Применение наномодифицированной клеевой композиции для повышения прочности и долговечности элементов конструкций из композиционных материалов

Титов Сергей Анатольевич, начальник сектора.

ническим университетом разработана наномо-дифицированная клеевая композиция [1], в которой в основу клея конструкционного назначения введены наночастицы углеродного наноматериала «Таунит». Характеристики этого наноматериала приведены в табл. 1.

Для проведения испытаний наноклеевой композиции были изготовлены образцы клеевых соединений элементов из алюминиевого сплава и образцы клеевых соединений элементов из стеклопластика и титанового сплава. Cхема и фотоизображения образцов показаны cоответственно на рис. 2 и рис. 3

Результаты испытаний образцов клеевых соединений элементов из алюминиевого сплава, приведенные в работе [1], показали cущественное (до 26% ) увеличение минимального значения предела прочности наномодифицированного клеевого соединения по сравнению с пределом прочности исходного клеевого соединения. Прочность клеевого соединения практически постоянна при концентрации наночастиц в клее 1 и 2 %. При концентрации наночастиц, равной 1%, коэффициент вариации предела прочности при сдвиге клеевого соединения имеет наименьшее значение (5,3%). Повышение прочности клеевого соединения за счет наночастиц происходит без уменьшения предельных деформаций клеевого слоя, т. е. охрупчивания клеевого слоя в проведенных экспериментах не наблюдается.

Результаты испытаний на прочность при сдвиге образцов клеевых соединений элементов из стеклопластика и титанового сплава ВТ6 при использовании наноклеевой композиции с кон-

Характеристика	Значение
Наружный диаметр наночастиц, нм Внутре нний диаметр, нм Длина, мкм Общий объем примесей, % в т.ч. аморфный углерод Насыпная плотность, г/см3 Удельная геометрическая поверхность, м2/г Термостабильность, 0C Средний объем пор, cм3/г Cредний размер пор, А	15-40 5-8 2 и более до 1,5, 0,3-0,5 0,4-0,6 120 и более до 700 0,22 70

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

Таблица 1. Характеристики наноматериала «Таунит»

центрацией углеродного наноматериала «Таунит» 0 и 2 %. показаны в табл. 2. По полученным данным видно, что за счет наноклеевой композиции минимальное значение предела прочности клеевого соединения при сдвиге увеличивается на 25%. а среднее значение – на 17 %.

С использованием наноклеевой композиции были проведены испытания на потерю устойчивости при сдвиге образца, моделирующего фрагмент стенки нервюры крыла, изготовленного из углепластика толщиной 2,2 мм, имеющего вырез в виде отверстия диаметром 80 мм (рис. 4).

Рис. 3. Фотоизображение образцов для испытаний клеевого соединения элементов из стеклопластика и титанового сплава

Таблица 2. Результаты испытаний на прочность при сдвиге образцов клеевого соединения с концентрацией углеродного наноматериала «Таунит» 0 и 2 %

(материал образца стеклопластик-титановый сплав ВТ6, cкорость растяжения образцов при испытаниях 10 мм/мин)

Концетрация наночастиц, %	Предел п	рочности	Предел прочности
	Среднее значение, Н/ мм2	Увеличение за счет наночаcтиц, %	Минимальное значение Н/ мм2	Увеличение за счет наночаcтиц, %
0	20,23	-	18,34	-
2	23,68	17	22,95	25

Рис. 4. Фотоизображение образца из углепластика, моделирующего фрагмент стенки нервюры крыла, в приспособлении для испытаний, установленном в захватах испытательной машины

На рис. 5 и 6. показаны соответственно микродефекты на кромке отверстия после изготовления образца и вид кромки отверстия, упрочненной наноклеевой композицией, а на рис. 7 и рис. 8 – соответственно исходный образец и образец с упрочненным наноклеевой композицией отверстием после испытаний на потерю устойчивости при сдвиге.

При испытаниях определялся момент начала потери устойчивости по показаниям тензодатчиков, наклеенных на противоположные поверхности образца. В эксперименте были применены так же лазерные датчики перемещения. В процессе нагружения производилась непрерывная запись показаний тензодатчиков и лазерных датчиков, осуществлялся визуальный контроль за поведением деформируемого образца и проводилась видеосъемка процесса его деформирования и разрушения.

Нагружение образца вызывало потерю устойчивости с образованием волны выпучивания, растрескивание и отслаивание поверхностных слоев в зоне развивающейся волны. Последующее деформирование приводило к интенсивному отслаиванию поверхностных слоев углепластика, сопровождаюшемся разрушением образ- ца на контуре отверстия в зоне концентрации растягивающих напряжений. В образце с залеченными наномодифицированной клеевой композицией микродефектами на кромках и поверхности отверстия и упрочненным ею отверстием зона начала расслаивания смещается от края отверстия, что приводит к повышению несущей способности образца.

