автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Сферопластики на основе термореактивных связующих для изделий авиационной техники

На правах рукописи

СОКОЛОВ ИГОРЬ ИЛЛИОДОРОВИЧ

СФЕРОПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 ДВГ 2013

Москва-2013

005532428

Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, Минаков Вячеслав Тихонович

доктор технических наук, Малышева Галина Владленовна (МГТУ им. Н.Э. Баумана) доктор технических наук, Юрков Глеб Юрьевич (ИМЕТ РАН им. A.A. Байкова)

ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина»

Защита диссертации состоится_2013 года в_часов

на заседании диссертационного совета Д.403.001.01 при ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, 17; тел. (499) 261-86-77, факс: (499) 267-86-09, e-mail: admin@viam.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, 17, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

Автореферат разослан «_»

2013 г.

Ученый секретарь диссертационног совета, кандидат технических наук

Подъячев В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время в изделиях авиационной техники широкое распространение получили сферопластики для местного упрочнения сотовых конструкций с целью повышения их прочности и жесткости в зонах установки крепежа, для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, закрепления электротехнических кабелей и т.п. Помимо соединения элементов конструкций, сферопластик при эксплуатации участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя требуемый уровень прочности и долговечности соединения.

Существующие сферопластики на основе эпоксидных и фенольных связующих обладают недостаточно высоким комплексом технологических и физико-механических свойств, регулирование их характеристик в зависимости от особенностей применения в конструкции допускается в ограниченных пределах. Сложившаяся ситуация послужила основанием для разработки новых сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами, регулируемыми с учётом конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия.

Большое внимание в нашей стране и за рубежом в последнее время уделяется вопросу изготовления многослойных конструкций с использованием в качестве легкого заполнителя полимерных сферопластиков, позволяющих получить ряд значительных преимуществ по сравнению с существующими конструкциями с сотовым заполнителем. Особый интерес для изготовления многослойных конструкций вызывают сферопластики на основе цианэфирных связующих, обладающие высокими механическими, теплофизическими и диэлектрическими характеристиками в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и повышенной влажности. Создание, впервые в отечественной практике, листового сферопластика на основе цианэфирного связующего позволило решить актуальную задачу получения многослойных конструкций для изделий авиационной техники.

Эффективным решением по созданию сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами служит использование в их составе сочетаний полимерных связующих с дисперсными и волокнистыми наполнителями. В работе впервые проведены исследования, связанные с изучением основных закономерностей создания сферопластиков, в первую очередь вопросов обоснованного выбора сочетаний наполнителей и полимерных связующих, на основе результатов которых выработаны научные подходы к разработке сферопластиков с заданным комплексом свойств для изделий авиационной техники. В составе сферопластиков использованы сочетания различных типов наполнителей, выпускаемых предприятиями РФ, и показано влияние этих компонентов на структуру и свойства сферопластиков.

Цель работы

Разработка ассортимента сферопластиков на основе недефицитных компонентов для изделий авиационной техники:

- эпоксидного сферопластика холодного отверждения с комплексом высоких технологических и физико-механических свойств для применения в составе сотовых конструкций;

- эпоксидного сферопластика с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре для заполнения участков сотовых конструкций;

- цианэфирного листового сферопластика с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками для применения в составе многослойных конструкций.

Основные задачи работы

- обосновать выбор компонентов сферопластиков для достижения заданного уровня технологических и эксплуатационных свойств;

- исследовать влияние формы, размеров частиц дисперсных и волокнистых наполнителей, а также их соотношения на структуру и свойства сферопластиков;

- исследовать возможность направленного регулирования свойств сферопластиков путем варьирования их состава и содержания полимерного связующего, дисперсных и волокнистых наполнителей;

- разработать сферопластики с комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств для заполнения элементов сотовых панелей и изготовления многослойных конструкций изделий авиационной техники.

Научная новизна работы

- установлены основные закономерности создания сферопластиков с необходимым комплексом свойств. Показано, что в составе сферопластика с учетом требований, предъявляемых к материалу, следует использовать сочетания дисперсных и коротковолокнистых наполнителей в матрицах эпоксидного и цианэфирного типов;

- сформулированы основные требования к наполнителям и установлено влияние природы, содержания, размеров и формы сочетаний дисперсных и волокнистых наполнителей на свойства сферопластиков;

- установлен механизм упрочнения высоконаполненных (до 65 % об.) сферопластиков дисперсными органическими и неорганическими наполнителями с размером частиц менее 40 мкм за счет формирования структуры материала с высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице;

установлены закономерности направленного регулирования технологических и физико-механических свойств сферопластиков путем варьирования их состава и структуры;

- расчетным путем с использованием методов термического анализа установлены зависимости времени гелеобразования сферопластиков различного состава от температуры, позволяющие прогнозировать температурно-временные режимы их переработки;

- разработаны методические подходы по оценке свойств сотовых конструкций со сферопластиками в зависимости от материалов и геометрических характеристик сотовых заполнителей и закладных элементов, механических и адгезионных свойств сферопластиков. Установлено влияние структурных неоднородностей материалов на конструктивную прочность образцов сотовых панелей со сферопластиками.

Практическая значимость работы

По результатам проведенных исследований на основе недефицитных компонентов, выпускаемых предприятиями РФ, разработана номенклатура сферопластиков, отверждаемых как без нагревания (ВПЗ-7М, ВПЗ-14, ВПЗ-18), так и при повышенных температурах (ВПЗ-17) для изделий авиационной техники. Сферопластики обладают по сравнению с существующими материалами аналогичного назначения более высоким уровнем технологических и эксплуатационных свойств, отвечающих требованиям современного авиастроения. Направленное регулирование характеристик сферопластиков позволило проводить выбор рецептур материалов с учетом особенностей их применения для конкретных условий эксплуатации.

Применение разработанных сферопластиков позволяет:

- обеспечивать требования, предъявляемые к материалу, в зависимости от конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия;

- значительно (не менее чем в 2 раза) сократить продолжительность технологических операций с сотовыми панелями как в условиях производства, так и при проведении ремонтных работ;

- повысить на 15-20 % работоспособность сотовых конструкций;

- обеспечить более высокие (в 3-5 раз) эксплуатационные свойства многослойных конструкций со сферопластиком по сравнению с конструкциями с сотовым заполнителем.

По результатам проведенной работы оформлены ТУ, 3 ММ, 4 ТР.

Внедрение результатов работы

Разработанный сферопластик марки ВПЗ-7М внедрен в самолетах Ил-96-300, Ил-96-400, Ил-76МД-90А (ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина»), Ту-204 и Ту-214 (ОАО «Туполев»), модификациях вертолетов Ка-32 и Ка-226 (ОАО «Камов») для заделки пустот и торцевых частей панелей интерьера, заполнения участков сотовых конструкций в зонах установки крепежа, фиксации электрических проводов и т.п.

