О повышении прочности и ресурса металло-композитных соединений при применении нано-модифицированных клеев

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят все более широкое применение в изделиях авиационной техники. Однако реализация известных преимуществ ПКМ перед металлическими материалами в реальных конструкциях наряду с другими факторами ограничивается при необходимости проведения размерной механической обработки, изготовлении проемов и отверстий для размещения закладных металлических элементов и крепежа в узлах соединений деталей. При механической обработке на кромках и обработанной поверхности образуются дефекты типа микротрещин, ворсистости, cколов связующего, расслоений. Эти дефекты при сочетании с концентраторами напряжений в виде отверстий и вырезов приводят к уменьшению прочности и усталостной долговечности деталей из ПКМ В качестве примера на рис. 1 показаны образующиеся в процессе сверления дефекты на поверхности и кромках отверстий.

Рис. 1. Дефекты на кромках деталей из ПКМ, возникающие при механической обработке – фрезеровании и сверлении

Наряду с появлением дефектов в отверстиях из ПКМ характерно также возникновение зазоров между болтом и поверхностью отверстия. В многорядных болтовых соединениях неравномерные зазоры между болтами и отверстиями приведут к неоднородной загрузке болтов, следствием чего

может стать нерасчетное, преждевременное разрушение соединений. Известно [2, 3], что с уменьшением зазора между болтом и отверстием в болтовом соединении уменьшается концентрация контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстия (рис. 2). Применение нано-модифицированной клеевой композиции (НМК) для заполнения зазоров практически устраняет концентрацию напряжения (рис. 2в) и ведет к увеличению прочности и усталостной долговечности соединений.

а) ∆ = 4.35%          б) ∆ = 0.435%             в) ∆ = 0.0%

(с заполнением НМК)

Рис. 2. Зависимость коэффициентов концентрации контактных (кr) и растягивающих (кς) напряжений на контуре отверстия от величины относительного зазора ∆ между отверстием и болтом в болтовом соединении

В ЦАГИ были проведены исследования соединений с заполнением НМК зазоров между болтом и отверстием на образцах, показанных на рис. 3, где болт имитируется бужом. Произведены испытания на прочность при растяжении, а также испытания на ресурс образцов из углепластика шириной 30 мм (рис. 3), с нагруженным штифтом отверстием диаметром 5.6 мм, при различных видах укладки волокон в углепластике с продольной укладкой и комбинированной при сочетании продольной укладки с укладками под углом 450 и 900.

Результаты испытаний (табл. 1, 2) показали, что при применении наномодифицирован-ной клеевой композиции прочность при разрушении образцов из углепластика увеличивается. Для образцов с продольной укладкой волокон 00 (100%) – на ~50,0%, а для образцов с комбинированной укладкой волокон: продольной 00

(25 и 60,0%), и укладкой под углом 450 (50 и 32,5%) и под углом 900 (25 и 7,5%)

от 18,0 до

20,5%.

д--- 150

Рис. 3. Образец из углепластика со штифтом

Таблица 1. Значения разрушающих скалывающих напряжений, полученных при испытании на прочность образцов штифтовых соединений (ширина образца В=30 мм, диаметр отверстия D=5,56 мм) с продольной укладкой волокон в углепластике при установке штифта в отверстие без применения клея и с применением НМК

Таблица 2. Значения разрушающих напряжений смятия, полученных при испытании на прочность образцов штифтовых соединений (ширина образца В=30 мм, диаметр отверстия D=5,56 мм), изготовленных с применением сочетания продольной укладки волокон (25 и 61,5%), укладки их под углом 45⁰ (50 и 30,8%) и укладки под углом 90⁰ (25 и 7,7%) в углепластике при установке штифта в отверстие без применения клея и с применением НМК

Исходную нагрузку при усталостных испытаниях образцов серии 5.1, упрочненных НМК, в ходе эксперимента уменьшили со значения 0,8Рст – 890кг до 830кг, в связи с недостаточной прочностью зажимов. Последующие испытания проводились для меньшей нагрузки, что приемлемо, т.к. кривая Веллера для углепластиков имеет малый наклон.

Выводы: установлено, что за счет применения нано-модифицированной клеевой композиции усталостная долговечность образцов соединений со сложной укладкой волокон увеличивается не менее, чем в 4 раза. Сравнение производилось по минимальному значению усталостной долговечности упрочненных соединений с максимальным значением усталостной долговечности исходных соединений.