Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 3

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 669.018.95

АРАМИДНЫЕ ОРГАНОТЕКСТОЛИТЫ ДЛЯ УДАРОСТОЙКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов

Государственный научный центр Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ»), Москва

E-mail: jelezina@yandex.ru, voinovviam@mail.ru

Поступила в Редакцию 11 октября 2018 г.

После доработки 26 ноября 2018 г.

Принята к публикации 10 декабря 2018 г.

Исследована стойкость к воздействию высокоскоростного удара органотекстолитов, армирован-

ных арамидными тканями, и слоистых металло-органотекстолитов, состоящих из чередующихся

металлических листов и слоев арамидного органотекстолита. Приведены зависимости стойкости к

воздействию высокоскоростного удара композитов от типа армирующего наполнителя, связующего,

структуры материала. Показано преимущество арамидных органотекстолитов на основе фенольно-

каучукового связующего ВК-3 и перспективность магниевых сплавов как компонентов для слоистых

металло-органотекстолитов.

Ключевые слова: слоистые металлополимерные композиционные материалы, органотекстолиты,

органопластики, металлополимеры, композиты.

DOI: 10.1134/S0044461819030101

При эксплуатации авиационной техники элемен-

ственно повышающих стойкость конструкций к эро-

ты конструкций подвергаются воздействию меха-

зии и ударам, — это обшивка планера и несущих

нических ударов различного вида и интенсивности

винтов вертолетов, элементов внешнего контура

(например, соударение с мелкими камнями и посто-

самолетов, пылезащитных устройств вертолетных

ронними предметами при взлете и посадке самолетов

двигателей и т. п. [5]. Также органотекстолиты ис-

и вертолетов [1-3]), при возникновении нештатной

пользуются для усиления корпуса вентилятора в

ситуации возможны удары осколками разрушенных

авиационных двигателях с целью обеспечения его

механизмов и взрывных устройств. Следовательно,

непробиваемости в случае разрушения лопатки [6].

стойкость к ударному воздействию — важное требо-

Еще одной областью применения органотекстоли-

вание, предъявляемое к авиационным материалам.

тов в авиационной технике являются специальные

Лидирующее положение по стойкости к механиче-

экраны, обеспечивающие защиту от пуль и оскол-

ским повреждениям при ударных воздействиях зани-

ков взрывных устройств. Так, например, в самолете

мают конструкционные органотекстолиты — поли-

«Сухой Супер Джет-100» для защиты экипажа от

мерные композиционные материалы, армированные

несанкционированного вторжения перегородка ка-

тканями из арамидных нитей [4].

бины экипажа выполнена из стойкого к воздействию

Наиболее эффективное применение арамидных

высокоскоростного удара органотекстолита марки

органотекстолитов в авиационной технике, суще- ВКО-2ТБ [7].

358

Арамидные органотекстолиты для ударостойких элементов авиационных конструкций

359

Арамидные органотекстолиты могут использо-

личного состава к воздействию высокоскоростного

ваться как самостоятельные материалы, так и в соче-

удара с целью определения путей оптимизации бал-

тании с другими полимерными композитами (стекло-

листических, эксплуатационных и весовых характе-

и углепластиками) [8, 9] и металлическими сплавами

ристик этих материалов.

в составе гибридных конструкций. Алоры — первые

российские слоистые металлополимерные компо-

Эксперименальная часть

зиционные материалы, в которых адгезионно сое-

динены слои арамидного органотекстолита и алю-

Объектами исследования в данной работе являют-

миниевого сплава Д16чАТ [10]. Алоры, а также их

ся композиционные материалы — арамидные органо-

зарубежные аналоги — композиты марки ARALL [11]

текстолиты и слоистые металло-органотекстолиты.