Сферопластик марки ВПЗ-17 рекомендован для использования в изделии Т-50 и его модификациях ОАО «ОКБ Сухого» при изготовлении панелей кессонной части крыла и агрегатов механизации системы управления.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 7 научных публикациях, включая 5 публикации в изданиях из перечня ВАК, и защищены 2 патентами РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 120

наименований, содержит 39 рисунков, 27 таблиц. Общий объем диссертации 127 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель, основные задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Литературный обзор

Приведены литературные данные по составу и свойствам отечественных и зарубежных сферопластиков, применяемых в авиационных сотовых конструкциях. Рассмотрены существующие подходы к изготовлению многослойных конструкций изделий авиационной техники. Показаны перспективы использования сферопластиков для применения в составе многослойных конструкций. Сформулированы основные требования к материалам, необходимым для изготовления сферопластиков с требуемым уровнем технологических и эксплуатационных свойств.

Глава 2. Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследований использовали полимерные связующие:

- отвергающиеся при комнатной температуре - на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), отвердителей - продукта конденсации полиэтиленполиамина с димеризованными метиловыми эфирами жирных кислот соевого масла марки ПО-ЗОО (ТУ 2224-092-05034239-96) и продукта конденсации формальдегида и фенола с диэтилентриамином марки Этал-47Б5 (ТУ 2257-475-18826195-02), а также ускорителя 2,4,6-трис(диметиламинометил)фенол марки УП-606/2 (ТУ 6-00209817.035-96). В качестве эластифицирующей добавки использован олигобутадиеновый полимер с функциональными группами марки СКН-ЗОКТР «А» (ТУ 38.103474-86);

- отвергающееся при комнатной температуре с последующей термообработкой связующее на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20 и кремнийорганического продукта марки АДС-5 (ТУ 6-02-7-187-89);

отверждающееся при повышенной температуре цианэфирное связующее, представляющее собой продукт олигомеризации арилдицианата 2,2-бис(цианатофенил)пропана (ТУ 6-02-1-618-89) и эпоксидного олигомера марки УП-632 (ТУ 6-05-241-72-79).

В качестве наполнителей использованы:

- полые стеклянные микросферы марки МС-ВП-А9 (ТУ 6-48-91-92);

- электрокорунд марки 25А (ТУ 3988-75-00224450-99);

- аммоний фосфорнокислый (ГОСТ 3771-74);

- диоксид титана пигментный марки Р-02 (ГОСТ 9808-84);

- оксид хрома технический марки ОХП-1 (ГОСТ 2912-79);

- пигмент жаростойкий синий № 685 (ТУ 2364-017-00303835-96);

- рубленое стеклянное волокно (ТУ 5952-052-13377864-2004);

- органический наполнитель (ТУ 6-48-00204984-44-93).

При выполнении работы использованы современные методы исследований. Для исследования процессов отверждения композиций

б

использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), термодеформационной устойчивости - термомеханический метод анализа (ТМА), процессы термоокислительной деструкции исследовали объединенными методами термогравиметрического (ТГА, ДТГА) и дифференциального термического (ДТА) анализа. Микроструктурные исследования проводили методом сканирующей электронной микроскопии в режиме вторичных электронов; элементный состав определяли на рентгеновском микроанализаторе с энергодисперсионным детектором.

Оценку технологических, физико-механических и специальных свойств сферопластиков проводили по стандартным методикам. Поскольку на момент постановки работы отсутствовали методики испытания сферопластиков в составе сотовых конструкций, разработан ряд методических материалов: ММ 1.595-10-220-2004 «Методика испытания конструктивных образцов с полимерными заполнителями при вырыве закладных элементов», ММ 1.595-10-149-2002 «Методика определения прочности при растяжении места соединения трехслойных сотовых конструкций, заполненных сферопластиками», ММ 1.595-10-150-2002 «Методика определения прочности на изгиб места соединения трехслойных сотовых конструкций, заполненных сферопластиками».

Глава 3. Разработка сферопластиков

В главе 3 рассмотрены технологические приемы изготовления сферопластиков, исследовано влияние природы, содержания, размеров и формы наполнителей на структуру и свойства сферопластиков на основе эпоксидных и цианэфирных связующих.

3.1 Приготовление композиций сферопластиков

Отработана технология изготовления сферопластиков холодного отверждения для применения в составе сотовых конструкций, включающая следующие стадии: подготовка дисперсных и волокнистых наполнителей, приготовление полимерного связующего, совмещение полимерного связующего и наполнителей.

Процесс изготовления сферопластика, предназначенного для использования в составе многослойных конструкций, отверждающегося при повыщенных температурах, заключался в совмещении на специализированном оборудовании предварительно подготовленного связующего и наполнителей. Отработаны технологические режимы изготовления сферопластика в виде рулона или листа с использованием технологии каландрования, заключающейся в последовательной раскатке исходного полуфабриката сферопластика в листовой материал толщиной 1-2 мм. Изготовление образцов сферопластика проводили автоклавным способом по отработанному режиму.

3.2 Исследование влияния содержания, размеров и формы наполнителей на свойства сферопластиков

Для обеспечения необходимого уровня технологических и эксплуатационных свойств в составе сферопластиков необходимо использовать разнообразные дисперсные и волокнистые наполнители, которые можно классифицировать по целевому назначению:

полые микросферы для обеспечения требуемого уровня технологических и физико-механических свойств сферопластиков, обеспечивающие возможность их направленного регулирования;

- армирующие дисперсные и волокнистые наполнители для повышения некоторых механических свойств - прочности при сжатии, ударной вязкости, поверхностной твердости и т.п.;

- наполнители для придания специальных свойств: антипирены - для обеспечения пожаробезопасности; пигменты - для возможности дифференцирования материалов различного назначения по цвету и оценки качества совмещения исходных компонентов на стадии изготовления сферопластика и др.

Основным компонентом сферопластиков, позволяющим регулировать их технологические и физико-механические свойства являются полые стеклянные микросферы, характеризующиеся широким интервалом значений гранулометрического состава и физико-механических свойств — плотности и прочности на объемное сжатие.

Исследовано влияние полых стеклянных микросфер на свойства сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20 и отвердителя марки ПО-ЗОО. Показано, что при одинаковом объемном содержании (~60 % об.) микросфер плотность сферопластика изменяется в интервале от 0,50 до 0,55 г/см3. Разрушающее напряжение при сжатии не превышает 25,0 МПа для композиций, содержащих микросферы с гидростатической прочностью 2,6-6,9 МПа. Использование в составе сферопластика более прочных микросфер с гидростатической прочностью 8,3-15,2 МПа приводит к увеличению прочности при сжатии до 34,0 МПа.

