4. Многослойные материалы и конструкции из впкм.

[60, 63, 146].

Оптимизация весовых, конструкционных, специальных свойств конструкций современной техники определяется как совершенствованием самих конструкций, так и использованием материалов, обеспечивающих высокие показатели эксплутационных характеристик.

Совершенствование конструкций стимулировало замену однослойных оболочек многослойными и все более широкое использование интегральных конструкций различных типов: клееных, супергибридных (рис. 46), с сотовыми, сетчатыми и другими заполнителями (рис. 47).

Клеевые слои клееных многослойных материалов останавливают рост трещин, повышая работоспособность конструкций с многослойными оболочками при динамическом нагружении.

Оболочки конструкций сверхзвукового пассажирского самолета – многослойные пластины из сплава Ti-6Al-4V склеивают пленочным полиимидным клеем FM-5 (фирма Cytec, США). Элементы конструкций (люки доступа к двигателям, элементы мотогондол) конвертоплана V-22 Osprey, лонжероны B-787 Dreamliner формуют из оболочек титан (фольга из сплава Т-15-333) – углепластик (ленты из нитей IM-7, полиимидное связующее PIXA-M, НИЦ Langley) при 540^оС в течение 8 часов.

Стремление создать изделия, обладающие комплексом положительных свойств полимеров и металлов, привело к разработке металло-пластиковых материалов (МПМ).

Сочетание металла и полимера в материалах позволяет во многих случаях реализовать трудно достижимые, а, иногда, и невозможные с точки зрения свойств известных материалов, свойства. Металло-пластиковые материалы являются результатом многообразных физико-химических сочетаний полимеров и металлов. МПМ-макрогетерогенные материалы с резко выраженной границей раздела компонентов. Эта граница может представлять собой как геометрическое место точек контакта полимера и металла, так и физически реальный промежуточный слой, состоящий из контактирующих компонентов.

МПМ классифицируются на матричные, дисперсные и слоистые материалы. Матричные МПМ характеризуются наличием непрерывной фазы (матрицы) из одного материала (металла или полимера), в которой содержатся включения другого. В свою очередь матричные материалы делятся на наполненные (или дисперсноупрочненные), каркасные и армированные металло-полимерные материалы. В наполненных МПМ полимер образует непрерывную среду, в которой равномерно или по определенному закону распределен металлический наполнитель. Металл наполнителя используют как в «чистом» виде, так и в виде его соединений с другими веществами, которые могут образовываться и непосредственно при получении материала.

Непрерывная полимерная среда (матрица), в свою очередь, может содержать функциональные добавки, обеспечивающие необходимые технологические и эксплутационные свойства материала. Наполненные МПМ – это, например, содержащие порошковообразный металл полимеры, применяемые для получения тонкослойных покрытий на металлических деталях.

Каркасные МПМ представляют собой системы, у которых несущую основу образует металлическая сетка, а межкаркасный объем заполняется полимером. Примером каркасного материала может служить металлокерамика, поры которой заполнены полимером.

Армированные МПМ содержат в своей полимерной матрице армирующие длинномерные элементы в виде металлических стержней, волокон, усов, нитей, сеток.

Дисперсные МПМ – смеси порошков полимеров и металлов, металлизированных полимерных частиц, композиции из которых используются как наполнители, сорбенты, катализаторы в химических процессах, фильтры для очистки газов и жидкостей.

Слоистые МПМ (МПКМ) состоят из чередующихся слоев из ВПКМ на основе термореактивных или термопластичных матриц, отличающихся от слоя к слою природой, составом, структурой. Разновидностью таких материалов являются полимерные листы и пленки, плакированные металлом, металлическая фольга, листы, полосы, ленты со слоями полимерного покрытия.

Одним из направлений совершенствования материалов является гибридизация. Принцип гибридизации показал эффективность многослойных материалов, в которых каждый слой имеет свое целевое назначение: многослойные стекла и керамики; биметаллы; листы и фольга металлов, покрытых сплавленными порошками термопластов, лаками, красками, и эмалями; кино-, фото- и пленки пищевого, химического, аэрокосмического и прочего назначения.

Важнейшим направлением совершенствования материалов является создание многослойных металло-пластиковых композиционных материалов (МПКМ), из-за использования различных по природе классов материалов, названных супергибридными.

К супергибридным МПКМ относятся многослойные материалы из чередующихся склеенных между собой слоев из термореактивных или термопластичных ВПКМ и металлических (алюминий- органопластик в ARALL, алюминий- стеклопластик в GLARE), металлических или керамических (в сочетании со стекло- и органопластиками в броневых материалах, см. главу 5) слоев.

В различных областях техники (авиа- и ракетостроении, судостроении, гражданском строительстве, транспорте) широко применяют многофункциональные многослойные конструкции с заполнителями (интегральные конструкции). При относительно небольшой массе они имеют высокие показатели прочности и жесткости, воспринимают высокие напряжения сжатия, обладают хорошими вибрационными, тепло- и звукоизоляционными, специальными (радиопрозрачность, радиопоглощение) свойствами.

В многослойных конструкциях заполнители обеспечивают функцию разнесения оболочек и удаления материала оболочек из центральной (нейтральной при изгибе оси) плоскости для увеличения эффектов повышения жесткости, когда

критическим параметром механических свойств является показатель модуля упругости материалов конструкции при изгибе (изгибная жесткость) и прочность при сжатии. Эффективно повышаются эти показатели при использовании интегральных многослойных конструкций с заполнителями.Несущие слои, подкрепленные заполнителем, воспринимают высокие напряжения сжатия, заполнители повышают изгибную жесткость конструкций. Использование в качестве заполнителей сетчатых структур повышает изгибную жесткость трехслойных конструкций в 6 раз, а сами заполнители изготавливают намоткой ( рис. 7;9).

Многослойная конструкция с заполнителем между оболочками - двутавровая балка, одна из горизонтальных полок которой работает на сжатие, другая - на растяжение. Заполнитель, связывающий оболочки (аналогичен вертикальной полке балки), работает на сдвиг и повышает изгибную жесткость структуры, но в противоположность двутавру, основными его назначениями являются обеспечение опоры для разнесенных оболочек, придание устойчивости несущим поверхностям (оболочкам), передача сдвиговых напряжений по толщине конструкции.

В качестве заполнителей используют пеноматериалы (пенопласты, пенометаллы, пенокерамика, пеноуглеродные материалы), гофры, сетчатые конструкции, трубчатые заполнители, сотовые материалы ( рис. 47).

А. Оболочка (металл, ВПКМ)

Клей

Оболочка (металл, ВПКМ)

Б. Металл (5)

Клей

ПМ, ПКМ, ВПКМ (1-4)

Клей

Металл (5)

Рис. 46. Многослойные клееные (А) и клееные супергибридные металло-пластиковые оболочки ( Б, 1-слой из органопластиков в Алорах, 2- из стеклопластиков- в Сиалах, 3- из углепластиков, 4- из термопластичных ПКМ, ВПКМ; 5- фольга из Al в Алорах, Сиалах, Ti, МКМ).