Слоистый алюмостеклопластик и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2600765:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области слоистых алюмополимерных композиционных материалов и касается слоистого алюмостеклопластика и изделия, выполненного из него. Слоистый алюмостеклопластик содержит по меньшей мере два слоя высокомодульного Al-Li сплава с уложенными между ними двумя слоями армированного стеклопластика с однонаправленными волокнами на основе эпоксидного связующего. Между слоями армированого стеклопластика размещено оптическое волокно с брэгговскими решетками, уложенными вдоль армирующих волокон стеклопластика. Один из слоев армированного стеклопластика имеет вырез трапециевидной формы в зонах поворота оптического волокна. Изобретение обеспечивает создание слоистого композиционного материла, обладающего функцией мониторинга напряженно-деформированного состояния при сохранении высокой статической прочности, повышенного модуля упругости, пониженной плотности, сопротивления усталостному разрушению и других эксплуатационных характеристик трещиностойкости. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.
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 трещин и др.) и их ремонта.
Наиболее известен класс слоистых композиционных алюмополимерных материалов на основе алюминиевых листов и прослоек стеклопластика. Материалы этого типа, предложенные фирмой «AKZO» (Нидерланды) и обозначенные маркой Glare состоят из тонких листов сплавов традиционных систем легирования Al-Cu (2024Т3 - типа D16чТ), Al-Zn (7075Т6,Т76 - типа В95пчТ1Т2) и промежуточных слоев стеклопластика, которые содержат непрерывные стеклянные волокна и термопластичное или термореактивное связующее (см. Патент США №5039571, опубл. 13.08.1991 г. ).
На базе алюминиевых сплавов имеются российские слоистые алюмостеклопластики, обозначенные маркой СИАЛ [O.G. Senatorova, L.I. Anikhovskaya, J.N. Fridlyander, V.V. Sidelnikov, a.o. Features of A1 Laminate Behaviuor at Fatigue Loading. Proc. Of ICAA-5, France, 1996].
Одним из основных недостатков этой серии слоистых алюмополимерных композиционных материалов, обусловленным свойствами слоев стеклопластика, является пониженный на 10-30% модуль упругости по сравнению с основными конструкционными алюминиевыми сплавами.
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 (см. Патент РФ №2185964, опубл. 27.07.2002 г. ).
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% (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 общему главному недостатку этих слоистых алюмостеклопластиков двух групп относится:
- отсутствие мониторинга напряженно-деформированного состояния, в том числе в процессе приложения нагрузки. Такой подход позволит в режиме реального времени получать более подробную информацию об испытываемых системой нагрузках, автоматически прогнозировать работоспособность отдельных ее частей и сигнализировать о необходимости их ремонта или замены, что позволит уменьшить затраты на диагностику, обслуживание и ремонт сложных технических систем.
Технической задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание слоистого композиционного материла на основе листов из высокомодульного высокопрочного Al-Li сплава пониженной плотности и слоев стеклопластика, обладающего функцией мониторинга напряженно-деформированного состояния при сохранении высокой статической прочности, 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 слоистый алюмостеклопластик, содержащий по меньшей мере два листа из высокомодульного Al-Li сплава с уложенными между ними двумя слоями армированного стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из однонаправленных стеклянных волокон. Между слоями армированного стеклопластика размещено оптическое волокно с брэгговскими решетками, уложенными вдоль армирующих волокон стеклопластика, при этом в одном из слоев армированного стеклопластика выполнен вырез трапециевидной формы, в котором изгибается оптическое волокно с брэгговскими решетками для его поворота, в качестве листа Al-Li сплава используют сплав с плотностью не более 2690 кг/см3 и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.
Предпочтительно основа армирующего наполнителя выполнена из стеклянных волокон диаметром ⌀ 5-20 мкм, плотностью 2500-2580 кг/м3, с пределом прочности 4000-5000 МПа, модулем упругости при растяжении 85-100 ГПа.
Предпочтительно содержит термореактивное клеевое связующее на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°С.
Предложено также изделие из предлагаемого слоистого алюмостеклопластика.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структура 3-слойного алюмостеклопластика, где:
1 - внешние листы высокомодульного Al-Li сплава;
2 - слои армированного стеклопластика с однонаправленными волокнами на основе термореактивного клеевого связующего;
3 - оптическое волокно с брэгговскими решетками.
На фиг. 2 показана структура 5-слойного алюмостеклопластика;
На фиг. 3 показаны трапециевидные вырезы в слое стеклопластика для мест, где оптоволокно необходимо повернуть, где:
4 - вырез в слое армированного стеклопластика с однонаправленными волокнами на основе термореактивного клеевого связующего.
Важнейшим преимуществом предлагаемого слоистого композиционного материала является способность мониторинга напряженно-деформированного состояния, в том числе в процессе приложения нагрузки. Это способствует расширению применения композиционного материала в целом.
Использование в составе композиционного материала 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 тонких листов из высокопрочного Al-Li сплава пониженной плотности позволит достичь повышения жесткости и весовой эффективности от применения материала в конструкциях.
Существенным фактором является совместимость температурно-временных параметров отверждения листов Al-Li сплава и термореактивного клеевого модифицированного связующего для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями, а также повышения температуры эксплуатации композиционного материала.
