Справочник по композиционным материалам

Первое применение стеклопластиков

Первые армированные стеклянными волокнами пластики для авиаконструкций были задуманы и осуществлены в лаборатории конструкций и материалов Райт-патерсоновской военно-воздуш­ной базы (г. Дейтон, шт. Огайо) в 1943 г. После анализа результа­тов испытаний армированных материалов теоретические расчеты показали, что при проектировании и создании конструкций мо­гут быть использованы высокопрочные композиции на основе полиэфирных смол, армированных стекловолокном, для сложных структур с сердцевиной из легкого материала. В военном самоле­тостроении такие материалы хорошо зарекомендовали себя в раз­личных сэндвичевых конструкциях. Задняя часть фюзеляжа двухместного учебного самолета «Вальти БГ-15» была усилена стеклопластиком. Этот узел был переконструирован и изготовлен на той же базе. Первые детали изготовлялись из бальзового дерева, облицованного тонким слоем СВКМ. Обшивка состояла из пяти слоев стеклоткани толщиной 0,76 мм, пропитанной поли­эфирным связующим (массовая доля 42 ... 45 %). Выкладка и формование резиновым мешком производились в матрице из ли­стовой стали с использованием целлофана как антиадгезива для отделения панели от формующего резинового мешка.

Статические испытания первого изготовленного фюзеляжа показали более высокие характеристики, чем те, которые были предсказаны. Используя преимущества в прочности и массовых характеристиках стеклопластов, удалось на 50 % повысить проч - 24 ностные свойства сэндвичевых конструкций по сравнению со свойствами металлов или дерева. Кроме хороших конструкционных свойств сэндвичевые конструкции со СВКМ показали отсутствие значительных сдвигов слоев СВКМ при больших скручивающих нагрузках. Если сэндвичевая конструкция с облицовкой из алю­миния может выдержать 100 % расчетной нагрузки, то визуаль­ные и приборные наблюдения за аналогичной конструкцией из СВКМ показали, что этот материал выдерживает до 180 % рас­четной нагрузки. Из-за недостаточно хороших исходных данных для проектирования, которыми обладает дерево, ВВС США всегда считали дерево нежелательным материалом в конструкциях. Было изготовлено с использованием стеклопластиков с сотовым заполнением три различных типа фюзеляжей. Стеклопластики, используемые для этой цели обладали следующими свойствами: пределы прочности при растяжении ав = 276 МПа, при сжатии осж = 234 МПа, при изгибе аи — 393 МПа, при сдвиге тсд = = 131 Мпа; модуль упругости при изгибе Еи = 18,7 ГПа; плот­ность р = 1,8-103 кг/м3. Теоретическое значение удельной проч­ности (отношение прочности к плотности материала) было суще­ственно выше, чем для алюминиевых сплавов или специальных сталей, используемых в конструкциях. К сожалению, конструк­ционные возможности СВКМ оказываются ограниченными вслед­ствие сравнительно низкого модуля упругости (магниевые сплавы с такой же плотностью имеют Е = 44,2 ГПа).

Естественным решением этой проблемы было бы использование СВКМ в покрытиях для основной, стабильной структуры мате­риала, который имел бы и хорошую прочность при сжатии. Для создания такой структуры были разработаны сотовые и сэндвичевые конструкции. Две высокопрочных пластины разде­ляются очень легкой р = (1,7 ... 2,8) Ю8 кг/м3 сердцевиной — заполнителем. Связь каждой пластины с заполнителем очень прочная и сплошная. Заполнитель работает на растяжение, сжа­тие и сдвиг, поддерживая наружные пластины.