Слоистый гибридный композиционный материал и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к слоистым гибридным композиционным материалам для применения в элементах планера, прежде всего в конструкции обшивки крыла самолета, и другой транспортной технике. Композиционный материал содержит внешние и внутренние слои из Al-Li сплавов и слои стеклопластиков на базе клеевых препрегов с армирующим наполнителем. В качестве наружных слоев применяются Al-Li листы толщиной 1-2 мм. В качестве внутренних слоев используются Al-Li листы толщиной 0,3-0,5 мм в количестве не менее трех. Слои стеклопластика, расположенные под внешними Al-Li слоями, выполнены на основе клеевого препрега на стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов. Изобретение обеспечивает повышение ресурса, несущей способности при сжатии и весовой эффективности изделий. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области слоистых гибридных композиционных материалов, содержащих внешние и внутренние листы из алюминий-литиевых сплавов и слои стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя, применяемых в качестве конструкционного материала для силовых обшивок крыла самолета, а также для использования в других транспортных средствах.

Многие годы обшивки крыла изготавливаются механической обработкой плит (листов, прессованных панелей): верхние из высокопрочных сплавов типа В95очТ2 (7475-Т76 за рубежом), отличающиеся, главным образом, повышенной статической прочностью при сжатии, нижние из ресурсных среднепрочных сплавов типа 1163Т (2524-Т351 за рубежом), отличающиеся повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости, и используются как монолитные стрингерные конструкции, с толщиной обработанного полотна ~5-10 мм (А.А. Туполев, В.В. Сулименков, В.К. Зельтин. Повышение эксплуатационных характеристик и эффективности конструкций пассажирских самолетов. Металловедение алюминиевых сплавов М., Наука, 1985, с. 22-40; О.Г. Сенаторова, В.В. Антипов, А.В. Бронз, А.В. Сомов, Н.Ю. Серебренникова. Высокопрочные и сверхпрочные сплавы традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu, их роль в технике и возможности развития // ТЛС, 2016, №2, с. 43-49).

Известен класс слоистых гибридных алюмостеклопластиков под маркой GLARE (Glass + Aluminium + Reinforced), которые предложены и реализованы в обшивке фюзеляжа фирмой AKZO (Нидерланды) (ЕР 0312151 А1, опубл. 1989), состоящие из тонких одинаковой толщины (0,2-0,5 мм) листов традиционных сплавов систем легирования Al-Cu-Mg (2024-Т3 - типа Д16чТ) и Al-Zn-Mg-Cu (7475-Т76 - типа В95очТ2) и промежуточных слоев стеклопластика, как правило, на клеевом связующем, армированным непрерывными стекловолокнами из стекла типа S (серии ВМП в России).

Известны российские слоистые композиционные гибридные алюмостеклопластики марки СИАЛ (Стекло И Алюминий) пониженной плотности и повышенного модуля упругости на базе тонких листов из Al-Li сплавов типа ресурсного 1441 (RU №2185964, опубл. 27.07.2002; RU №2565215, опубл. 20.10.2015 г.), обозначенные маркой СИАЛ-1-1Р.

Материалы (GLARE и СИАЛ) используются в виде относительно тонких обшивок фюзеляжа толщиной до 2,5 мм (максимальной структуры 6/5, где 6 - количество алюминиевых листов и 5 - количество прослоек стеклопластика). Основные недостатки известных слоистых алюмостеклопластиков (GLARE и СИАЛ) применительно к крыльевым панелям состоят в следующем: при использовании в обшивках крыла требуется большая многослойность, при которой резко возрастает трудоемкость изготовления композита - усложняется подготовка поверхности тонких Al-Li листов (анодное окисление и покрытие грунтом) и ручная выкладка большего количества слоев клеевых препрегов; параллельно нарастают проблемы дефектности и трудности их определения.

По этим основным причинам разработанные многослойные материалы класса СИАЛ и GLARE сложно применять в массивных обшивках крыла увеличенной толщины.

