СКЛЕИВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

ПРИМЕНЕНИЕ КЛЕЕВ В СЛОИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ С ЛЕГКИМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

Одним из самых ответственных и новых применений ’«лееп ДЛЯ металлов является изготовление конструкций типа «сэндвич». Они состоят обычно да сердцевинного материала легкого веса — запол­нителя, прикрепленного с двух противоположных сторон к металли­ческим обшивкам. Американское общество испытания материалов да от следующее довольно широкое определение такого рода кои-

струкциям и материалам: «Слоистая конструкция из сочетания раз­личных разнохарактерных простых пли сложных материалов, со­бранных и прочно скрепленных друг с другом так, чтобы, используя свойства отдельного материала, добиться определенных преимуществ для конструкции к целом».

Практически в слоистых конструкциях сэндвич (фиг. 72) всегда имеются три элемента: две обшивки и сердцевина. Функция сердце­вины — разделить обшивкн для создания панели, достаточно жест­кой, чтобы предотвратить общую эйлеровскую потерю устойчиво­сти (упругую неустойчивость) и удерживать обшивки от местного выпучивания под напряжением. Поэтому иногда трехслой-ные пане­ли сэндвичевого типа называют панелями с «разнесенной» обшив­кой. Под названием «сэндвич», «трехслойные материалы с заполни

тел ем» или «слоистые конструкции с заполнителем» понимают как полуфабрикат —- листовой слоистый материал, так и конструктивные элементы различных форм и габаритов, которые. представляют со­бой сочетание двух обшивок с заполнителем между ними.

Сочетание сердцевины из легкого по весу материала и относи­тельно прочных обшивок даст прочную, легкую, высоко эффектив­ную конструкцию пригодную для ответственных и неответственных агрегатов в самолетах и управляемых летающих снарядах, в кузо­вах автомобилей, железнодорожных вагонах, жилищном строитель­стве, в ■производстве мебели, в контейнерах для перевозки грузов и т. п. В настоящее время уделяется большое внимание этим мате­риалам, как пригодным для декоративных целей.

Крепление решетчатой или сотовой сердцевины к металлической обшивке дает возможность применять сравнительно тонкие обшивки и создавать конструкцию, которая выдерживает без выпучивания более высокие сжимающие нагрузки, чем от. на толстая обши »ка, при одинаковом весе. При сжатии неподкрспленная металлическая об­шивка может прогнуться в ту или иную сторону при напряжениях гораздо меныиих, чем предел прочности материала на сжатие. Если имело место выпучивание при сжатии, то этот лист обшивки не в состоянии выдерживать дальнейших сжі мающих нагрузок. В само летах такое выпучивание обшивки хорошо знакомо и часто обхо­дится дорого, так как оно может привести к преждевременному усталостному разрушению кс-нструкции.

Чтобы устранить возможность появления выпучивания обшивки в конструкциях с «работающей» обшивкой, последнюю подкрепляли металлическими элементами жесткости — стрингерами — с помощью клепки, точечной сварки или оклеивания. Чем больше таких элемен­тов жесткости, т. е. чем меньше промежутки между ними, тем бо­лее высокие сжимающие нагрузки могут выдерживать конструкции без потери устойчивости обшивки. Там, где вес является важным фактором, учитываемым при конструировании изделия и. расчете его на прочность (как в авиации), существует предел, за которым даль нейшее добавление элементов жесткости становится нецелесообраз­ным.

Простое и эффективное решение этой проблемы заключается в использовании конструкций с заполнителем. Стенки ячеек сердце­вины, скрепленные с обшивкой ('Имеется в виду сотовый заполни­тель), играют роль элементов жесткости, сокращая размеры уча­стков обшивки, не имеющих опоры. В результате достигается преи­мущество в весе и простоте изготовления. Кроме того, обшивка практически поддерживается во всех точках ее поверхности, .осо­бенно при использовании в качестве за галнителя материалов, значи­тельно более гомогенных, чем соты, например, мелкопористых или мелкоячеистых пенопластов.

Такие конструкции возможны только в том случае, если сердце - вину можно хороню соединить с обшивками. Попытки применять заклепки или точечные сварные швы в цельнометаллических слои­стых конструкциях с сотовым заполнителем потерпели неудачу ■вследствие чересчур большого количества требующихся отдельных креплений. В «настоящее время установлено, что склеивание являет­ся наиболее подходящим способом изготовления этих конструкций. Разнородные материалы сердцевины и обшивок возможно и удобно соединять только клеем.

JI. Марквардт, заместитель директора Лаборатории лесных ма териалов, в 1951 г. так охарактеризовал ведущую роль клеев в этом отношении: «Важное значение клеев нельзя переоценить. Они яв­ляются ключом к сэндвич-конструкциям».

