4. Термопластичные материалы.
Термопласты представляют собой большую группу полимерных материалов, особенность которых состоит в том, что при изменении температуры они меняют свое физическое состояние (размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении), не претерпевая при этом химических превращений.
Характерной особенностью полимеров является способность находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем, каждому из которых соответствует определенный комплекс свойств. Температурные интервалы перехода разных материалов из одного состояния в другое различны. В интервалах перехода наблюдается наиболее резкое изменение физико-механических и других свойств.
Переработка термопластов в изделия обычно проводиться в области вязкого течения (литье, экструзия) или в высоко эластичной области (ориентация, формование, штамповка).
Термопластам свойственны следующие характерные особенности, которые следует учитывать при использовании этих материалов:
Снижение механических свойств с повышением температуры, особенно в интервале температур размягчения.
Зависимость механических свойств от скорости деформации.
Склонность к ползучести во время значительных высокоэластичных и вынужденных эластичных деформаций.
Способность к упрочнению за счет молекулярной ориентации в процессе вытяжки, литья под давлением и прессования.
Стойкость к действию агрессивных сред и химических агрегатов (фторопласт, поливинилхлорид).
Высокие диэлектрические свойства.
Хорошие антифрикционные свойства.
Стойкость к действию плесневых грибков.
Термопласты не всегда обладают требуемым комплексом свойств. Для повышения характеристик этих материалов используются различные методы: ориентация, наполнение, физико-химическое модифицирование, нанесение поверхностных покрытий.
Ориентация позволяет повысить прочность термопластов в 2-5 и более раз.
Введением наполнителей улучшается механическая прочность, твердость, жесткость, теплостойкость, уменьшается ползучесть, повышаются фрикционные и антифрикционные характеристики.
К методам физико-химического модифицирования относятся термо и фотостабилизация, смешение полимеров в расплавах и химическое модифицирование. При термостабилизации повышается термостабильность, а следовательно и физико-химические свойства. Фотостабилизация дает возможность достичь высокой стойкости покрытий на основе полимеров при открытой экспозиции в условиях субтропического климата. Смешением полимеров в расплавах и с помощью химического модифицирования получают самозатухающие материалы и с повышенной огнестойкостью.
Нанесение поверхностных покрытий на металлы в виде аэродисперсий позволяет получить металлополимерные системы, обладающие свойствами металлов и полимеров.
Нанесение покрытий проводиться методом вихревого, вибро-вихревого, струйного, электростатистического и центробежного напыления в специальных установках, обеспечивающих нагрев предварительно подготовленной поверхности.
Покрытия формируются за счет тепла, аккумулированного изделием в процессе предварительного подогрева или дополнительной термической обработки.
Термопласты благодаря сочетанию ценных свойств применяются в различных областях авиационной техники для изготовления электро и радиодеталей, антифрикционных и уплотнительных деталей для агрегатов, работающих в агрессивных средах, деталей самого разнообразного назначения (уплотнительные шайбы, кольца, прокладки, втулки манжеты, буксы шасси, корпуса и детали приборов, транспортные заглушки, пробки, кнопки, рукоятки и панели внутренней отделки салонов, шкивы, шестерни). Эти детали изготавливают как из чистых термопластов, так и армированных различными наполнителями и арматурой.
Далее мы рассмотрим различные виды термопластичных материалов: органическое стекло; триплексы; полиамиды; фенилоны; полиэтилены; фторопласты; пленки и изделия из различных полимерных материалов; пенопласты.
Наиболее широко в авиационной технике применяются прозрачные термопласты органические стекла и триплексы на их основе.
