Применение термопластиков в авиакосмической промышленности.

Цель наших публикаций - ознакомить Вас с существующими термопластичными связующими и некоторыми примерами их применения в мире. Тема, которую мы будем освещать, имеет огромное количество областей использования, включая: авиастроение, автомобилестроение, баллистика, технический текстиль, электроизоляция и многое другое. В данной статье мы уделили особое внимание применению термопластиков в авиакосмической промышленности.

Что же такое термопластичное связующее?

Термопласты — полимерные материалы, которые при обычной температуре находятся в твёрдом состоянии, а при её повышении они переходят в высокоэластичное и далее в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность формования их различными методами. Эти переходы обратимы и могут повторяться многократно, что позволяет, в частности, производить переработку бытовых и производственных отходов из термопластов в новые изделия.

Полимеры-термопласты могут иметь линейное или разветвлённое строение, быть аморфными (полистирол, полиметилметакрилат) либо полукристаллическими (полиэтилен, полипропилен).

Термопластичные связующие широко распространены, и мы постоянно сталкиваемся с их применением. Примеры наиболее распространённого применения:

• PET (Пентаэритрит) – Бутылки для воды и содовой
• PP (Полипропилен) – Упаковочные контейнеры
• Поликарбонат – Линзы защитных очков
• PBT – Детские игрушки
• Vinyl (Винилопласт) – Оконные рамы
• PE (Полиэтилен) – Полиэтиленовые пакеты
• PVC (ПВХ) – Трубные материалы
• PEI (Полиэтиленимин) –Подлокотники в самолетах
• Nylon (Нейлон) – Обувь

В таблице 1 вы можете ознакомиться с существующими термопластичными связующими.

Табл.1

При производстве полимерного композиционного материала на основе термопластичной матрицы в качестве армирующего материала используется: стеклоткань, углеволокно, арамидное волокно, базальтовое волокно, нетканые материалы, а также используется пена и препреги. Всё ранее перечисленное повышает механические свойства изделия и технически рассматривается как композиционный материал.

Если проводить сравнение между термопластичными и термоотрвеждаемыми композитами, то можно выделить ряд явных преимуществ первых.

Преимущества термопластичных связующих относительно термоотверждаемых связующих.

С точки зрения самого материала, термоотверждаемые композиты, когда их нагревают, не могут быть переплавлены или переформованы, в то время как термопластичные композиты – это перерабатываемые в расплаве полимеры, что обеспечивает более простой процесс производства.

Например, термопластики нагреваются, плавятся или размягчаются, им придается форма и затем они охлаждаются до конечной твердой формы, что позволяет легко их перерабатывать и ремонтировать.

Термопластики, из сырых материалов, имеют очень высокий гарантийный срок хранения, а также стоимость их намного ниже, чем у термоотверждаемых композитов (а именно препрегов), у которых стандартный гарантийный срок составляет менее 6 месяцев и требует затратного хранения при определённой температуре.

Преимущества термопластиков:

• в четыре раза более вязкие по сравнению с термоотверждаемыми композитами, что приводит к более высокой ударной прочности и они более устойчивы к разрушению.
• нечувствительны к авиационным жидкостям, химическому воздействию и, нечувствительны к влажности.
• обладают высокими характеристиками по пожаробезопасности, задымлению и токсичности.

Обычно термопластики нагреваются, формуются и охлаждаются быстро, в то время как термоотверждаемые связующие имеют более длительное время (десятки минут, а иногда и часы) выдержки при определенной температуре для достижения отверждения. В конечном счете при выборе термопластичного связующего Вы значительно сокращаете затраты на электроэнергию.

Термопластики и их инновационная обработка исключают необходимость формования в автоклаве, что сокращает капитальные затраты, требования к производственной площадке и проблемы технологической переработки относительно термоотверждаемых препрегов.

Обработка термопластиков вместо термоотверждаемых композитов является прекрасным решением проблемы защиты окружающей среды. Термопластики по определению могут быть полностью переработаны, и во время их обработки практически не выделяются летучие органические вещества (ЛОВ).