Показано, что для получения полимерных сферопластиков с плотностью менее 0,5 г/см3 в составе композиций целесообразно использовать микросферы с плотностью 0,21-0,25 г/см3 (прочность 2,6-8,3 МПа) при их содержании в объеме материала более 60 % об. Плотность таких сферопластиков составила 0,47-0,50 г/см3, прочность при сжатии ~ 20 МПа.

С целью повышения механических характеристик сферопластика в его составе использованы микросферы (~ 55-58 % об.) с прочностью не менее 9,5-10,0 МПа. Плотность такого сферопластика составляет 0,57-0,63 г/см3, разрушающее напряжение при сжатии 40-45 МПа. Уменьшение объемного содержания микросфер приводит к одновременному возрастанию прочности при сжатии и плотности сферопластика.

Исследовано влияние размеров дисперсных наполнителей на свойства сферопластиков. Характер изменения прочности при сжатии (рис. 1) в

зависимости от размера частиц дисперсного наполнителя - электрокорунда марки 25А исследован на примере сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20, отвердителя АДС-5 и полых стеклянных микросфер МС-ВП-А9. Использование в составе сферопластика электрокорунда обусловлено широкой номенклатурой выпускаемых зернистостей и контролируемым распределением частиц по размерам.

Показано, что наиболее высокие результаты получены при использовании электрокорунда зернистостью Б 1200 (3-7 мкм). При увеличении размера частиц электрокорунда прочность при сжатии сферопластика падает и при зернистости Б 230 (50-63 мкм) достигает прочности сферопластика (400-410 МПа), не содержащего электрокорунда.

700

я С

к" 600 х

н *

500

с н 8

^ 400

300 — Р1200

Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии сферопластика от зернистости электрокорунда

Исследования по влиянию содержания электрокорунда марки 25А зернистостью Б 1200 (3-7 мкм) на свойства сферопластиков на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20, отвердителя марки ПО-ЗОО и полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 групп 3 и 5, наиболее широко применяемых в отечественной промышленности, показали, что введение электрокорунда приводит к повышению плотности и прочности сферопластика при сжатии. При увеличении содержания электрокорунда до 30 % масс, прочность при сжатии сферопластика с микросферами марки МС-ВП-А9 группы 3 с плотностью 0,3 г/см3 и прочностью на гидростатическое сжатие 8,8 МПа возрастает с 32 до 45 МПа; с микросферами марки МС-ВП-А9 группы 5 с плотностью 0,41 г/см3 и прочностью 17,9 МПа - с 47 до 57 МПа. Плотность сферопластика изменяется в интервале 0,52-0,70 (для сферопластика, содержащего стеклянные микросферы группы 3) и 0,64-0,77 г/см3 (для сферопластика на основе микросфер группы 5). Прочность при изгибе сферопластика практически не зависит от физико-механических характеристик использованных микросфер и содержания электрокорунда и составляет 30-33 МПа. Ударная вязкость сферопластика также практически не зависит от применяемых микросфер и снижается с увеличением содержания электрокорунда с 2,8 до 1,9 кДж/м2.

Показано, что использование взамен электрокорунда, обладающего плотностью 3,9 г/см3, высокодисперсного органического наполнителя (размер частиц 10-40 мкм) с плотностью 1,2-1,3 г/см3, близкой к плотности отвержденной полимерной матрицы, позволяет получить в зависимости от характеристик используемых микросфер сферопластик с прочностью при сжатии 40-56 МПа. Введение органического наполнителя практически не оказывает влияния на плотность и ударную вязкость сферопластика. Плотность сферопластика изменяется в зависимости от характеристик стеклянных микросфер в интервале 0,57-0,59 г/см3 (для микросфер марки МС-ВП-А9 группа 3) и 0,66-0,67 г/см3 (для микросфер марки МС-ВП-А9 группа 5). Ударная вязкость сферопластиков при введении органического наполнителя снижается с 3,3 до 2,9 кДж/м2, хотя и не так значительно, как в случае использования электрокорунда.

0 5 10 20 30

Содержание полимерного наполнителя, % масс.

Рис. 2. Свойства сферопластика в зависимости от содержания органического наполнителя: прочность при сжатии (1) и плотность (2) сферопластика, содержащего микросферы с плотностью 0,30 г/см3 и прочностью на гидростатическое сжатие 8,8 МПа; прочность при сжатии (3) и плотность (4) сферопластика, содержащего микросферы с плотностью 0,41 г/см3 и прочностью на гидростатическое сжатие 17,9 МПа

Использование в составе сферопластика коротковолокнистого стеклянного наполнителя с длиной волокон до 6 мм позволяет повысить прочность при сжатии и ударную вязкость материала. Увеличение длины стеклянного волокна и его содержания в материале приводит к разупрочнению сферопластика вследствие снижения плотности упаковки наполнителей, появления дополнительной пористости, участков наполнителей, не смоченных связующим и т.п. Одновременно увеличивается плотность сферопластика. Использование в составе сферопластика волокон длиной 3-6 мм при содержании 10-15 % масс, позволяет получить материал с плотностью 0,65-0,80 г/см3, прочностью при сжатии 55-65 МПа и ударной вязкостью 6-8 кДж/м2. Структура материала характеризуется однородностью и высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице.

Исследование влияния антипирена (аммония фосфорнокислого) на горючесть сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20,

отвердителя марки ПО-ЗОО и полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 позволило установить, что введение его в композицию в количестве более 20 % масс, позволяет получить трудносгорающий материал, соответствующий требованиям АП-25 по горючести.

Механизм действия фосфата аммония объясняется увеличением выхода коксового остатка и как следствие снижением доли летучих продуктов деструкции. Кислородный индекс эпоксидного сферопластика при введении 25 % масс, антипирена составил 35 %, величина коксового остатка 33 % масс., в то время как коксовый остаток немодифицированного эпоксидного связующего составлял 2-3 % масс. Положительный эффект в повышение пожаробезопасности сферопластика вносит также высокое содержание (~ 55-65 % масс.) в составе материала негорючих компонентов - дисперсных и волокнистых наполнителей.

Подобраны сочетания пигментирующих добавок с целью придания цвета композициям сферопластиков для оценки качества совмещения компонентов на стадии изготовления. Введение в составе сферопластика 2-4 % масс, неорганических пигментов - диоксида титана марки Р-02, оксида хрома марки ОХП-1 и жаростойкого пигмента № 685 (система Со-2п-51) с размером частиц менее 63 мкм приводит к повышению прочности при сжатии на 7-12 % при практически неизменной плотности.

Использование в составе сферопластиков наряду с полыми стеклянными микросферами сочетаний высокодисперсных порошкообразных наполнителей приводит к значительному снижению ударной вязкости материала. Эффективным способом повышения ударной вязкости сферопластиков является модификация их состава эластомерами, что связано со снижением концентрации напряжений и увеличением энергии, затрачиваемой на разрушение материала. Использование в составе сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20, отвердителя марки ПО-ЗОО, полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9, антипирена - аммония фосфорнокислого и неорганических пигментов - диоксида титана и оксида хрома, до 6 % масс, эластифицирующей добавки - олигобутадиенового полимера с функциональными группами, позволяет повысить ударную вязкость материала до 3,8-4,1 кДж/м2, при этом ударная вязкость сферопластика, не содержащего эластифицирующую добавку, составляет 2,0-2,4 кДж/м2.