История авиационной техники наглядно свидетельствует об усилении роли прозрачных элементов в конструкции летательных аппаратов. Если на заре авиации достаточно было установить на аэроплане небольшой прозрачный щиток или колпак для защиты пилота от набегающего потока воздуха и уже в 30-е годы, когда экипаж стал размещаться в закрытой кабине, возникли вопросы обеспечения достаточного обзора, защиты от внешних воздействий, прочности и надежности остекления. При рабочих температурах от –30 до +60ºС основным материалом для него служил целлулоид, обладавший ограниченной прозрачностью и высокой склонностью к горению. До войны в СССР были проведены работы по созданию органических стекол на основе полиметилметакрилата. Его прозрачность была высокой (90%), а горение медленным. Однако оргстекло обледеневало в условиях полета, легко царапалось, было склонно к старению, покрывалось сеткой мелких трещин “серебром”. Силикатное стекло из-за своей хрупкости, невысокой прочности и большого веса не находило применения в авиации. Разработанная технология воздушной закалки силикатного стекла, позволившая повысить прочность в 3 раза, дала возможность создания безопасного стекла-триплекса. Для защиты экипажа самолета от пуль была создана прозрачная броня на основе композиций из нескольких листов силикатного стекла, склеенных прослойкой пленки “бутафоль”. Повышение скорости полета до М1, а потолка до 10 км и более потребовало создания герметичных кабин. В остекление стали возникать большие напряжения от внутреннего избыточного давления, аэродинамических нагрузок и перепада температур.
Создание реактивных самолетов потребовало повышения теплостойкости остекления, способного выдержать аэродинамический нагрев выше 100ºС и улучшения противообледенительных свойств остекления.
Эти вопросы были решены развитием технологии триплексов на основе ударопрочного стекла с применением электрообогреваемых устройств в виде тонкой проволоки или электопроводящего покрытия.
Стекло стало важным силовым элементом конструкции летательного аппарата, обеспечивающем эффективность и безопасность полетов. К настоящему времени изделия авиационного и космического остекления превратились в изделия конструкционной оптики (ИКО), представляющие собой сложные оптические системы с высоким уровнем прочности и надежности, достигаемым на основе композиций из различных неорганических и органических прозрачных материалов, пленок и покрытий, герметиков и металлов.
Авиационные ИКО, предназначенные для остекления кабин, должны обеспечивать пилотам незатенненый, неискаженный, достаточно широкий обзор, сохраняющий удобства пилотирования при всех маневрах и режимах в условиях эксплуатации. Для дозвуковых самолетов угол установки любого стекла между нормалью к плоскости стекла и осью фюзеляжа составляет 50-55º, а для сверхзвуковых 60-65º. Деформация изображения при этом не должна превышать 10 угл мин на базе 200 мм.
Важнейшие требования к ИКО:
1 Детали ИКО должны выдерживать кратковременные и длительные статистические, а также динамические нагрузки, соответствующие требованиям, предъявляемым к конкретным ЛА, с высокой надежностью и ресурсом.
2 Коэффициент светопропускания должен быть в пределах 60-85%, светорассеяние не должно превышать 2,5%. Остекление должно исключать недопустимые изломы линии горизонта, приближение и удаление, деформацию и игру изображения (нарушение пропорций частей рассматриваемых объектов), не должно пропускать излучения, вредно действующие на организм человека.
3 Поверхность остекления должна быть абразивостойкой (устойчивой к царапанью и воздействию абразивных частиц) выдерживать дождевую эрозию, град.
4 Остекление не должно запотевать и обледеневать.
5 Выдерживать рабочие температуры от –60 до +200ºС (от типа ЛА).
6 Остекление должно быть легким.
Требования стойкости к внешним воздействиям – это стойкость к механическим факторам, синусоидальной и случайной широкополосной вибрациям, механическим ударам одиночного и многократного действия, линейному ускорению, акустическим шумам. Все авиационные ИКО, попадающие в аэродинамический поток, должны быть стойкими к соударению с птицей массой 1,8 кг при всех скоростях полета на высотах до 2500 метров. При столкновении остекление должно сохранять неразрушенным внутреннее стекло, обращенное в кабину; не должно происходить его опасного разрушения, потери герметичности, недопустимых нарушений видимости.
Для остекления боевых самолетов используются многослойные пулестойкие ИКО (прозрачная броня), конструкция которой зависит от заданных защитных свойств (калибр и скорость пули, угол встречи).
Для защиты от обледенения в конструкцию ИКО вводиться электронагревательный элемент, обогревающий наружное стекло. Защищенный от обледенения участок изделия должен перекрывать взлетно-посадочные и приборные зоны ИКО.