Указанное термореактивное 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 фенолформальдегидного 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.:
| смесь эпоксидиановой смолы с одной из | |
| эпоксидных смол, выбранных из группы | |
| N,N-тетраглицидил-производное 3,3′-дихлор-4,4′- | |
| диаминодифенилметана, полиглицидилпроизводное | |
| низкомолекулярного фенолформальдегидного новолака, | |
| триглицидилпроизводное парааминофенола | 59-120 |
| дициандиамид | 6-16 |
| полиарилсульфон | 10-35 |
При этом один из слоев стеклопластика имеет вырезы в местах поворота оптоволокна для уменьшения искажений структуры материалы и тем самым снижения вероятности образования дефектов в этом месте. Вырезы целесообразно делать в форме трапеции для минимизации структурных искажений и технологичности при производстве.
Примеры осуществления
В опытном производстве были отформованы трехслойные листы слоистого композиционного материала (см. фиг. 1-3) габаритами 500×500 мм, состоящие из двух внешних тонких листов (1), например, толщиной (t=0,49 мм) из высокопрочного (σ0,2=500 МПа) высокомодульного (E=79 ГПа) Al-Li сплава пониженной плотности (d~2670 кг/м3) и двумя слоями стеклопластика (2) с однонаправленной схемой армирования высокопрочными, высокомодульными стеклянными волокнами, распределенными в связующем на основе модифицированных эпоксидных смол.
Алюминий-литиевые листы (1) 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 алюминий-литиевых листов (1) и монослоев стеклопластика (2) в соответствии с требуемой ориентацией армирующих стеклянных волокон и направлением прокатки алюминиевых листов для создания необходимой структуры композиционного материала.
Для уменьшения вероятности образования дефектов высокопрочного слоистого алюмостеклопластика в процессе изготовления элемента конструкции укладку оптического волокна (3) с брэгговскими решетками (оптоволокна) проводили между слоями ранее выбранного однонаправленного стеклопластика на (2) основе стеклоровинга или стеклоткани. При этом перед укладкой оптоволокна на (3) стеклопластик (2) в нем изготавливали вырезы (4) в местах изгиба для поворота оптоволокна (3). Затем этот лист стеклопластика (2) соответствующим образом укладывали на первый алюминиевый лист (1) и сверху укладывали оптоволокно (3) вдоль направления армирующих волокон стеклопластика. Фиксация оптоволокна в структуре слоистого алюмостеклопластика реализовывалась за счет адгезии к связующему материалу в стеклопластике. Поворот оптического волокна осуществляли в зоне вырезов (4), предпочтительно трапециевидных. При повороте оптического волокна радиус перегиба должен быть не менее 15 мм.
После укладки оптоволокна (3) на слой стеклопластика (2) на него сверху укладывали второй слой стеклопластика (2), ориентированный упрочняющими волокнами в том же направлении, что и первый.
Далее на второй слой стеклопластика (2) укладывали ранее подготовленный алюминиевый лист. В таком виде заготовка 3-слойного алюмостеклопластика готова к формованию.
Для изготовления 5-слойного алюмостеклопластика к вышеописаннной технологии изготовления заготовки необходимо добавить следующие операции:
- на один из алюминиевых листов (1) укладывают два слоя стеклопластика (2), ориентированного в том же направлении, что и ранее уложенные слои стеклопластика (2);
- на данный слой стеклопластика (2) укладывают третий алюминиевый лист (1). В таком виде заготовка материала 5-слойного алюмостеклопластика готова к формованию.
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) 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.
Таким образом, предложенный высокопрочный, высокомодульный, легкий, трещиностойкий слоистый композиционный материал расширяет возможности производства деталей, обеспечивает повышение ресурса, надежности, весовой эффективности, жесткости, температурного диапазона эксплуатации изделий и обладает функцией мониторинга напряженно-деформированного состояния, в том числе в процессе приложения нагрузки. Такой подход позволит в режиме реального времени получать более подробную информацию об испытываемых системой нагрузках, автоматически прогнозировать работоспособность отдельных ее частей и сигнализировать о необходимости их ремонта или замены, что позволит уменьшить затраты на диагностику, обслуживание и ремонт сложных технических систем. Материал рекомендуется для изготовления листов, плит, гнутых профилей.
Слоистый высокопрочный композиционный материал на основе листов (1) высокомодульного высокопрочного Al-Li сплава, предпочтительно пониженной плотности, слоев стеклопластика (2) и оптоволокон (3) с сенсорами на основе волоконных брэгговских решеток 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.
1. Слоистый алюмостеклопластик, содержащий по меньшей мере два листа из высокомодульного Al-Li сплава с уложенными между ними двумя слоями армированного стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с наполнителем из однонаправленных стеклянных волокон, отличающийся тем, что между слоями армированного стеклопластика размещено оптическое волокно с брэгговскими решетками, уложенными вдоль армирующих волокон стеклопластика, при этом в одном из слоев армированного стеклопластика выполнен вырез трапециевидной формы, в котором изгибается оптическое волокно с брэгговскими решетками для его поворота, в качестве листа Al-Li сплава используют сплав с плотностью не более 2690 кг/см3 и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.
2. Слоистый алюмостеклопластик по п. 1, отличающийся тем, что основа армирующего наполнителя выполнена из стеклянных волокон диаметром ⌀ 5-20 мкм, плотностью 2500-2580 кг/м3, с пределом прочности 4000-5000 МПа, модулем упругости при растяжении 85-100 ГПа.
3. Слоистый алюмостеклопластик по п. 1, отличающийся тем, что содержит термореактивное клеевое связующее на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°С.
4. Изделие из слоистого алюмостеклопластика, отличающееся тем, что оно выполнено из слоистого алюмостеклопластика по пп. 1-3.