Электронно-микроскопические исследования сферопластиков, содержащих сочетания различных наполнителей, показали хорошую адгезию матрицы к поверхности наполнителей, структура характеризуется высокой плотностью их упаковки в составе материала (рис. 3). Частицы дисперсных наполнителей располагаются в промежутках между микросферами, что способствует уменьшению толщины прослойки полимера, затрудняет смещение микросфер друг относительно друга при нагружении и приводит к повышению прочности при сжатии сферопластиков при сохранении низкой плотности материалов.

Рис. 3. СЭМ фотографии структуры поверхности скола сферопластика:

а) характер распределения микросфер и дисперсных наполнителей в матрице, х 200; б) то же, х 1000; в, г) граница раздела между микросферами и матрицей, х 2000

Использование в составе сферопластиков полых стеклянных микросфер полифракционного состава с различными физико-механическими характеристиками, а также дисперсных и волокнистых наполнителей, позволяет получать материалы с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Обоснованный выбор состава

сферопластиков, содержания входящих компонентов, размеров и формы наполнителей предоставляет широкие возможности для варьирования их свойств с учетом требований, предъявляемых к материалу, в зависимости от конструктивно-эксплуатационных параметров изделия.

3.3 Разработка сферопластика с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре

На основании проведенных исследований разработан состав сферопластика с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20, продукта конденсации полиэтиленполиамина с димеризованными метиловыми эфирами жирных кислот соевого масла марки ПО-ЗОО, продукта конденсации формальдегида и фенола с диэтилентриамином марки Этал-47Р5, олигобутадиенового полимера с функциональными группами марки СКН-30КТР «А» и 2,4,6-трис(диметиламинометил)фенола марки УП-606/2. В качестве наполнителей использовано сочетание полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9, антипирена (аммоний фосфорнокислый) и пигментов

(пигмент жаростойкий синий № 685 и диоксид титана пигментный марки Р-02).

Методами термического анализа проведены исследования образцов сферопластика на основе эпоксидно-дианового олигомера ЭД-20, отвердителя марки ПО-ЗОО, полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 (образец 2, рис. 4) и образцов сферопластика, разработанного состава (образец 1, рис. 4). Полученные результаты использованы для прогнозирования продолжительности отверждения образцов сферопластиков при различных температурах. Критерием для оценки продолжительности отверждения сферопластиков являлось время гелеобразования (рис. 4). Установлена зависимость прочности при сжатии сферопластика от времени отверждения при комнатной температуре (табл. 1). Показано, что разработанный сферопластик обладает высокими значениями механических характеристик через 6 ч отверждения при комнатной температуре.

Таблица 1. Зависимость прочности при сжатии сферопластика от времени отверждения

Время отверждения образцов до испытаний, ч Прочность при сжатии, МПа

6 29-31

8 36-38

12 45-47

36 45-51

Рис. 4. Температурные зависимости времени гелеобразования композиций сферопластика

Полученные зависимости позволяют спрогнозировать жизнеспособность сферопластиков и продолжительность их отверждения при различных температурах, что дает возможность целенаправленного подбора температурно-временных режимом их переработки.

По результатам проведенных исследований разработаны: сферопластик холодного отверждения марки ВПЗ-7М на основе эпоксидно-дианового олигомера, отвердителя, полых стеклянных микросфер, антипирена и пигментов с комплексом высоких технологических и физико-механических свойств; сферопластик холодного отверждения марки ВПЗ-18 на основе

эпоксидно-дианового олигомера, системы отвердителей, олигобутадиенового полимера, полых стеклянных микросфер, антипирена и пигментов с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре; сферопластик марки ВПЗ-14 с рабочей температурой 160 °С, отверждающийся при комнатной температуре с последующей термообработкой, на основе эпокси-кремнийорганического связующего, полых стеклянных микросфер, антипирена и пигментов.

3.4 Разработка сферопластика на основе цианэфирного связующего По результатам проведенных исследований, впервые в отечественной практике, разработан состав и технология изготовления листового цианэфирного сферопластика марки ВПЗ-17 на основе цианэфирного связующего — продукта олигомеризации арилдицианата

(2,2-бис(цианатофенил)пропан), циклоалифатического эпоксидного олигомера УП-632 и полых стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, предназначенного для применения в составе многослойных авиационных конструкций, работающих в условиях воздействии повышенных температур (до 160 °С) и влажности (до 98 %).

Глава 4. Изучение характеристик сферопластиков В главе 4 изучены свойства разработанных материалов и определены характеристики конструктивно-подобных образцов со сферопластиками.

4.1 Сферопластики для применения в составе сотовых конструкций Определены свойства сферопластиков холодного отверждения ВПЗ-7М, ВПЗ-18 (табл. 2), а также сферопластика ВПЗ-14, отверждающегося при комнатной температуре с последующей термообработкой (табл. 3). Сферопластики предназначены для местного упрочнения металлических и неметаллических сот в зонах установки крепежа (втулок, закладных элементов и т.п.), для заделки торцевых частей трехслойных сотовых панелей и пустот.

Таблица 2. Основные свойства сферопластиков холодного отверждения

Характеристика ——___ ВПЗ-7М Полимерная композиция ВПЗ-18

Рекомендуемый режим отверждения, °С (21 ±3) 72 ч (21 ±3) 72 ч (23 ±2) 8-12 ч

Плотность, г/см 0,57-0,63 0,59-0,67 0,60-0,64

Прочность при сжатии, МПа 35-45 40-56 36-44

Ударная вязкость, кДж/м"* 2,0-3,0 2,0-3,0 2,7-4,1

Горючесть Самозатухающие

Интервал рабочих температур, °С -60...+80 -60...+80 -60...+80

Документация ТР 1.2.924 изм. 1 Патент РФ № 2220990 ТР 1.2.2201 Патент РФ №2471830

Таблица 3. Основные свойства сферопластика ВПЗ-14

■--—Материал Характеристика _ ВПЗ-14

Рекомендуемый режим отверждения, °С (21 ±3) 24 ч +(120-175)Зч

Плотность, г/см3 0,65

Прочность при сжатии, МПа 43-47

Ударная вязкость, кДж/м2 3,0-3,5

Горючесть Самозатухающий

Интервал рабочих температур, "С -60...+160

Документация ТР 1.2.1931

Для оценки работоспособности сферопластиков в сотовых панелях проведены испытания конструктивных образцов, отличающихся геометрическими параметрами сотовых заполнителей и закладных элементов на вырыв крепежных втулок из стали, алюминиевого и титанового сплавов, установленных с использованием сферопластиков ВПЗ-7М и ВПЗ-14. Установлено, что разрушение конструктивных образцов носит сложный характер в зависимости от области заполнения, материала закладного элемента и сферопластика и составляет 5,5-9,5 МПа. Проведены исследования методами неразрушающего контроля конструктивных образцов со сферопластиками.

