RU2588552C1 - Панель из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием - Google Patents

Панель из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием Download PDF

Info

Publication number
RU2588552C1
RU2588552C1 RU2015121085/11A RU2015121085A RU2588552C1 RU 2588552 C1 RU2588552 C1 RU 2588552C1 RU 2015121085/11 A RU2015121085/11 A RU 2015121085/11A RU 2015121085 A RU2015121085 A RU 2015121085A RU 2588552 C1 RU2588552 C1 RU 2588552C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
panel
lightning
layers
polymer binder
aircraft
Prior art date
Application number
RU2015121085/11A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Николаевич Каблов
Анна Георгиевна Гуняева
Ольга Алексеевна Комарова
Лилия Васильевна Черфас
Михаил Юрьевич Федотов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2588552C1 publication Critical patent/RU2588552C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к области авиационной техники и касается диагностики механических свойств конструкций летательного аппарата, выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ), в частности касается защиты от поражения молнией. Панель из ПКМ содержит обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры трапециевидного сечения. Стрингеры образованы с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами. Молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с металлическими включениями на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы. Причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток. Достигается повышение стойкости панели к динамическим и тепловым нагрузкам после воздействия тока молнии в зоне смещающихся разрядов, обеспечение непрерывного мониторинга технического состояния и своевременного обнаружения и принятия решения о возможности безопасной эксплуатации панели вследствие механического и температурного воздействия разряда молнии. 2 ил.

