CC BY
79
УДК 539.3
А.В. Лавров1, B.C. Ерасов1, Н.Ю. Подживотов1, В.В. Автаев1 ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ГИБРИДНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-11-7-7
Рассмотрены слоистые гибридные металлополимерные композиционные материалы с точки зрения выбора их состава и строения для различных условий функционирования. Показано влияние расположения и толщины высокомодульных слоев на цилиндрическую жесткость композита при симметричном и асимметричном (одностороннем) изгибе. Даны рекомендации по выбору гибридных композитов в зависимости от вида нагружения.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 6. «Слоистые металлополимерные, биметаллические и гибридные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Ключевые слова: слоистые металлополимерные композиционные материалы, гибридные композиционные материалы.
Layered hybrid metal-plastic composite materials are considered in the article from the point of view of optimisation of their composition for various conditions of functioning. Positioning and thickness influence of high-rigid layers on cylindrical rigidity of the composite is shown at a symmetric and asymmetric (unilateral) bend. Recommendations for choice of hybrid composites for various kinds of loads are given.
The work is executed within the implementation of the complex scientific direction 6. «Layered metal-plastic, bimetallic and hybrid materials» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») Д1].
Keywords: composition laminate materials, hybrid composition materials.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru
Введение
В настоящее время композиционные материалы являются одними из наиболее перспективных для изготовления планера воздушного судна [1-4]. Гибридные композиты, сочетающие металлические и неметаллические компоненты, являются динамично развивающейся группой материалов [5-11], которые могут использоваться как для элементов силового набора и обшивки, так и для деталей интерьера летательных аппаратов.
Известно несколько значений термина «гибридный композиционный материал». Согласно работе [12], к данной группе относят материалы, имеющие в своем составе три или более компонента, регулирующих свойства композитов. Соответственно, указанные материалы могут быть полиматричными, обладающими двумя или более матричными компонентами, или полиармированными, с различными видами армирующих компонентов.
В работе [13] к гибридным относят композиты, в которых частицы дисперсной фазы имеют бимодальный гранулометрический состав.
Кроме того, к гибридным композитам традиционно принято относить слоистые композиционные материалы, в которых слои из металлических материалов (алюминиевые, титановые сплавы и т. д.) чередуются со слоями из полимерных композиционных материалов [5-8, 10]. Данная группа материалов объединяет положительные стороны традиционных металлических и полимерных композиционных материалов (ПКМ). Так, обладая большей удельной прочностью по сравнению с традиционными металлическими материалами, слоистые металлополимерные гибридные композиты имеют удовлетворительные характеристики пластичности, что повышает надежность деталей из таких материалов по сравнению с изготовленными из традиционных ПКМ.
Данная статья посвящена рассмотрению слоистых гибридных композитов с точки зрения обеспечения их оптимальных механических свойств.
Материалы и методы
Запишем условие совместности деформаций составляющих слоистого гибридного композита для случая одноосного нагружения в плоскости листа:
6Ме=6ПКМ=6, (1)
где е - относительная деформация в направлении приложения нагрузки, %; индексы Ме и ПКМ относятся к металлическим слоям гибрида и к слоям из полимерного композиционного материала соответственно.
Поскольку суммарная нагрузка Р, воспринимаемая композитом, равна сумме нагрузок, воспринимаемых металлической и ПКМ составляющими, с учетом допущения об упругой изотропии составляющих и равенстве их коэффициентов Пуассона, из выражения (1) получим:
Р=оМеР Ме+оПКМр ПК^ (2)
где о - напряжение, МПа; Б - суммарная площадь поперечного сечения композита, занятая данной структурной составляющей (Ме или ПКМ), м2.
Из уравнений (1) и (2) получим:
р=е(ЕмеР ме+ЕпкмГпкмХ (3)
где Е - модуль упругости, МПа, в составляющих гибридного композита в направлении приложения нагрузки.
Таким образом, выбирая соотношение модулей упругости и (или) объемных долей металлической и ПКМ составляющей композита, можно регулировать уровень напряжений в его слоях при данном Р и оптимизировать свойства материала для различных видов нагружения.
