Быстрее, выше, прочнее
Конструкционные полимерные композиты
Их применение актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. В автомобильной промышленности из углепластиков делают спорткары, болиды «Формулы-1», элитные модели легковых автомобилей и электромобили. Все, что двигается быстро, сейчас стараются делать из композитов.
Схема лайнера Boeing-787. Темно-серым цветом выделены детали из углепластика // boeing.com
Разработка новых материалов
Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. Разработчики постоянно улучшают параметры углеродных волокон, меняют типы выкладок и совершенствуют технологии формования.
Чтобы производить термостойкие материалы, получают новые полимеры.
В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят. Композитная отрасль в России достаточно маленькая, и запускать новое производство узкоспециализированных реагентов нерационально.
Формирование деталей
Как получить готовое изделие из композита? Изначально технология была похожа на изготовление папье-маше: брали волокно, промазывали кисточкой и клали следующий слой. Некоторые изделия производят таким способом до сих пор, но риск человеческой ошибки слишком высок. Сейчас процесс производства стремятся максимально автоматизировать.
Российский пассажирский лайнер МС-21. Крылья и фюзеляж выполнены из полимерных композитных материалов // uacrussia.ru
Минусы композиционных материалов
Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости. В то же время полимерные композиты имеют ряд недостатков: композиционные материалы пока что значительно дороже, чем металлы, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.
Композитные преимущества
Фото: Александр Уткин
Композиты в свое время совершили настоящую революцию в авиастроении и продолжают развиваться. Сегодня самолеты уже больше, чем наполовину состоят не из металла. На новейшем МС-21 используется целое крыло, изготовленное из углепластика. Это нововведение не только для отечественной гражданской авиации, но и для среднемагистральных лайнеров во всем мире. Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов.
Рассказываем, из чего строят современные самолеты, как создают «черное крыло» и какие преимущества предоставляет лайнеру углепластик.
Композиты в небе
Композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, которые в сочетании друг с другом создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Таким образом, все композиционные материалы в своем составе имеют матрицу и жесткий армирующий наполнитель. Как правило, роль наполнителя играют углеродные или стеклянные волокна, а матрица – это полимерный материал. Такая конструкция позволяет создавать легкие, но очень прочные детали. Поэтому именно в авиастроении композиты стали особенно популярны – они увеличивают прочность авиационных деталей, снижают их вес и увеличивают антикоррозийную стойкость.
Применять композиционные материалы авиаконструкторы начали примерно с 1960-х годов. С того времени объем использования композитов в авиации неуклонно возрастает. Например, ровно половину веса самолета Boeing 787 Dreamliner составляют композиционные материалы, 20% – алюминий, около 15% – титан, 10% – сталь.
В конструкции российских лайнеров также используются композиты, причем давно. Еще в начале 1990-х в среднемагистральном Ту-204 из композитных материалов было сделано 25% деталей, в том числе вся механизация крыла, а также панели люков, полов и интерьера. В самолете Sukhoi Superjet 100 из композитных материалов выполнены закрылки, створки шасси, обтекатели и другие элементы. Рекордсменом среди отечественных лайнеров стал среднемагистральный МС-21 – на композиты приходится 40% массы. Кроме того, это первый российский самолет с крылом, полностью состоящим из композиционных материалов, а также первый в мире среди лайнеров такого класса.
Долгое время было распространено мнение, что композиты выгодно использовать только на больших летательных аппаратах – широкофюзеляжных дальнемагистральных лайнерах. Не такие большие, хотя и более массовые узкофюзеляжные самолеты, получали лишь некоторые композитные детали, такие как элементы механизации крыла. В проекте МС-21 конструкторы корпорации «Иркут» продемонстрировали, что использование композитов для изготовления крыла среднемагистрального самолета выгодно по всем параметрам.
«Черное крыло» для российской авиации
При создании самолета конструкторы всегда стараются увеличить удлинение крыла – отношение размаха крыла к средней хорде крыла. Ведь, чем длиннее крыло, тем меньше сопротивление. Однако проблема в том, что удлинение крыла приводит к увеличению массы конструкции. Ведь алюминий – мягкий металл, и чтобы крыло из него вышло достаточно жестким и не прогибалось в полете, нужно существенно увеличить его толщину. Поэтому удлинение алюминиевого крыла на самолетах не превышало 8-9. Углепластик – более жесткий материал, поэтому крылья из него могут достигать удлинения 10-11, и даже выше. Для углепластикового крыла МС-21 удалось достичь этого показателя на уровне 11,5.
