Боростекловолокнит (наполнитель кбсн);
Углестекловолокнит (нити вмн-5);
3. Углестекловолокнит (нити вмн-3).
Рис. 27. Зависимость демпфирующей способности (θ, 1), усталостной прочности (σN, 2) и вибропрочности (σN'θ, 3) однонаправленного эпоксидного углестекловолокнита от содержания углеродных волокон [11,12].
Таблица 28. Свойства эпоксидных межслоевых поливолокнистых ВПКМ [9].
№ п/п |
Тип ВПКМ |
σ+,ГПа |
Е+,ГПа |
τсд,МПа |
1 |
Стеклоуглепластик а) слой с Т-25 ВМ-78 (70%об.) б) слой с ЛУ-1 |
0,6 |
57 |
50 |
2 |
Стеклоуглепластик* а) слой с Т-25 ВМ-78 (47%об.) б) слой с ЛУ-3 |
0,93 |
50-82 |
61 |
3 |
Органоуглепластик а) слой из Органита 7Т б) слой с ЛУ-П |
0,765 |
117 |
80 (?) |
4 |
Органоуглепластик а) слой из СВМ с 5-211-Б б) слой из УКН-5000 с 5-211-Б |
― |
До150 |
― |
*
Рекомендован для лопастей вертолетов;
КIc [0] – 1500, [±45] – 910 Н/мм3/2, G12 5,2 МПа, ν12 0,235, ν21 0,074
Таблица 29. Свойства эпоксидных внутрислоевых поливолокнистых ВПКМ [9].
№ п/п |
Тип ВПКМ |
σ+,ГПа |
Е+,ГПа |
σ-, МПа |
1 |
Углеорганопластики КМУ-4 (связующее ЭНФБ), Наполнитель: УОЛ-300-1 УОЛ-300-2 УОЛ-300-1к УОЛ-300-2к |
1,1-1,4 1,2-1,5 1,15-1,3 1,15-1,4 |
100 |
1,2-1,5 1,0-1,2 0,8-1,0 0,9-1,1 |
2 |
Органостеклопластик 10Т (связующее УП 2227, ткань Т-42-46) |
0,62-0,74 |
26-35 |
0,21-0,34 |
3 |
Органоуглепластик* КМУ-7ТА (связующее ВС-2526, УОЛ-300-1) |
1,5 |
120 |
1,2 |
4 |
Органоуглепластик КМУ-9ТА (связующее УНДФ-4АР, 58-62%об., УОЛ-300-1)
|
׀׀ 1,5 ┴ 0,08 |
125 8 |
1,2 0,16 |
5 |
Органостеклотекстолиты 7 ТКС (ткань Т-39) 7 ТКС/42 (ткань Т-42-76) |
1,12 0,84 |
61,5 20-43 |
0,4 0,25-0,27 |
* Рекомендован для лонжерона винтов ВВД АН-70, ИЛ-114.
Таблица 30. Свойства однонаправленных прессованных эпоксидных органоволокнитов, углеволокнитов и органоуглеволокнитов [15].
