Разработка технологий повышения ударной прочности и ресурса конструкций БВС из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе разработки наномодифицированных инфузионного связующего и клеевых композиций

В современных условиях существенно расширяющегося внедрения полимерно-конструкционных материалов (ПКМ) в конструкции самолетов и вертолетов, а также других изделий машиностроения актуальным направлением совершенствования технологии изготовления является снижение стоимости и трудоемкости, которая может быть достигнута расширением внедрения технологии инфузионной пропитки с безавтоклавным формованием, наряду с традиционным автоклавным формованием. К недостаткам инфузионного формования относят меньшую прочность и стойкость к ударным повреждениям. Их устранение возможно за счет существенного повышения прочности и ударной вязкости связующего в ПКМ. Другой важной задачей является обеспечение высоких характеристик прочности конструкций в критических зонах соединения, концентраторы напряжения и др., которые, как правило, определяют прочность изготавливаемой конструкции. В современных условиях для обеспечения необходимых прочностных характеристик данных зон обеспечивается путем снижения в них действующих напряжений за счет увеличения строительных толщин элементов конструкции, что ведет к соответствующему росту их массы. В современных авиационных конструкциях соединения (крепежные элементы, узлы соединений, усиление зон соединений) составляют до 25 % веса конструкции. Другим решением может стать применение для упрочнения в данных зонах дополнительного нанесения клеевых компаундов. При этом к клеевым компаундам предъявляются требования по обеспечению высоких прочностных характеристик, включая трещиностойкость. На решение задачи повышения прочностных характеристик эпоксидных клеевых компаундов и связующих направлены широкие исследования, проводимые в России и за рубежом. Одним из потенциальных эффективных направлений является разработка наномодифицированных связующих, путем диспергирования в их состав ограниченных объемов углеродных нанотрубок (УНТ). В ряде исследований, выполняемых за рубежом и в РФ было показано, что малые объемы УНТ диспергируемые в эпоксидное связующее приводят к его структуризации. В результате чего обеспечивается повышение прочностных характеристик. Исследования подтвердили повышение прочности связующего для клеевых композиций до 30% при диспергировании 1 % УНТ. Также в некоторых исследованиях показано, что при добавлении 1 мас.% МУНТ в полистирол, модуль упругости и прочность при повышенных нагрузках увеличились на 36 - 42% и 25%, соответственно. Исследования на туннельном электронном микроскопе показали, что образование дефектов (трещин) наблюдалось в области с низкой плотностью УНТ. Далее трещины распространялись вдоль зон слабых взаимодействий УНТ с полистиролом или в областях с относительно низкой плотностью УНТ. Новым важнейшим практическим результатом стало повышение трещиностойкости. В частности, при обработке нано-модифицированным клеем кромоки деталей из ПКМ, разрушающая статическая нагрузка повысилась до 30%, а при действии знакопеременных нагрузок (по результатам наших экспериментальных исследований), долговечность возросла до 6 раз. Диспергирование УНТ показало повышение вязкости клеевого диспергента не значительно влияющего на применение клея. Существенно больший практический интерес имеют исследования повышения характеристик инфузионного конструкционного связующего, вследствие значительной экономической эффективности данной технологии формования изделий из ПКМ как производственной. Результаты предварительного исследования образцов отвержденного связующего с ограниченным количеством УНТ показало возможность повышения прочности с одновременным увеличением предельной деформации, при пропитке пакетов тканного армирующего стекло- и углетканного наполнителя, что существенно повышает работу разрушения при изготовлении деталей силовых авиационных конструкций. Данные результаты могут быть положены в основу исследований, направленных на существенное повышение характеристик деталей из ПКМ как изготавливаемых в инфузионном формовании с наномодифицируемым связующим, так и при упрочнении зон концентраторов напряжения и соединении. Они позволяют разработать новые материалы для БВС с существенно повышенными прочностными характеристиками без изменения штатной технологии вакуумного формования. При существенном повышении ресурса конструкций, в том числе и за счет упрочнения зон концентраций напряжений и соединений деталей. Рассматриваемые решения будут иметь наибольшую актуальность для БВС средних и больших размеров.