Легкие конструкционные органопластики, стойкие к

ВИАМ/2007-204775
Легкие конструкционные органопластики,
стойкие к ударным и баллистическим
воздействиям
Г.Ф. Железина
И.В. Зеленина
Н.Ф. Лукина
Л.Г. Орлова
В.В. Сидорова
Февраль 2007
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Все
материалы. Энциклопедический справочник», № 8, 2007 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Легкие конструкционные органопластики, стойкие к ударным
и баллистическим воздействиям
Г.Ф. Железина, И.В. Зеленина, Н.Ф. Лукина,
Л.Г. Орлова, В.В. Сидорова
Всероссийский институт авиационных материалов
Применение в авиационных конструкциях органопластиков первого
поколения (Органит 6НТ, Органит 7Т, Органит 11Т и др.) на основе
отечественного арамидного волокна СВМ позволило решить проблему
создания легких обшивок и деталей, устойчивых к динамическим и
виброакустическим
нагрузкам,
способных
сохранять
высокую
конструкционную прочность в случае локальных разрушений при ударных,
эрозионных и других воздействиях.
Ударные воздействия в процессе эксплуатации самолетов и вертолетов могут
быть различных типов и степени интенсивности: град и мелкие камни;
соударение с птицами при взлете и посадке, удар осколками взрывных устройств
и пулями легкого оружия при возникновении нештатной ситуации и т.д.
В авиационных двигателях (Д-18Т, ПС-90А) органопластики используют
в конструкции корпуса вентилятора с целью обеспечения безопасности
полетов в случае отрыва лопатки вентилятора при попадании в двигатель
птиц или инородных тел. Важно, чтобы разрушение лопаток не привело к
таким опасным последствиям, как повреждение обшивок планера самолета и
системы управления, пожару. Органопластик позволяет локализовать зону
разрушения и удержать разрушившиеся лопатки корпусом вентилятора.
Требования к ударной и баллистической стойкости конструкций
постоянно повышаются. Так, согласно ужесточенным требованиям норм
АП-23 корпус газотурбинного двигателя должен удерживать лопатку
вентилятора
в
случае
ее
разрушения
в
корневом
сечении
(ранее
сертификационные испытания двигателя ПС-90А предусматривали обрыв
только надполочной части рабочей лопатки вентилятора). Ужесточены
требования
к
ударной
и
баллистической
стойкости
материалов,
используемых в конструкциях планера самолета. Перегородка кабины
экипажа должна препятствовать проникновению пуль легкого ручного
оружия и осколков взрывных устройств.
Разработки ФГУП «ВИАМ», проведенные в 2000–2006 гг., были
направлены на совершенствование конструкционных и эксплуатационных
характеристик авиационных органопластиков, повышение их механических
свойств, увеличение ударной и баллистической стойкости.
Конструкционные органопластики второго поколения
на основе волокна Русар
Значительное
улучшение
эксплуатационных
характеристик
органопластиков, и в первую очередь стойкости к воздействию влаги, стало
возможным с появлением в конце 90-х годов нового отечественного
арамидного волокна Русар с повышенными по сравнению с волокном СВМ
механическими свойствами и пониженным влагопоглощением.
По
техническому
заданию
ФГУП
«ВИАМ»
были
разработаны
армирующие наполнители – нити и ткани из волокна Русар (ООО НПП
«Термотекс»,
ОАО
«Каменскволокно»,
ЗАО
КШФ
«Передовая
текстильщица»), удовлетворяющие требованиям по уровню механических
свойств, технологичности, нейтральности водной вытяжки. Ткань Русар
арт. 86-153-04Н (ТУ 8378-026-00321069–2004) по весовым характеристикам и
текстильной структуре была выполнена как аналог ткани СВМ арт. 56313Н,
используемой в составе органопластиков первого поколения. Это позволило
в
дальнейшем
обеспечить
преемственность
конструктивных
и
технологических решений при изготовлении деталей при переходе на новый
армирующий
наполнитель
(не
изменяется
толщина
монослоя
органопластика, количество слоев препрега при сборке технологического
пакета и т.п.).