Волокна в матрице,% масс. от 60%объема наполнителя |
ρ, г/см3 |
Осевое растяжение |
Осевое сжатие |
Поперечное растяжение и сжатие (4) |
Энергия разру-шения, (1), (2) |
Удельная энергия поглощения при ударе |
|||||||
σ+, МПа |
Е+, ГПа |
ε+, % |
ν |
σ-, МПа |
Е-, ГПа |
ε-, % |
σ, МПа |
Е, ГПа |
ε, % |
||||
Spectra 900(5), 100 |
1,02 |
386(7) |
14(7) |
2,9 |
0,45 |
36 |
19 |
2,3 |
26 |
4 |
2,3 |
16,3/11,3(1) |
24,5(3) |
Spectra 900, 80; Hercules AS4(6), 20 |
1,14 |
300 |
33 |
0,9 |
0,66 |
150 |
13 |
1,3 |
41 |
5 |
1,9 |
9,6 |
15 |
Spectra 900, 40; Hercules AS4, 60 |
1,30 |
395 |
31 |
1,2 |
0,48 |
241 |
19 |
1,5 |
84 |
11 |
1,1 |
5,2 |
9 |
Spectra 900, 25; Hercules AS4, 75 |
1,39 |
432 |
33 |
1,3 |
0,57 |
256 |
17 |
1,5 |
91 |
14 |
0,7 |
4,3 |
8 |
Hercules AS4, 100 |
1,54 |
847(8) |
56(8) |
1,4 |
0,17 |
415 |
79 |
0,7 |
192 |
14 |
1,4 |
3,8/ 2,1(2) |
7 |
Примечания:
Числитель – однонаправленный волокнит, знаменатель – ортотропный пластик. Связующие Эпон 826 (эп. гр. 180-188 г/экв, вязкость при 25ºС 6,5-9,5 Па·с. Отвердитель МЭА+ бензилдиметилмин: 120º3ч, 150º24ч, Т18,6128ºС.);
Числитель – однонаправленный углеволокнит, знаменатель - ортотропный пластик. Связующее эпоксидное 3501-6 (Для сравнения: ортотропный стеклопластик –
8,1 Джм2/г; ортотропный кевларопластик – 4,3 Дж·м2/г)
Трещиностойкость в 3,5 раза выше, чем у эпоксидного однонаправленного углеволокнита. Удельная энергия поглощения при ударе – 110 кДж/кг (в 2 раза выше, чем у алюминия, на 20% выше, чем у углепластика). Для шасси вертолетов и «черных» ящиков, тонкостенные сосуды давления;
По методу Иосилеску;
Spectra900 – волокна из сверхвысокомолекулярного ПЭ (ф.Allied Corp.), ф38мкм, ρ0,96г/см3, σ+=2650МПа, Е+=120000МПа. (S-1000 соответственно 27мкм, 0,977; 3100, 170000). Тпл420К;
Магномайт AS4 – углеродные волокна (ф.Hercules Inc.), 94% углерода, 1,8-1,83г/см3, σ+=3590-3660МПа, Е+=240000МПа, ε=1,53%;
На Спектра 900 и эпоксидного связующего другого состава и режима отверждения σ+до 1000МПа, Е+=31,5ГПа, на Спектра 1000 – соответственно 1215 и 51;
По другим данным при Vв62%об.σ+=2170МПа, Е+=145ГПа; σви1793МПа; Еви =131ГПа, τсд =124МПа.
Таблица 31. Слоистые металлополимерные материалы АЛОР(1) [9].
Материалы |
Количество слоев и толщина монослоя, мм |
ρ, г/см3 |
σви, МПа |
Еви, ГПа |
σви/ ρ, км |
|
Металл |
Органит |
|||||
Алор из листов В95 пч Т2 и эпоксидного органита (наполнитель – равнопрочная ткань из волокон СВМ) |
3×1,8 |
4×0,18 |
2,68 |
547 |
67 |
20,4 |
4×1,36 |
5×0,18 |
2,70 |
559 |
67 |
20,7 |
|
5×0, 83 |
6×0,18 |
2,58 |
565 |
63 |
21,5 |
|
Алор из листов Д16 ч АТ и эпоксидного органита (наполнитель – равнопрочная ткань из волокон СВМ) |
2×0,70 |
1×0,25 |
2,56 |
430 |
67 |
16,8 |
3×0,52 |
2×0,25 |
2,39 |
430 |
63 |
18,0 |
|
3×0,44 |
4×0,15 |
2,31 |
510 |
69 |
19,5 |
|
Алор из листов 01420Т1 и эпоксидного органита; наполнитель:
лента из СВМ |
3×1,11
3×1,03 |
4×0,16
4×0,24 |
2,26
2,21 |
480
590 |
-
- |
21
26,7 |
Сплав В95пчТ2, толщина листа 1,8 мм |
- |
- |
2,85 |
544 |
72 |
19,1 |
Сплав Д16чАТ, толщина листа 0,44 мм |
- |
- |
2,76 |
415 |
70 |
16,5 |
Сплав 01420Т1, толщина листа 1,08 мм |
- |
- |
2,47 |
444 |
76 |
18,0 |
«Алор»-алюминий-органит. Используются листы из анодированного алюминия, толщиной 0,5-2 мм и текстуры из нитей СВМ (сатин, полотно, однонаправленная лента) в виде препрегов-тканей, дублированных пленочным связующим, толщина монослоя 0,15-0,25 мм. Автоклавное прессование при 0,5-1,0 МПа 120ºС.
