7 Основные области применения полимерных материалов

7.1 Полимерные материалы в авиа- и ракетостроении

Авиация, как можно считать, это единственная отрасль техники, которая с момента ее зарождения непрерывно связана с применением полимерных материалов. В первые десятилетия самолетостроения основой силовой конструкции корпуса самолета были авиационная фанера (листы березового шпона, склеенные карбамидоформальдегидной смолой) и прессованная древесина – “дельта-древесина”, основой которых является древесина – природный полимер в двойне: целлюлоза и лигнин. Данная конструкция обтягивались тканью, пропитанной фенолоформальдегидной смолой. Только с середины 20-х г. прошлого столетия в самолетостроении стал применяться алюминий. Из истории Великой Отечественной войны вы знаете, что знаменитый легкий ночной бомбардировщик По-2, на котором летали женщины, был именно таким самолетом. В целом до 50-х годов в поршневой авиации для облегчения веса самолета многие детали в конструкции изготовлялись из фанеры.

В 50-е гг. прошлого столетия самолетостроение снова вернулось к дням своей юности, но на новой основе, когда уже современные полимерные материалы стали играть заметную роль в авиастроении, а затем и ракетостроении. Достигнутое благодаря этому значительное уменьшение массы самолета (иногда и до 50 %) позволило существенно увеличить их полезную нагрузку и дальность полетов.

Целесообразность применения полимерных материалов в авиа- и ракетостроении обусловлена их легкостью, высокими значениями удельной прочности и жесткости по сравнению с другими материалами, вариабильностью состава и строения и, следовательно, широким диапазоном технических свойств (таблица 7.1) . За период 1940-2000 гг. число авиационных деталей из полимерных материалов увеличилось от 25 до 20000. В начале наибольший прогресс в использовании полимерных материалов был достигнут при создании легких самолетов и вертолетов, затем дозвуковых пассажирских и транспортных самолетах. Тенденция ко всё более широкому применению полимерных материалов характерна для производства ракетной и космической техники, в которых масса полимерных деталей достигает 50%.

Создание современных сверхзвуковых военных самолетов четвертого, а сейчас и пятого поколения не возможно без применения полимерных композитов.

Рассмотрим применение различных видов полимерных материалов в авиа- и ракетостроении и комической технике.

Таблица 7.1 - Физико-механические свойства ПКМ конструкционного назначения

Материал	ρ*10-3, кг/м3	σр*10-3, МПа	Eр,ГПа	Удельные значения
				σр/ ρ	Eр/ ρ
Сталь 30ХГСА	7,85	1,6	210	0,20	26,8
Дюралюмин Д16Т	2,8	0,44	72	0,16	25,7
Титан ОТ-4	4,5	0,8	115	0,18	25,6
Сосна	0,52	0,123	13	0,24	25,0,
Стеклопластики	1,8-2,0	1,05-1,4	53-56	0,58-0,70	28-29,4
Углепластики	1,4	0,48-3,55	24-252	0,34-2,54	17-180
Бороволокнит	2,06	2,24	252	1,09	122
Органоволокнит	1,36	1,4	84	1,03	61,8
ПКМ на керамических волокнах	2,2	25,0	-	11,4	-

Реактопласты. Широкое применение в авиа- и ракетостроении ПКМ - армированных пластиков - обусловлено прежде всего их высокой удельной прочностью, а также термостойкостью.

Наибольшее внимание уделяется применению армированных пластиков при разработке таких силовых агрегатов, как оперение, крыло, фюзеляж и др. Сейчас в некоторых дозвуковых тяжелых самолетах доля данных пластиков превышает 25% (по массе). Сначала по объему использования в силовых элементах летательных аппаратов первое место среди армированных пластиков занимали стеклопластики. С расширением производства угле- и боропластиков, обладающих более высокой удельной жесткостью, стеклопластики уступили свои позиции и, особенно в производстве сверхзвуковых самолетов. Широкое использование угле- и боропластиков позволяет снизить массу вертолетов на 35%, военно-транспортных самолетов – на 22%. Уменьшение массы деталей во всех случаях применения находится в пределах 15÷50%. Элементы летательных аппаратов из этих материалов характеризуется более высокой выносливостью в условиях вибрационного нагружения, чем их металлические прототипы, почти в 30 раз. Так, несущие лопасти вертолета, изготовленные с применением бороволокнита на 44% жесте при кручении и на 25% легче, чем из алюминия. Эффективная тяга винта на 18% выше.