обладают высокой трещиностойкостью: скорость ро-

Органотекстолиты выполнены на основе тканей

ста усталостных трещин в этих материалах в 5-10 раз

из арамидных нитей марки Русар (в настоящее вре-

меньше, а усталостная долговечность и акустическая

мя — это торговая марка Руслан), различающихся

выносливость в 2-10 раз выше, чем в алюминиевых

способом переплетения. В качестве полимерной ма-

сплавах [12-15].

трицы использовали эпоксидное связующее марки

Помимо авиационной техники стойкие к воздей-

ЭДТ-69Н(М) растворного типа [23] и пленоч-

ствию высокоскоростного удара органотекстолиты

ное фенольнокаучуковое связующее марки ВК-3.

используются для изготовления средств индивидуаль-

Характеристики армирующих тканей и состав иссле-

ной бронезащиты и защиты наземных технических

дуемых органотекстолитов представлены в табл. 1

устройств [16, 17]. За рубежом органотекстолиты на

и 2.

основе тканей Кевлар используются, в частности, для

Слоистые металло-органотекстолиты представ-

защиты салона бронемашины М113 от осколков, для

ляют собой чередующиеся слои листов металли-

бронирования автотранспорта миротворческих сил и

ческих сплавов и арамидного органотекстолита.

полиции Великобритании [18, 19].

Использовали три типа металлических сплавов:

Требования к современным техническим сред-

титановый ВТ-23 (плотность 4570 кг·м^-3), магние-

ствам постоянно возрастают. Для их удовлетворения

вый Ма-8 (плотность 1780 кг·м^-3) или алюминиевый

необходимо совершенствование характеристик ма-

Д16АТ (плотность 2800 кг·м^-3). Слои органотексто-

териалов, используемых в конструкциях. Это осо-

литов в составе слоистого металлокомпозита вы-

бенно актуально для авиационной техники, весомое

полнены с использованием арамидной ткани марки

преимущество которой зависит от применения новых

СВМ (арт. 56313) сатинового переплетения и ли-

материалов [20-22].

бо растворного эпоксидного связующего ЭДТ-10П,

В данной работе исследована стойкость конструк-

либо пленочного эпоксикаучукового связующего

ционных органо- и металло-органотекстолитов раз-

ВК-51. Массовое соотношение металла и органотек-

Таблица 1

Характеристики арамидных тканей, использованных для армирования органотекстолитов

Марка нити/линейная плотность,

Поверхностная

ТУ, артикул ткани

Переплетение

текс

плотность ткани, г·м^-2

ТУ 17ВНИИПХВ-350-88

Атлас 8/3

СВМ/14.3 текс

88 ± 5

арт. 56313

ТУ 8378-011-00321069-2003

Атлас 8/3

Руслан/58.8 × 2

350 ± 15

арт. 86-130-02

ТУ 8378-026-00321069-2004

Атлас 8/3

Руслан/14.3

88 ± 5

арт. 86-153-04Н

ТУ 8378-010-00321069-2005ЛУ

Полотно

Руслан/100

Не менее 225

арт. 8353/11

ТУ 8378-037-00321069-2006ЛУ

Полотно

Руслан/58.8

Не менее 180

арт. 8353/15

360

Железина Г. Ф. и др.

Таблица 2

Состав и характеристики арамидных органотекстолитов

Состав органотекстолита

Поверхностная плотность

Марка органотекстолита

ткань

органотекстолита, кг·м^-2

связующее

артикул

количество слоев

8353/11

ВК-3

4.60

ВКО-20

8353/11

ВК-3

9.20

8353/11

ВК-3

13.80

ВКО-2ТБ

86-130-02

ВК-3

4.76

86-130-02

ВК-3

5.24

Экспериментальные образцы

5363/19

ВК-3

4.85

8353/15

ВК-3

4.35

8353/11

ЭДТ-69(Н)М

6.54

Органит 12ТМ-Рус

86-153-04Н

ЭДТ-69(Н)М

2.62

86-153-04Н

ЭДТ-69(Н)М

12.12

Таблица 3

Состав и структура слоистых металло-органотекстолитов на основе титанового сплава ВТ-23