Таблица 32. Свойства Алоров при статическом и усталостном нагружении [9].
Материалы структуры |
Органит эпоксидный |
Алор 3/2 |
|||||
σ+, МПа |
Е+, ГПа |
(5) σ+, МПа |
(5) σ0,2+, МПа |
(5) Е+, ГПа |
(3) СРТУ, мм/кц |
(4) МЦУ, циклы |
|
(2) Ортотропный органит; 50-55% ткани СВМ, сатин 8/3, нить 14,3 текс |
500 |
30 |
450 |
350 |
62 |
0,4 |
1,05×105 |
Ортотропный органит наполнитель: шпон СВМ (1:1) |
1000 |
45 |
580 |
400 |
65 |
0,2 |
2×105 |
Однонаправленный органит (шпон СВМ 1:0) |
2000 |
90 |
840 |
600 |
75 |
0,1 |
106 |
(1) Изотропный сплав Al Д16чАТ |
- |
- |
430 |
325 |
70 |
5,0 |
0,9×105 |
для сравнения;
замена СВМ на ВМН-88 повышает σ+ и Е+ на 15-20%, увеличивает выносливость материала при малоцикловом нагружении, позволяет использовать для Алоров тонкие листы титана и стали;
скорость роста усталостных трещин при К=31 МПа · м0,5;
малоцикловая усталость при σmax = 160 МПа;
испытания – вдоль волокон, напряжение σ0,2, вызывающее деформацию 0,2%.
Таблица 33. Сравнительные свойства Алор'ов (ARALL'ов) с термопластичным ВПКМ [9].
Материалы |
σ+ в продольном направлении, МПа |
σ+ в поперечном направлении, МПа |
Углепластик(1), 66%+Al 2024, 34% |
635 |
304 |
Кевларопластик(2), 55%+ Al 2024, 45% |
505 |
280 |
Сплав Al 2024 (Т3 и Т18) |
400 |
400 |
(1) полиэфирэфиркетон РЕЕК + углеродные волокна AS-4
(2) аморфный ароматический полиамид J-2 + Kevlar 49
(1)и (2) используются в виде листовых препрегов, изготовитель ARALL – фирма
Alcoa. Сборка ARALL с использованием клеев AF 163-2U или AF 191M фирмы 3М.
Рис. 28. Зависимость скорости роста усталостной трещины (d2L/dN) от длины трещины (2L/B) в листах Д16чАТ (1), Алора ортотропной (2) и однонаправленной (3) структуры[6] .
Таблица 34. Слоистые металлополимерные материалы СИАЛ [9].
