5.1. Термопластичные впкм

До разработки и организации производства материалов на основе жесткоцепных полимеров - полиариленов у реактопластов (эпоксидных и эпоксифенольных) с точки зрения комплекса технологических и эксплуатационных свойств не было конкурентов. Полиарилены, полигетероарилены - полисульфоны, полифенилсульфиды, полиэфиркетоны, полиэфиримиды при теплостойкости 200-300°С имеют высокую трещиностойкость (G_Ic 1-2 Мдж/м²), высокую огнестойкость (КИ=30-60) и низкое(2-3%) равновесное водопоглощение. После получения из них плёнок и волокон решена проблема изготовления на основе их расплавов (вязкость при 300-350 °С 10⁵ -10³ Пас) высоконаполненных термопластичных ВПКМ с непрерывными волокнами в качестве наполнителя (плёночная и волоконная технологии). Освоение этих технологий позволяет снизить стоимость изготовления авиакосмических конструкций, например, нервюра из алюминия содержит 6-20 отдельных деталей, соединяемых 500 крепёжными элементами, а нервюра из термопластичных ВПКМ формируется в виде единого агрегата.

Среди термопластичных полимеров для производства ВПКМ авиационного назначения наиболее полно отвечают современным требованиям (сохранение высоких конструкционных свойств до 200-220°С; огнестойкость по UL - 94 V - 0 более 30, малое дымовыделение и токсичность продуктов горения; низкое не более 2% равновесное водопоглощение; высокая 1000 Дж/м² и более трещиностойкость G_Ic), полифениленсульфиды «Фортрон» ( фирма «Tiсona», ФРГ), Schulatek, GFM A.Schulman GmbH, ФРГ, полиэфиримид Ultem (Ge, Amoco, USA) , полиэфирэфиркетон ПЭЭК Victrex (ICI, USA; Victrex Deutschland, ФРГ), полисульфоны (ПСН, Udel P1700) и полиэфирсульфоны (табл.48).

Доля ПМ и ВПКМ в аэробусах возросла за период с 1980 до 2000г. с 7 до 20%, в аэробусах А340,А380 до 40% (к 2004г.) Датская фирма «Fokker Special Products» разработала технологию изготовления агрегатов несущей части крыла (между фюзеляжем и двигателем) для А340 -500 и А600 на основе полифениленсульфида Fortron фирмы «Ticona».

Для конструкций А380 используют ВПКМ (табл. 49) на основе стеклянных (GFC) и углеродных (CFC) волокон и пленочного связующего из гранул полифениленсульфида Фортрон 02214С1 фирмы «Ticona» (ФРГ). ПФС Фортрон сертифицирован в ФГУП “ ВИАМ” в январе 2005г.

Плёнки из гранул полифениленсульфида Фортрон 02214С1 фирмы «Ticona» изготавливает фирма «Lipp-Terler GmbH», Австрия, основной производитель плёнок из жесткоцепных теплостойких полимеров ПФС, ПЭС, ПЭИ, ПЭЭК, выпуск которых в 1998г. составил 35000 тонн( рост 10% в год).

Термопластичные препреги по плёночной технологии изготавливает фирма «Royal Ten Cate», Нидерланды. Изделия для А380 из термопластичного ВПКМ «Цетекс» (элероны, киль, элементы крыла длиной до 15 м, передняя кромка крыла, рис.85) на основе Фортрон 0214С прессуют при 300⁰С на заводах «Fokker Industries» и используют при сборке аэробусов на предприятиях «Aerospatiale Airbus Industries». Несмотря на сложность переработки ПЭЭК (прессование при 380-400⁰С) благодаря высоким упругопрочностным свойствам, теплостойкости (до 250⁰С) и трещиностойкости и (G_Ic не менее 1000 Дж/м²) он нашел применение для ряда сложнонагруженных конструкций. Из углепластиков на основе высокомодульных углеродных нитей АS4 (фирма «Геркулес», США, =I,8З г/см³ , ⁺=3.6 ГПа, Е⁺= 240 ГПа,⁺=1,53%), IM7Х(фирма «Геркулес», США, =I,77 г/см³ , ⁺=5.6 ГПа, Е⁺= 308 ГПа,⁺=1,6%) и плёнок ПЭЭК прессованием изготавливают оболочки и силовой набор стабилизатора вертолёта АН-64 Арасhе (аналог КА -50 «Чёрная Акула», КА-52 «Аллигатор») (рис.86).