Применение термопластиков в авиакосмической промышленности.

В аэрокосмической отрасли существует ряд причин использовать более дорогие термопластичные связующие вместо термоотверждаемых.

Для авиакосмического сектора, в основном используют 3 типа связующих:

• PPS (полифениленсульфид),
• PEEK (полиэфироэфиркетон)
• PEI (полиэфиримид).

PEEK (полиэфироэфиркетон)

PEEK – это самый известный представитель жаропрочных термопластичных связующих с температурой плавления 335°C (635°F). Применяемый в промышленности уже более 20 лет, он обладает самыми высокими характеристиками из имеющихся на рынке термопластиков, и считается основным материалом среди термопластичных препрегов, используемых в авиакосмической промышленности.

PEEK обладают стойкостью практически ко всем органическим и неорганическим химическим веществам. Они также не поддаются гидролизу при температуре до 280°C (536°F). С другой стороны, они не устойчивы к воздействию ультрафиолетового (УФ) излучения, концентрированной азотной кислоты, общего окисления и некоторых галогенированных углеводородов. Это один из самых дорогих конструкционных термопластиков, поэтому в промышленности существуют всего несколько поставщиков.

PEI (полиэфиримид)

PEI – это высококачественное огнестойкое термопластичное связующие, которое относится к группе жаропрочных пластиков – до 200°C (392°F) с низким выделением дыма. Он используется в качестве композитной матрицы в многочисленных внутренних конструкциях воздушного судна, включая панели перекрытия, герметические перегородки и другие компоненты. К сожалению, PEI подвержен действию противообледенительных жидкостей, что мешает его широкому применению в наружной части самолета.

Он обладает очень высокой прочностью, которая может быть в дальнейшем увеличена с помощью добавления стекло- или углеродных волокон. PEI обладает высокой диэлектрической прочностью, устойчив к гидролизу и не поддается воздействию ультрафиолетового и гамма излучения.

PPS (полифениленсульфид)

PPS - самый дешевый полимер из трех термопластиков, доступных к использованию в авиакосмической промышленности. Среди примеров успешного применения PPS композитов можно отметить створку шасси для Fokker 50, передние кромки неподвижного крыла для Airbus A340 и A380, продольные нижние балки, кронштейны и многое другое.

Этот высококачественный термопластик - не только чрезвычайно прочный, жесткий и плотный, но и обладающий природной огнестойкостью и жаропрочностью при непрерывной эксплуатации при температурах значительно выше 200°C (392°F). Он также очень устойчив к окислению и воздействию химических веществ, впитывает минимальное количество воды, обладает хорошими электрическими и превосходными техническими свойствами, а также низкой вероятностью деформации.

Эти три представляющих интерес для композитного рынка полимера – PEEK, PEI и PPS – все чаще применяются в авиакосмической промышленности. В то время как долгосрочные вложения в улучшение качества PEEK материалов привели к созданию хорошей базы данных и истории полетов. Так как эти полимеры получают более широкое признание в промышленности, ожидается снижение затрат на все авиакосмические композитные материалы.

Снижение веса – еще одно преимущество термопластичных препрегов. Несущие конструкции самолетов заменяются термопластиками. Более легкие авиалайнеры значительно помогают снизить затраты на топливо и эксплуатацию, что очень важно с точки зрения экономии.

Композиты захватывают все больше областей применения традиционных металлов в воздушном судне. Они достигли такого уровня развития, что некоторые сложные детали, производимые из термопластика невозможно изготовить из металла. И даже если эти детали получится изготовить из металла, затраты будут непомерно высокими.

Сегодня порядка 1000 деталей для авиалайнера Airbus A380, который весит больше 2,5 тонн, производится из композитов с PPS матрицей. Этот высококачественный композитный материал используется в наружных частях самолёта, например, в передних кромках крыла или в нервюрах и крепежных элементах, которые укрепляют фюзеляж. Применение во внутренних конструкциях включает поясничную опору, изготовленную из упрочненных углепластиков и встроенную в спинку кресла. Она весит всего 150 грамм, тогда как аналогичная опора из алюминия весит 280 грамм – почти в два раза больше.

