Создание оборудования и технологии изготовления

Конкурс «премия «Авиастроитель года» за 2012 год
Номинация «За лучший инновационный проект»
Краткое описание выполненных работ, технологий
«Создание оборудования и технологии изготовления калиброванных
препрегов полимерных композиционных материалов на основе
высокодеформативных связующих для авиационных деталей
ответственного назначения»
1. Цель работы
Создать оборудования и технологии изготовления калиброванных препрегов
полимерных композиционных материалов на основе высокодеформативных
связующих для авиационных деталей ответственного назначения
2. Актуальность
В настоящее время в России при изготовлении из полимерных композиционных
материалов (ПКМ) конструкций авиационного назначения применяются препреги
(полуфабрикаты) на основе полимерных связующих растворного типа,
разработанные более 20 лет назад. Такие материалы имеют ряд существенных
недостатков:
- применяемые связующие при отверждении образуют полимерные матрицы с
низкой деформативностью (относительное удлинение не более 2%), что делает
ПКМ на их основе хрупкими, т.е. обладающими низкими показателями вязкости
разрушения и стойкости к ударному воздействию;
- применение связующих в виде растворов полимеров в органических
растворителях (спирт, ацетон) вкупе с использованием устаревшего оборудования
и технологий пропитки приводит к тому, что изготавливаемые препреги имеют
существенное отклонение весовых характеристик (до 5%), а также остаточный
растворитель.
Описанные недостатки материалов приводят к тому, что изготавливаемые
конструкции из ПКМ обладают повышенной пористостью и высоким
коэффициентом вариации прочностных и геометрических характеристик.
При этом в связи с активным развитием авиационной отрасли и созданием
перспективных изделий, доля композиционных материалов в которых доходит до
60% остро стоит вопрос создания полимерных композиционных материалов и
соответствующих
полуфабрикатов
и
технологий
их
производства,
обеспечивающих возможность изготовления силовых и особо ответственных
конструкций, таких как крыло, хвостовое оперение, лонжероны лопастей.
Во ФГУП «ВИАМ» в последние годы разработана гамма высокодеформативных
связующих (с относительным удлинением полимерной матрицы до 3%) и ПКМ на
их основе для применения в различных авиационных конструкциях, работающих
при температурах до 170 °С.
Однако, получение калиброванных препрегов на основе такого рода связующих,
обеспечивающих высокую вязкость разрушения материала, связано с рядом
технологических сложностей, связанных с переработкой высоковязких расплавов
связующих и необходимостью получения препрега с отклонением содержания
связующего, не превышающего 2%.
Рис. 1 Лабораторная установка для получения препрегов Coatema LS-11.
Рис 2 Промышленная установка для получения препрегов Coatema BL-2800
С целью решения проблемы авиационной отрасли по отсутствию производства
калиброванных препрегов полимерных композиционных материалов на основе
высокодеформативных связующих для авиационных деталей ответственного
назначения были сформированы основные задачи для выполнения работы:
- разработка технического задания на промышленное оборудование,
обеспечивающее выпуск широкой номенклатуры калиброванных препрегов ПКМ
на основе различных типов армирующих наполнителей и связующих;
- разработка технологий изготовления на соответствующем лабораторном и
промышленном оборудовании калиброванных препрегов ПКМ на основе
различных типов однонаправленных и тканых армирующих наполнителей и
связующих эпоксидного и цианэфирного типа;
- разработка и выпуск соответствующей научно-технической документации;
изготовление
и
поставка
препрегов
отечественным
авиаи
моторостроительным предприятиям.
3.Осноные результаты работы и выводы
В качестве объекта исследований были выбраны препреги полимерных
композиционных материалов на основе эпоксидного связующего ВСЭ-1212 и
цианэфирного связующего ВСТ-1208 и углеродных жгутов типа HTS, IMS, T-800,
углеродных лент и тканей UDO CS-200, Porcher 14535, Porcher 3105, Porcher 3692,
Porcher 4510, а также стеклянных тканей Т-10-14, Т-64(ВМП), Porcher 7781, Porcher
120, предназначенные для изготовления конструкций планера, в том числе
элементов крыла, мотогондолы, хвостового оперения.
а) В части работ по разработке оборудования для выпуска калиброванных
препрегов были получены следующие результаты:
-разработаны технические задания и изготовлены специализированные
пропиточные линии – Coatema LS-11 лабораторного типа и Coatema BL-2800
промышленного типа, обеспечивающие изготовление препрегов на основе низко- и
высоковязких расплавов связующих с точностью весового содержания до 0,5% и
шириной препрега до 1200 мм;
б) В части работ по разработке технологий изготовления калиброванных
препрегов были получены следующие результаты:
-разработаны технологии изготовления препрегов угле- и стеклопластиков на
основе высокодеформативного эпоксидного связующего ВСЭ-1212: ВКУ-39,
ВКУ-25, ВКУ-28, ВКУ-29, ВПС-48 и др.;
-разработаны технологии изготовления препрегов угле- и стеклопластиков на
основе высокодеформативного цианэфирного связующего ВСТ-1208: ВКУ-27,
ВКУ-27л, ВКУ-27лр, ВКУ-27тр, ВПС-43к и др.;
- исследовано влияния параметров технологического процесса на точность
весовых характеристик препрегов и коэффициент вариации свойств ПКМ на их
основе.
По результатам работы разработана и выпущена соответствующая нормативная
и технологическая документация – ТУ и ТИ на препреги.
Вывод:
Разработаны новые высокотехнологичные полуфабрикаты полимерных
композиционных материалов на основе высокодеформативных связующих,
позволяющие получать ПКМ мирового уровня. Все проведенные исследования
свидетельствуют о высоком качестве полуфабрикатов.
Разработанные технологии внедрены на производстве ФГУП «ВИАМ».
В настоящее время разработанные материалы включены в конструкцию деталей
мотогондолы и планера изделий ОАО «ОАК» и ОАО «УК «ОДК» и проходят
квалификационные испытания и опробование на производственных предприятиях.
4.Область применения и потребители
Разработанные технологии получения калиброванных препрегов полимерных
композиционных материалов на основе высокодеформативных связующих для
авиационных деталей ответственного назначения
будут использованы при
серийной поставке препрегов предприятиям отрасли для изготовления
мотогондолы двигателя ПД14, а также элементов планера изделия ПМИ.
Потребителями разрабатываемой научно-технической продукции, являются
ведущие КБ и предприятия авиационной отрасли, такие как ОАО «Авиадвигатель»,
ОАО ОНПП «Технология», ОАО «КнААЗ», ОАО «УНИИКМ», ОАО «ПЗ
Машиностроитель» ОАО «ВАСО» и др.
Коллектив сотрудников ФГУП «ВИАМ», выполнявших работу:
Коган Дмитрий Ильич – Заместитель генерального директора;
Раскутин Александр Евгеньевич – Начальник лаборатории №11;
Попов Юрий Олегович – начальник сектора лаборатории №25;
Тимошков Павел Николаевич – ведущий инженер лаборатории №25.
Заместитель генерального директора
Д.И. Коган
Начальник лаборатории №11
А.Е. Раскутин