Рис. 85. Конструкции Аэробуса А380 из термопластичных ВПКМ «Цетекс» GFC и CFC на основе полифениленсульфида Фортрон 0214С1, стеклянных (GFC) и углеродных (CFC) волокон (пленочная технология)[51]: А-полуфабрикат на основе пленки и углеродной ленты; Б- конструкция передней кромки крыла; 1 – передняя кромка; 2- киль; 3-рули высоты; 4-закрылки; 5-элероны; 6-балки и панели верхнего перекрытия; 7-балки и панели нижнего перекрытия; 8-силовые элементы; 9-передняя кромка крыла; 10-остекление иллюминаторов.

Таблица 49. Сравнительные свойства металлов и термопластичных полифениленсульфидных ВПКМ.

материалы	Плотность г/см3	+, ГПа	Е+, ГПа	+/, ГПасм3/кг	Е+/, ГПа см3/кг
ВПКМ CFC	1.5-1.6	0.7-1.3	75-130	0.5-1	50-100
ВПКМ GFC	2.1	0.75	25	0.35	12
Титан	4.5	0.9	110	0.21	24
Алюминий	2.8	0.35	75	0.17	27
Сталь	7.8	0.6-1.2	210	0.1-0.2	27

Изделия из термопластичных ВПКМ (углепластики с матрицей из полиэфирсульфона) предложено формировать непосредственно в космосе методом пультрузии (рис.87).

Манипулятор грузового отсека «Спейс Шаттл» Канадарм изготовлен из эпоксидного (связующее 5208 типа ЭХД) углеволокнита (волокна GY 70 «Целион» из ПАН фирмы «Celanese Corp», США; =I,96 г/см³ , ⁺=1.76-1.9 ГПа, Е⁺ до 540 ГПа,⁺=0,38%, однонаправленная лента из 384 филаментов диаметром 8 мкм). Он не способен перемещаться по поверхности МКС. В апреле 2001 на МКС смонтирован Канадарм-2 длиной 17,6 м и массой 1640 кг. Семь управляемых сервомоторами сочленений обеспечивают гибкость манипулятора и придают способность перемещаться по поверхности МКС. Штанги манипулятора изготовлены из термопластичного ВПКМ (углеволокнит с матрицей ПЭЭК, G_Ic более 1000 Дж/м² , в 4 раза выше, чем G_Ic эпоксидного углепластика, сохранение свойств после поглощенной дозы в 10000 Мрад, малое испарение веществ, загрязняющих оптические элементы МКС, высокая жесткость, необходимая конструкциям в космосе благодаря высокому Е⁺=200 ГПа(фирма «ФРЕ Компосайтс», Канада, рис.88 [53]). Элементы конструкции защищены пакетами из металлизированных алюминием полиимидных пленок Кэптон, кожухи посадочных гнезд на концах манипулятора изготовлены из стеклопластика.

Рис. 86. Конструкция (1) стабилизатора вертолета AH-64 Apache США из термопластичного ВПКМ (углепластик с ПЭЭК – матрицей) [52].

Рис.87. Формование в космосе изделий из термопластичных материалов на основе углеродных волокон и полиэфирсульфона:

1-углеродные волокна; 2-изготовление армирующей ленты; 3-пропитка полимером; 4-стеклование; 5-вальцевание; 6-контрольное устройство; 7-намотка бабины; 8-лента на основе термопласта и углеродных волокон; 9-готовое формированное изделие.

А - изготовление термопластичного препрега.

Б - пултрузионная установка.

Рис. 88. Концевой манипулятор Канадарм-2 для МКС из термопластичного углеволокнита (ПЭЭК, наполнитель - углеродная лента GY70) [53].