Description

Изобретение относится к областям авиационной техники и диагностики механических свойств конструкций летательного аппарата (ЛА), выполненных из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может быть применено для защиты от поражения молнией деталей и агрегатов ЛА в зоне смещающихся разрядов, а также использовано для создания интегрированной оптоволоконной системы мониторинга технического состояния конструкции ЛА в процессе эксплуатации, позволяющей в режиме реального времени регистрировать изменение напряженно-деформированного и температурного состояния конструкции путем опроса и обработки данных от сети сенсоров, определять численные значения деформаций и температур, в том числе с возможностью фиксации ударного воздействия, вызванного импульсом тока молнии, качественного определения возникновения и накопления дефектов вплоть до разрушения образца, а также остаточных напряжений.
Одной из важнейших задач, стоящих перед современным материаловедением, является обеспечение надежной защиты деталей и агрегатов авиационной техники, эксплуатирующейся в сложных метеоусловиях, а именно в условиях грозового фронта. Такие факторы, как развитие всепогодной авиации, оснащение самолетов современными электронными устройствами привели к возникновению повышенного интереса к вопросам обеспечения безопасности полетов. В этой связи широкое внедрение ПКМ в таких частях самолета, как горизонтальный стабилизатор, руль направления, элерон, закрылок, также вызывает особое внимание, поскольку требования, предъявляемые к ним, являются наиболее жесткими. По сравнению с металлами, ПКМ обладают гораздо более низким уровнем электропроводимости, что не позволяет им надежно проводить токи молнии по обшивке летательных аппаратов. Появляется вероятность прорыва молнии на элементы, находящиеся под обшивкой ЛА. Кроме тепловых воздействий удара молнии, приводящих к прожиганию обшивки из металла, при использовании ПКМ появляются и другие поражающие факторы: электрический разряд, ударная волна, электромагнитные излучения. Установлено, что конструкции из ПКМ получают значительные разрушения в виде пробоя, расщепления и расслоения армирующего наполнителя, выгорания связующего, а при предельных параметрах тока диаметр зоны разрушения может достигать десятков сантиметров. В условиях реальной эксплуатации ЛА дефекты, возникающие первоначально при воздействии молнии, могут значительно вырасти под действием набегающего потока и привести к появлению трещин и дальнейшему разрушению конструкции, поэтому решение проблемы молниезащиты ЛА приобретает все большую актуальность.
Также одним из важнейших факторов при реализации принципа безопасного повреждения становится необходимость мониторинга технического состояния воздушного судна (ВС) и возможность прогнозирования его остаточного ресурса. При условии применения эффективных средств и методик контроля элементов конструкции в эксплуатации, принцип безопасности повреждения позволит перейти к эксплуатации конкретного экземпляра ВС по фактическому техническому состоянию, что приведет к более полному использованию ресурсных возможностей парка ВС, увеличению коммерческого налета и снижению эксплуатационных расходов.
Методология оценки текущего технического состояния и прогнозирования индивидуального остаточного ресурса самолета в эксплуатации базируется на использовании текущей информации об объектах мониторинга, которая поступает по двум направлениям. Общим условием для получения и обработки информации об истории нагруженности объектов мониторинга является использование интегрированных сенсорных сетей, приборно-технических средств сбора, обработки и хранения данных от сенсоров, алгоритмов и программ для принятия решений.
Из уровня техники известна панель из композиционного материала, содержащая обшивку, продольные и поперечные элементы подкрепления, изготовленные совместно с обшивкой, отличающаяся тем, что элементы подкрепления выполнены в виде силовых поясов (усилений), расположенных на обшивке и лапках стрингеров (RU 2112698 C1, B64C 3/26, опубл. 10.06.1998).
Существенным недостатком этого изобретения является отсутствие системы молниезащиты, что в случае попадания молниевого разряда или образования электрического заряда на поверхности ЛА в полете может привести к разрушению панели, а следовательно, и крушению ЛА. Также отсутствие системы встроенного контроля не позволяет оценить степень воздействия импульса тока молнии на конструкцию и соответственно предотвратить ее преждевременное разрушение. Отсутствие интегрированной оптоволоконной системы контроля не позволяет регистрировать изменение напряженно-деформированного и температурного состояния конструкции, в том числе ударное воздействие импульсом молнии, что в случае возникновения, накопления опасных дефектов, возникновения предельных деформаций или образования электрического заряда на поверхности ЛА в полете может привести к разрушению панели.
Из уровня техники известна аэродинамическая поверхность самолета, содержащая, по крайней мере, внешнюю неметаллическую панель, силовые элементы с окантовочными профилями и встроенное во внешнюю неметаллическую панель устройство молниезащиты, выполненное в виде металлических элементов, связанных между собой с образованием единого контура и с металлической конструкцией самолета, отличающаяся тем, что металлические элементы устройства молниезащиты выполнены в виде окантовочных профилей, а окантовочные профили снабжены внешними законцовками, взаимодействующими с окружающей средой при любом положении аэродинамической поверхности (RU 2032278 C1, H05F 1/02, опубл. 27.03.1995).
Главным недостатком этого изобретения является использование большого количества габаритных металлических элементов (окантовочных профилей) в устройстве молниезащиты, что приводит к значительному увеличению массы изделия. Также, существенным недостатком является отсутствие системы мониторинга состояния конструкции, что не позволяет в режиме реального времени отслеживать техническое состояние конструкции и принимать решения о дальнейшей эксплуатации воздушного судна.
Наиболее близкой по технологической сущности и назначению к заявляемому изобретению, принятой за прототип, является панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, выполненную из слоев неметаллического материала и стрингеры, причем устройством молниезащиты является металлическая проволочная сетка, заделанная в панель со стороны верхнего слоя (US 3755713 A, B64D 45/02, опубл. 28.08.1973).
Недостатками указанного технического решения являются сложность изготовления молниезащитного слоя из металлической сетки, вызванная необходимостью введения дополнительных технологических операций, применения дорогостоящего высокотехнологического оборудования и привлечения специалистов соответствующей квалификации, что приведет к увеличению стоимости панели; повышение вероятности получения поверхности плохого качества, так как в процессе изготовления панели металлическая сетка может образовывать нахлесты и замятия. Кроме того, из-за образования коррозии на границе металл-ПКМ данная панель обладает ограниченным сроком службы, также значительным недостатком является отсутствие системы мониторинга напряженно-температурного состояния с возможностью регистрации высоковольтного молниевого разряда, определения факта возникновения и развития дефектов, а также интегральной оценки температурного распределения в панели, остаточных напряжений.
