Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Більшість довоєнних літаків були склеєними з дерева і тканини. "Типовий представник" біпланів середини 1930-х років літак І-15 конструкції Н. Н. Полікарпова.

Але клей широко використовувався у виробництві літаків і пізніше, наприклад в фюзеляжі і крилах знаменитого винищувача Як-3.

Тонкі алюмінієві листи (товщина до 0,8 мм), з'єднані між собою Препреги зі скло або вуглеволокна, утворюють своєрідний сендвіч.

<

>

Історію створення клеїв і технології склеювання в ВІАМ можна розділити на два етапи: перший - з 1932 по 1959 рік (міцність клейових з'єднань в цей час не перевищувала 10 Мпа, або ~ 100 кгс / см2) і другий - з моменту утворення в 1959 році спеціалізованої клейовий лабораторії, очолюваної Д. А. Кардашова. До теперішнього часу тут створені клеї і способи їх застосування, що забезпечують міцність з'єднання 40-50 МПа і більше.

У 30-х роках для виробництва літаків використовували сосну, білковий фанеру і казеїновий клей. Під дією вологи, неминуче потрапляла на деталі конструкції при експлуатації, міцність і основного матеріалу, і клейових з'єднань знижувалася. Більш того, ці матеріали були відмінним живильним середовищем для різних мікроорганізмів (казеїнові клеї готують зі звичайного молока) і літак починав просто гнити, провівши під відкритим небом всього 5-6 місяців. Підвищити атмосферостойкость дерев'яних конструкцій вдалося, коли були створені синтетична заміна клею з натуральних продуктів і нові конструкційні матеріали на основі дерева - дельтадревесіни. Першими синтетичними клеями, створеними в ВІАМ, стали ВІАМ Б-3 і ВІАМ Ф-9. З їх появою були розроблені і нові технологічні процеси склеювання. У період з 1930 по 1950 рік ці клеї використовували для виробництва літаків дерев'яної і змішаної конструкції (із застосуванням металу). Клеєну були такі відомі і широко поширені в довоєнний і воєнний час літаки, як полікарповських Р-5, І-15, І-16, яковлевские Як-З, Як-7Б, літаки Лавочкіна ЛаГГ-1, ЛаГГ-3, Ла-5 і Мікояна МіГ-1. З машин цих типів (а це майже 16 тис. Примірників) 85% були в основному клеєний. Якщо ж врахувати, що в цей період випускали велику кількість цельнодеревянних десантних планерів і що в багатьох серіях металевих літаків Іл-4 і Ту-2 через дефіцитності дуралюмина консолі крила і носову частину фюзеляжу виготовляли з використанням деревини та фанери, то стає зрозуміло, наскільки широко використовувався клей в авіації довоєнного і військового періодів.

На другому етапі почалися інтенсивні роботи зі створення клеїв конструкційного призначення, теплостійких клеїв для ракетно-космічної техніки, для склеювання гумотехнічних виробів і неметалевих матеріалів. Значно розширилися межі температур, при яких треба було працювати новим клеїв. Так, якщо для літаків 30-40-х років ХХ століття нижню межу температу ри становив, як правило, 50оС, а верхній не перевищував 100-110оС, то з початком розвитку реактивної і ракетної техніки ці межі розширилися: від -269 до + 1600 ° С. Сьогодні в ВІАМ розроблено понад 100 марок синтетичних клеїв, придатних для експлуатації в цьому інтервалі температур.

Крім екстремальних температур клеї повинні витримувати і найрізноманітніші кліматічес кі умови - від вологих тропіків до посушливих пустель, від м'якого європейського клімату до суворих арктичних зим. Сучасні клеї забезпечують надійну роботу металевих і неметалевих конструкцій в самих неймовірних умовах.

Першими конструкційними клеями, призначеними для склеювання металів, були фенолокаучуковие. Поєднання в одному клеї фенолоформальдегидной смоли і каучуку дозволило використовувати позитивні властивості як першого, так і другого компонента - клей зберігав міцність і достатню теплостійкість фенолоформальдегидной смоли і набував еластичність, властиву каучукам, завдяки чому міг працювати при впливі відшаровується і ударних навантажень.