Фото: ОНПП «Технология»
Композитное крыло, которое часто называют «черным крылом» из-за характерного цвета углепластика, считается главной особенностью МС-21. Оно позволяет новейшему российскому лайнеру расходовать на 8% меньше топлива по сравнению с существующими аналогами. Специалисты подсчитали, что за свою «жизнь» среднемагистральный самолет с «обычным» алюминиевым крылом тратит порядка 140 тыс. тонн горючего. Только за счет композитного крыла МС-21 сможет сэкономить более 11 тыс. тонн топлива. Плюс к этому преимуществу – увеличенная крейсерская скорость и высота полета.
Прочнее, легче и дешевле
Композиты считаются достаточно дорогим удовольствием – килограмм дюрали для самолета стоит в разы дешевле, чем килограмм углепластика. Несмотря на это, производство и применение композитов в авиастроении остается выгодным. При этом выбор правильной технологии изготовления композитов может даже снизить суммарную себестоимость лайнера.
На сегодняшний день известны два основных способа производства композитных элементов. Первый –– традиционный, автоклавный. В этом случае формируется своеобразный «сэндвич»: внутри – алюминиевые соты, сверху и снизу – сотни слоев углепластика, которые наносятся лазерным проектором слой за слоем. После выкладки этот «сэндвич» (препрег) проводит восемь часов в автоклаве, где превращается в прочную и легкую авиационную деталь.
Второй способ производства композитных элементов – инфузионная технология. Главное достоинство данного метода – возможность изготовлять за один технический передел весьма сложные конструкции, например, панель крыла. С препрегами такое не провернуть – конструкцию пришлось бы собирать из отдельных деталей, то есть потратить больше времени, а главное увеличить вес из-за использования крепежа. Кроме того, для инфузионной технологии не нужны автоклавы, которые особенно затратны для крупных деталей. Все эти преимущества делают производство «черного крыла» выгодным.
«АэроКомпозит-Ульяновск» – единственный в России завод по производству авиадеталей из композитов при помощи инфузионной технологии. Здесь данная технология впервые в мире применяется при изготовлении крупногабаритных конструкций – панелей кессона крыла. Именно на «АэроКомпозите» производят целиком «черное» крыло для МС-21. На предприятии проходит полный технологический цикл – из Ульяновска в Иркутск приходит уже готовая консоль крыла. Тем самым не нужно тратить время и затраты на сборку непосредственно на авиазаводе.
Корпорация «Иркут» уже завершила постройку первого самолета МС-21-300, крыло которого изготовлено из полимерных композиционных материалов российского производства. 30 ноября 2021 года самолет был переведен из цеха окончательной сборки Иркутского авиационного завода в летно-испытательное подразделение.
Вклад композитных материалов в авиастроение сложно переоценить. В то же время, авиастроительная отрасль сыграла значительную роль в эволюции самих композитов. Стремление конструкторов сделать самолеты прочнее и легче, становится стимулом для создания все более легких и прочных материалов. Ими стали композиты и совершили своеобразную революцию в авиастроении и ракетно-космической области. Сегодняшнее применение композитов в этой сфере – лишь начало большого пути.
Композиты для отечественного авиастроения. Успехи, планы, проблемы
Наряду с металлами в конструкции современных самолетов активно используются композиционные материалы. Разного рода композиты позволяют сократить массу конструкции при сохранении прочих характеристик или обеспечить иные преимущества перед конструкциями из других материалов. В сфере композитов в нашей стране уже достигнуты определенные успехи, но развитие отрасли следует продолжать.
Сферы применения
Ввиду характерных особенностей и некоторых преимуществ перед другими материалами композиты могут широко использоваться в авиастроении. Прежде всего, они интересны в контексте создания и строительства планеров летательных аппаратов. При этом не исключается возможность внедрения композитов в другие сферы, где пока используются только металлы и сплавы.