Разработанные ФГУП «ВИАМ» органопластики второго поколения
представлены тремя марками органотекстолитов: Органит 12Т(М)-Рус,
16Т-Рус и 18Т-Рус, в составе которых использованы типовые эпоксидные
связующие ЭДТ-69Н(М), ВС-2526к, ЭНФБ-2М (табл. 1). Органопластики
предназначены для изготовления средне- и слабонагруженных обшивок
трехслойных конструкций и монолитных деталей внутреннего набора и
внешнего контура летательных аппаратов с температурой эксплуатации от
-60 до +80°С (Органит 12Т(М)-Рус, 18Т-Рус) и до +150°С (Органит 16Т-Рус).
Таблица 1.
Конструкционные органопластики на основе волокна Русар
Характеристики
Состав
Максимальная
температура
эксплуатации, °С
Вид поставки
Живучесть
препрега
Способ
переработки в
изделия
Марка материала
Органит 12Т(М)-Рус
Органит 16Т-Рус
(ТУ 1-595-11-797–2004) (ТУ 1-595-11-876–2005)
Ткань Русар
Ткань Русар
арт. 86-153-04Н
арт. 86-153-04Н
Связующее ЭДТ-69Н(М) Связующее ВС-2526к
80
150
Органит 18Т-Рус
(ТУ 1-595-11-837–2004)
Ткань Русар
арт. 86-153-04Н
Связующее ЭНФБ-2М
180
Препрег
Препрег
Препрег
3 мес при Т≤25°С
1 мес при Т≤25°С
6 мес при Т ≤25°С
6 мес при Т≤8°С
3 мес при Т≤8°С
12 мес при Т≤8°С
Автоклавное формование
Прессовое или
Прессовое или
с конечной температурой автоклавное формование автоклавное формование
140°С
с конечной температурой с конечной температурой
175°С
170°С
Физико-механические характеристики органопластиков Органит 18Т-Рус,
Органит 12Т(М)-Рус и Органит 16Т-Рус приведены в табл. 2. По сравнению с
органопластиками на основе ткани СВМ органопластики второго поколения
имеют повышенные на 20–30% прочность и модуль упругости при растяжении.
Характеристики органопластиков на основе ткани СВМ (для сравнения):
прочность при растяжении – 650–700 МПа, модуль упругости 30–35 ГПа.
Таблица 2.
Физико-механические свойства органопластиков
Свойства
Плотность, г/см3
Прочность при растяжении,
МПа
Модуль упругости при
растяжении, Гпа
Относительное удлинение
при растяжении, %
Прочность при сжатии, МПа
Прочность при изгибе, МПа
Прочность при межслойном
сдвиге, МПа
Коэффициент Пуассона
Водопоглощение за 90 сут, %
Температура
испытания, °С
Материал
Органит
Органит
12Т(М)-Рус
18Т-Рус
Органит
16Т-Рус
–
20
80
150
20
1,37
880
805
–
34,5
1,32
820
750
–
38,5
1,36
850
–
750
40,8
20
2,5
2,5
2,3
20
80
150
20
80
150
20
80
150
20
20
213
157
–
467
365
–
45,0
37,2
–
0,073
1,75
195
150
–
490
400
175
–
120
520
–
360
35,5
–
28,5
0,085
1,10
35,5
29,5
–
0,100
1,55
Примечание. Механические свойства указаны в направлении основы ткани.
Преимущества органопластиков на основе волокна Русар в наибольшей
степени проявляются при испытаниях в условиях повышенной влажности. Эти
материалы поглощают в 2 раза меньше влаги, чем аналоги на основе ткани СВМ
и обладают высокой стойкостью к термовлажностному старению (табл. 3).
Таблица 3.
Термовлажностное старение органопластиков
Условия экспозиции
Органит 12Т(М)-Рус
Влагоσизг,
МПа поглощение, %
Исходное состояние
460
–
2,4
3 мес, Т=70°С, ϕ=98% 440
3 мес, камера
–
–
тропического климата
Органит 18Т-Рус
Органит 16Т-Рус
ВлагоВлагоσизг,
σизг,
МПа поглощение, % МПа поглощение, %
500
–
540
–
485
2,3
550
2,10
–
–
550
1,28
Полуфабрикатом при изготовлении изделий из органопластиков служат
препреги (пат. РФ № 2264295), способные к длительному хранению с
сохранением
высокой
реакционной
способности
и
стабильных
технологических характеристик (см. табл. 1).