Толщина слоев, мм

Поверхностная

Структура слоистого металлокомпозита*

плотность, кг·м^-2

сплав ВТ-23

органотекстолит

0.5

1.38

3.9

1 слой Тi и 1 слой ОТ

0.5

1.38

7.9

2 слоя Тi и 2 слоя ОТ

0.5

1.38

11.9

3 слоя Тi и 3 слоя ОТ

0.5

1.38

16.0

4 слоя Тi и 4 слоя ОТ

2.0

2.07

11.9

1 слой Тi и 1 слой ОТ

2.0

6.44

18.0

1 слой Тi и 1 слой ОТ

Отсутствует

1.92

2.60

Органотекстолит

Отсутствует

8.90

12.0

Органотекстолит

* Обозначение:

Тi — титановый сплав, ОТ — органотекстолит.

Арамидные органотекстолиты для ударостойких элементов авиационных конструкций

361

Таблица 4

Состав и структура слоистых металло-органотекстолитов на основе титанового сплава ВТ-23,

магниевого сплава Ма-8 и алюминиевого сплава Д16чАТ

Толщина, мм

Структура слоистого

Марка

Поверхностная

№ образца

металлокомпозита*

сплава

плотность, кг·м^-2

слой металла

органотекстолит

ВТ-23

0.45

1.43

7.9

Ма-8

1.43

1.82

9.9

2 слоя металла и 2 слоя ОТ

Д16чАТ

0.8

1.56

9.5

ВТ-23

0.45

1.43

15.8

4 слоя металла и 4

Ма-8

1.43

1.82

18.2

слоя ОТ

Д16чАТ

0.8

1.56

18.5

* Обозначение:

— металлический слой, ОТ — органотекстолит.

столита в составе слоистого материала составляет

за счет увеличения количества слоев в органотексто-

приблизительно 1:1. В табл. 3, 4 представлены соста-

лите. При этом показано, что использование связу-

вы и структура слоистых материалов, исследуемых

ющих различного типа — растворного эпоксидного

в работе.

связующего ЭДТ-69Н(М) или пленочного фенольно-

Органотекстолиты и металло-органотекстолиты

каучукового связующего ВК-3 — позволяет сформи-

для проведения исследований изготавливали методом

ровать структуру полимерного композита, различа-

автоклавного формования с использованием препре-

ющуюся по своим баллистическим свойствам. Так,

гов. Препреги органотекстолитов готовили путем

растворное связующее ЭДТ-69Н(М) с низкой вязко-

пропитки арамидной ткани растворными связующи-

стью обладает высокой проникающей способностью

ми на установке УПСТ-1000 или путем нанесения на

в межволоконное пространство арамидной ткани, и

арамидную ткань клеевого пленочного связующего на

органотекстолит на его основе имеет типичную для

установке Coatema BL-2800. В процессе автоклавного

конструкционного материала монолитную струк-

формования слоистых металло-органотекстолитов

туру с равномерным распределением полимерной

происходило одновременное отверждение слоев ор-

матрицы в объеме композита. В органотекстолите

ганотекстолита и адгезионное соединение металли-

ческих и полимерных слоев композита.

Испытания органотекстолитов и металло-орга-

нотекстолитов на стойкость к высокоскоростному

ударному воздействию осуществляли путем удара

стальным шариком с определением значения V₅₀ —

скорости шарика, при которой вероятность непроби-

тия композита составляет 50%. При ударе использо-

вали стальные шарики массой ~1 г (диаметр 6.35 мм)

и ~7 г (диаметр 12 мм).

Обсуждение результатов

На рис. 1 представлены результаты определения

стойкости к воздействию высокоскоростного удара

Рис. 1. Стойкость к воздействию высокоскоростного

органотекстолитов в зависимости от поверхностной

удара при ударе стальным шариком массой 1 г органо-

плотности и состава органотекстолита. По характеру

текстолитов на основе арамидных тканей и связующих.

