4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ

С 50-х годов в авиационной и других ведущих отраслях промышленности ши­роко применяют многослойные конструк­ции из различных металлических и неме­таллических материалов. Элементы неме­таллических и комбинированных (из не­металлов и металлов) конструкций соеди­няют клеями, а металлических конструк­ций - также пайкой или сваркой. Кроме того, применяют комбинированные клеес­варные и клееклепанные соединения, в ко­торых склеенные элементы скрепляют дополнительно точечной сваркой или за­клепками.

Неметаллические материалы исполь­зуют как в многослойных конструкциях, так и самостоятельно. Неметаллические материалы весьма разнообразны. К ним относятся неармированные и армирован­ные полимеры, древесина, бетон, кирпич, керамика, стекло, ситаллы и т. п.

Широкое применение находят поли­мерные материалы. Применяют неарми­рованные и армированные полимеры. Не­армированные полимеры имеют сплош­ную или пористую структуру, не содер­жащую армирующих волокон. К ним отно­сятся резины, полиуретаны, пенопласты, полиэтилены, полипропилены, поливи­нилхлориды, оргстекло и т. п.

Армированные полимеры, или поли­мерные композиционные материалы (ПКМ), представляют собой полимерную основу {матрицу), содержащую тонкие армирующие (упрочняющие) высоко­прочные волокна из стекла, углерода, бо­ра, органических материалов и т. п. В зави­симости от типа армирующих волокон ПКМ называют стекло-, угле-, боро - и органопластиками соответственно. Во­локна придают материалу прочность и жесткость, матрица соединяет материал в единую структуру. Варьируя направление армирования, можно придавать ПКМ за­данные свойства, увеличивая его проч­ность в нужном направлении (при этом прочность в других направлениях соответ­ственно снижается).

Полимерные материалы, как неарми­рованные, так и армированные, делятся на термопластичные {термопласты) и тер­мореактивные (реактопласты).

Термопласты и ПКМ на их основе характеризуются тем, что при нагреве они плавятся, а при охлаждении затвердевают, сохраняя те же свойства, что и до нагрева­ния. Процесс нагревания и охлаждения может повторяться многократно. Примеры термопластов - полиэтилен, полипропи­лен и т. п. Обычно применяют неармиро­ванные термопласты, например полиэти­леновые трубы, используемые в газопро­водах низкого давления. Иногда исполь­зуют армированные (например, джутовы­ми волокнами) термопласты, однако эти материалы обладают относительно низкой прочностью.

Реактопласты при нагреве сначала переходят в пластичное, а затем в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Процесс их отверждения необратим. При повторных нагревах они остаются твер­дыми до температуры разложения. Неко­торые реактопласты в исходном состоянии являются жидкостями и отверждаются без нагрева с помощью вводимых в них ката­лизаторов (пример - эпоксидная смола).

Большинство применяемых в маши­ностроении ПКМ относится к реактопла­стам. ПКМ на основе термореактивных смол обладают высокими прочностными и иными эксплуатационными характеристи­

ками, благодаря чему широко применяются в различных отраслях промышленности.

ПКМ широко применяют в авиаци­онной промышленности, судостроении и других отраслях машиностроения, в строительстве. Из них изготовляют сило­вые детали летательных аппаратов, корпу­са судов, обтекатели антенн, вертикальные и горизонтальные стабилизаторы самоле­тов, сотовые панели и многое другое.

В авиационной промышленности ПКМ постепенно вытесняют традицион­ные алюминиевые сплавы, позволяя соз­давать более легкие и прочные конструк­ции. Так, в аэробусе А-320 европейского консорциума Airbus ПКМ составляют 12,5 % массы (на долю алюминиевых сплавов приходится - 65,5 %, титановых сплавов -

7,2 %, других материалов - 5,5 % ) [425, докл. XCV/904 ]. В военных самолетах доля ПКМ существенно больше. Кроме того, ПКМ используют для решения ряда специальных задач - теплоизоляции, теп­лозащиты и т. п.

Неметаллические материалы можно разделить на изотропные, трансверсаль­но-изотропные и ортотропные (см. разд. 7.3) [264, 306] Различают также гомоген­ные (однородные) и гетерогенные (неод­нородные) материалы. Гомогенные мате­риалы могут быть аморфными (неармиро - ванные пластики, стекло, резина и т. п.) и мелкодисперсными (керамика, металлоке­рамика). Гетерогенные материалы имеют неоднородную структуру, отдельные со­ставляющие которой резко различаются по свойствам (примеры: бетон, асфальто­бетон, горные породы). Применительно к акустическому контролю деление мате­риалов на гомогенные и гетерогенные ус­ловно и зависит от длины упругой длины. Для низких частот, когда эта длина волны намного превышает размеры неоднород­ностей, материал может быть отнесен к гомогенным, для высоких частот - к гете­рогенным.