Из уровня техники известен градиентный металлостеклопластик, состоящий из внешних листов одинаковой толщины высокомодульного Al-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. Он содержит внутренние листы из высокопрочного Al-Li сплава с пределом текучести более 500 МПа, причем каждый слой стеклопластика расположен между упомянутым внутренним листом и внешними листами, толщина внутреннего листа составляет 25-40% от общей толщины градиентного металлостеклопластика (RU 2565215, опубл. 20.10.2015, В32В 15/08).

Ближайшим аналогом заявленного изобретения является слоистый композиционный материал, состоящий из чередующихся алюминиевых листов и слоев стеклопластика с термореактивным связующим и армирующим наполнителем. Материал содержит, по крайней мере, два слоя алюминиевых листов, один из которых выполнен из высокомодульного Al-Li сплава пониженной плотности с содержанием Li более 1,5%, а другой - из сплава системы Al-Mg-Si при соотношении толщин слоев (70-12):1 (RU 2270098, опубл. 20.02.2006, В32В 15/08).

Недостатками данных материалов является малая толщина, пониженные несущая способность и сопротивление сжатию, недостаточная жесткость.

Технической задачей настоящего изобретения является создание слоистого гибридного композиционного материала на основе листов разной толщины из двух Al-Li сплавов и слоев стеклопластиков, обладающего повышенными ресурсом и несущей способностью при сжатии, при высоком сопротивлении усталостному разрушению, пониженной плотности, высокой прочности, повышенном модуле упругости, для конструкционного применения в основных силовых элементах планера самолета (типа обшивок крыла) и другой транспортной технике.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании слоистого гибридного композиционного материала на основе Al-Li листов с повышенным ресурсом и несущей способностью при сжатии, при сохранении высокого сопротивления усталостному разрушению и прочности, пониженной плотности, повышенного модуля упругости.

Для решения поставленной задачи предложен слоистый гибридный композиционный материал, содержащий внешние и внутренние слои из Al-Li сплавов и слои стеклопластика на базе клеевых препрегов с армирующим наполнителем. В качестве внешних слоев применяются Al-Li листы толщиной 1-2 мм. В качестве внутренних слоев используются Al-Li листы толщиной 0,3-0,5 мм в количестве не менее трех, при этом слои стеклопластика, расположенные под внешними Al-Li слоями, выполнены на основе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов (об. %).

В качестве металлических слоев используются листы из Al-Li сплавов с пониженной плотностью и повышенным модулем упругости при растяжении. Например, для внешних слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 76 ГПа, для внутренних металлических слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.

Между внутренними листами Al-Li сплава может применяться стеклопластик, армированный стекловолокном не менее 60 объемных процентов.

Армирующий наполнитель между внутренними листами Al-Li сплава может быть выполнен в виде однонаправленной стеклоткани (с основой из высокопрочных стеклянных волокон и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала) или в виде стеклоровинга. Основа армирующего наполнителя между внутренними листами Al-Li сплава может быть 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.

Клеевое связующее может быть выполнено на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°C и обеспечивает монолитность слоя стеклопластика и надежную связь между слоями композиционного материала.

Предложено также изделие, выполненное из заявленного слоистого гибридного композиционного материала.

Слоистый гибридный алюмополимерный композиционный материал (рис. 1) состоит из чередующихся листов разной толщины из Al-Li сплавов и слоев стеклопластика. Внешние (наружные) листы 1 имеют толщину 1-2 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3, внутренние 3 листы имеют толщину 0,3-0,5 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м3. При этом количество внутренних (тонких) листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре составляет не менее трех, между которыми применен стеклопластик 4 с армирующим наполнителем не менее 60 объемных процентов из однонаправленных стеклянных волокон в виде стеклоровинга или однонаправленной стеклоткани. Между внешними листами толщиной 1-2 мм применен стеклопластик 2 на базе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов.

Предложенная регламентация количества внутренних тонких листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре не менее трех, между которыми применен стеклопластик на базе клеевого препрега с армирующим наполнителем из однонаправленных стеклянных волокон не менее 60 объемных процентов, обеспечивает повышение в 5-10 раз сопротивления росту трещиноусталости слоистого гибридного материала, что ведет к повышению ресурса.