кривых наблюдается закономерный эффект возраста-

Артикул: 1 — 8353/11, 2 — 86-130-02, 3 — 5363/19,

ния стойкости материала к ударному воздействию с

4 — 8353/11, 5 — 86-153-04Н.

ростом его поверхностной плотности, реализуемой

А — ВК-3, Б — ЭДТ-69Н(М).

362

Железина Г. Ф. и др.

на основе связующего ВК-3, характеризующегося

приведены значения стойкости к воздействию высо-

высокой вязкостью, полимерная матрица располага-

коскоростного удара органотекстолита аналогичного

ется преимущественно между слоями армирующей

состава (СВМ и ЭДТ-10П) без металлических слоев.

ткани и практически не проникает в межволоконное

Как видно из приведенных зависимостей, стойкость к

пространство.

воздействию высокоскоростного удара исследуемых

Из представленных на рис. 1 данных видно, что

металло-органотекстолитов зависит главным образом

органотекстолиты на основе фенольно-каучукового

от величины поверхностной плотности композита —

связующего ВК-3 проявляют высокую деформатив-

с ростом поверхностной плотности наблюдается воз-

ность при высокоскоростном ударном воздействии,

растание стойкости к ударным воздействиям. При

что способствует поглощению энергии и достижению

этом толщина листов титанового сплава и порядок

более высокого уровня стойкости к воздействию вы-

чередования слоев металла и органотекстолита не

сокоскоростного удара (приблизительно в 1.5 раза

оказывают существенного влияния на стойкость к

выше) по сравнению с конструкционными органо-

воздействию высокоскоростного удара материала.

текстолитами на основе эпоксидного связующего

При одинаковой поверхностной плотности стойкость

ЭДТ-69Н(М) с типовой монолитной структурой.

к воздействию высокоскоростного удара органотек-

На рис 2 представлены результаты определения

столита превышает стойкость к воздействию высо-

стойкости к воздействию высокоскоростного удара

коскоростного удара металло-органотекстолита на

(при ударе стальным шариком массой 1 г) слоистых

основе листов титанового сплава.

металло-органотекстолитов, содержащих в своем

На рис 3 показаны результаты определения стой-

составе листы титанового сплава ВТ-23 и слои ор-

кости к воздействию высокоскоростного удара (при

ганотекстолита на основе арамидной ткани СВМ и

ударе стальным шариком массой 7 г) слоистых метал-

эпоксидного связующего ЭДТ-10П. Для сравнения

ло-органотекстолитов, содержащих в своем составе

слои органотекстолита на основе арамидной ткани

и эпоксикаучукового связующего ВК-51 и листы ме-

таллических сплавов (титанового, алюминиевого

или магниевого). Как видно из рис. 3, поверхностная

плотность слоистого металлополимерного композита

является определяющим фактором, влияющим на

стойкость к воздействию высокоскоростного удара

материала. Так, с увеличением поверхностной плот-

Рис. 2. Стойкость к воздействию высокоскоростного

удара при ударе стальным шариком массой 1 г слоис-

тых металло-органотекстолитов на основе титанового

сплава ВТ-23.

Структура металло-органотекстолитов: 1 — один слой

ВТ-23 толщиной 0.5 мм и один слой органотекстолита

толщиной 1.38 мм, 2 — два слоя ВТ-23 толщиной 0.5 мм

и два слоя органотекстолита толщиной 1.38 мм, 3 — три

слоя ВТ-23 толщиной 0.5 мм и три слоя органотекстоли-

та толщиной 1.38 мм, 4 — один слой ВТ-23 толщиной

2.0 мм и один слой органотекстолита толщиной 2.07 мм,

Рис. 3. Стойкость к воздействию высокоскоростного

5 — четыре слоя ВТ-23 толщиной 0.5 мм и четыре слоя

удара при ударе стальным шариком массой 7 г метал-

органотекстолита толщиной 1.38 мм, 6 — один слой ВТ-23

ло-органотекстолитов на основе титанового сплава

толщиной 2.0 мм и один слой органотекстолита толщиной

ВТ-23, магниевого сплава Ма-8 и алюминиевого сплава

6.44 мм.