Для остекления фонарей кабин и салонов самолетов применяют органические стекла (термопласты) – полиметилметакрилаты (ПММА) СО-95; СО-120; СО-180; Э-2 и СО-200 и поликарбонат СО-150.
Органические стекла по сравнению с силикатными стеклами обладают пониженной в 2 раза плотностью и повышенной удельной ударной вязкостью. Стекла бесцветны, имеют уровень пропускания в видимой области 80-90%.
Благодаря сочетанию высокой светопрозрачности, низкой теплопроводности и хорошей термопластичности органическое стекло является основным материалом остекления фонаря летательных аппаратов. Важнейшие физико-механические свойства органического стекла сохраняются на достаточно высоком уровне в широком диапазоне температур, позволяя обеспечивать необходимую прочность конструкций.
Для остекления кабин летательных аппаратов, работающих в интервале температур от -60º до +60ºС применяется полиметилметакрилатное органическое стекло СО-95.
В качестве материала остекления кабин самолетов, работающих при tот –60º до +80ºС при полном прогреве и при перепаде температур до 120/30ºС, применяется органическое стекло марки СО-120 и ориентированное органическое стекло марки АО-120.
При температурах от –60º до +100ºС (при полном прогреве и перепаде температур до 140/30ºС) используется стекло марки СО-140.
Стекло органическое Э-2 (гомополимер винилового ряда) выдерживает температуру от –60º до +130ºС при полном прогреве и перепаде температур 260/30ºС.
Теплостойкие органическое стекло СО-200 (сополимер винилового ряда) имеет рабочий интервал температур от –60º до +200ºС работает при полном прогреве до +150ºС и при перепаде температур 260/80ºС.
Теплостойкие органические стекла Э-2; СО-200 разработаны и выпускались в России, не имея зарубежных аналогов, и были предназначены для остекления кабин сверхзвуковых самолетов МиГ-25; МиГ-31; ТУ-160 (показать фото остекления без каркаса и в каркасе). Начавшийся развал химической промышленности с 1990 года прекратил выпуск этих уникальных стекол с 1994 года на Дзержинском «Оргстекле» и «НИИ полимеров».
Органические стекла являются довольно хрупкими материалами, особенно в условиях одностороннего перепада давлений. Менее хрупкое ориентированное стекло. Детали остекления из этого материала при пробитии имею только локальное разрушение.
При вытяжке органического стекла в высокоэластичном состоянии (при температуре выше точки размягчения) звенья молекул ориентируются в направлении действия внешней силы, что приводит к упрочнению вязкости материала.
Двухосная вытяжка органического стекла приводит к его упрочнению в любом направлении в плоскости листа и зависит от степени вытяжки. Степень вытяжки εпр может быть вы вычислена по формуле:
Ориентированные органические стекла превосходят неориентированные по показателям пластических свойств – удлинению при разрыве, ударной вязкости, прочности при изгибе, локальности разрушения, сопротивлению возникновению и развитию трещин, длительной прочности.
|
Также для стекол |
СО – 120 |
А – 120 |
|
δв – предел прочности при растяжении |
780 кг/см2 |
850 кг/см2 |
|
Е – модуль нормальной упругости при растяжении |
29 кг/см2 |
31 кг/см2 |
Органическое стекло легко обрабатывается механическим способом. Из него можно получить детали остекления простой и сложной кривизны сравнительно простыми технологическими методами.
Все органические стекла изготавливаются в виде листов разной толщины от 0,5 мм до 30 мм и габаритами от 400х500 до 1400х1500. По специальному заказу изготавливаются крупногабаритные листы до 2000х3000 мм и даже переменной толщины с утонением в центре листа до 8,8±0,3 мм и по краям 10±0,5 мм. Такое стекло применяется для ОЧФ самолета ЯК-130 имеющие утонение в верхней части стекла ОЧФ до 5,5-6,0 мм и по периметру заделки более 6 мм (показать чертеж детали).
Изготовление листового органического стекла ведется заливкой исходного маномера в зазор между двумя силикатными полированными стеклами, загерметизированными трубкой ПВХ по периметру и сжатой струбцинами до требуемой толщины.