Результаты
Рассмотрим некоторые случаи нагружения слоистого гибридного композита с точки зрения оптимизации его состава.
1. Статическое растяжение в плоскости листа. В данном случае, согласно формуле (3), целесообразно использовать слои ПКМ с возможно большим модулем упругости, что позволит повысить несущую способность за счет снижения напряжений в металлической составляющей. Жесткость при растяжении будет линейно возрастать с увеличением объемной доли высокомодульной составляющей композита. Наиболее оптимальными в данном случае являются композиции «алюминиевый сплав-высокомодульный однонаправленный органопластик» [14] и «титановый сплав-
углепластик» [6]. При выборе компонентов гибридного композита следует учитывать их электрохимическую совместимость [15].
2. Статическое сжатие в плоскости листа. Для гибридов на основе ПКМ, которые при сжатии в плоскости листа обладают более низкими значениями модуля упругости, чем металлическая составляющая, для повышения жесткости композита и надежности изделий из него следует увеличивать объемное содержание металлической составляющей. При этом, как следует из формулы (3), в результате снижения значений в для данного уровня внешней нагрузки напряжения как в металлической, так и в ПКМ составляющей будут снижаться.
3. Устойчивость при продольном изгибе или знакопеременный (симметричный) изгиб. Поскольку ПКМ, как правило, имеют более низкие значения предела прочности и модуля упругости при сжатии по сравнению с растяжением, для случаев знакопеременного изгиба или сжатия до потери устойчивости целесообразно располагать слои гибридного композита таким образом, чтобы крайние слои («обкладки») были выполнены из металлических материалов с высокими значениями удельной прочности и жесткости.
В качестве примера на рис. 1 показана местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополи-мерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки» обшивки, стрингеры) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие с оценкой несущей способности (разработка и изготовление образца производились на самолетостроительном предприятии ПАО «ВАСО» в сопровождении специалистов ФГУП «ВИАМ» В.В. Сидельнико-ва, Н.Ю. Серебренниковой, Е.В. Котовой, испытания проводились во ФГУП «ЦАГИ»).
Рис. 1. Местная потеря устойчивости и разрушение четырехстрингерного конструктивно-подобного образца слоистой металлополимерной панели крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469-Т1 («обкладки», стрингер) и однонаправленного слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-1-1Р на базе сплава 1441 при испытаниях на сжатие (несущую способность): общий вид (а); увеличенное место разрушения (б)
Увеличение толщины высокомодульных обкладок будет приводить к увеличению цилиндрической жесткости и жесткости при сжатии [16]. При этом следует учитывать следующее:
- с увеличением объемной доли металлической составляющей поверхностная плотность композиции будет линейно возрастать;
- существует предельное значение толщины обкладок, превышение которого не даст заметного увеличения жесткости композиции.
На рис. 2 представлены результаты расчета цилиндрической жесткости трехслойной симметричной панели по методике, изложенной в работе [16], где по горизонтальной оси отложены значения относительной толщины обкладок (Б), равной отношению суммы толщин обкладок к толщине центрального слоя при общей толщине композиции 9 мм; по вертикальной оси отложены значения цилиндрической жесткости (Б) композиции.
13в
|1> я
А
106
5
¡х. 8
*—■-■-
1г.........
О 2 * й *
Ошюпепыая гошщва обклиои^
Рис. 2. Зависимость цилиндрической жесткости трехслойной панели от относительной толщины обкладок из Л1-Ы сплава (•), титана (■) и стали (Ж)
В качестве материала обкладок использовали сталь, титановый и алюминий-литиевый сплавы. Материал центрального слоя - слоистый гибридный композит типа СИАЛ [4, 7]. Расчет проводили в предположении изотропии упругих характеристик материалов. Свойства материалов, использованные в расчете, представлены в таблице.