Из стекло-, угле- и бороволокнитов различными методами переработки получают лопасти компрессоров, кронштейны, крышки люков, створки контейнеров, колеса, тормозные колодки и диски, каркасы, обтекатели, панели крыльев и фюзеляжа, гандолы двигателей подвесные топливные баки и многие другие детали и узлы самолетов.

Удачным сочетанием удельной прочности, демпфирующих и некоторых других свойств характеризуются и органопластики.

Для сверхзвуковых самолетов решающее значение имеет термостойкость полимерных материалов для внешних элементов обшивки самолета, нагревающихся из-за трения о воздух. Здесь решающую роль играет термостойкость связующего в полимерном композите. В данном случае в качестве связующих используются гетероциклические полимеры, в частности полибензимидоазолы. Композиции на их основе могут длительное время эксплуатироваться при температурах свыше 800 ⁰С.

В качестве примера эффективности применения полимерных композитов в авиастроении приведу выдержку из статьи директора ВИАМ (Всероссийский институт авиационных материалов).

“В нашем самом большом самолете АН-124 “Руслан” использовано 5,5 тонны полимерных композитов (армированных пластиков) общей площадью 1500 м². Это позволило снизить вес машины на 2 тонны, сберечь на каждом самолете 15 т металлов, экономить 18 тыс. тонн топлива за период эксплуатации и достичь общей экономической эффективности на каждом самолете в 75 млн. рублей. При изготовлении 3000 деталей из полимерных композитов трудоемкость их изготовления снижена в 2 раза, а число комплектующих деталей сократилось в 12 раз. Примерно так же обстоит дело с самолетами ИЛ-96 и ТУ-204. А на вертолетах КБ им. Камова использование полимерных композитов достигает 53%, благодаря чему вес снижен 25÷30%., ресурс увеличен в 2÷3 раза, трудоемкость изготовления уменьшилась в 1,5÷3 раза. И чтобы повлиять на самолюбие инженеров и технологов других отраслей промышленности, добавлю, что в такой передовой отрасли как космонавтика, в ряде изделий доля композитов достигает 80%.”.

По последней информации СМИ в создаваемом в США новом пассажирском самолете “Боинг-787“ большая часть фюзеляжа будет изготавливаться из углепластика, на ряду с другими узлами и детали, разработанными российскими учеными и конструкторами.

В ракетостроении способом намотки из армированных пластиков изготовляют корпуса ракет различного назначения, топливные баки. Прессованием формуется большое количество силовых деталей ракет и космической техники. В космонавтике и ракетостроении особое внимание уделяется созданию и применению теплозащитных покрытий из реактопластов. Создана целая группа так называемых абляционностойких полимерных композитов на основе КС и модифицированных ФФС.

Абляция полимерных материалов (ablation) – это разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока.

Данные материалы применяются для изготовления носовых обтекателей баллистических ракет и сопел ракетных двигателей, а также для тепловой защиты спускаемых космических аппаратов. Некоторые из этих материалов способны длительное время находиться в контакте с открытым пламенем (газовым потоком), температура которого может быть выше 5000 ⁰С.

Термопласты. Из термопластов, используемых в самолетостроении, в наименее благоприятных эксплуатационных условиях (большие механические и тепловые нагрузки) находятся элементы остекления (фонари, иллюминаторы и др.), которые изготовляют обычно из ПММА, обладающего высокой светопрозрачностью, низкой плотностью и способностью легко формоваться.

Абляционностойкие антенные обтекатели самолетов изготовляют из фторопластов, наполненных керамическими волокнами. Из этих же материалов, а также из ПЭ, армированного керамическим волокнами, стойких к маслам, охлаждающим жидкостям, электролитам и другим агрессивным жидкостям, изготовляют трубы, элементы насосов, уплотнители.

Термопласты используются также для декоративной отделки салонов пассажирских самолетов. Широкое применение находят разные материалы на основе ПВХ – искусственная кожа и пленки. Листы из ПЭНП успешно используются в качестве демпфирующей прокладки при строительстве взлетно-посадочных полос аэродромов между слоями бетона. Взлетно-посадочная полоса (ВПП) – это слоеный “пирог”, состоящий из нескольких слоев бетона. ПЭ-листы выполняют роль демпфера, гасящего силу удара шасси самолета при его посадке. В этот момент слои бетона незначительно как бы “сдвигаются” (скользят) относительно друг друга и тем самым смягчают силу удара при касании шасси ВПП.