Композитные детали используются едва ли не на всех современных боевых самолетах отечественного производства. Так, планер многоцелевого истребителя Су-35С выполняется из легких сплавов и композитов, хотя доля последних невелика в сравнении с другими образцами техники.
Более широко композиты на основе углепластика и других материалов применяются в проекте истребителя пятого поколения Су-57. На композитные детали приходится четверть сухой массы такого самолета. Прежде всего, они используются в обшивке. Так, 70% внешней площади истребителя выполнено из композитов. Специфика технологий изготовления композитов позволила упростить конструкцию планера и уменьшить число необходимых деталей.
Новые материалы широко используются в беспилотной авиации. Если легкие БПЛА обходятся пластиковыми корпусами, то на более тяжелых активно используются композитные агрегаты сложных форм и конфигураций. К примеру, планер нового БПЛА «Орион» изготавливается преимущественно из композитов, тогда как доля других материалов сокращена до необходимого минимума. Схожие подходы использовались при разработке других современных БПЛА среднего и тяжелого классов.
Композиты внедряются и в гражданской авиации. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты при разработке среднемагистрального лайнера МС-21. В нем на углепластиковые композиционные материалы приходится 35% сухой массы. На данный момент это является рекордом для отечественных самолетов. Такие результаты были получены, в первую очередь, за счет создания особого крыла, почти полностью выполненного из композитов. Следует отметить, что такое крыло отличается сложностью разработки и производства, из-за чего применяется лишь в нескольких проектах в мире. Таким образом, с точки зрения технологий МС-21 оказывается одним из самых прогрессивных современных самолетов.
Недавно стало известно о возможном проведении исследовательских и конструкторских работ в интересах двигателестроения. НПО «Сатурн» проявляет интерес к теме композитных лопаток для турбореактивных двигателей. Подобные детали могут быть внедрены в проектах ПД-14 и ПД-35. Их появление позволит сократить собственную массу двигателя и обеспечит рост некоторых характеристик.
Отечественное производство
На данный момент в разных проектах отечественной авиационной техники применяются композиты и сырье разного происхождения. Часть такой продукции производится российскими предприятиями, тогда как прочую приходится приобретать у зарубежных поставщиков. При этом осуществляется развитие отечественного производства, направленное на решение актуальных производственных задач и сокращение зависимости от импорта.
Одним из ведущих предприятий отрасли является компания «Аэрокомпозит», входящая в состав Объединенной авиастроительной корпорации. Ее производственные мощности развернуты на базе Казанского авиационного завода и ульяновского «Авиастар-СП». Компания создавалась с целью объединения наработок по композитам в рамках ОАК. Ее задачей является разработка и производство необходимых изделий, технологических циклов и т.д. в интересах различных проектов в авиационной сфере.
Ранее «Аэрокомпозит» разработала особое крыло для лайнера МС-21, а затем занялась его производством. Сообщается о проведении исследовательских и конструкторских работ в интересах других проектов. К примеру, запланирована глубокая модернизация самолета SSJ-100, в ходе которой внедрят новое композитное крыло.
Также в нашей стране осуществляют деятельность несколько других организаций и компаний, разрабатывающих и производящих композитные детали и материалы для их изготовления. Кроме того, принимаются меры, направленные не только на разработку и производство композитов, но и на подготовку кадров.
Буквально на днях при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ) при содействии «Росатома» открыли специализированный центр компетенцией «Технологии композитов». Задачей СТЦ станет подготовка специалистов для авиастроительных КБ и заводов. Они будут изучать особенности композитов, сферы их применения и т.д. Также им предстоит осваивать технологии производства, обработки и т.д.
На открытии СТЦ «Технологии композитов» звучали весьма интересные заявления о проблемах отечественной отрасли. Так, утверждалось, что наши предприятия способны выпускать нужные материалы, но их внедрение сталкивается с характерными проблемами. Проектировщики, которые могли бы использовать композиты, попросту не умеют с ними работать. Именно для избавления от таких проблем открывается новый СТЦ.