Механические свойства материалов гибридного композита
Свойства Значения свойств
центрального обкладок из
слоя стали титанового алюминий-литиевого
сплава сплава
Модуль упругости, ГПа 69 200 112 78
Коэффициент Пуассона 0,33 0,33 0,33 0,33
Из данных, приведенных на рис. 2, следует, что для всех использованных в расчете материалов обкладок графики подобны и отличаются только масштабом по вертикальной оси. При малых значениях Б небольшое увеличение толщины обкладок приводит к интенсивному росту параметра Б, однако при дальнейшем увеличении толщины обкладок рост жесткости замедляется. При значении Б=2 (толщина каждой из обкладок равна толщине центрального слоя) значение Б отличается на величину ~2% от соответствующего значения для Б, равного 8 (толщина каждой из обкладок в 4 раза превышает толщину центрального слоя). Данная закономерность наблюдается для всех материалов обкладок.
С увеличением Б снижается зависимость Б от жесткости центрального слоя. Так, при Б, равном 2, значение Б в случае центрального слоя с модулем упругости 69 ГПа отличается от соответствующего значения для композиции с модулем упругости 60 ГПа на величину ~1%.
Следует отметить, что среди использованных в расчете материалов обкладок при одинаковой поверхностной плотности более высокими значениями цилиндрической жесткости обладают композиции с обкладками из алюминий-литиевого сплава, имеющего наиболее высокие значения удельной жесткости.
4. Асимметричный (односторонний) изгиб.
При асимметричном изгибе, с учетом изложенного в пп. 1-3, укладку слоев целесообразно осуществлять таким образом, чтобы со стороны действия растягивающих напряжений объемное содержание высокомодульного ПКМ было максимальным; со стороны действия сжимающих напряжений должно быть максимальное содержание металлической составляющей в виде утолщенной обкладки. В области нейтрального слоя композита целесообразно располагать слои различного функционального назначения, например, слои стеклоткани, повышающие характеристики пожаростойкости композиции [7].
По методике расчета трехслойных панелей с изотропным заполнителем [16] проведен расчет цилиндрической жесткости слоистого гибридного композита в зависимости от его состава. В качестве исходных данных принимали, что композит состоит из слоя ПКМ с модулем упругости 150 ГПа, промежуточного слоя с модулем упругости 69 ГПа и металлического слоя из алюминий-литиевого сплава с модулем упругости 80 ГПа.
На рис. 3 приведены графики зависимости цилиндрической жесткости композита от толщины обкладки из ПКМ при различной толщине металлической обкладки (от 1 до 6 мм) для общей толщины композита 9 мм. Видно, что при увеличении толщины высокомодульного слоя ПКМ жесткость композита возрастает. При толщине обкладки ПКМ от 3 до 5 мм (поверхность контакта «ПКМ-промежуточный слой» находится вблизи нейтрального слоя) рост цилиндрической жесткости замедляется. При дальнейшем увеличении толщины слоя ПКМ (переход поверхности контакта «ПКМ-промежуточный слой» в область сжатия) рост цилиндрической жесткости интенсифицируется.
Толпища слоя ПКМ. мм
Рис. 3. Зависимость цилиндрической жесткости композиции от толщины обкладки из ПКМ для различных толщин обкладки из Л1-Ы сплава: 1 (♦), 2 (■), 3 (Ж), 4 (X), 5 и 6 мм (•)
Цилиндрическая жесткость композита увеличивается при увеличении толщины металлической обкладки от 1 до 4 мм, при дальнейшем увеличении толщины металлической обкладки роста жесткости не происходит.
Поверхностная плотность композита снижается, а цилиндрическая жесткость увеличивается при увеличении толщины слоя ПКМ. Таким образом, для композита, работающего в условиях одностороннего изгиба, целесообразно максимально увеличивать толщину слоя ПКМ. Ограничение по толщине слоя ПКМ обусловлено максимальной величиной сжимающих напряжений, которые не приводят к разрушению ПКМ при данных условиях нагружения.
5. Скорость роста трещины усталости, усталость при растяжении.