Высокая
влагостойкость
и
повышенные
упруго-прочностные
характеристики органопластиков Органит 12Т(М)-Рус, Органит 18Т-Рус,
Органит 16Т-Рус, а также тот факт, что переход на новые наполнители не
требует принципиального изменения технологии изготовления препрегов и
изделий, свидетельствуют о целесообразности замены органопластиков на
основе волокна СВМ органопластиками второго поколения на основе
волокна Русар. Использование органопластиков на основе волокна Русар для
изготовления средне- и слабонагруженных деталей планера самолетов
(обшивки зализа крыла, элементы закрылка, форкиль, обшивки нижней части
киля, обшивки носков крыла и др.) позволит увеличить эксплуатационную
надежность авиационных конструкций, в том числе в условиях теплого
влажного климата.
Модифицированные органопластики с повышенной стойкостью
к ударным и баллистическим воздействиям
В
качестве
армирующего
наполнителя
модифицированных
органопластиков использовали баллистически стойкие арамидные ткани с
поверхностной плотностью до 400 г/м2, применяемые для изготовления
средств индивидуальной защиты (бронежилетов, касок и др.).
Важной
задачей
при
выборе
полимерного
связующего
для
органопластика является сохранение баллистической стойкости арамидной
ткани в составе композиционного материала. Для решения этой задачи было
разработано модифицированное фенолокаучуковое связующее горячего
отверждения, отличающееся высокой технологической вязкостью.
На
основе
получены
модифицированного
препреги
и
фенолокаучукового
баллистически
стойкие
связующего
конструкционные
органопластики группы ВКО-2ТБ (решение о выдаче патента от 10.01.2007
по заявке № 2005134773/02). Особенностью структуры разработанных
материалов
является
органопластиками)
неравномерно
уменьшенное
содержание
распределено
в
(по
сравнению
связующего
объеме
с
типовыми
(10–14%).
композита
и
Связующее
располагается
преимущественно между слоями тканого армирующего наполнителя. Это
позволило обеспечить высокую межслойную прочность органопластиков
ВКО-2ТБ (прочность при отслаивании 2,2–3,6 кН/м) и реализовать в полной
мере баллистические характеристики ткани в составе композиционного
материала (табл. 4).
Таблица 4.
Противоосколочная стойкость органопластиков группы ВКО-2ТБ
Состав органопластика
Армирующий наполнитель
Количество
монослоев
2
Ткань Русар атлас, 400 г/м
17
2
Ткань СВМ саржа, 200 г/м
36
Содержание
связующего, %
12
12
Вес 1 м2
органопластика, кг
7,2
7,0
V 50% ,
м/с
578
578
Примечание. Скорость непробития пакетов (V 50% ) ткани Русар и СВМ (17 и 36 слоев
соответственно) составляет 585–590 м/с (испытания стальным шариком диаметром 6 мм).
Стойкость органопластиков к ударным воздействиям
При проведении испытаний использовали метод определения стойкости к
удару падающим индентором при комнатной температуре. Удар наносили по
плоскому образцу органопластика толщиной 1,8–2,4 мм. Послеударного
воздействия исследовали характер разрушения образцов (трещины, вмятины)
и определяли площадь повреждения с использованием ультразвукового
теневого метода неразрушающего контроля.
Испытаниям подвергали типовые конструкционные органопластики
Органит 7Т, Органит 11Т, Органит 12Т(м) (соответственно на основе
эпоксифенольного
5-211-БН,
эпоксисульфонового
ВК-36,
эпоксидного
ЭДТ- 69Н(м) связующих), опытный органопластик на основе полиимидного
связующего СП-97, а также органопластик типа ВКО-2ТБ на основе
модифицированного
фенолокаучукового
связующего.
В
качестве
армирующего наполнителя во всех случаях использовали равнопрочную
ткань СВМ арт. 56313 (атлас, поверхностная плотность 90 г/м2).
Установлено, что при ударе с кинетической энергией от 8 до 12 Дж/мм2
типовые конструкционные органопластики имеют несквозные повреждения
(трещины на фронтальной и тыльной поверхностях, расслоения) различной
величины в зависимости от типа связующего в составе композита. При ударе
с кинетической энергией 15 Дж/мм2 происходит сквозное повреждение всех
исследованных типовых конструкционных органопластиков.