Новые вызовы
Внедрение и использование композиционных материалов дает известные преимущества, но прямо связано с массой сложных задач. Освоение производства композитов само по себе отличается достаточной сложностью и предъявляет особые требования к предприятиям. Применение новых материалов в конструировании, в свою очередь, требует новых подходов и перестройки некоторых процессов.
Однако итоги и результаты таких процессов полностью оправдывают все затраты. Техника с применением композитов отличается повышенными техническими и экономическими показателями, а потому представляет больший интерес для современного заказчика. Соответственно, подобные самолеты получают конкурентное преимущество на рынке и могут претендовать на получение контрактов.
Впрочем, на данный момент российская промышленность не может претендовать на ведущее положение в мире. В ходе открытия СТЦ «Технологии композитов» назвали текущее положение дел: на Россию приходится менее процента мирового рынка композиционных материалов. За счет деятельности Центра и профильных предприятий к 2025 г. ее планируется довести до 2%. Однако и после этого отечественные достижения будут выглядеть скромно на фоне зарубежных конкурентов.
Развитию отрасли мешают не только сложности технологического характера. В начале 2019 г. появились сообщения о внесении двух российских производителей композитов в санкционный список США, что могло угрожать выпуску продукции и повлиять на деятельность нашего авиастроения. В ОАК заявили, что такой шаг зарубежного государства является попыткой не пустить на международный рынок российские предприятия, способные отвоевать его долю.
Поводы для оптимизма
Тем не менее, работы в перспективном направлении продолжаются. Разрабатываются и внедряются новые виды композитов. Создаются новые образцы авиационной техники с широким применением таких материалов – в том числе и соответствующие передовым мировым идеям. Принимаются меры, направленные на развитие отрасли, подготовку специалистов и т.д.
Авиационная техника, построенная с применением композитов, уже производится серийно; также готовится выпуск новых образцов. Многое еще только предстоит сделать, и все это связано с различными трудностями. Однако работы продолжаются и дают повод для оптимизма. Композиционные материалы прочно вошли в практику, и теперь делается все для развития этого направления, прямо влияющего на успехи других отраслей.
Композитные материалы что это в авиации
Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Авторизация
Статьи
В статье приводится описание новых, разработанных за последнее время во ФГУП «ВИАМ», полимерных композиционных материалов, применяющихся в различной авиационной технике, с использованием разнообразных армирующих наполнителей и полимерных связующих. Эти разработки связаны с развитием нового технологического уклада, появлением новых требований к авиационным изделиям и повышением требований к уже существующим, что в свою очередь формирует определенные требования к материалам. Представлены также марки материалов, области их применения и температуры эксплуатации.
Введение
В связи с развитием научно-технического прогресса и формированием шестого технологического уклада появляются новые требования к перспективным изделиям, которые не могут быть удовлетворены при использовании материалов предыдущих поколений. Для успешного выхода на новый уровень развития техники необходимо решить проблему, связанную с потребностями в новых материалах. Это в свою очередь позволит обеспечить конкуренто- и обороноспособность страны на протяжении последующих примерно 50–60 лет и осуществить плавный переход в следующий технологический уклад [1], который должен положительно отразиться на развитии различных отраслей промышленности.
На сегодняшний день полимерные композиционные материалы (ПКМ) используются уже во многих отраслях промышленности благодаря доступности сырья и накопленному опыту их применения. Это в свою очередь позволило разработать и создать необходимое оборудование для их переработки в изделия и дальнейшего внедрения [2–4]. Соответственно, внедрение новых материалов главным образом будет зависеть от конструкторов, которые смогут наилучшим образом заменить традиционные материалы новыми разработками с лучшими свойствами.
Благодаря основному преимуществу ПКМ перед металлами – высоким удельной прочности и модулю упругости при значительно меньшей плотности [5], наблюдается неизменная тенденция – замена различных элементов авиационной техники из металлов на элементы из разнообразных композиционных материалов. Данная тенденция связана с повышением экологических норм и, соответственно, экономической эффективности летательных аппаратов. При этом накопление опыта использования угле-, стекло- и органопластиков позволяет постепенно расширять границы их применения.
На данный момент Боинг 787 Dreamliner – яркий пример того, где больше половины деталей выполнены из композиционных материалов. Этот самолет имеет более высокий КПД по сравнению с предыдущим аналогом и более низкий расход топлива. В российской авиации таким примером может служить МС-21.