Д16чАТ.

Арамидные органотекстолиты для ударостойких элементов авиационных конструкций

363

ности слоистых металло-органотекстолитов от 7.9

удара конструкций с оптимальными защитными и

до 18.5 кг·м^-2 наблюдается возрастание V₅₀ от 200

весовыми характеристиками.

до 350 м·с^-1. Отметим, что металло-органотексто-

литы на основе магниевого сплава Ма-8 проявляют

Финансирование работы

большую устойчивость к высокоскоростному воз-

Работа выполнена в рамках реализации комплекс-

действию, чем металло-органотекстолиты с той же

ного научного направления 6.2. «Слоистые трещи-

поверхностной плотностью на основе титанового

ностойкие, высокопрочные металлополимерные ма-

сплава ВТ-23 и алюминиевого сплава Д16чАТ.

териалы» («Стратегические направления развития

Одним из путей дальнейшего совершенствования

материалов и технологий их переработки на период

органотекстолитов и металло-органотекстолитов яв-

до 2030 года») [26].

ляется использование в их составе арамидных воло-

кон с повышенными характеристиками (в том числе

арамидные волокна третьего поколения Русар НТ) в

Список литературы

сочетании с современными высокодеформативными

полимерными связующими [24, 25].

[1] Roberts D., Revilock D. M., Binienda W. K., Nie W. Z.,

Ben Mackenzie S., Todd K. B. // J. Aerosp. Eng. 2002.

N 15 Р. 104-110.

Выводы

[2] Железина Г. Ф. // Авиац. материалы и технологии.

2012. № S. С. 272-277.

Для обеспечения стойкости элементов авиацион-

[3] Железина Г. Ф., Соловьева Н. А., Макрушин К. В.,

ных конструкций к ударным воздействиям различ-

Рысин Л. С. // Авиац. материалы и технологии.

ного характера, возникающим при эксплуатации са-

2018. № 1. С. 58-63.

молетов и вертолетов, высокоэффективным является

[4] Шульдешова П. М., Железина Г. Ф. // Тр. ВИАМ:

применение в конструкциях органотекстолитов и

электрон. науч.-техн. журн. 2014. № 9. Ст. 06.

металло-органотекстолитов, содержащих арамидные

URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения:

ткани.

20.06.2018).

Стойкость к воздействию высокоскоростного

[5] Железина Г. Ф., Соловьева Н. А., Орлова Л. Г., Вой-

удара органотекстолитов, армированных тканями

нов С. И. // Все материалы. Энциклопедический

из арамидных нитей СВМ и Русар (Руслан), зависит

справочник. Композиционные материалы. 2012.

№ 12. С. 23-26.

от типа полимерной матрицы, которая отвечает за

[6] Железина Г. Ф., Войнов С. И., Каримбаев Т. Д.,

уровень взаимодействия с арамидным волокнистым

Чернышев А. А. // Вопр. материаловедения. 2017.

наполнителем и формирование структуры композита.

№ 32 (90). С. 153-165.

Наибольшую стойкость к воздействию высокоско-

[7] Железина Г. Ф., Гуляев И. Н., Соловьева Н. А. //

ростного удара имеют арамидные органотекстолиты

Авиац. материалы и технологии. 2017. № S.

на основе фенольно-каучукового связующего ВК-3, в

С. 368-378.

которых полимерная матрица практически не прони-

[8] Железина Г. Ф., Шульдешова П. М. // Клеи.

кает внутрь волокнистой структуры арамидной ткани,

Герметики. Технологии. 2014. № 2. С. 9-14.