В результате проведенных исследований показано, что характер разрушения соединений сотовая конструкция — сферопластик - закладной элемент, обусловлен как материалом и геометрическими параметрами сотовых заполнителей и закладных элементов, так и структурными неоднородностями сферопластиков, вызванными локальными порами, гранулометрическим составом микросфер, содержанием и дисперсностью наполнителей и др., а также механическими и адгезионными свойствами сферопластиков.

4.3 Сферопластик для изготовления многослойных конструкций Определены основные свойства сферопластика ВПЗ-17 (табл. 4), свойства образцов многослойных конструкций представлены в табл. 5.

Применение сферопластика позволяет значительно повысить как абсолютные, так и удельные характеристики многослойных конструкций по сравнению с конструкциями с сотовым заполнителем. Использование сферопластиков для изготовления элементов конструкционного и радиотехнического назначения, сохраняющих высокие эксплуатационные свойства в условиях воздействия высоких температур и повышенной влажности, позволит существенно повысить тактико-технические характеристики перспективных изделий отечественной авиационной техники.

Таблица 4. Основные свойства сферопластика марки ВПЗ-17

Характеристика Температура испытаний, °С

20 160

Плотность, г/см'5 0,67 -

Прочность при растяжении, МПа 33 31

Модуль упругости при растяжении, ГПа 3,4 2,7

Прочность при сжатии, МПа 92 63

Модуль упругости при сжатии, ГПа 3,3 2,8

Прочность на статический изгиб, МПа 80 54

Модуль упругости при изгибе, ГПа 3,3 2,2

Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м2 5,5 -

Диэлектрическая проницаемость при частоте 10ш Гц - в исходном состоянии - при влажности 98 % в течение 30 сут. - после сушки в течение 1 сут. в комнатных условиях 2,07 2,27 2,13 -

Водопоглощение сферопластика с открытыми торцами, % - после выдержки в течение 3 мес. (достижение равновесного состояния ~ 60 сут.) 1,31 -

Примечание. Указаны средние значения характеристик

Таблица 5. Основные свойства образцов многослойных конструкций со сферопластиком

МК с обшивками из МК с обшивками из

Характеристика стеклопластика углепластика

Температура испытаний, °С

20 160 20 160

Плотность, г/см'1 1,2 - 1,0 -

Прочность при растяжении, МПа 250 220 340 360

Модуль упругости при растяжении, ГПа 13 12 27 27

Прочность при сжатии, МПа 315 270 323 238

Модуль упругости при сжатии, ГПа 13 13 29 28

Прочность при изгибе, МПа 531 507 697 483

Модуль упругости при изгибе, ГПа 21 19 37 32

Прочность при межслоевом сдвиге 38 30 54 38

Ударная вязкость по Шарпи, кДж/м7 110 - 125 -

Примечания: 1. Указаны средние значения характеристик; 2 Свойства МК с обшивками из стеклопластика приведены в направлении основы ткани

Глава 5. Внедрение сферопластиков в изделия авиационной техники

Разработанный сферопластик марки ВПЗ-7М внедрен в изделия Ил-96-300, Ил-96-400 (ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина») и используется для заделки пустот и торцевых частей панелей интерьера, заполнения участков сотовых конструкций в зонах установки крепежа. Сферопластик ВПЗ-7М внедрен в изделие Ил-76МД-90А для заполнения участков бортовых панелей фюзеляжа с целью фиксации электрических проводов. Широкое применение сферопластик марки ВПЗ-7М получил при изготовлении панелей интерьера (багажные полки, панели пола и др.) изделий

Ту-204 и Ту-214 (ОАО «Туполев»), Сферопластик марки ВПЗ-7М применен для заполнения участков сотовых конструкций модификаций вертолетов Ка-32, Ка-226.

В применении сферопластика марки ВПЗ-7М, как полимерного заполнителя для местного упрочнения трехслойных сотовых конструкций, участков в зоне установки крепежа и т.п., обладающего большим гарантийным сроком хранения компонентов, достаточно высокой жизнеспособностью и высокой технологичностью в производстве, проявляет заинтересованность ГП «Антонов» (Украина) для применения в конструкциях самолетов Ан-140 и Ан-148.

Перспективы применения сферопластика холодного отверждения марки ВПЗ-14 (работоспособного до температуры 160 °С, длительно), в изделиях авиационной техники обусловлены возможностью замены широко применяемого в изделиях Ту-214 (ОАО «Туполев») и Су-ЗОМКИ (ОАО «ОКБ Сухого») сферопластика марки ВПЗ-5 с аналогичной температурой эксплуатации, но обладающего более низким комплексом эксплуатационных свойств.

Сферопластик марки ВПЗ-17 рекомендован для использования в изделии Т-50 и его модификациях ОАО «ОКБ Сухого» при изготовлении панелей кессонной части крыла и агрегатов механизации системы управления. В настоящее время проводится опробование сферопластика марки ВПЗ-17 в составе образцов многослойных конструкций для перспективных изделий ОАО «ОКБ Сухого».

Применение сферопластика ВПЗ-18, обеспечивающего высокий уровень прочностных характеристик уже через 8-12 часов отверждения, позволит значительно сократить время выполнения технологических операций с сотовыми панелями со сферопластиком как в условиях производства, так и при проведении ремонтных работ изделий авиационной техники.

ВЫВОДЫ

1. Решена важная отраслевая задача по созданию ассортимента сферопластиков на основе недефицитных компонентов: сферопластиков для соединения элементов сотовых конструкций и сферопластика для применения в составе многослойных конструкций авиационного назначения. Разработанные сферопластики характеризуются комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств; обладают возможностью их направленного регулирования в зависимости от типа конструктивного элемента и характера действующих нагрузок.

2. Установлены основные закономерности создания полимерных сферопластиков с необходимым комплексом свойств с учетом требований, предъявляемых в зависимости от конструктивно-эксплуатационных параметров изделия. Показано, что с целью обеспечения необходимого уровня свойств в составе сферопластиков следует использовать сочетания различных наполнителей - полые стеклянные микросферы, определяющие

технологические и физико-механические свойства сферопластиков и обеспечивающие возможность их направленного регулирования; армирующие наполнители для повышения ряда механических свойств - прочности при сжатии, ударной вязкости и т.п.; наполнители для придания специальных свойств — антипирены, пигменты и др.