Органопластик
ВКО-2ТБ
на
основе
ткани
арт.
56313
и
модифицированного фенолокаучукового связующего не имеет трещин и
расслоений при ударе с кинетической энергией до 15 Дж/мм (на образцах
после ударного воздействия остается область пластического деформирования
– «вмятина» диаметром до 6 мм и глубиной 3 мм). По ударной стойкости
органопластик
ВКО-2ТБ
значительно
превосходит
типовые
конструкционные органопластики (см. рисунок).
Характер и площадь повреждения органопластиков (толщина 1,8–2,4 мм) при
ударе в зависимости от кинетической энергии удара и типа полимерного связующего
в составе композита: ■ органопластик Органит 11Т (на основе эпоксисульфонового
связующего ВК-36); ▲ органопластик Органит 7Т (на основе эпоксифенольного
связующего 5-211-БН); ♦ органопластик Органит 12Т(м) (на основе эпоксидного
связующего ЭДТ-69Н(м)); □ опытный органопластик (на основе полиимидного
связующего СП-97); ● органопластик ВКО-2ТБ (на основе модифицированного
фенолокаучукового связующего)
Стойкость органопластиков к баллистическому воздействию
Условия испытаний органопластиков на баллистическую стойкость, были
выбраны с учетом требований АП-25 п. 25.795, в соответствии с которыми
элементы авиационных конструкций (двери, перегородки кабины экипажа),
должны препятствовать проникновению пуль легкого ручного оружия и
осколков
взрывных
устройств
с
параметрами,
соответствующими
параметрам следующих демонстрационных снарядов:
• демонстрационный снаряд №1 – пуля калибра 9 мм с полностью
металлической оболочкой, круглой головкой (FVJ RN номинальной массой
8,0 г и скоростью 436 м/с);
• демонстрационный снаряд №2 – пуля калибра 44 Магнум с пустой
полостью (JHP), номинальной массой 15,6 г и скоростью 436 м/с.
Испытаниям подвергали органопластики группы ВКО-2ТБ на основе
модифицированного фенолокаучукового связующего и арамидных тканей
различных структур с поверхностной плотностью от 200 до 350 г/м2. Состав
образцов и результаты баллистических испытаний представлены в табл. 5.
Таблица 5.
Стойкость органопластиков к баллистическому воздействию
Армирующий
наполнитель
Количество Вес, Толщина, Плотность, Номер
Глубина
2
3
монослоев кг/м
мм
кг/м
снаряда проникновения
пули, мм
2
Ткань атлас (350 г/м )
20
7,8
7,6
1020
№1
0,8
из нити Русар 100 текс
№2
1,5
Ткань полотно
27
7,7
7,2
1070
№1
0,8
2
(250 г/м ) из нити
№2
1,4
Тварон 100 текс
Ткань (200 г/м2) из
31
7,1
7,1
1000
№1
1,0
нити СВМ 29,4 текс
№2
1,8
После баллистического воздействия указанными выше снарядами
органопластики ВКО-2ТБ не имели сквозных повреждений. На основе
анализа характера повреждений испытанных образцов установлено, что пули
проникают на глубину 10–25% от толщины органопластика (глубина
проникновения зависит от типа снаряда и структуры армирующего
наполнителя). Материалы обладают большим запасом баллистической
прочности, и имеется возможность снижения веса защитных конструкций за
счет уменьшения количества монослоев в составе композита.
Модифицированные
органопластики
группы
ВКО-2ТБ
являются
перспективными материалами для изготовления легких конструкций с
повышенными требованиями к ударной и баллистической стойкости
(корпуса вентиляторов авиационных двигателей, двери и перегородки
кабины экипажа пассажирских самолетов), а также для изготовления
защитных экранов различного назначения, средств индивидуальной защиты.
Производство в России конструкционных ударо- и баллистическистойких
органопластиков
обеспечено
отечественными
ткаными
армирующими
наполнителями и связующими. Армирующие ткани из волокна Русар
выпускаются
предприятиями
по
согласованной
с
технической
документации
и
удовлетворяют
всем
предъявляемым
к
армирующим
композиционных материалов.
ФГУП
наполнителям
«ВИАМ»
требованиям,
авиационных