Использование в составе слоистого гибридного материала листов из Al-Li сплавов пониженной плотности позволяет дополнительно повысить весовую эффективность, при этом применение в качестве внешних слоев листов увеличенной толщины 1-2 мм из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3 ведет также к повышению несущей способности и жесткости конструкции.

Использование в составе слоистого гибридного материала слоев стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя позволяет повысить предел прочности при растяжении и сжатии, при этом стеклопластик, расположенный между внешними листами увеличенной толщины, армирован стеклотканью сатинового плетения, что способствует повышению статической прочности материала в поперечном направлении. Между внутренними тонкими листами применен стеклопластик, армированный однонаправленными стеклянными волокнами.

Применение стеклопластика, армированного тканью сатинового плетения, взамен стеклопластика, армированного ровингом из традиционных высокопрочных волокон (ВМП, S и др.), способствует повышению статических прочностных свойств материала по ширине, т.к. обшивка крыла самолета испытывает действие рабочих нагрузок в долевом и поперечном направлениях.

Пониженное содержание до 40 объемных процентов армирующего наполнителя обеспечивает достаточное качество соединения внешних листов, о чем свидетельствуют прямые испытания на сдвиг (таблица 1) и отсутствие расслоений в образцах при других видах испытаний.

Дополнительным фактором является совместимость сплавов внешних и внутренних Al-Li листов по температурно-временным параметрам упрочняющей термообработки. Эти параметры, в свою очередь, совместимы с повышенной температурой отверждения (170-180°C) используемого клеевого модифицированного связующего для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями и повышения температуры эксплуатации композиционного материала.

На рисунке 1 приведена схема слоистого гибридного материала, где:

1 - внешний (наружный) слой толщиной 1,0-2,0 мм из Al-Li сплава;

2 - стеклопластик на базе клеевого препрега на стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не более 40 об. %;

3 - внутренний слой толщиной 0,3-0,5 мм из Al-Li сплава;

4 - стеклопластик на базе клеевого препрега на ровинге или однонаправленной стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не менее 60 об. %.

В таблице 3 показаны механические и физические свойства листовых заготовок из заявленного (примеры 2, 3), экспериментального (пример 1, 4), известных (примеры 5, 6) слоистых композиционных материалов и известного монолитного материала (пример 7). Пример 1 - с содержанием в структуре двух внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 2 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 3 - с содержанием в структуре четырех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 4 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм и прослойками стеклопластика, армированного тканью (до 40 об. %); пример 5 - СИАЛ-1-1Р с одинаковыми по толщине листами из Al-Li сплава и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 6 - GLARE с одинаковыми по толщине среднепрочными листами из сплава 2024 системы Al-Cu и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 7 - монолитный лист толщиной 5-10 мм из Al-Li сплава.

Примеры осуществления

В опытно-промышленном производстве были отформованы слоистые гибридные листовые заготовки предлагаемого композиционного материала габаритами 5×500×500 мм, состоящие из: двух внешних (наружных) листов Al-Li сплава (толщиной от 1,0 до 2,0 мм, пределом прочности σB~560 МПа, пониженной плотностью d~2680 кг/м3 и повышенным модулем упругости Е~78 ГПа) и слоев внутренних однонаправленых алюмостеклопластиков структуры 2/1, 3/2 и 4/3 на основе тонких листов из Al-Li сплава (толщиной 0,35 мм (в количестве двух, трех, четырех), пределом прочности σB~460 МПа, пониженной плотностью d~2590 кг/м3 и повышенным модулем упругости Е~79 ГПа) и слоев стеклопластика с тканевым армирующим наполнителем не более 40 об. %, расположенные между внешними Al-Li слоями, и слоев стеклопластика с ровингом, армированным не менее 60 об. % непрерывными высокопрочными волокнами между внутренними тонкими листами в однонаправленных алюмостеклопластиках структуры 2/1, 3/2 и 4/3.

Алюминий-литиевые листы подвергали предварительной подготовке поверхности: обезжириванию, травлению, анодному окислению и покрытию адгезионным грунтом. Выкладку материала осуществляли ручным методом. Формование листовых заготовок слоистого гибридного материала проводили автоклавным способом при повышенной температуре отверждения модифицированного связующего (170-180°C).