Согласно общемировым трендам, для формирования соответствующих научно-технических заделов во ФГУП «ВИАМ» идут систематическое обновление и развитие приборной базы, предназначенной для исследований, разработки и производства новых материалов, обеспечивающих достижение авиационной техникой необходимых параметров [6, 7]. В то же время параллельно происходят освоение новых технологий, совершенствование системы качества и получение уникальных компетенций, направленных на снижение зависимости от импортных материалов [8]. Все перечисленные действия направлены на улучшение характеристик новых разрабатываемых материалов, повышение их конкурентоспособности и технологичности.
Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [9].
Стеклопластики
Одними из самых распространенных полимерных композиционных материалов, которые широко представлены во ФГУП «ВИАМ», являются стеклопластики. На сегодняшний день их разработано более 60 марок.
Как известно, ПКМ, изготовленные на основе стеклонаполнителей, имеют разное назначение за счет электроизоляционных свойств (в частности, защита от коррозии), а также радиотехническое (например, для обеспечения радиопрозрачности обтекателей самолетов) и конструкционное назначение [10, 11].
На сегодняшний день на основе негорючего клеевого связующего марки ВСК-14-6 разработан новый стеклопластик ВПС-68 для панелей пола самолета, который учитывает требования пожарной безопасности АП-25 [12]. В паре с этим стеклопластиком разработан и углепластик ВКУ-59, также изготовленный на основе связующего марки ВСК-14-6, которое обеспечивает выполнение требований пожарной безопасности согласно АП-25. При разработке данных материалов учтены возможные нагрузки на панели пола самолета: перемещение пассажиров в различной обуви, провоз тележек. Планируется, что стеклопластик ВПС-68 и углепластик ВКУ-59 будут использоваться совместно при производстве панелей пола самолетов по прессовой технологии.
Углепластики
Применение углепластиков в современных и перспективных самолетах выгодно с точки зрения экономии массы конструкции, особенно для узлов и деталей, масса которых в свою очередь определяется в значительной степени требованиями жесткости, чем прочности. Наибольшее распространение в мире получили углепластики, изготовленные на основе эпоксидных полимерных матриц.
В настоящее время из-за отсутствия в России производства полного цикла собственного углеродного волокна необходимо найти замену ушедшим с рынка ранее доступным углеродным армирующим наполнителям. Для этого проведен поиск материалов и с 2017 г. во ФГУП «ВИАМ» открыто новое направление – разработка и производство углеродных тканей [13]. Кроме того, в Воскресенском экспериментально-технологическом центре запущен участок по их изготовлению, производственная мощность которого составляет до 60000 м 2 /год.
Ассортимент тканых углеродных армирующих наполнителей, разработанных институтом, включает в себя 11 наименований тканей с поверхностной плотностью от 200 до 600 г/м 2 : это как однонаправленные полотна с редким утком, так и равнопрочные саржевые ткани (рис. 1). В первую очередь данное производство направлено на обеспечение внутренних потребностей ФГУП «ВИАМ» для изготовления препрегов. В то же время всегда есть возможность осуществить поставку углеродных тканей, как уже разработанных марок, так и специальных, по требованиям заказчиков.
Рис. 1. Углеродные ткани производства ФГУП «ВИАМ» (200 г/м 2 ):
а – марки ВТкУ-3 полотняного плетения; б – марки ВТкУ-2.200 саржевого плетения
Разработанные ткани применяются для получения конструкционных, высокотемпературных углепластиков и для изготовления полимерных композиционных оснасток.
Основной тенденцией развития авиационной техники, направленной на повышение весовой эффективности, как было отмечено ранее, является постепенная замена металлических изделий на композитные. Для этого во ФГУП «ВИАМ» налажен и осуществляется серийный выпуск препрегов с применением различных связующих: эпоксидных, фенолформальдегидных, цианатэфирных и полиимидных. Кроме препрегов, изготовленных на тканных армирующих наполнителях шириной 1000 мм, освоена технология производства лент препрегов на жгутовом наполнителе, включая углепластики ВКУ-25 и ВКУ-28 для автоматизированной выкладки лентами шириной от 6,35 до 150 мм. Производимые однонаправленные ленты препрегов предназначены в первую очередь для высоконагруженных ответственных конструкций авиационной техники.
