Пластмассы для остекления летательных аппаратов

 

Для остекления летательных аппаратов широко применяют органическое стекло (СО), которое обладает высокой светопрозрачностью в больших толщинах, низкой теплопроводностью, высокой пластичностью (легко формируется) и удовлетворительной прочностью. Из органического стекла можно получать детали сложной формы сравнительно простыми технологическими методами. Минимальные оптические искажения достигаются при помощи вакуумного пневмоформирования и литья в стеклянные формы.

Органическое стекло представляет собой продукт сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Иногда для улучшения технологических свойств в них вводят пластификаторы, например дибутилфталат.

Для остекления летательных аппаратов применяют органические стекла марок СО-95, СО-120 и Э-2. Из этих стекол изготовляют остекление фонаря, иллюминаторов, обзорные стекла и др. Число указывает температуру размягчения. Различие между стеклами СО-95 и СО-120 состоит в том, что первое пластифицировано дибутилфталатом, а во втором пластификатора нет. Плотность органических стекол составляет 1,18 г/см³.

Физико-химические свойства стекол марок СО-95 и СО-120, соответственно:

Температура размягчения, °С…95 и 120

Ударная вязкость КС, кДж/м²…12 и 12

Временное сопротивление при растяжении σ_в, МПа…65 и 75

Светопрозрачность, % … 91 и 91

Температура начала деструкции, °С…155 и 180

Диапазон рабочих температур, °С… ± 160 и ±90

Для деталей, работающих при повышенных температурах, разработано теплостойкое стекло марки Э-2 с рабочей температурой до 130 °С и температурой размягчения 190 °С.

Существующие органические стекла являются хрупкими материалами, поэтому (при наличии перепада давления) фонари кабин самолетов с таким остеклением разрушаются по всей площади при их осколочном пробивании.

Повышение механических свойств органических стекол достигается ориентацией молекул в высокоэластичном состоянии путем двухосного растяжения при одновременном нагреве до температуры, превышающей температуру размягчения стекла. Звенья молекул ориентируются вдоль направления действия внешней силы, и материал приобретает более высокую прочность и вязкость, чем с неориентированными молекулами (рис. 8.2). Степень упрочнения зависит от степени ориентации макромолекул, в частности от степени вытяжки. Детали остекления, выполненные из ориентированного органического стекла, имеют более высокую статическую и длительную прочность, менее чувствительны к концентраторам напряжений, более стойки против «серебрения» и сохраняют исходную теплостойкость.

 

 

Рис. 8.2. Влияние температуры на временное сопротивление и ударную вязкость ориентированного (1, 3)и неориентированного (2, 4)стекла

 

В настоящее время для изготовления деталей остекления кабин самолетов применяют органическое стекло марки Э-2, которое может быть ориентированным и неориентированным. Физические свойства ориентированного и неориентированного стекла аналогичны, однако механические свойства первого существенно выше.

Ниже приведены механические свойства ориентированного (числитель) и неориентированного (знаменатель) стекла марки Э-2 при комнатной температуре:

σв, МПа	109/83
Е, кПа	3,33/3,38
δ, %	11,5/3,8
КС, кДж/м^2	42,3/20,7

 

Ориентация обеспечивается равномерным растяжением неориентированного стекла в одной плоскости при температуре на 15...30 °С выше температуры его размягчения. Затем стекло охлаждают под нагрузкой. Степень вытяжки при формовании и ориентации не превышает 50 %. Затем проводят термическую обработку деталей при 160 °С в течение 6 ч с последующим медленным охлаждением.

Стекло марки Э-2 успешно применяют для остекления кабин самолетов в интервале температур от –60 до 130 ° С.

Недостатком органических стекол является склонность к «серебрению», которое представляет собой сетку микротрещин, значительно снижающих оптические свойства стекол. Стекло марки Э-2 отличается высокой стойкостью к «серебрению» в процессе эксплуатации.

Органические стекла можно применять до температур 200...250 °С. При более высоких температурах возможно использование теплостойких силикатных стекол, прозрачного ситалла и кварцевого стекла, которое выдерживает нагрев до температур выше 900 °С.

Поскольку при пробивании органических стекол возникает большое число осколков, то для остекления летательных аппаратов используют также безосколочное стекло – триплекс. Триплекс может быть силикатный и органический. Силикатный триплекс получают путем склеивания двух листов из силикатного стекла поливинилбутиральной пленкой, а органический – склеиванием двух листов из.органического стекла с помощью бутварной пленки.

Силикатный триплекс можно применять до 150... 180 °С, он имеет высокую абразивную стойкость и значительную плотность (2,5 г/см³). Силикатному триплексу трудно придать сложную форму, поэтому его используют для изготовления деталей остекления простой формы.