Микроструктуру и регламентированные соотношения листов и слоев стеклопластика, объемное содержание компонентов в слоистом гибридном материале оценивали на шлифах, вырезанных из разных зон, методами количественного микроструктурного анализа в оптическом микроскопе.

Таким образом, предложенный трещиностойкий, легкий, высокопрочный, высокомодульный слоистый гибридный композиционный материал расширяет возможности производства деталей, обеспечивает повышение ресурса, надежности, весовой эффективности, жесткости, несущей способности при сжатии, температурного диапазона эксплуатации изделий.

Материал рекомендуется для изготовления обшивок (панелей) крыла самолета, а также для изделий наземного транспорта и другой транспортной техники взамен монолитных плит (листов, прессованных панелей) из алюминиевых и Al-Li сплавов и слоистых материалов серии СИАЛ/GLARE.

1. Слоистый гибридный композиционный материал, содержащий внешние и внутренние слои из Al-Li сплавов и слои стеклопластика на базе клеевого препрега с армирующим наполнителем, отличающийся тем, что в качестве внешних слоев применяются Al-Li листы толщиной 1-2 мм, в качестве внутренних слоев используются Al-Li листы толщиной 0,3-0,5 мм в количестве не менее трех, при этом слои стеклопластика, расположенные под внешними Al-Li слоями, выполнены на основе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве внешних слоев применяются листы Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 76 ГПа, в качестве внутренних слоев применяются листы Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что между внутренними слоями Al-Li сплава применяется стеклопластик, армированный стекловолокном не менее 60 объемных процентов.

4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что армирующий наполнитель между внутренними листами Al-Li сплава выполнен в виде стеклоровинга или в виде однонаправленной стеклоткани.

5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что основа армирующего наполнителя между внутренними слоями Al-Li сплава 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.

6. Материал по п. 1, отличающийся тем, что содержит клеевое связующее, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°C.

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к многослойной пленке, содержащей в своем составе по меньшей мере два слоя А1 и В:А1. Первый пленочный слой А1 формируется из Композиции А1, содержащей полиэтилен и гидроксил(ОН)-функционализированный полимер на этиленовой основе; а также В.

Изобретение может быть использовано при изготовлении тонких биметаллических полос, содержащих слои из сплавов алюминия и сплавов меди. Биметаллическая полоса содержит основной слой на основе алюминия в отожженном состоянии и, по крайней мере, один плакирующий слой на основе меди в отожженном состоянии.

Изобретение относится к первичной упаковке для мягких желатиновых капсул, содержащих липофильную основу и микроорганизмы, в форме блистерных упаковок или пакетов-саше, содержащих непроницаемый многослойный материал.

Группа изобретений относится к медицине. Описаны перевязочные материалы, включающие металлический субстрат, такой как алюминий, имеющие сторону, обращенную к ожогу, для прямого контакта с ожогом, чтобы отвести тепло от ожога за счет теплопроводности, и обращенную к теплопоглотителю сторону, противоположную стороне, обращенной к ожогу, для контакта с гидрогелем, чтобы отвести тепло от металлического слоя путем теплопроводности.

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.

Изобретение относится к области получения ионно-плазменных покрытий с износостойкими и антизадирными свойствами для работы в парах трения «алюминий-сталь», «алюминий-чугун».

Изобретение относится к получению медьсодержащего материала в виде металлической подложки с нанесенными на нее микрочастицами меди. Ведут электроосаждение на металлическую подложку монослоя икосаэдрических микрочастиц меди с размером от 5 мкм до 15 мкм, обладающих шестью осями симметрии пятого порядка, из электролита в виде сернокислого медного раствора при перенапряжении 30-150 мВ.

Изобретение относится к композиту с медной фольгой, содержащему медную фольгу и ламинированный на нее полимерный слой, к формованному продукту и к способу их получения.