Розробка вітчизняних фенолокаучукових клеїв допомогла вирішити найважливішу економічну задачу створення перших силових клеєних авіаційних конструкцій з високим ресурсом і надійністю. Завдяки їх використанню авіаційні ОКБ розробили принципово нові клеєні конструкції вузлів і агрегатів, що володіють високою ефективністю в порівнянні з конструкціями, виготовленими традиційними методами (збірка клепкою, зварюванням, пайкою і т.д.). Фенолокаучуковие клеї ВК-3, ВК-32-200, ВК-25, ВК-50 впроваджені практично на всіх авіазаводах країни. На вертольотах Московського вертолітного заводу ім. М. Л. Миля встановлені лопаті несучих і рульових гвинтів цельноклеёной конструкції. Це дозволило знизити трудомісткість виготовлення агрегатів в 4-6 разів, збільшити ресурс в 10 разів, а вагову ефективність підвищити в 2-3 рази. Вперше з використанням цих клеїв створені силові клеєні стільникові конструкції.

На жаль, незважаючи на ряд позитивних властивостей, у фенолокаучукових клеїв є і недоліки. Перш за все, до них відносяться необхідність прогріву клейового шва до 150-200 ° С для його затвердіння і докладання значних зусиль на з'єднання: тиск при склеюванні досягає 1 МПа (~ 10 кгс / см2). Це не дозволяє застосовувати такі клеї для скріплення природно постарених алюмінієвих сплавів. А вони мають суттєву перевагу перед штучно постареним по втомної міцності і корозійної стійкості (про технологію старіння алюмінієвих сплавів см. На стор. 50). Не можна використовувати фенолокаучуковие клеї для виготовлення конструкцій з полімерних композиційних матеріалів, оскільки через високий тиску склеювання відбувається викривлення конструкцій.

Клеї на фенолоформальдегидной основі виділяють при затвердінні летючі речовини. Для їх видалення з конструкції в стільниковому заповнювачі роблять перфорацію - дрібні отвори, що знижує його міцність. Крім того, при експлуатації таких конструкцій в них потрапляє волога, яка призводить до корозії стільникового заповнювача. У деяких випадках вологи накопичується стільки, що вона може порушити ваговій баланс і нормальну експлуатацію стільникового агрегату.

В інституті розроблені високоміцні плівкові клеї на основі модифікованих епоксидних олігомерів, вільні від перерахованих недоліків, створені клеї вдвічі більшої міцності. Але окрім збільшення міцності вдалося значно поліпшити і технологічні властивості нових клеїв. Для них не потрібно рідкий подслой або підігрів при накоченні плівки до субстратів, при їх затвердінні виділяється не більше 2% летючих речовин і, отже, не потрібно перфорація. В результаті трудомісткість технологічного процесу склеювання знизилася в порівнянні з фенолокаучуковимі клеями на 40%, підвищилася культура виробництва, зменшилися пожежонебезпека і забруднення навколишнього середовища, значно покращилися умови праці. Високоміцні плівкові клеї застосовують в найбільш навантажених і відповідальних агрегатах планера для склеювання стільникових і шаруватих конструкцій з металів і полімерних композиційних матеріалів.

Для склеювання деяких елементів стільникових конструкцій (з'єднання блоків стільникового заповнювача між собою і з елементами силового каркаса) в інституті створені вспенивающем клеї. При затвердінні вони збільшують товщину клейового шару в 1,5-3 рази і завдяки цьому заповнюють нерівності між сполучаються елементами.

Міцність клейових з'єднань стільникових конструкцій, виконаних спінюються клеями, становить близько 5 МПа, що в багатьох випадках перевищує міцність стільникового заповнювача. Важливо, що режими затвердіння спінюючих клеїв збігаються з режимами затвердіння високоміцних плівкових клеїв, і це дозволяє виготовляти агрегати з застосуванням як основного високоміцного, так і полістиролу клею за одну технологічну операцію.

Починаючи з 1985 року інтенсивно розвиваються роботи зі створення нового класу конструкційних матеріалів - довгоживучих клейових препрегів на основі високоміцних клеїв і скло-і угленапол вача. Препреги називають напівфабрикати, що складаються з суміші компонентів реактопласту і наповнювача у вигляді безперервних волокон, тканин або паперу. При використанні в якості наповнювача дрібних частинок напівфабрикат називається преміксом. Після введення всіх компонентів плинність суміші залишається високою, вироби з неї можна формувати заливкою (литвом), контактним формуванням, намотуванням. Технологічне оснащення для формування виробів з преміксів і препрегів проста, і енергетичні витрати на обробку невисокі.

Застосування клейових препрегів дозволяє виготовляти агрегати складної стільникового конструкції за одну технологічну операцію. При цьому скорочуються трудовитрати, витрати енергії, кількість використовуваної оснащення і шкідливі викиди в атмосферу. Особливо важливо і те, що маса готових панелей знижується майже на 0,4 кг / м2. Виготовлена ​​з них обшивка в 10 разів більше герметична, ніж звичайна, що особливо важливо для стільникових конструкцій.