Результаты испытаний исходных и упрочненной нанокомпозицией образцов в виде значения нагрузок, соответствующих началу потери их устойчивости, приведены в табл. 3.

По данным табл. 3 видно, что за счет применения наноклеевой композиции нагрузка начала потери устойчивости образца повышается на 32 %. Это достигнуто в результате залечивания повреждений, возникающих в результате механической обработки углепластика на поверхности и кромках отверстия, уменьшения концентрации напряжений у отверстия, формирования «стоппера» для задержки растрескивания (расслоения) поверхностных слоев при выпучивании, сопровождающемся потерей устойчивости.

Наиболее существенным результатом проведенных испытаний стало изменение места начала возникновения трещин в образце в процессе его нагружения. В исходных образцах трещины и расслоение поверхностных слоев основного материала возникали на кромке отверстия. С нанесенной на поверхность и кромки отверстия наноклеевой композицией начало возникновения трещин произошло в углепластике на удалении от кромки отверстия. В условиях циклического нагружения аналогичного фрагмента стенки нервюры с величиной нагрузок меньших, чем нагрузки начала потери устойчивости, можно предполагать значительного увеличения усталостной долговечности крыла самолета.

На начальном этапе исследований для ориентировочной оценки повышения усталостной долговечности был использован опытный вариант наноклеевой композиции, который применен для залечивания дефектов и упрочнения отверстий диаметром 6 мм в образцах шириной 36 мм из углепластика толщиной 2 мм. Усталостные испытания образцов были проведены по близкому к пульсирующему циклу на-

Рис. 5. Микродефекты на кромке отверстия после изготовления образца, моделирующего фрагмент стенки нервюры

Рис. 6. Вид кромки отверстия в образце, упрочненной наноклеевой композицией

Рис. 7. Исходный образец после испытаний на потерю устойчивости при сдвиге

ОТСЛОЕНИЕ И РАССЛОЕНИЕ ОТСУТСТВУЮТ

Рис. 8. Образец с упрочненным наноклеевой композицией отверстием после испытаний на потерю устойчивости при сдвиге

Таблица 3. Результаты испытаний на потерю устойчивости при сдвиге образцов из углепластика, моделирующих фрагмент стенки нервюры крыла

Вид образца № образца Нагрузка начала потери устойчивости образца Р, тонны Cреднее значение нагрузки начала потери устойчивости Р, тонны Отношение Р(нк)/ Р Исходный 002 1,5 1,9 - 003 2,3 С упрочнением нанокомпозицией (нк) 004 2,5 2,5 1,32 гружения при максимальном напряжении нетто, равном 203,5 Н/мм2, ичастоте нагружения 5 Гц. Результаты испытаний исходных и наноуп-рочненных образцов приведены в табл. 4. Они показывают, что за счет наноклеевой компози- ции усталостная долговечность образцов увеличивается более чем в 2 раза.

Разработанная наномодифицированная клеевая композиция может быть использована в болтовых соединениях деталей из ПКМ и деталей из

Таблица 4. Результаты усталостных испытаний образцов шириной 36 мм из углепластика с отверстием диаметром 6 мм

Вид образца	Значение долговечности, килоциклы	Повышение долговечности за счет наноклеевой композиции
Исходный	882> 335	-
С упрочнением наноклеевой композицией	863> 794 >	Более чем в 2 раза

ПКМ с металлическими деталями не только для залечивания дефектов и упрочнения отверстий, но и для заполнения ею существующих зазоров между болтами и отверстиями. Известно [2], что с уменьшением зазора между болтом и отверстием в болтовом соединении уменьшаются коэффициенты концентрации контактных и растягивающих напряжений на контуре отверстия. Поэтому при заполнении разработанной наномодифицированной клеевой композицией зазоров в болтовом соединении, содержащем детали из ПКМ, будет увеличиваться прочность и усталостная долговечность соединения при всех основных, характерных для ПКМ (например, для углепластика и стеклопластика), видах разрушения – при сдвиге, при смятии, при растяжении и при различном их сочетании.

Испытания на прочность при сдвиге образцов наноклеевого соединения элементов из стеклопластика и из титанового сплава и образцов наноклее-вого соединения элементов из алюминиевого сплава, в каждом из которых последовательно во времени были применены две наномодифицированные клеевые композиции, изготовленные по одной и той же технологии с временным интервалом длительностью более чем один год, показали достаточно высокую стабильность их характеристик – образцы, в которых применена недавно изготовленная наномодифицированная клеевая композиция, имеют значения прочности несколько большие (на 2-5 %), чем образцы, испытанные более года назад с применением изготовленной ранее наномодифи-цированной клеевой композиции. Таким образом, полученные экспериментальные данные позволяют использовать разработанную наномодифици-рованную клеевую композицию для повышения прочности и усталостной долговечности элементов натурных конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений в виде отверстий и вырезов, а также для повышения прочности и усталостной долговечности болтовых, клеевых и клееболтовых соединений.