В ближайшем будущем будут установлены патентованные модульные рамы из термопластика, для пассажирских сидений, что поможет еще больше снизить вес и затраты. Эти каркасы сидений производятся из PPS термопластика, соединенного с углеволокном, для изготовления недорогой ленты. Эта лента нарезается по заданной ширине и сплетается, а затем используется для изготовления высококачественных однонаправленных заготовок, которые могут быть быстро помещены в специальные формы и за считанные минуты превращаются в готовые изделия.

Новые рамы сидений из PPS композитов весят значительно меньше, чем их алюминиевые аналоги и при этом отвечают высоким требованиям крутящей нагрузки. Они также соответствуют требованиям Федерального авиационного управления США по огнестойкости и токсичности, по которым уже невозможно выполнять каркасы сидений из термоотверждаемых связующих.

На основе зарубежных изданий и производителей, термопластичные связующие начали применяться в высокотехнологических пластиках в авиастроении. Например, производитель TICONA FORTRON использовал материалы на основе PPS (полифенилен сульфид) и углеродного волокна в определенной пропорции для коммерческого авиационного транспорта нового самолета Gulfstream серии G 650 еще в 2009 году. Затем препрег на основе термопластичной матрицы из углеродного волокна попал и в Airbus А 350 XWB, а так же А380, конечным производителем продукта является компания Ten Cate, серия Cetex. Так же, в данном секторе авиастроения и высокотехнологичных пластиках представлены такие компании, как: CYTEC (марка DECLAR), Porcher industries или к примеру Toho Tenax (марка Tenax TPUD или TPCL).

Gulfstream G650 бизнес-джет с первым в своем роде рулем управления из термопластичных композитов на основе Fortron® полифениленсульфид (PPS), разработанного компанией Royal Ten Cate.

Carbon/ Fortron® полифениленсульфид (PPS) композиты используются в пассажирском сиденье (авиация) производителем Dynamics inc.

Fortron (Ticona)® на основе PPS применяются в аэрокосмической сфере при производстве сложных изделий, таких как передняя кромка крыла Airbus A380. Они были выбраны благодаря низкой стоимости и превосходному исполнению в критических окружающих условиях.

Вполне успешно наши российские институты разработали собственные материалы, к примеру ЦНИИ КМ ПРОМЕТЕЙ разработал новый материал УПФС – на основе термопластичного связующего PPS и углеродного волокна Т-15, получив на него патент.

Ниже, представлены некоторые примеры и характеристики термопластичных связующих.

*Огнестойкость, концентрационный критерий- кислотный индекс КИ

Производство термопластичных препрегов основывается на методе расплавных технологий, то есть пропорционального нанесения порошкового связующего на ткань (материал), расплав данного связующего, прессование (пропитка), нагрев и/или охлаждения, в зависимости от задач. Ранее производство термопластичных препрегов сдерживал факт дорогостоящего оборудования и отсутствие возможности точно отследить долю процентного состава термопластичного связующего в препреге, что влияло на качество продукта.

Сейчас эту проблему устранили такие компании как: RELIANT MACHINERY (представитель в России компания «ИК-ТЕХНОЛОГИИ»), которые производят оборудование для расплавных технологий туннельного типа, или небезызвестная в России, компания MIKROSAM (представитель в России компания «CARBON STUDIO») - оборудование каландерного типа.

В следующем номере, мы более подробно разберем термопластичную матрицу PPS (полифениленсульфид), рассмотрим производителей, области применения, характеристики и требования, предъявляемые к данному термопластичному препрегу.

С более подробной информацией, Вы можете познакомиться на нашем сайте www.carbonstudio.ru или просто связаться с нами.

192236, Россия, Санкт-Петербург, Софийская д.8

Тел/факс +7(812)363-43-77

E-mail: carbonstudio@yandex.ru

E-mail: carbon@carbonstudio.ru

www.carbonstudio.ru