3. Показано, что для изготовления сферопластиков холодного отверждения с рабочими температурами до 80 °С для заполнения элементов сотовых конструкций целесообразно использовать связующие на основе эпоксидно-диановых олигомеров. Для получения более теплостойкой матрицы сферопластика (до 160 °С) следует использовать связующее на основе эпоксидно-дианового олигомера, модифицированного кремнийорганическим олигомером. Указанные связующие обеспечивают комплекс высоких технологических, механических и адгезионных свойств сферопластиков.

4. Показано, что для изготовления многослойных конструкций с применением в качестве внутреннего слоя листовых сферопластиков, где наряду с обеспечением высоких физико-механических и диэлектрических характеристик особое внимание придается сохранению свойств материала в различных условиях эксплуатации в том числе при повышенной влажности, целесообразно использование в качестве полимерной основы сферопластика цианэфирного связующего.

5. Сформулированы основные требования к наполнителям и установлены диапазоны их содержания в объеме сферопластика. Изучено влияние содержания, размеров и формы сочетаний дисперсных (полые стеклянные микросферы, электрокорунд, органический наполнитель, оксид титана, диоксид хрома, аммоний фосфорнокислый) и волокнистых (короткое стеклянное волокно) наполнителей на свойства полимерных сферопластиков.

6. Показано, что использование в составе сферопластика полых стеклянных микросфер, характеризующихся широким интервалом изменения плотности и прочности на гидростатическое сжатие, позволяет получить материалы с комплексом высоких технологических и физико-механических свойств, открывает широкие возможности для варьирования характеристик сферопластиков с учетом предъявляемых к ним требований. В зависимости от содержания и физико-механических характеристик полых стеклянных микросфер получены сферопластики, отличающиеся по реологическим свойствам, с плотностью в интервале от 0,47 до 0,63 г/см3, прочностью при сжатии от 20 до 45 МПа.

7. Установлено, что применение до 30 % масс, высокодисперсного органического наполнителя с размером частиц менее 40 мкм позволяет повысить прочность при сжатии сферопластика до 56 МПа в зависимости от физико-механических характеристик микросфер и практически не оказывает влияния на его плотность и ударную вязкость. Использование в наряду с полыми стеклянными микросферами коротких стеклянных волокон длиной 3-6 мм приводит к увеличению ударной вязкости (до 8 кДж/м ) и прочности при сжатии (до 65 МПа) сферопластика.

8. Показано, что введение в сферопластики, содержащие в рецептуре до 65 % об. дисперсных и волокнистых наполнителей, в качестве модифицирующей добавки бутадиенового каучука в количестве до 6 % масс, позволяет повысить ударную вязкость материала с 2,2 до 4,0 кДж/м2.

10. Показано, что введение в состав сферопластика сочетания наполнителей - полых стеклянных микросфер, дисперсных органического и неорганических наполнителей с размером частиц менее 40 мкм в определенном соотношении, обеспечивает создание структуры материала, характеризующейся высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице. При этом практически все связующее находится в тонких слоях, а высокодисперсные частицы наполнителей, равномерно распределенные между полыми стеклянными микросферами полифракционного состава, позволяют повысить прочность сферопластиков при сжатии.

11. На основании проведенных исследований разработаны пожаробезопасные эпоксидные сферопластики холодного отверждения для соединения элементов сотовых конструкций: ВПЗ-7М - сферопластик с комплексом высоких физико-механических свойств (плотность 0,57-0,63 г/см3, прочность при сжатии 40-45 МПа, ударная вязкость 2,0-3,0 кДж/м2); ВПЗ-18 с сокращенным режимом отверждения не более 12 ч при комнатной температуре; ВПЗ-14 с температурой эксплуатации до 160 °С. Впервые в отечественной практике разработан цианэфирный сферопластик ВПЗ-17 с комплексом высоких эксплуатационных характеристик (плотность 0,65-0,70 г/см3, прочность при сжатии 88-95 МПа, диэлектрическая проницаемость 2,0-2,1), в том числе при воздействии высоких температур (до 160 °С) и повышенной влажности (98 %).

12. Разработаны методики оценки свойств сотовых конструкций со сферопластиками. Оценена работоспособность конструкций со сферопластиками, исходя из характеристик сотовых панелей, материала и конфигурации закладных элементов, свойств применяемых сферопластиков. С использованием метода неразрушающего контроля оценено влияние дефектов структуры на конструктивную прочность образцов сотовых панелей со сферопластиками.

13. Сотовые конструкции со сферопластиками марок ВПЗ-7М, ВПЗ-14, ВПЗ-18 отвечают требованиям АП-25 по пожаробезопасное™.

14. Сферопластик марки ВПЗ-7М внедрен в изделия Ил-96-300, Ил-96-400, Ил-76МД-90А, Ту-204, Ту-214, модификации вертолетов Ка-32, Ка-226; разработан сферопластик марки ВПЗ-17 для использования в изделии Т-50 и его модификациях.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Перечень ВАК:

1. Соколов И.И., Долматовский М.Г., Деев И.С., Стеценко В.Я. Влияние физико-механических характеристик полых стеклянных микросфер на свойства сферопластиков// Пластические массы. 2005. № 7. С. 16-18.

2. Долматовский М.Г., Соколов И.И. Разрушение сотовых панелей со сферопластиками при вырыве закладных элементов// Пластические массы. 2008. № 9. С. 52-54.

3. Долматовский М.Г., Соколов И.И., Степанов A.B. Разрушение и контроль сотовых конструкций со сферопластиками// Конструкции из композиционных материалов. 2009. № 2. С. 97-103.

4. Соколов И.И., Минаков В.Т. Сферопластики авиационного назначения на основе эпоксидных клеев и дисперсных наполнителей// Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 5. С. 22-26.

5. Соколов И.И. Сферопластики холодного отверждения на основе клеевых связующих для изделий авиационной техники// Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №3. С. 25-28.

Патенты:

6. Соколов И.И., Мизинова Т.П. Патент РФ № 2220990 «Самозатухающая полимерная композиция», опубл. 14.03.2002.

7. Соколов И.И., Долматовский М.Г., Шарова И.А., Лукина Н.Ф. Патент РФ № 2471830 «Полимерная композиция», опубл. 10.01.2013.

Другие издания:

8. Соколов И.И., Долматовский М.Г. Сферопластики// Полимерные материалы. 2005. №9. С. 20, 21.

9. Соколов И.И. Свойства полимерных сферопластиков в зависимости от характеристик стеклянных микросфер/ Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов и аспирантов отрасли/ «Материалы и технологии для авиационно-космической техники». Москва, ВИАМ, 2005.

Отпечатан 1 экз. Исп. Соколов И.И. Печ. Соколов И.И.

Автореферат Соколов И.И.

