КОМПОЗИЦИОННЫЙ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2002 года по МПК B32B15/08 B32B15/14 B32B15/20 

Изобретение относится к области создания композиционных слоистых материалов для изделий конструкционного назначения, например для силовых деталей планера, работающих при растяжении, в авиакосмической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в народном хозяйстве.

Известен композиционный слоистый материал конструкционного назначения ARALL, состоящий по крайней мере из двух листов алюминиевого сплава и слоя органопластика на основе термоотверждаемого клея и высокомодульных ароматических полиамидных волокон, состоящих из полипарафенилен терефталамида (PPDT). Толщина каждого из металлических листов составляет от 0,1 до 0,7 мм и больше чем толщина слоя органопластика. Модуль упругости PPDT составляет 50-250 ГПа. В клеевом связующем волокна расположены прямыми линиями и составляют от 20 до 80% по весу от суммарного веса клея и волокна. В разгруженном состоянии внутри слоистого материала имеются сжимающие и растягивающие напряжения в слоях органопластика [патент: ЕПВ 056288, МКИ В 32 В 15/08, патент: ЕПВ 056289, МКИ В 32 В 15/08].

Недостатком композиционного материала является тот фактор, что материалы, используемые в конструкциях летательных аппаратов, в период эксплуатации нуждаются в периодическом обследовании с помощью визуального наблюдения и специальной аппаратуры с целью обнаружения возникших в материале трещин, расслоений и др. дефектов, так как не способны осуществлять самоконтроль напряженно-деформационного состояния материала и конструкции.

Известно использование в качестве датчиков физико-механического состояния материала оптических волокон [Журнал "Modem Metals" 1988, 44, 4, с. 54-60].

Однако применение оптических волокон требует сложного высокоточного оборудования для подачи и съема сигнала и обработки информации. Кроме этого, оптические волокна хрупки и в процессе получения материала при подаче давления могут происходить изменения их оптических характеристик, поэтому требуется снижение давления формования, что не позволяет получить высококачественный металлоорганопластик. Другим существенным недостатком оптических волокон являются их низкие прочностные свойства и их полимерная изоляция, не гарантирующая совместную работу волокна и материала, что снижает область напряженного деформационного состояния материала, характеризуемую надежной работой оптического волокна.

Известно использование металлических проводников в качестве пороговых датчиков разрушения. [Межотраслевой научно-технический сборник "Технология", серия "Конструкции из композиционных материалов", вып. 2, 1995].

Такой датчик имеет низкое сродство металла к полимерной матрице, а разные КЛТР проводника и органопластика создают в материале зоны повышенной напряженности и нарушения структуры, что может отрицательно сказаться на ресурсных характеристиках самого материала. Кроме того, использование металлического проводника позволяет получить только ответ "да" - "нет" на наличие разрушений в момент воздействия на материал внешней нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является композиционный слоистый материал (Алор), состоящий из чередующихся слоев алюминиевого сплава толщиной 0,3-0,8 мм и слоев органопластика толщиной 0,15-0,35 мм на основе термореактивного связующего и армирующего наполнителя из высокомодульных арамидных волокон СВМ или Армос. Данный материал характеризуется комплексом свойств: низкой плотностью (1,23-1,35), высокими прочностью, жесткостью, трещиностойкостью, хорошими вибродемпфирующими свойствами. Эти свойства Алора позволяют рекомендовать его для изготовления силовых обшивок фюзеляжа, нижней обшивки крыла, обшивки и подкрепляющих элементов подкрылков, интерцентров, элеронов, рулей направлений и высоты, дверей и др. [Журнал "Металлы", 1, 1995, с. 138-142].

Однако использование этих материалов не позволяет осуществлять регулярный контроль за состоянием конструкции, так как материал не обладает функцией самоконтроля повреждений материала.

Технической задачей изобретения является создание композиционного слоистого материала, способного осуществлять самоконтроль напряженно деформационного состояния, обладающего при этом высокими физико-механическими свойствами, повышенной безопасностью и ресурсом эксплуатации как самого материала, так и изделия из него.