Изобретение относится к авиастроительной промышленности, в частности к слоистым металлополимерным композиционным материалам, и касается композиционного слоистого материала и способа его получения.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано для получения многослойных композитов на основе системы Ni-Al, а также прекурсоров для синтеза наноструктурных интерметаллических соединений данной системы.

Изобретение относится к листу или заготовке с предварительным покрытием, содержащим стальную подложку для термической обработки, перекрываемую поверх по меньшей мере одного участка по меньшей мере одной из ее основных поверхностей предварительным покрытием.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к технологии производства стальных труб с полимерным покрытием, используемых для строительства и эксплуатации нефте- и газопроводов, систем теплоснабжения и водоснабжения, в том числе труб большого диаметра.

Изобретение относится к многослойной пленке, содержащей в своем составе по меньшей мере два слоя А1 и В:А1. Первый пленочный слой А1 формируется из Композиции А1, содержащей полиэтилен и гидроксил(ОН)-функционализированный полимер на этиленовой основе; а также В.

Изобретение относится к многослойной пленке, содержащей в своем составе по меньшей мере два слоя А1 и В:А1. Первый пленочный слой А1 формируется из Композиции А1, содержащей полиэтилен и гидроксил(ОН)-функционализированный полимер на этиленовой основе; а также В.

Изобретение относится к применению водной дисперсии в лаке для термической сварки алюминиевых поверхностей к некоторым полимерам. Применение водной дисперсии в лаке для термической сварки для сварки алюминиевых поверхностей с полистиролом, ПЭТ (полиэтилентерефталатом), ПМК (полимолочной кислотой) или ПВХ (поливинилхлоридом) отличается тем, что указанный лак для термической сварки перед сваркой в один слой наносится на поверхность алюминия, что указанный лак для термической сварки по меньшей мере на 50% масс.

Изобретение относится к многослойным самолетным или аэрокосмическим иллюминаторам и касается прозрачного изделия с датчиком влаги. Включает в себя один или более датчиков влаги мониторинга проникновения влаги, чтобы контролировать эксплуатационные показатели влагостойкого барьера.
Изобретение относится к способу изготовления регулировочной прокладки, включающему следующие шаги: подготовка жидкого раствора неотвержденной смолы в избыточном объеме растворителя; нанесение пленочного слоя жидкого раствора смолы хотя бы на одну сторону каждой металлической полосы; укладка в стопу металлических полос таким образом, чтобы две смежные металлические полосы были разделены пленкой смолы; при этом способ включает этап отверждения смолы, для которого уложенные в стопу металлические полосы подвергают термической обработке в течение заданного времени при температурах, превышающих температуру термодеструкции или горения смолы.

Изобретение относится к полимерной композиции и к пластмассовой заготовке, поверхность которой образована по меньшей мере в определенной степени из полимерной композиции.
Изобретение относится к стальному листу с покрытием с превосходной коррозионной стойкостью и стойкостью к царапанию. Стальной лист содержит грунтовочное пленочное покрытие, расположенное на стальном листе, содержащее антикоррозийный пигмент и частицы без микропор, и верхнее пленочное покрытие, расположенное на грунтовочном пленочном покрытии.
Изобретение относится к конструкционным материалам для наружного использования и касается покрытого стального листа. Покрытый стальной лист содержит стальной лист, пленку грунтовочного покрытия, которая располагается на стальном листе и содержит пигмент ингибитора коррозии на основе хромовой кислоты и агрегат, который служит в качестве первичных частиц и не содержит пористых частиц; а также верхнюю пленку покрытия, которая располагается на пленке грунтовочного покрытия.

Изобретение относится к области хранения и транспортировки нефти, нефтепродуктов (НП) и сжиженного природного газа (СПГ) и может быть использовано при производстве резервуаров для хранения и транспортировки СПГ. Cпособ изготовления резервуара для хранения и транспортировки нефти, НП и СПГ заключается в нанесении на внешнюю поверхность резервуара отражающей пленки, включающей три слоя: эпоксидный слой (грунтовка), термоплавкий (клеевой) полимерный подслой и светоотражающий слой. Изобретение позволяет существенно снизить негативное влияние солнечной энергии на охраняемые объекты, в том числе, резервуары для хранения СПГ. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх