗ размером 600×600×0,5. В качестве связующего использовалась эпоксидная смола ЭД-20. Слой стеклопластика состоял из двух внутренних монослоев препрега со стеклянными волокнами, в которых волокна располагались параллельно и двух наружных монослоев препрега, в которых волокна располагались перпендикулярно волокнам во внутренних слоях препрега. Формование осуществлялось в автоклаве при давлении 8 МПа и температуре 120°С в течение 1-го часа.

В таблице представлены основные характеристики компонентов изготовленных слоистых композиционных материалов.

Структуру и объемное содержание компонентов в полученных слоистых композитах контролировали методом количественного микроструктурного анализа на шлифах, вырезанных из различных зон.

Механические свойства исследовали на образцах, вырезанных из слоистых листов.

Механические свойства при растяжении определяли на образцах с шириной рабочей части 15 мм и в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Относительное удлинение полимерного связующего в стеклопластике при сдвиге определяли по ГОСТ 25717-83.

Для оценки ударостойкости использовались образцы размером 300×100 мм. Удар осуществлялся с помощью бойка с радиусом закругления 6,3 мм, падающего с высоты 4,9 м. Подбирая массу грузов, навинчиваемых на боек, добивались проведения испытаний в диапазоне энергий, вызывающих появление первой трещины на наружной поверхности образца. Ударостойкость оценивалась по минимальной энергии удара, вызывающей появление первой трещины на поверхности образца, отнесенной к толщине образца.

В таблице показаны механические свойства и ударостойкость слоистых листов из заявленного и известного композиционных материалов.

Как видно из полученных и представленных результатов, состав и структура предложенного слоистого алюмостеклопластика позволили повысить ударостойкость по сравнению с прототипом примерно на 20%, сохранив прочность при растяжении на прежнем уровне. Кроме того, удалось несколько понизить плотность композиционного материала и тем самым увеличить весовую эффективность конструкции.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала позволит значительно увеличить эксплуатационный ресурс различных элементов планера самолета, подвергающихся ударным механическим воздействиям.