Залитый в зазор маномер полимерезуется в течении суток в ванне с горячей водой и последующим охлаждением в проточной воде.
Ориентированные органические стекла АО-120 и Э-2У получают путем растяжения по плоскости заготовок стекол СО-120 и Э-2 большей толщины (рассчитанной от заданного % ориентации) при температуре выше температуры размягчения с последующем охлаждением в растянутом состоянии. Этот процесс проводиться на специальных машинах горизонтальной ориентации, обеспечивающих зажим заготовки по периметру листа и удержанием его на всем цикле вытяжки. Для этого зажимы имеют каналы для охлаждения водой.
Стекла Э-2 и СО-200 для самолетов МиГ-25; МиГ-31 изготавливались в профилированном виде (по теоретическому контуру остекления кабины самолета) с заливкой в специальные стекломатрицы, изготовленные из силикатного стекла по технологии моллирования. Это придание контура двойной кривизны пакету набранного из силикатных стекол в формах (чугунных) моллирования при t= 700-1000ºС под собственным весом. При этом поверхность каждого листа пакета обрабатывалась сажой методом напыления. Производство стекломатриц было организовано на Борском стеклозаводе из силикатного полированного стекла 5-6 мм толщины на формах маллирования, изготовленных на нашем заводе, как и остальное оснащение для контроля и обрезки контура.
Все вышеперечисленные органические стекла являются термопластичными материалами, которые при нагревании размягчаются, а при охлаждение отверждаются. Это свойство стекла используется при изготовление деталей различной формы.
Органическое стекло обладает при определенных условиях склонностью к растрескиванию и образованию “серебра” (микротрещин).
“Серебро” вызывается напряжениями растяжения, которые могут возникнуть в деталях остекления при изготовлении или при эксплуатации.
На процессе образования “серебра” влияют также факторы, снижающие поверхностную прочность ОС: органические растворители, ультрафиолетовое облучение, интенсивные местные прогревы поверхности, воздействие горячей воды и др.
Поэтому при отработке технологии формования, механической обработки и других технологических операций, при проверке соблюдения режимов технологии рекомендуется производить определение уровня растягивающих напряжений в формованных деталей. Наличие напряжений устанавливается методом определения “серебростойкости” образцов стекла в ацетоне. Эта методика позволяет произвести испытание как образцов, вырезанных из детали, так на крупногабаритных деталях в местах, предполагаемых наибольших напряжений.
В первом случае образец помещается в емкость с ацетоном с полным погружением под слой жидкости. Образец выдерживают в ацетоне в течение 3 минут с контрольным просмотром через 1,5 минуты. Если в течении 3 минут на образце не появилось “серебро”, то стекло считается “серебростойким”.
Для наблюдения за появлением “серебра” образец извлекается из ацетона и его поверхность просматривается в проходящем свете под различными углами к источнику света (лампа 75 Вт) исключая испарения ацетона окунанием в емкость.
Для крупногабаритных деталей ацетон наносят ватным тампоном, пипеткой или капельницей на отдельные испытуемые места поверхности детали с обведенных валиком из пластилина, замазки, герметика для исключения растекания ацетона. Детали, прошедшие испытание эксплуатации не подлежат.
ОС категорически запрещается протирать органическими растворителями. В случае крайней необходимости разрешается протирать только нефрасом С3-80/120 (бензином). На деталях из ОС допускается устранение мелких механических повреждений шлифованием непосредственно на изделии вручную с помощью тампона из мягкой х/б ткани и шлифовального порошка зернистостью не крупнее 4 с последующем полированием полировочной пастой для ОС.
Изготовление деталей остекления
из органического стекла.
Качество деталей остекления зависит от выбора наиболее рационального метода формования, соблюдения требований технологии, а также от конструкции, материала и качества оснастки для формования.
Пластические свойства ОС позволяют путем формования изготовить из листового материала детали сложной формы.
Формование деталей остекления может осуществляться двумя основными методами:
Бесконтактным, когда оптические поверхности детали при формовании не соприкасаются с формовочным приспособлением;
Контактным, когда детали по всей площади контактируют с поверхностями формовочной оснастки.
Формование органического
неориентированного стекла.
Бесконтактное