«Сферопластики на основе термореастивных связующих для изделий авиационной техники»

Формат бумаги 60x90/16. Печ. л 1 Тираж 60 экз. Отпечатано в ФГУП «ВИАМ». Заказ 1/196 105005, г. Москва, ул. Радио 17

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных

материалов»

Государственный научный центр Российской Федерации

На правах рукописи

04201361494

СОКОЛОВ ИГОРЬ ИЛЛИОДОРОВИЧ

СФЕРОПЛАСТИКИ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение (машиностроение)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, Минаков В.Т.

Москва 2013

Оглавление

Стр.

Введение..................................................................................................................................................................4

Глава 1. Литературный обзор..........................................................................................................10

1.1 Состав и свойства сферопластиков для авиационных

сотовых конструкций..............................................................................................................................10

1.2 Сферопластики для применения в составе многослойных конструкций....................................................................................................................................................19

1.3 Применение сферопластиков в различных отраслях

промышленности........................................................................................................................................25

1.4 Материалы для изготовления сферопластиков......................................................31

1.4.1 Полимерные связующие..........................................................................................................31

1.4.2 Дисперсные и волокнистые наполнители................................................................34

Глава 2. Объекты и методы исследований............................................................................43

2.1 Исходные компоненты..................................................................................................................43

2.2 Методы исследований сферопластиков........................................................................44

Глава 3. Разработка сферопластиков........................................................................................48

3.1 Изготовление сферопластиков............................................................................................48

3.1.1 Изготовление сферопластиков, применяемых для

заполнения участков сотовых конструкций......................................................................48

3.1.2 Изготовление сферопластиков для применения в составе многослойных конструкций............................................................................................................51

3.2 Исследование влияния содержания, размеров и

формы наполнителей на свойства сферопластиков......................................................54

3.3 Разработка сферопластика с сокращенным

режимом отверждения при комнатной температуре................................................74

3.4 Разработка сферопластика на основе цианэфирного

связующего......................................................................................................................................................82

Глава 4. Исследование свойств сферопластиков..........................................................90

4.1 Сферопластики для применения в составе сотовых

конструкций....................................................................................................................................................90

4.2 Исследование работоспособности сферопластиков в сотовых конструкциях..................................................................................................................................................94

4.3 Сферопластики для изготовления многослойных конструкций............102

Глава 5. Внедрение сферопластиков в изделия

авиационной техники..............................................................................................................................110

Выводы..................................................................................................................................................................112

Литература......................................................................................................................................................116

ч

Введение

Одними из важнейших задач, стоящих перед авиационной промышленностью, являются повышение качества изготовления конструкций изделий авиационной техники и повышение их весовой эффективности.

Широко применяемым направлением снижения массы является замена традиционных конструкций сотовыми. Однако при этом возникает необходимость упрочнения сотовых конструкций, установки в них различного крепежа и т.п. Наиболее распространенным решением задачи по заполнению полостей и торцов сотовых конструкций, крепления закладных элементов (втулок, фитингов и др.) является использование полимерных сферопластиков. Сферопластики — легкие полимерные композиции на основе, как правило, эпоксидных или фенольных связующих, основным наполнителем которых являются полые микросферы. В составе сферопластиков используют также целевые добавки - высокодисперсные порошкообразные наполнители, пигменты, антипирены и т.п. Широкие возможности предоставляет использование в таких материалах комбинированных дисперсно-волокнистых наполнителей.

Помимо обеспечения процесса соединения элементов сотовых конструкций, сферопластик при эксплуатации участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя заданный уровень прочности и долговечности соединения.

Широкие перспективы открывает использование полимерных сферопластиков на основе новых высокопрочных связующих в составе многослойных конструкций с обшивками из угле- или стеклопластика, обладающих высоким уровнем физико-механических, диэлектрических и теплофизических характеристик в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и в условиях повышенной влажности.

Актуальность работы

В настоящее время в изделиях авиационной техники широкое распространение получили сферопластики для местного упрочнения сотовых конструкций с целью повышения их прочности и жесткости в зонах установки крепежа, для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, закрепления электротехнических кабелей и т.п. Помимо соединения элементов конструкций, сферопластик при эксплуатации участвует в восприятии и передаче действующих нагрузок, сохраняя требуемый уровень прочности и долговечности соединения.

Существующие сферопластики на основе эпоксидных и фенольных связующих обладают недостаточно высоким комплексом технологических и физико-механических свойств, регулирование их характеристик в зависимости от особенностей применения в конструкции допускается в ограниченных пределах. Сложившаяся ситуация послужила основанием для разработки новых сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами, регулируемыми с учётом конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия.

Большое внимание в нашей стране и за рубежом в последнее время уделяется вопросу изготовления многослойных конструкций с использованием в качестве легкого заполнителя полимерных сферопластиков, позволяющих получить ряд значительных преимуществ по сравнению с существующими конструкциями с сотовым заполнителем. Особый интерес для изготовления многослойных конструкций вызывают сферопластики на основе цианэфирных связующих, обладающие высокими механическими, теплофизическими и диэлектрическими характеристиками в различных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких температур и повышенной влажности. Создание, впервые в отечественной практике, листового сферопластика на основе цианэфирного связующего позволило решить актуальную задачу получения многослойных

конструкций для изделий авиационной техники.

Эффективным решением по созданию сферопластиков с высокими технологическими и эксплуатационными свойствами служит использование в их составе сочетаний полимерных связующих с дисперсными и волокнистыми наполнителями. В работе впервые проведены исследования, связанные с изучением основных закономерностей создания сферопластиков, в первую очередь вопросов обоснованного выбора сочетаний наполнителей и полимерных связующих, на основе результатов которых выработаны научные подходы к разработке сферопластиков с заданным комплексом свойств для изделий авиационной техники. В составе сферопластиков использованы сочетания различных типов наполнителей, выпускаемых предприятиями РФ, и показано влияние этих компонентов на структуру и свойства сферопластиков.

Цель работы

Разработка ассортимента сферопластиков на основе недефицитных компонентов для изделий авиационной техники:

- эпоксидного сферопластика холодного отверждения с комплексом высоких технологических и физико-механических свойств для применения в составе сотовых конструкций;

- эпоксидного сферопластика с сокращенным режимом отверждения при комнатной температуре для заполнения участков сотовых конструкций;

цианэфирного листового сферопластика с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками для применения в составе многослойных конструкций.

Основные задачи работы

- обосновать выбор компонентов сферопластиков для достижения заданного уровня технологических и эксплуатационных свойств;

- исследовать влияние формы, размеров частиц дисперсных и волокнистых наполнителей, а также их соотношения на структуру и свойства сферопластиков;

- исследовать возможность направленного регулирования свойств сферопластиков путем варьирования их состава и содержания полимерного связующего, дисперсных и волокнистых наполнителей;

- разработать сферопластики с комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств для заполнения элементов сотовых панелей и изготовления многослойных конструкций изделий авиационной техники.

