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