К изотропным материалам относят неармированные полимеры, а также неко­торые ПКМ, например армированные хао­тически ориентированными короткими рублеными волокнами.

В трансверсально-изотропных мате­риалах свойства изотропны в плоскости слоя и анизотропны по толщине. Орто­тропные ПКМ имеют три взаимно пер­пендикулярные оси упругой симметрии.

В зависимости от направления арми­рующих волокон, получают однонаправ­ленную, продольно-поперечную, косопе­рекрестную (КПС) и другие структуры ПКМ. При однонаправленном армирова­нии модуль Юнга и определяемые им прочность материала и скорость звука в направлении армирования максимальны, в перпендикулярных ему - минимальны, так как определяются в основном параметра­ми полимера матрицы.

При продольно-поперечном армиро­вании (например, стеклотканью, основа и уток которой расположены взаимно пер­пендикулярно) скорость звука в плоскости листа максимальна в направлении основы, меньше в направлении утка и минимальна в направлении 45° к ним. Так, для одного из типов ортотропного стеклопластика скорости продольных волн составляют соответственно 4497, 4110 и 3710 м/с [264]. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, модуль Юнга и эта ско­рость еще меньше.

При косоперекрестной системе арми­рования волокна укладывают под различ­ными углами, что позволяет получить примерно одинаковые свойства в разных направлениях в плоскости листа. Исполь­зуют и другие системы армирования.

Для указания схемы армирования применяют обозначения вида [0; 90], [О, 45; 90; —45], [0, ±45, 90] и т. п., указываю­щие углы наклона армирующих волокон слоев материала. Первое из этих обозна­чений относится к продольно-поперечной схеме, второе и третье к косоперекрест­ной.

При любом расположении армирую­щих волокон в плоскости листа, модуль Юнга в перпендикулярном к этой плоско­сти направлении, определяющий значение гибкости сухого точечного контакта (см. разд. 2.5.1), меньше, чем в любых направ­лениях в этой плоскости. Поэтому при контроле многослойной конструкции с внешними слоями из ПКМ значения кон­тактной гибкости намного превышают таковые для случаев контроля ОК с ме­таллическими обшивками. Это уменьшает передачу колебаний через зону контакта и увеличивает длительность ударно возбуж­даемых импульсов, соответственно сужая их спектр. Большое значение контактной гибкости особенно неблагоприятно сказы­вается на работе совмещенных преобразо­вателей импедансных дефектоскопов.

Высокое поглощение ультразвуковых волн в полимерной матрице и неоднород­ность структуры ПКМ, обусловленная резким различием волновых сопротивле­ний материалов армирующих волокон и матрицы, является причиной большого затухания (поглощения и рассеивания) волн всех типов, особенно на высоких частотах.

Элементы из ПКМ получают по раз­личным технологиям [306]. По одной из них предварительно пропитанные свя­зующим ткани собирают в пакеты (пре - преги), которые нагревают под давлением для отверждения связующего. Изделия в форме тел вращения получают путем на­мотки пропитанных связующим нитей или жгутов на технологические оправки, а за­тем отверждают.

Существуют и другие технологии производства изделий из термореактивных ПКМ. В качестве связующего используют различные синтетические смолы. Важной стадией процесса, влияющей на качество изделий, является отверждение связую­щего, обычно происходящее во время вы­держки при повышенной температуре (обычно 120 ... 180°С).

Некоторые элементы конструкции создают непосредственно в процессе их изготовления. Например, пустоты между элементами заполняют пенопластом, ко­торый вспенивают непосредственно в заполняемых объемах.

Физико-механические свойства ПКМ отличаются значительно бблыним разбро­сом, чем соответствующие свойства ме­таллов. Это обусловлено влиянием на па­раметры ПКМ разброса свойств исполь­зуемых армирующих материалов (в част­ности, ориентации их волокон), разной степени полимеризации связующего и других технологических факторов.

Рассмотренные особенности ПКМ (их гетерогенность, анизотропия, высокое затухание, зависимость акустических свойств от процентного содержания арми­рующих волокон и связующего, ориента­ции армирующих волокон, пористости, количества слоев, и т. п.) существенно ус­ложняют задачу их неразрушающего кон­троля по сравнению с неразрушающим контролем металлов.