Единственный агрегат летательного аппарата, в котором композиты пока используются мало, – это реактивные двигатели, самая тяжелая и громоздкая часть самолета, за снижение массы которой в мире идет настоящая война технологий. В гражданской авиации, например, компания General Electric первой успешно применила в двигателе для Boeing 777 композитные лопатки, которые были легче аналогичных из титана.
Для изготовления высоконагруженных конструкций разработана целая серия углепластиков на основе высокодеформативного эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212, которые применяются в деталях мотогондолы двигателя ПД-14 (рис. 2): ВКУ-25/SYT49S, ВКУ-28/SYT55, ВКУ-29/ВТкУ-3, ВКУ-39/ВТкУ-2.200 и ВКУ-39/ВТкУ-2.280. В частности, из этих материалов изготавливают: обшивку газогенератора, створки капота мотогондолы, реверсивное устройство, воздухозаборник.
Благодаря использованию современного связующего и расплавной технологии изготовления препрегов на его основе получены высокотехнологичные материалы, обеспечивающие стабильность свойств в конечных изделиях, а продолжительная жизнеспособность позволяет проводить выкладку технологического пакета для формования в необходимые сроки [14, 15].
Рис. 2. Двигатель ПД-14
Кроме материалов, изготовленных на основе эпоксидного связующего марки ВСЭ-1212, разработаны полимерные композиционные материалы для элементов механизации, обладающие технологическим преимуществом. Для повышения технико-экономических показателей при изготовлении серийных изделий разработаны эпоксидное связующее марки ВСЭ-34 и материалы на его основе: препреги марок ВПС-53/120 и ВКУ-45. Ключевой особенностью данных материалов является пониженная температура переработки (140 °С), что позволяет снизить энергозатраты при формовании деталей и уменьшить трудоемкость при изготовлении трехслойных сотовых конструкций. Углепластики, изготовленные на основе связующего марки ВСЭ-34, предназначены в первую очередь для элементов механизации авиационной техники.
В настоящее время в России и за рубежом особое внимание уделяется высокотемпературным ПКМ (до 230–350 °С), в частности углепластикам, изготовленным на основе полиимидных, бисмалеимидных, фталонитрильных, фенолтриазиновых и других связующих. Одним из наиболее перспективных направлений решения задачи создания полимерных материалов для работы при температурах от 200 °С и более является получение связующего с помощью реакции полициклотримеризации мономеров, содержащих две и более функциональные группы с кратными связями между гомо- и гетероатомами, которая приводит к образованию сшитой трехмерной структуры с одинаковыми межузловыми фрагментами и устойчивыми шестичленными ароматическими карбо- и гетероциклами в качестве узлов полимерной сетки [16].
В период с 2013 по 2014 г. разработанный метод синтеза триазинсодержащего полимера позволил получать его в виде высоковязкой смолообразной массы, хорошо растворимой в кетонах, сложных эфирах, спиртах, ароматических углеводородах. С использованием цианового эфира бисфенола А разработан ряд полициануратных связующих марок ВСТ-1208, ВСТ-1210, ВСЦ-14, ВСТ-32, которые перерабатываются по современным препреговым и инфузионным технологиям и обеспечивают работоспособность ПКМ до 200 °С.
Из-за высоких температур отходящих выхлопных газов силовых установок существует проблема, связанная с прогоранием панелей кожухов. Для ее решения разработаны специальные материалы, учитывающие этот фактор и обеспечивающие защиту от прогорания. К ним относятся углепластики марок ВКУ-42 и ВКУ-48, разработанные на основе цианатэфирных связующих, позволяющих изготавливать огнезащитные панели по автоклавной и инфузионной технологиям. Отверждение этих материалов протекает без выделения каких-либо низкомолекулярных продуктов реакции, что дает возможность получать монолитные матрицу и ПКМ на ее основе, обеспечивая при этом их высокие механические и эксплуатационные свойства.