Для решения поставленной задачи предлагается композиционный слоистый материал, содержащий слои алюминиевого сплава и слои органопластика на основе связующего с армирующим наполнителем из высокомодульных арамидных волокон. Предложенный материал дополнительно содержит арамидные волокна с электропроводящим покрытием.

Материал содержит, по крайней мере, не менее двух арамидных волокон с электропроводящим покрытием.

Арамидные волокна с электропроводящим покрытием могут быть расположены в слое органопластика.

Арамидные волокна с электропроводящим покрытием могут быть расположены между слоями композиционного материала, например между слоями армирующего наполнителя.

Арамидное волокно с электропроводящим покрытием, используемое в заявленном материале, обладает электрическим сопротивлением не менее 1000 Ом.

Армирующий наполнитель может быть выполнен в виде слоев ткани, однонаправленной ленты или жгута.

Слои алюминиевого сплава в материале могут быть выполнены с краевой перфорацией и с электроизоляцией для вывода концов арамидных волокон с электропроводящим покрытием на систему сбора и обработки информации.

Из предложенного композиционного слоистого материала могут быть выполнены различные изделия.

Арамидное волокно с нанесенным электропроводящим покрытием используют в качестве датчика - элемента активного контроля за повреждаемостью материала. Уровень упругопрочностных свойств волокон наполнителя и волокон элементов активного контроля одинаков, что не ухудшает свойств металлоорганопластика. Кроме этого, за счет сродства к материалу матрицы датчик работает, как и волокно слоев органопластика, разрушаясь одновременно с ним. Поэтому для обеспечения совместной работы элементов активного контроля и металлоорганопластика арамидное волокно для элементов активного контроля выбирается с учетом механических свойств волокон наполнителя. Применение арамидных волокон с нанесенным электропроводящим покрытием позволяет создать материал, однородный по физико-механическим свойствам, без внутренних напряжений и расслоений.

Изделия, выполненные из предлагаемого композиционного слоистого материала, могут быть использованы в силовых элементах планера самолета.

Электросопротивление арамидного волокна с нанесенным электропроводящим покрытием составляет не менее 1000 Ом. Уровень электросопротивления нанесенного покрытия выбирается в зависимости от воздействия нагрузок на готовое изделие и должен быть достаточным для обеспечения чувствительности элементов активного контроля во всем диапазоне нагрузок.

Работа элементов активного контроля заключается в изменении величины электрического сопротивления металлического электропроводящего слоя при изменении напряженно-деформационного состояния материала и конструкции. Удлинение композиционного материала при разрушении составляет 2,5-3,5%, а резкое изменение электросопротивления элемента активного контроля начинается при удлинении 1,2-1,7%, что соответствует переходу металлических слоев из области упругой деформации в область пластической деформации. Это позволяет заранее, до полного разрушения металла, получить информацию об его упругодеформационном состоянии.

Структура пакета металлоорганопластика определяется в зависимости от необходимого уровня физико-механических свойств материала. Волокна могут располагаться как в одном, так и в нескольких направлениях. Слой органопластика может состоять как из тканей, так и из однонаправленных лент, полученных выкладкой или намоткой, а также жгутов из арамидных волокон.

Для снятия сигнала системой сбора и обработки информации концы электрических датчиков выводятся на поверхность материала через слои органопластика и алюминиевого сплава. Для этого в соответствии со схемой укладки производится перфорирование по краям листа алюминиевого сплава, при этом диаметр отверстий должен обеспечивать возможность электроизоляции и вывода контактов (3-5 мм).

Пример 1
Композиционный слоистый материал состоит: из двух листов алюминиевого сплава Д16чАТ толщиной 0,5 мм, один из которых имеет по краям электроизолированные отверстия диаметром 5 мм, а также слоя органопластика толщиной 0,3 мм из арамидного волокна в виде однонаправленной ткани с поверхностной плотностью 140 г/м² и пленочного связующего, а также 0,3 мас.% элементов активного контроля. Элемент активного контроля представляет собой нить ароматического полиамида с нанесенным в вакууме металлическим электропроводящим слоем сплава Нихром. Электросопротивление элементов активного контроля составляет 2000 Ом каждого. Пакет композиционного слоистого материала собирается следующим образом. На слой алюминиевого сплава Д16чАТ выкладываются слои препрега из армирующего наполнителя. Между слоями препрега в соответствии со схемой укладки располагают элементы активного контроля. Концы элементов активного контроля выводятся через слои препрега и перфорированный лист алюминиевого сплава на поверхность материала. Материал получают методом прямого прессования или автоклавного формования.