Физико-механические свойства органического триплекса определяются свойствами используемого для его изготовления органического стекла. Преимущество органического триплекса перед органическим стеклом состоит в том, что при больших ударных и статических нагрузках в нем возникает локальный очаг разрушения, а органическое стекло обычно разрушается полностью.

 

Газонаполненные пластмассы

 

Газонаполненными пластмассами называют легкие полимерные материалы с плотностью от 0,015...0,20 до 0,3...0,5 г/см³, получаемые из различных полимеров и синтетических смол вспениванием. В авиационных конструкциях применяют целый ряд легких и сверхлегких материалов с пористой структурой.

По макроструктуре газонаполненные пластмассы подразделяют на пенистые – пенопластны, имеющие замкнутую ячеистую структуру, и пористые с сообщающимися ячейками, порами – поропластпы. Пенопласты являются жесткими материалами, а поропласты эластичны, имеют губчатое строение. Механические свойства пенопластов следующие: σ_в = 0,7...4,5 МПа; КС = 0,5...2,5 кДж/м².

Свойства пенопластов зависят от их плотности и химической природы полимерной основы. Наиболее высокую прочность имеют плиточные пенопласты, получаемые из композиций на основе линейных термопластичных полимеров – полистирола марок ПС–1, ПС–4 и поливинилхлорида ПВХ. Максимальная температура эксплуатации этих материалов не превышает 60...70 °С. При более высоких температурах используют пенополиуретаны и пенопласты на основе фенолоформальдегидных смол и их сочетания с каучуком, а также пеноэпоксиды и пенополиимиды, вспениваемые непосредственно в замкнутых объемах конструкций.

Образование пористой структуры достигается введением в смолы газообразователей – порофоров, например (NH₄)₂CO₃, NaHCO₃, которые, разлагаясь при нагреве, выделяют газы NH₃, N₂, СO₂ и др. Широко используют органические газообразующие соединения: азодинитрил диизомасляной кислоты, полиизоцианаты, диизоцианаты. В авиационных конструкциях широко применяют термопластичные и термореактивные пенопласты (табл. 8.1).

ПС–1 – пенопласт на основе полистирола с газообразователем из азодинитрила диизомасляной кислоты. Плиты и формованные изделия из ПС–1 получают методом прессования: допускаются все виды механической обработки. Материал хорошо склеивается, фор муется, штампуется. Применяют его для изделий конструкционного и радиотехнического назначения в качестве легкого заполнителя слоистых конструкций, а также в качестве теплоизоляционного и труднозатопляемого материала, работающего в интервале температур от –60 до +60 °С.

Таблица 8.1

Свойства авиационных пенопластов

Пенопласты	ρ, г/см^3	σсж, МПа	КС, кДж/м^2	tmax *, °С
Термопластичные: ПС–1 ПВХ ПУ–104 Термореактивные: ФК–40 ФК–20–А20	0,07…0,35 0,11   0,060 0,18	0,3…7,0 0,7 0,17   2,0 0,85	1,7 0,7 0,38   2,2 0,64	65 60 130   120…130 250

*При длительной эксплуатации.

 

ПХВ – пенопласт плиточный, содержащий поливинилхлорид, полиметилметакрилат и газообразователи – карбонат аммония и гидрокарбонат натрия. ПХВ хорошо формуется при нагреве, склеивается. Применяют его для заполнения слоистых конструкций, а также в качестве теплоизоляционного и труднозатопляемого материала, работающего в воде, керосине и бензине при температурах от –60 до + 60 °С.

ПУ–104 – пенопласт, содержащий полиэфир, смолу и полиизоцианат. Детали из ПУ–104 получают на месте путем вспенивания жидких компонентов в формах или непосредственно в конструкциях. Вспененная масса отверждается при 130... 150 °С в течение 6...8 ч.

ФК–40 – пенопласт, содержащий фенолоформальдегидную смолу, азодинитрил диизомасляной кислоты, серу, отвердитель и акрилнитрильный каучук. ФК–40 получают вспениванием измельченного полуфабриката при плавном нагреве до температуры 150 °С. Применяют его для заполнения внутренних полостей деталей конструкционного, теплозвукоизоляционного и электроизоляционного назначения.

ФК–20–А20 – пенопласт, состоящий из фенолоформальдегидной смолы, азодинитрила диизомасляной кислоты, алюминиевой пудры ПАК–4, отвердителя и каучука СКН–40. Получают его вспениванием непосредственно в конструкциях. Он легко обрабатывается резанием, склеивается с пластмассами и металлами. Применяют ФК–20–А20 в качестве заполнителя слоистых конструкций, длительно работающих при температурах до 200...250 °С и кратковременно (до 1 ч) при 300...500 °С.