Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к получению слоистых гибридных алюмополимерных композиционных материалов, используемых для основных элементов планера самолета, в том числе для обшивок, полов и перегородок грузовых отсеков, также для различных изделий транспортного машиностроения. Заявлен слоистый композиционный материал, состоящий из чередующихся листов алюминиевого сплава и слоев стеклопластика, состоящего из наружных и внутренних монослоев, на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя. Материал дополнительно содержит эластичные полимерные слои, расположенные между листами алюминиевого сплава и слоями стеклопластика, причем наружные монослои стеклопластика содержат в качестве армирующего наполнителя стеклоткань, а внутренние монослои - однонаправленные стеклянные волокна. Эластичный полимерный слой выполнен на основе фенольных смол резольного типа и высокомолекулярного каучука толщиной 20-100 мкм с относительным удлинением при сдвиге 100-250%. Техническим результатом изобретения является повышение стойкости к локальным механическим ударным воздействиям. Ударостойкость материала повышена на 20-30%. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

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.

Формула изобретения

1. 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, причем наружные монослои стеклопластика содержат в качестве армирующего наполнителя стеклоткань, а внутренние монослои - однонаправленные стеклянные волокна.

2. Слоистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что термореактивное связующее выполнено на основе смеси эпоксидных смол с массовой долей эпоксидных групп от 2 до 24%, модифицированных карбоксилсодержащими бутадиен-нитрильными каучуками.

3. Слоистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что термореактивное связующее имеет относительное удлинение при сдвиге 40-100%.

4. Слоистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что эластичный полимерный слой выполнен на основе фенольных смол резольного типа и высокомолекулярного каучука.

5. Слоистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что толщина эластичного полимерного слоя составляет 20-100 мкм.

6. Слоистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что эластичный полимерный слой имеет относительное удлинение при сдвиге 100-250%.

7. Изделие из слоистого композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по любому из пп.1-6.

РИСУНКИРисунок 1