В широко известных слоистых композитах типа СПАЛ [4, 7-9], состоящих из чередующихся слоев алюминиевого сплава и стеклопластика, значения скорости роста усталостной трещины на некотором участке кинетической диаграммы усталостного разрушения на порядок ниже, чем для монолитного листа из соответствующего алюминиевого сплава, равного с композитом по толщине. Однако, поскольку модуль упругости стеклопластика ниже, чем у алюминиевого сплава, металлическая составляющая в данных материалах воспринимает повышенную нагрузку и образование усталостной трещины в таких материалах происходит значительно раньше, чем в монолитных алюминиевых сплавах. При достижении усталостной трещиной длины, обеспечивающей ее раскрытие, достаточное для передачи нагрузки на разрушенном участке слоям стеклопластика, скорость роста трещины резко снижается и далее трещина практически не развивается. Таким образом, данные материалы целесообразно использовать в конструкциях, допускающих наличие трещин безопасной длины и не предъявляющих повышенных требований к жесткости.
При наличии требований к жесткости в композиции целесообразно использовать ПКМ, обладающий более высокими значениями модуля упругости и предела прочности при растяжении, чем у металлической составляющей, например: алюминиевый сплав-высокомодульный однонаправленный органопластик, титановый сплав-углепластик.
При этом в соответствии с формулой (3) следует ожидать уменьшения напряжений в металлической составляющей и повышения долговечности до образования трещины, а также значений порогового коэффициента интенсивности напряжений Kth.
Заключение
На примере некоторых видов статического и циклического нагружения показано, что эффективность функционирования слоистого металлополимерного композиционного материала для каждого вида нагружения определяется свойствами материалов металлических и ПКМ слоев, их толщинами и последовательностью расположения в композите.
Таким образом, состав и структура слоистого гибридного металлополимерного композита должны выбираться с учетом предполагаемых условий его применения в конструкции, в том числе - характера приложенных нагрузок. В этом случае можно ожидать дальнейшего повышения эффективности использования данных материалов в конструкциях авиационной техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов E.H. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. С. 813.
3. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
4. Каблов E.H., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с AIRBUS и TU DELFT // Цветные металлы. 2013. №9 (849). С. 50-53.
5. Орешко Е.И., Ерасов B.C., Подживотов Н.Ю. Выбор схемы расположения высокомодульных слоев в многослойной гибридной пластине для ее наибольшего сопротивления потере устойчивости // Авиационные материалы и технологии. 2014. №S4. С. 109-117.
6. Арисланов A.A., Гончарова Л.Ю., Ночовная H.A., Гончаров В.А. Перспективы использования титановых сплавов в слоистых композиционных материалах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №10. Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 16.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-10-4-4.
7. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ // Авиационные материалы и технологии.
2011. №3. С. 36-41.
8. Антипов В.В. Технологичный алюминийлитиевый сплав 1441 и слоистые гибридные композиты на его основе // Металлург. №5. 2012. С. 36-39.
9. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые ме-таллополимерные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии.
2012. №S. С. 226-230.
10. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №1. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-1-4-4.
11. Белоус В.Я., Лощинина А.О., Варламова В.Е., Никитин Я.Ю. Коррозионная стойкость и подготовка поверхности холоднокатаной ленты из стали ВНС-9-Ш для изготовления метал-лополимерного композиционного материала // Труды ВИАМ: электрон. науч. технич. журн. 2015. №11. Ст. 10. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.02.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-11-10-10.
12. Буланов ИМ., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.
13. Пропедевтическая стоматология: учеб. для медицинских вузов / под ред. Э.А. Базикяна. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. 768 с.
14. Железина Г.Ф. Трещиностойкие металлоорганопластики для авиационных конструкций: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: ВИАМ, 1996. 32 с.
15. Трефилов Б.Ф. Разработка и исследование углеалюминиевого композиционного материала ВКУ-1 // Авиационные материалы. М.: ОНТИ ВИАМ, 1981. Вып. 1. С. 17-25.
16. Прочность, устойчивость, колебания: справочник в 3 т. / под общ. ред. И.А. Биргера, ЯТ. Па-новко. М.: Машиностроение, 1968.Т. 2. 464 с.