§ 42. Материалы обшивки и заполнителя

Цель создания материала или конструкции типа «сэндвич» — по­лучить изделие легкого веса, но высокой прочности. Поэтому серд­цевинный материал (заполнитель) должен быть как можно более легким. Вместе с тем он должен быть достаточно жестким и проч­ным, чтобы противостоять сдвигающим и сжимающим напряжениям, которым ои может подвергнуться при передаче силового потока от одной обшивки к другой. Материалы обшивок, которые стабилизи­руются сердцевиной, часто должны служить многим целям в зави­симости от применения. Во всех случаях обшивки несут основные нагрузки. Они должны противостоять изгибающим, растягивающим, сжимающим и скручивающим силам. Поэтому от свойств обшивок в большой степени зависят несущая способность и долговечность конструкции. Кроме обеспечения стабильности размеров и жестко­сти конструкции в целом, от обшивок могут потребоваться аэроди­намически гладкие поверхности, декоративные поверхности, иногда поверхности, стойкие к истиранию (для платформ), и т. п. Для выигрыша в весе обычно применяют наиболее тонкие обшивки, от­вечающие, однако, требованиям прочности[17].

Самым ранним материалом для сердцевины была древесина с нивкой плотностью. Слоистый материал «Метэлайт», разработанный а широко используемый фирмой Чанс Воут, состоит ив облицовок из алюминиевого сплава, склеенных с торцевой поверхностью дре­весины бальзы клеем на фенольной основе (например, Дюрез 12041 и Сайклвелд). Метэлайт в настоящее время широко' используется в стабилизаторах и 'Крыльях морских истребителей «Корсар». Этот материал также опробовали при изготовлении лыж. Таким образом можно получить облегченные, более прочные и долговеч-ные гладкие лыжи. Подобные металл—бальза—металл конструкции, склеенные ридаксом, как сообщают, применяются в управляемых летающих снарядах «Регулюс» Морских Воєнно воздушных сил США.

Пенопласты, губчатые резины и материалы в виде сот приобре­тают все более важное значение в качестве сердцевинных материа­

лов. Иногда с этой целью используют фанеру и фибру. Плотность материалов-заполнителей обычно составляет 0,05—0,26 г/см-У В число губчатых материалов или пен входят: ячеистый ацетат целлюлозы (дю-Понт), ячеистый твердый эбонит на основе синтети­ческого каучука (фирмы Спондж Раббер Продактс), вспененный по­листирол (например, Стирофоум фирмы Доу Кемикэл) и вспенен­ные силиконовые смолы (фирмы Доу Кориинг), которые обладают высокой теплостойкостью, но являются недостаточно прочными для большинства конструкционных применений. Ведутся работы даже над пеной из алюминия (Бьоркстенопская исследовательская лабо­ратория) .

В настоящее время известны материалы, которые можно вспе­нить непосредственно в изделии. Они соединяются с предварительно приготовленными металлическими обшивками во время процесса вспенивания смолы. Имеются в распоряжении 'Промышленности пенопласт «Локфоум», разработанный фирмой Локхид. и некоторые другие материалы, также основанные на реакции изоцианатов с алки­лами в присутствии влаги или кислот. Был разработан ряд иных ком­позиций, пригодных для вспенивания в изделии и обладающих более высокой теплостойкостью.

За последние несколько лет все большее значение приобретают материалы в виде сот. Они изготовляются параллельным склеива­нием листов или полос в местах выступающих участков и образуют подобие пчелиных сот. Широко используются соты из бумаги, хлоп­чатобумажной и стеклоткани, обычно пропитанных термореактивной смолой, а также соты из тонкого металла. Алюминиевые соты имеют особенно важное значение в настоящее время в авиационной про­мышленности, хотя пропитанные смолой бумажные соты благодаря •их дешевизне имеют большие потенциальные возможности для не­военных применений. Стальные соты предназначаются для объектов, эксплуатирующихся при высоких температурах.

Механические свойства любого матерпала-за-полнителя сильно зависят от его плотности, возрастая почти линейно с увеличением плотности. В качестве облицовочного материала (обшивок) особен но широко используются алюминиевые сплавы в виде листов, такие, как 75ST6. 24ST3 и 14ST6. Толшина листа обычно бывает от 0,3 до 1,6 мм. Плакированные листы предпочтительнее иеплакирован пых благодаря их лучшей стойкости против коррозии.

Облицовки из листовой стали предпочитают алюминиевым в тех случаях, когда скорее требуются более высокая механическая проч­ность, температурная и абразивная стойкость, присущие стали, чем высокая коррозионная стойкость и легкий вес, свойственные плаки­рованному дуралюмину. Примерами применения стальных облицо­вок являются лопасти пропеллеров, передние кромки лопастей гели­коптера и наружная обшивка летающих снарядов (эти обшивки приклеиваются специальными теплостойкими клеями, описанными в главе IV).

Хотя с облицовками из магниевых сплавов были проведены толь, •ко экспериментальные работы, высокое отношение жесткости к
удельному весу магния делает его достойным внимания иі в даль­нейшем. Многие другие материалы, включая фанеру, пропитанную смолой стеклоткань и картон, могут применяться в качестве обши­вок слоистых конструкций с заполнителем.