В многослойных конструкциях ис­пользуют металлические элементы (об­шивки, лонжероны, стрингеры И Т. П.). Их предварительно проверяют методами НК, применяемыми для контроля металлов. Контроль этих элементов здесь не рас­сматривается.

Основные типы многослойных кон­струкций показаны в табл. 4.1. Обычно они имеют криволинейные поверхности, но условно изображены плоскими.

Дефекты многослойных конструк­ций можно разделить на внутренние де­фекты ПКМ и дефекты соединений.

К основным внутренним дефектам ПКМ относятся:

• расслоения;

• трещины;

• ударные повреждения, представ­ляющие собой множественные расслоения и трещины в районе зоны соударения;

• пористость;

• зоны повышенного или пониженно­го содержания связующего;

• отклонения от оптимального ре­жима полимеризации связующего;

• отклонения от заданной схемы ар­мирования.

Продолжение табл. 4.1 Номер схемы Схема Материал элементов Вид соединения 6 — ........................... і 1 - 3 — пластик армирован­ный или неармированный Клеевое —С? ------------ J 1-3 - неметаллические слои различного назначения 7 1------------- К і 1------------- 4~z 1,2- листы 1,2 — металл или пластик То же 8 1_________ і Армированный слоистый пластик (стеклотекстолит и т. п.) Слои материа­ла, соединенные связующим ве­ществом 9 )—о------- о ЗГ* 1 *'2 3 1,2 — листы; 3 - сварная точка 1,2 - металл Клеесварное

Дефекты соединений. Наибольшее распространение получили многослойные клееные конструкции. Качество клеевых соединений (их прочность, стойкость при различных внешних воздействиях и т. п.) определяется свойствами применяемых клеев и технологией склеивания. Основ­ные дефекты клеевых соединений:

• Зоны отсутствия сцепления между соединяемыми элементами (непроклей), имеющие нулевую прочность. Обычно эти дефекты имеют заполненный газом зазор, хотя иногда последний может отсутство­вать. Причины появления подобных де­фектов - плохая подгонка соединяемых элементов перед склеиванием или недос­таточное давление, создаваемое техноло­гической оснасткой. Непроклей - наибо­лее часто встречающиеся и самые опасные

дефекты клеевых соединений.

• Плохая адгезия, т. е. слабое сцепле­ние клея с материалом соединяемого эле­мента. Это снижает прочность клеевого шва. Причина плохой адгезии - недобро­качественная подготовка поверхностей соединяемых элементов, в частности на­личие на них жира и других загрязнителей.

• Неполная полимеризация клея, обу­словленная недостаточной температурой и/или укороченной выдержкой при отвер­ждении клея. Причина этого дефекта - грубое нарушение технологического про­цесса.

• Недоброкачественный клей, не со­ответствующий требованиям нормативной документации. Применение такого клея не обеспечивает заданных прочностных и других свойств соединения.

• Пористость, ослабляющая проч­ность соединения. Причины пористости - неполное удаление из клея растворителя, недостаточное давление при запрессовке, применение недоброкачественного клея.

• Отклонение от номинальной тол­щины клеевого шва, снижающее его проч­ность. Оптимальная прочность достигает­ся при определенной для каждого типа клея толщине шва.

• Усталостные разрушения клеевого шва в процессе эксплуатации изделия.

• Ударные разрушения клеевого шва в результате соударения с различными предметами (например, птицами).

В металлических сотовых панелях обшивки иногда соединяют с заполните­лями сваркой или пайкой. Основные де­фекты таких узлов - зоны отсутствия со­единений между элементами.

Возможными дефектами сотовых па­нелей являются также: зоны разрушения сотового заполнителя; пустоты, связанные с отсутствием сотового заполнителя, обу­словленные смещением сотовых блоков; зоны потери жесткости сотового заполни­теля вследствие его смятия или разруше­ния.

В отличие от НК металлов, где необ­ходимо выявление очень мелких дефек­тов, в многослойных конструкциях обыч­но допустимы дефекты площадью от од­ного до нескольких квадратных сантимет­ров.

Дефекты рассматриваемых конструк­ций можно условно разделить на:

1) нарушения сплошности (непро - клеи, расслоения, трещины и т. п.);

2) отклонения от необходимой проч­ности и других эксплуатационных харак­теристик, определяемых физико-механи­ческими свойствами материала.

В гл. 4 книги описаны средства обна­ружения дефектов первого типа. Вопросы контроля физико-механических свойств материалов рассмотрены в гл. 7 книги.