а выступает в качестве промежуточного слоя между

[9] Железина Г. Ф., Войнов С. И., Плетинь П. И., Веш-

слоями армирующего наполнителя.

кин Е. А., Сатдинов Р. А. // Изв. Самар. науч. цен-

Стойкость к воздействию высокоскоростного уда-

тра РАН. 2012. Т. 14. № 4. С. 411-416.

ра металло-органотекстолитов практически не зави-

[10] Машинская Г. П., Железина Г. Ф. // Большая

сит от толщины и порядка чередования слоев металла

Российская энциклопедия. Науч. изд-во «Большая

российская энциклопедия», 2015. С. 518.

и органотекстолита. Определяющее значение имеет

[11] Laurens B. V. // Ind. Eng. Chem. 1983. N 22 (3).

поверхностная плотность композита. Установлено,

P. 492-496.

что стойкость к ударному воздействию металло-ор-

[12] Mashinskaya G. P., Zhelezina G. F., Senatorova O. G.

ганотекстолита на основе магниевого сплава Ма-8

// Chapman & Hall. 1995. Р. 487-570.

несколько выше (до 20%), чем у металло-органотек-

[13] Постнов В. И., Сенаторова О. Г., Железина Г. Ф.,

столита на основе титанового ВТ-23 и алюминиевого

Казаков И. А., Абрамов П. А., Герасимов В. А.,

Д16чАТ сплавов.

Постнова М. В. // Авиац. материалы и технологии.

Проведенные исследования позволяют рассма-

2009. № 4. С. 8-17.

тривать магниевые сплавы как перспективный ком-

[14] Постнов В. И., Сенаторова О. Г., Каримова С. А.,

понент слоистых металло-органотекстолитов для

Павловская Т. Г., Железина Г. Ф., Казаков И. А.,

создания стойких к воздействию высокоскоростного

Абрамов П. А., Постнова М. В., Котов О. Е. //

364

Железина Г. Ф. и др.

Авиац. материалы и технологии. 2009. № 4. С. 23-

[21]

Каблов Е. Н. // Металлы Евразии. 2012. № 3. С. 10-

32.

15.

[15] Деев И. С., Железина Г. Ф. // Композиты и нано-

[22]

Каблов Е. Н. // 75 лет. Авиационные материалы.

структуры. 2015. Т. 7. № 3. С. 162-176.

М.: ВИАМ, 2007. С. 20-26.

[16] Горбунов И. М. // Оборонный комплекс — науч-

[23]

Мухаметов Р. Р., Петрова А. П., Пономаренко С. А.,

но-техническому прогрессу России. 2006. № 3.

Долгова Е. В., Павлюк Б. Ф. // Тр. ВИАМ: элек-

С. 26-28.

трон. науч.-техн. журн. 2018. № 4. Ст. 04. URL:

[17] Валуева М. И. // Вопр. материаловедения. 2017.

http://www.viam-works.ru (дата обращения:

№ 2 (90). С. 197-207.

20.06.2018).

[18] Arun Kumar Singh, Wanhill R. J. H., Eswara N. //

[24]

Tikhonov I. V., Tokarev A. V., Shorin S. V., Shcheti-

Aerospace Materials and Material Technologies. V. 2.

nin V. M., Chernykh T. E., Bova V. G. // Fibre Chem.

Aerospace Material Technologies. 2017. N 3. Р. 541-

2013. N 5. P. 1-8.

567.

[25]

Железина Г. Ф., Войнов С. И., Черных Т. Е., Чер-

[19] Bourke P. // Ballistic impact on composite armor.

ных К. Ю. // Вопр. материаловедения. 2015. № 1

2007. Р. 11.

(81). С. 60-72.

[20] Каблов Е. Н. // Вестн. РАН. 2012. Т. 82. № 6.

[26]

Каблов Е. Н. // Авиац. материалы и технологии.

С. 520-530.

2012. № S. С. 7-17.