Пример 2
Композиционный слоистый материал состоит: из двух листе в алюминиевого сплава Д16чАТ толщиной 0,5 мм, один из которых имеет по краям электроизолированные отверстия диаметром 5 мм, а также слоя органопластика толщиной 0,6 мм из арамидного волокна в виде однонаправленной ленты с поверхностной плотностью 172 г/м² и пленочного связующего, а также 0,25 мас.% элементов активного контроля, расположенных между арамидными волокнами в слое органопластика. Элемент активного контроля представляет собой нить ароматического полиамида с нанесенным в вакууме металлическим электропроводящим слоем сплава никеля. Электросопротивление элементов активного контроля составляет 1000 Ом каждого. Формирование структуры пакета и формование соответствует приведенному в примере 1 (см.таблицу).

Таким образом из приведенных примеров видно, что при изменении удлинения датчика наблюдается рост его электросопротивления. Особенно сильно электросопротивление возрастает при относительном удлинении 2% и продолжает возрастать вплоть до разрушения материала, что позволяет фиксировать возникновение критических нагрузок в материале до его разрушения.

Таким образом применение предлагаемого композиционного слоистого материала, обладающего функцией самоконтроля повреждений материала, позволяют применять его в силовых деталях планера, работающих преимущественно при растяжении, например стопперов усталостных трещин.

Их применение обеспечит снижение на 10-20% массы элементов конструкций при простой замене традиционного материала (за счет снижения плотности) и повышение эффективности до 30-40% в случае рационального изменения конструкции с учетом специфических особенностей материала. Применение материалов такого типа позволяет создателям новой техники на практике реализовать концепцию изготовления безопасно повреждаемых конструкций.

Изобретение относится к композиционным слоистым материалам конструкционного назначения и может найти применение в машиностроении, в авиакосмической технике, например для изготовления силовых деталей планера, и в других областях техники при изготовлении деталей, работающих на растяжение. Предложен композиционный слоистый материал, содержащий слои алюминиевого сплава и слои органопластика на основе связующего с армирующим наполнителем из высокомодульных арамидных волокон. Он дополнительно содержит арамидные волокна с электропроводящим покрытием в количестве не менее двух, которые расположены в слое органопластика или между слоями композиционного материала. Используемое в материале арамидное волокно с электропроводящим покрытием обладает электрическим сопротивлением не менее 1000 Ом. Армирующий наполнитель выполнен в виде слоев ткани, однонаправленной ленты или жгута. Слои алюминиевого сплава в материале выполнены с краевой перфорацией и с электроизоляцией для вывода концов арамидных волокон с электропроводящим покрытием на систему сбора и обработки информации. Из предложенного композиционного слоистого материала могут быть выполнены изделия. Техническим результатом изобретения является возможность осуществления контроля напряженного деформационного состояния материала и изделий, выполненных из него. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Композиционный слоистый материал, содержащий слои алюминиевого сплава и слои органопластика на основе связующего с армирующим наполнителем из высокомодульных арамидных волокон, отличающийся тем, что содержит арамидные волокна с электропроводящим покрытием. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он содержит не менее двух арамидных волокон с электропроводящим покрытием. 3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что арамидные волокна с электропроводящим покрытием расположены в слое органопластика. 4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что арамидные волокна с электропроводящим покрытием расположены между слоями композиционного материала. 5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что арамидное волокно с электропроводящим покрытием обладает электрическим сопротивлением не менее 1000 Ом. 6. Материал по п. 1, отличающийся тем, что армирующий наполнитель выполнен в виде слоев ткани, однонаправленной ленты или жгута. 7. Материал по п. 1, отличающийся тем, что слои алюминиевого сплава выполнены с краевой перфорацией с электроизоляцией для вывода концов арамидных волокон с электропроводящим покрытием на систему сбора и обработки информации. 8. Изделие из композиционного слоистого материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по любому пп. 1-7.