Полимерные композиционные материалы используются не только в элементах планера и его силовых конструкций, ведутся работы по применению ПКМ и в деталях авиационного двигателя, а именно – для изготовления рабочего колеса центробежного компрессора. Данное решение позволит сократить трудоемкость при производстве изделия сложной геометрической конфигурации из металла и облегчить сам двигатель. Применение ПКМ в двигателестроении ограничено тем, что их нельзя сильно нагревать. Для преодоления этого ограничения разработан углепластик марки ВКУ-38, изготовленный на основе фталонитрильного связующего марки ВСН-31, материал которого способен работать несколько сотен часов при температуре 300 °С при высоких нагрузках [17]. Особенность данного материала заключается в том, что при варьировании температуры и времени дополнительной термообработки получаемого углепластика можно добиться увеличения его термостойкости. Так, например, фталонитрильные связующие, доотвержденные при температуре 480 °С в инертной среде, выдерживают кратковременный нагрев до 538 °С.
Кроме как в элементах самого двигателя, применение высокотемпературного углепластика предполагается и в других теплонагруженных частях авиационных конструкций. Однако из-за стойкости углепластика ВКУ-38 к горению и прогоранию он также может использоваться для изготовления огнезащитных перегородок, например в суднах различного назначения для повышения их живучести, благодаря повышению пожаробезопасности и исключению распространения открытого пламени.
Органопластики
Кроме разработки привычных угле- и стеклопластиков, во ФГУП «ВИАМ» ведется направление по получению органопластиков с применением различных арамидных волокон и связующих [18]. Одной из последних является разработка органопластика нового поколения, изготовленного на основе арамидных волокон Русар-НТ, которые являются нейтральными, не создают кислую среду, следовательно, не вызывают коррозию металлов. Материал из волокна Русар-НТ – органопластик ВКО-24, предназначен для обеспечения эксплуатационной надежности силовых элементов конструкций, работающих в условиях критически-растягивающих нагрузок. Данный материал применяется также при изготовлении торсионов рулевого винта вертолета. Его отличительной особенностью является высокая стойкость к воздействию атмосферной влаги благодаря использованию в его составе расплавного связующего и арамидных волокон нового поколения. Влагопоглощение органопластика ВКО-24 составляет примерно 1,1% и находится на уровне значений современных углепластиков, а если учитывать, что в изделиях композиционные материалы применяются с лакокрасочными покрытиями, то действие влаги значительно снижается [19], что в свою очередь приводит к сохранению свойств органопластика >70%.
Важно отметить, что при постепенном развитии данного направления, включающего в себя использование новых расплавных полимерных связующих и нейтральных арамидных волокон Русар-НТ, перспективы применения органопластиков расширятся благодаря значительному снижению влияния влаги на механические свойства в конечных изделиях.
Заключения
Постепенное накопление статистики по изучению поведения полимерных композиционных материалов в различных условиях позволяет совершенствовать, расширять область их применения и прогнозировать изменение характеристик. Так, например, новый органопластик ВКО-24, разработанный с учетом накопленного опыта, по влагопоглощению и сохранению свойств после термовлажностного старения находится практически на одном уровне с углепластиками.
При этом с появлением новых подходов к проектированию деталей авиационной техники из ПКМ и развитием технологий их переработки в изделия расширяются возможности по замене традиционных металлических материалов композиционными, что уже сейчас можно видеть на примере разработанной серии углепластиков ВКУ-29/SYT-55 и ВКУ-29/ВТкУ-2.200, использующихся в производстве мотогондолы двигателя ПД-14.
Благодарности
Автор выражает благодарность за предоставленные сведения о рассматриваемых в статье полимерных композиционных материалах сотрудникам ФГУП «ВИАМ»: К.Р. Ахмадиевой, М.И. Валуевой, И.Н. Гуляеву, Г.Ф. Железиной, И.В. Зелениной, Г.С. Кулагиной, К.Е. Куцевичу, Р.Р. Мухаметову, А.М. Сафронову, А.И. Сидориной, Н.А. Соловьевой, А.И. Старкову, Т.Ю. Тюменевой, Р.Х. Хайретдинову, М.Б. Хине, а также Л.А. Дементьевой и А.А. Сереженкову.