Пено- и сотопласты. Эти материалы благодаря их низкой плотности, а также звукопоглощающим и теплоизоляционным свойствам используют в качестве заполнителей высоконагруженных авиационных конструкций. Пенопласты изготовляют из композиций ФФС с каучуками, ПС, ПВХП. В трехслойных конструкциях широко применяют ППУ. Для повышения жесткости и прочности пенопласт армируют стеклянными волокнами.

Сотопласты успешно конкурируют с пенопластами в производстве трехслойных конструкций. Одна из причин этого – возможность достижения более высоких показателей удельной прочности на сжатие. Помимо обеспечения жесткости и радиопрозрачности (в антенных обтекателях), стеклосотопласты повышают безопасность полетов, уменьшая вероятность поражения летательных аппаратов молнией.

Резины. Из резин изготовляют шины, амортизаторы, рукава, мягкие топливные баки, разнообразные профилированные монолитные шнуры, которыми герметизируют люки, иллюминаторы, двери кабин и др. Из маслостойких резин изготовляют топливные баки, в том числе и взрывобезопасные. В последние помещают специальный ППУ, занимающий 3÷5% полезного объема бака и препятствующий взрывной волне от разорвавшейся пули достигнуть критической скорости.

В элементах авиационных конструкций больших размеров и невысокой жесткости используют абляционностойкие теплозащитные покрытия, не разрушающиеся при деформации конструкции.

Герметики. Применение герметизирующих составов для поверхностной и внутришовной герметизации авиационных конструкций позволило увеличить высоту полетов более 10 км, а также

значительно усовершенствовать самолеты – повысить их надежность, уменьшить массу, увеличить дальность полетов. Эффективная герметизация оказалась практически возможной с появлением эластичных герметиков на основе каучуков и герметиков с высокими адгезионными свойствами на основе полиизобутилена, ЭС и ПУ. Так, герметизация топливных отсеков позволяет размещать топливо непосредственно в отсеках фюзеляжа и крыльев и исключается применение резиновых топливных баков. Это позволяет увеличить количество топлива на 30÷40%.

Клеи. Основное назначение клеев – сборка самих самолетных, ракетных и космических конструкций. Наиболее широко для этих целей применяют термореактивные клеи на основе модифицированных ЭС, НПС, ФФС и ПУ. Применение клеев для крепления обшивок и других элементов конструкций, а также с пено- и сотозаполнителями обусловлено тем, что клеевые соединения, обеспечивая необходимую герметичность, более равномерно, чем заклепочные, болтовые и сварные, распределяют напряжения. Клеевая пленка выполняет одновременно роль демпфера, способствующего гашению вибрации. Формирование клеевых соединений удается значительно ускорить при использовании клеев-расплавов из термостойких термопластов.

Лакокрасочные материалы. Ассортимент лакокрасочных материалов для авиастроения насчитывает более 200 наименований. Антикоррозионные лакокрасочные покрытия защищают самолеты от атмосферных воздействий и агрессивных сред (топлива, масел и др.). Для самолетов со скоростью до М2,2 наилучшими эксплуатационными показателями характеризуются полиакриловые покрытия толщиной 15÷20 мкм. При скорости до М3 применяют покрытия на основе кремнийорганических полимеров. Нанесение лакокрасочных покрытий на тонколистовую обшивку самолета (0,6÷1,5 мм) в 20÷25 раз снижает ее вибрацию.

Защита внутренних поверхностей самолетов не менее сложна, чем защита внешних, т.к. конденсирующаяся на них влага может не испаряться в течение длительного времени. Чаще всего на внутренние поверхности наносят пассивирующие грунтовки на основе комбинаций ЭС и ПА, пигментированные хроматами Sr и Ва.

Терморегулирующие лакокрасочные покрытия устраняют перегрев обшивки самолетов под действием аэродинамического потока и интенсивного радиационного облучения в стратосфере и космическом пространстве. Такие покрытия на основе КС, наполненных оксидами цинка, титана, циркония, характеризуются высокими коэффициентами отражения и излучения (для космических аппаратов этот коэффициент должен быть не менее 0,9). Терморегулирующие покрытия для внутренней поверхности летательных аппаратов (на ЭС+ПА-композициях, наполненных чешуйчатым алюминием) должны защищать кабины экипажа и пассажирский салон от переохлаждения (коэффициент отражения должен быть ≤0,4).

Используются также светопоглощающие (для окраски внутренних поверхностей оптических приборов) и светящиеся лакокрасочные покрытия (для шкал приборов, стрелок указателей, деталей управления).

В отделке интерьеров самолетов важную роль играют декоративные лакокрасочные покрытия.