Научная новизна работы

- установлены основные закономерности создания сферопластиков с необходимым комплексом свойств. Показано, что в составе сферопластика с учетом требований, предъявляемых к материалу, следует использовать сочетания дисперсных и коротковолокнистых наполнителей в матрицах эпоксидного и цианэфирного типов;

- сформулированы основные требования к наполнителям и установлено влияние природы, содержания, размеров и формы сочетаний дисперсных и волокнистых наполнителей на свойства сферопластиков;

- установлен механизм упрочнения высоконаполненных (до 65 % об.) сферопластиков дисперсными органическими и неорганическими наполнителями с размером частиц менее 40 мкм за счет формирования структуры материала с высокой плотностью упаковки наполнителей в полимерной матрице;

установлены закономерности направленного регулирования технологических и физико-механических свойств сферопластиков путем варьирования их состава и структуры;

- расчетным путем с использованием методов термического анализа установлены зависимости времени гелеобразования сферопластиков

различного состава от температуры, позволяющие прогнозировать температурно-временные режимы их переработки;

- разработаны методические подходы по оценке свойств сотовых конструкций со сферопластиками в зависимости от материалов и геометрических характеристик сотовых заполнителей и закладных элементов, механических и адгезионных свойств сферопластиков. Установлено влияние структурных неоднородностей материалов на конструктивную прочность образцов сотовых панелей со сферопластиками.

Практическая значимость работы

По результатам проведенных исследований на основе недефицитных компонентов, выпускаемых предприятиями РФ, разработана номенклатура сферопластиков, отверждаемых как без нагревания (ВПЗ-7М, ВПЗ-14, ВПЗ-18), так и при повышенных температурах (ВПЗ-17) для изделий авиационной техники. Сферопластики обладают по сравнению с существующими материалами аналогичного назначения более высоким уровнем технологических и эксплуатационных свойств, отвечающих требованиям современного авиастроения. Направленное регулирование характеристик сферопластиков позволило проводить выбор рецептур материалов с учетом особенностей их применения для конкретных условий эксплуатации.

Применение разработанных сферопластиков позволяет:

- обеспечивать требования, предъявляемые к материалу, в зависимости от конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров изделия;

- значительно (не менее чем в 2 раза) сократить продолжительность технологических операций с сотовыми панелями как в условиях производства, так и при проведении ремонтных работ;

- повысить на 15-20 % работоспособность сотовых конструкций;

- обеспечить более высокие (в 3-5 раз) эксплуатационные свойства многослойных конструкций со сферопластиком по сравнению с конструкциями с сотовым заполнителем.

По результатам проведенной работы оформлены ТУ, 3 ММ, 4 ТР.

Внедрение результатов работы

Разработанный сферопластик марки ВПЗ-7М внедрен в самолетах Ил-96-300, Ил-96-400, Ил-76МД-90А (ОАО «Авиационный комплекс им. C.B. Ильюшина»), Ту-204 и Ту-214 (ОАО «Туполев»), модификациях вертолетов Ка-32 и Ка-226 (ОАО «Камов») для заделки пустот и торцевых частей панелей, заполнения участков сотовых конструкций в зонах установки крепежа, фиксации электрических проводов и т.п.

Сферопластик марки ВПЗ-17 рекомендован для использования в изделии Т-50 и его модификациях ОАО «ОКБ Сухого» при изготовлении панелей кессонной части крыла и агрегатов механизации системы управления.

Публикации. Основные результаты работы отражены в 7 научных публикациях, включая 5 публикации в изданиях из перечня ВАК, и защищены 2 патентами РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 120 наименований, содержит 39 рисунков, 27 таблиц. Общий объем диссертации 127 страниц машинописного текста.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Состав и свойства сферопластиков для авиационных сотовых

конструкций

Применение полимерных сферопластиков для местного упрочнения панелей сотовых конструкций с целью повышения их прочности и жесткости в зонах установки крепежа, для заделки торцевых участков, заполнения различных полостей, фиксации трубопроводов, закрепления электротехнических кабелей и т.п. (рис. 1.1) нашло широкое распространение в авиастроении [1].

а) б) в)

Рис. 1.1. Узлы авиационных сотовых конструкций, заполненные сферопластиками:

а) участок сотовой панели из алюминиевого сплава (соты АМг2-Н высотой 40 мм с ячейкой 3,5 мм) с обшивками из углепластика;

б) участок панели радиационного теплообменника из алюминиевого сплава (соты АМг2-Н высотой 20 мм с ячейкой 3,5 мм);

в) участок сотовой панели из стеклопластика (соты ПСП высотой 10 мм с ячейкой 2,5 мм)

В зависимости от типа конструкций и вида нагружения при эксплуатации к материалу сферопластика могут предъявляться различные требования. Так, в зонах установки закладных элементов (втулок, фитингов и т.п.), в которых возникают значительные эксплуатационные нагрузки, сферопластик должен обладать высокой прочностью при сжатии, отрыве и др., в том числе при сложных видах деформаций. Многообразие узлов, в

которых используются сферопластики, приводит к необходимости регулирования их реологических характеристик. Так, при использовании для заполнения вертикальных участков вязкость исходной композиции сферопластика должна быть такой, чтобы не происходило ее вытекания из зоны соединения. Сферопластики, используемые в кабине и интерьере пассажирских самолетов, должны соответствовать международным требованиям по пожарной безопасности. Таким образом, выбор состава сферопластика для авиационных сотовых конструкций определяется комплексом предъявляемых к материалу требований:

1) достаточная жизнеспособность и вязкость для заполнения различных участков сотовых конструкций, способность отверждаться без подвода тепла или при умеренных температурах;

2) приемлемая продолжительность времени достижения необходимого уровня механических характеристик;

3) сочетание высоких физико-механических (плотность, прочность при сжатии, ударная вязкость) и адгезионных (прочность при отрыве, прочность при сдвиге) свойств;

4) высокий уровень специальных свойств (пожаробезопасность, низкая коррозионная агрессивность);

5) обеспечение совместной работоспособности конструкции со сферопластиком и т.д. [2-4].

Обычно сферопластики представляют собой композиции холодного отверждения или подвергаемые последующей термообработке при повышенных температурах, приготавливаемые на месте потребления непосредственно перед использованием.

Заделка участков сотовых конструкций может осуществляться одним из следующих способов:

1) на торцы готовой сотовой панели, обрезанной по шаблону, наносят сферопластик и отверждают по заданному режиму;

2) по торцам готовой панели производят выборку сот на нужную глубину, в пространство между обшивками вводят сферопластик и отверждают по заданному режиму;

3) при формовании сотовой панели после операции укладки сотового заполнителя на нижние слои препрега соты заполняются в необходимых местах по шаблону-ограничителю сферопластиком. Избыток сферопластика снимают с поверхности сотового заполнителя. После этого на соты укладывают заданное количество слоев препрега и проводят одновременное формование панели со сферопластиком по заданному режиму отверждения при повышенной температуре;

4) сотовый заполнитель жестко закрепляют на подл