На основі клейових препрегів виготовляють скло і вуглепластики. Ці матеріали в порівнянні з аналогічними традиційними мають більш високі тріщиностійкість (на 40-50%), міцність при межслоевом зсуві (на 20-35%), втомну і тривалу міцність, краще зберігають міцності після впливу різних зовнішніх факторів (вода, волога, паливо, масла, підвищені температури).

В даний час конструкційні плівкові клеї і препреги застосовуються практично у всіх видів продукції авіаційної і ракетно-космічної техніки. З використанням клейових препрегів розроблений шаруватий алюмополімерний матеріал СІАЛ, що володіє підвищеними надійністю і ресурсом. За опору втоми, в'язкості руйнування, статичним механічними властивостями, ударо і вогнестійкості він перевершує монолітні листи з традиційних алюмінієвих сплавів, які в даний час застосовують в авіації. Шаруваті матеріали мають також знижену щільність. За створення високоміцних клеїв і препрегів і впровадження їх в перспективні вироби група співробітників ВІАМ удостоєна Державної премії Росії.

Для склеювання металів і різних неметалічних матеріалів в клейових і комбінованих з'єднаннях (клееклепанних, клеесварних, клеерезьбових) в інституті розроблені пастоподібні клеї холодного і гарячого затвердіння. Зараз їх широко використовують не тільки в авіаційній, а й в автомобільній промисловості, в кораблебудуванні, приладобудуванні і в багатьох інших галузях. Міцність при випробуванні на зрушення алюмінієвих зразків, склеєних клеями цього класу, знаходиться в межах від 20 до 35 МПа при подовженні від 25 до 125%. Витривалість клеєних, клееклепанних і клеесварних конструкцій в поєднанні з високою водо- і тропікостойкостью збільшує ресурс виробів. Маса ж конструкції (в порівнянні зі звичайною клепаной) помітно знижується.

У ВІАМ виконано великий обсяг робіт зі створення клеїв для склеювання сирих гум з металами в процесі вулканізації, вулканізованих гум з резинами, гумовотканинними матеріалами і металами.

За останні 15-20 років в побуті стали надзвичайно популярні липкі стрічки скотчи - плівкові клеї з постійною липкостью. Між іншим, ці матеріали використовуються і в авіації. У ВІАМ розроблені липкі стрічки для кріплення килимових покриттів, декоративно-оздоблювальних плівок, теплозвукоізоляції, для тимчасового ремонту лакофарбового покриття на зовнішній поверхнос ти планера літаків. Липкі стрічки виготовляють на різних засадах: папері, плівці, піні, нетканих матеріалах, фользі.

У 90-х роках ХХ століття набуло розвитку науковий напрямок по створенню клеїв із спеціальними властивостями для авіаційного приладобудування. Це, наприклад, електропровідні клеї з питомим об'ємним електричним опором 10-4-10-6 Ом.м для кріплення радіоелементів; теплопровідні клеї, клеї з високими електроізоляційними властивостями; вакуумно-щільні клеї, що забезпечують герметичність при вакуумі 10-8 мм рт.ст. (1,33 мкПа).

Фахівці інституту А. П. Петрова, Н. С. Рогов, Н. Ф. Лукіна, М. Г. Лур'є та інші створили карборансодержащіе термостійкі клеї, зокрема фенольнокремнійорганіческіе, поліуретанові, неорганічні, працездатні до температур 1600оС.

Ось і відповідь на питання, поставлене на початку статті: в сучасному літакобудуванні, так само як і в інших високотехнологічних галузях, без клею не обійтися. Більш того, на думку багатьох фахівців, кількість використовуваних в промисловості клеїв (і по їх сумарній масі, і по числу видів) дуже точно відображає рівень розвитку виробництва і технології: чим вище рівень, тим більше потреби в клеях.

Див. В номері на ту ж тему

Е. Кабл - ВІАМ - національне надбання.

А. ЖИРНОВ - Крилаті метали і сплави.

І. ДЕМОНІС - У всі лопатки.

М. Бронфін - Випробувачі - дослідники і контролери.

Академіки дають дозвіл на безпосадочний переліт Н. С. Хрущова в Нью-Йорк на наддалекі літаку ТУ-114.

І. ФРІДЛЯНДЕР - Старіння - не завжди погано.

Б. ЩЕТАНОВ - Тепловий захист "Бурана" почалася з листа кальки.

С. МУБОЯДЖЯН - Плазма проти пара: перемога за явною перевагою.

БЮРО НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ.

Е. КОНДРАШОВ - Без неметалевих деталей літаки не літають.

І. КОВАЛЬОВ - В науку - зі шкільної лави.

С. КАРІМОВА - Корозія - головний ворог авіацііc.