Материал |
ориентация волокон |
направление испытания |
σ+ |
σ0,2+ |
Е+ |
Θ, % |
σ-0,2, МПа |
ρ, г/см3 |
|
МПа |
|||||||||
СИАЛ-1Н |
Однонаправленное |
׀׀ |
1000-1200 |
300-350 (450- 500) (3) |
60000-65000 |
4-5 |
340-370 |
2,5 |
|
┴ |
250-300 |
200-250 |
45000-50000 |
11-13 |
- |
||||
СИАЛ-1Н (1) (В95п.ч.-Т2) GLARE-1 |
Однонаправленное |
׀׀ |
1100-1300 |
480-520 |
60000-65000 |
3,5-4,5 |
490-540 |
2,5 |
|
┴ |
330-370 |
280-330 |
45000-50000 |
6-7,5 |
- |
||||
СИАЛ-2 |
Перекрестное (70/30) |
׀׀ |
800-900 |
280-320 |
55000-58000 |
3,5-5 |
320-340 |
2,45 |
|
┴ |
500-600 |
220-250 |
47000-50000 |
3,5-5 |
260-300 |
||||
СИАЛ-3 |
Перекрестное (50/50) |
׀׀ |
600-700 |
250-300 |
55000-58000 |
4-5 |
280-310 |
2,5 |
|
┴ |
570-680 |
230-280 |
55000-58000 |
4-5 |
280-310 |
||||
СИАЛ-4 (2) |
Перекрестное (50/50) |
┴ |
450-480 |
240-260 (340-360) (3)
|
55000-58000 |
4-5 |
260-280 |
2,5 |
|
(1) листы сплава В95п.ч.-Т2, в остальных СИАЛ'ах – Д16ч. – Т;
(2) структура 2/1; Аl – стеклопластик (волокна ВМП); в остальных – волокна алюмоборосиликатные;
(3) после растяжения с εост 0,3-0,8%.
Таблица 35. Сравнительные свойства СИАЛ'ов и алюминиевых сплавов (листы) при статическом и усталостном нагружении [9].
Характеристика |
СИАЛ |
1163-АТ |
В95о.ч.-Т2 |
Структура |
2/1; 3/2 |
1 |
1 |
Толщина, мм: Общая 1163 (Д16ч); В95о.ч. |
0,8-2,5 0,3-0,5 |
1,5 |
1,5 |
ρ, г/см3 |
2,4-2,5 |
2,78 |
2,78 |
σ+, МПа |
600-1200 |
450 |
520 |
Е+, ГПа |
55-65 |
71,5 |
72 |
СРТУ(1) d/2l/dN,
мкм/цикл (при ΔК=31 МПа |
<0,1-0,3 |
3,8 |
6,0 |
Кс, МПа·м0,5 (панель 500×1500 мм; 2/1) |
124-170 |
93-102 |
90-100 |
МЦУ(1): N, кцикл (σmax=156 МПа; Кt=2,6; f=3Гц) |
200-1000 |
100-150 |
50-90 |
)(1)СРТУ, МЦУ – см. табл.32, Кс – силовой параметр трещиностойкости.
Рис. 29. Скорость роста трещины усталости в листовых материалах (образец 140450 мм с центральной трещиной; f=3-5Гц) [9]:
,
- 1163-АТ [
;
образцы продольные(Д-)
и поперечные (П-)];
,,
- СИАЛ [
;
,
- СИАЛ-2 (-Д; -П);
-СИАЛ-3(Д, П)]
с различной структурой армирования (содержание стеклонаполнителя 30 (), 70() и 50% объема.()).
Повышение жесткости тонкослойных оболочек эффективно достигается переходом от однослойных оболочек к многослойным (клееных, с межслоевым заполнителем). Сотовые материалы на основе металлической (чаще всего алюминиевой) фольги, стеклосотопласты, углесотопласты, полимерные сотопласты (ПСП Nomex), используемые для разнесения оболочек из центрального слоя, позволяют резко повысить жесткость многослойных (трехслойных) конструкций при различных условиях нагружения, снизить их массу, обеспечить специальные свойства (тепло -, звукоизоляцию, радиопрозрачность, радиопоглощение). Переход от однослойных оболочек в конструкциях к многослойным стимулировал совершенствование структур-заполнителей (тетра-заполнители, изготавливаемые намоткой) и является одним из основных направлений при разработке конструкций многофункционального назначения [12, с.331-379; 16].