Задачей заявляемого изобретения является создание панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием, позволяющей повысить электропроводность верхних слоев аэродинамической поверхности панели в зоне смещающихся разрядов молнии, повысить ее экономическую и техническую эффективность путем снижения веса панели, увеличить срок службы, качество изготовления наружной поверхности панели, оценки возникновения и накопления дефектов вследствие воздействия высоковольтного молниевого разряда, определения текущего напряженно-температурного состояния, принятия решения по результатам обработанных от сенсоров данных о возможности дальнейшей эксплуатации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стойкости панели к динамическим и тепловым нагрузкам после воздействия тока молнии в зоне смещающихся разрядов, обеспечение непрерывного мониторинга технического состояния и своевременного обнаружения и принятия решения о возможности безопасной эксплуатации панели вследствие механического и температурного воздействия разряда молнии.
Для достижения заявленного технического результата предлагается панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры, отличающаяся тем, что продольные стрингеры содержат трапециевидные сечения, образованные с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами, при этом молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки с электросопротивлением не менее 10-4 Ом·м и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24K с металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани от 15 до 35 мас. %, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы размером не более 150 нм, причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток.
Данное изобретение поясняется фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 изображен общий вид панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием и системой встроенного контроля.
На фиг. 2 - схема панели из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием и системой встроенного контроля, где:
1 - молниезащитное покрытие;
2 - слои углеткани, пропитанные полимерным связующим, образующее обшивку;
3 - пенопластовый вкладыш;
4 - слои углеткани, пропитанные полимерным связующим, образующие отдельный стрингер;
5 - оптоволоконный сенсор.
Увеличение электросопротивления панели достигается за счет использования в молниезащитном покрытии (1) - верхнем слое обшивки (2) - углеткани сатинового или саржевого плетения с вплетенными в структуру углеткани металлическими включениями на основе посеребренной меди, пропитанными полимерным связующим, а также повышением теплостойкости, термодинамической устойчивости, сопротивляемости внешнему силовому и термическому нагружению полимерной матрицы вследствие образования плотной упаковки молекул и звеньев в полимерной системе за счет использования углеродных наночастиц, введенных в полимерное связующее, и наличия у наночастиц высоких значений поверхностной энергии.
Предпочтительно, чтобы углеродные наночастицы были размером не более 150 нм для равномерного распределения в полимерной системе верхнего проводящего слоя и образования токопроводящих мостиков, что способствует быстрому стеканию электрического заряда с поверхности панели, а не прохождению его по всему объему панели.
Использование в верхнем слое молниезащитного покрытия углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24K с вплетенными в структуру углеткани металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди повышает электропроводность углеткани верхнего слоя, качество изготовления наружной поверхности панели, снижает вероятность возникновения внутренних напряжений в панели и, как следствие, коробления конструкции.
Металлические включения в углеткани были изготовлены из сплава меди и покрыты серебром, что позволит избежать возникновения коррозии и продлить срок службы панели, также использование в слоях сплава меди в количестве от 15 до 35 мас. % позволит снизить вес панели.
Повышение технологичности изготовления панели достигается за счет ее формования в автоклаве по единому технологическому циклу и использованию в качестве формообразующих элементов продольных стрингеров трапециевидных сечений, образованных с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами (3) и выложенными поверх них слоями углеткани (4) однонаправленными или равнопрочными, пропитанными полимерным связующим.
Наличие оптоволоконного сенсора (5) встроенного контроля на основе брэгговских решеток позволяет обеспечить непрерывный мониторинг технического состояния панели, в том числе оценить возникновение и накопление дефектов вследствие воздействия высоковольтного молниевого разряда, определить текущее напряженно-температурное состояние, принять решение по результатам обработанных от сенсоров данных о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.
Данное техническое решение позволит создать высокотехнологичную молниестойкую панель из ПКМ с повышенной электропроводностью, с возможностью контроля своевременного обнаружения возникновения дефектов в материале после воздействия тока молнии и соответственно предотвращения разрушения панели и увеличения срока службы изделия.
Примеры осуществления
Пример 1
Панель изготавливают путем послойной выкладки углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани саржевого плетения с диаметром жгутов 24K с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,07 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 15 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным эпоксидным), содержащим 0,25 мас. % наночастиц терморасширенного графита размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 1,5·10-4 Ом·м. На верхний слой молниезащитного покрытия укладывают 21 слой углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, расплавного эпоксидного), расположенные под углом 0°, 90°, ±45° друг к другу с укладкой между 5 и 6 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 21 слой углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, расплавного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90°, ±45°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.
Пример 2
Панель изготавливают путем послойной выкладки слоев углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани сатинового плетения с диаметром жгутов 6К с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,04 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 20 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным эпоксидным), содержащим 0,5 мас. % углеродных наночастиц астралена, размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 2,5·10-4 Ом·м. На верхний слой молниезащитного покрытия укладывают 10 слоев углеткани на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, растворного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90° друг к другу с укладкой между 4 и 5 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 10 слоев препрега на основе углеродного однонаправленного жгута и полимерного связующего (например, растворного эпоксидного), расположенных под углом 0°, 90°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.
Пример 3
Панель изготавливают путем послойной выкладки углеткани. Молниезащитное покрытие - верхний слой обшивки - состоит из равнопрочной углеткани саржевого плетения с диаметром жгутов 1К с металлическими включениями на основе меди диаметром 0,1 мм, вплетенными в структуру ткани порядка 30 мас. %, пропитанной полимерным связующим (например, растворным цианэфирным), содержащим 0,5 мас. % углеродных наночастиц астралена, размером не более 150 нм, и имеет электросопротивление 1,9·10-4 Ом·м. На верхний молниезащитный слой укладывают 15 слоев углеткани саржевого плетения и полимерного связующего (например, расплавного цианэфирного), расположенных под углом 0°, 90° друг к другу с укладкой между 5 и 6 слоями оптоволоконных сенсорных элементов на основе брэгговских решеток. На собранный пакет устанавливают предварительно заготовленные вкладыши трапециевидного сечения, по контуру которых затем производится выкладка еще 15 слоев углеткани саржевого плетения и полимерного связующего (например, расплавного цианэфирного), расположенных под углом 0°, 90°. Сформированную таким образом панель с обшивкой и стрингерами затем изготавливают в едином технологическом цикле методом автоклавного формования.

Claims (1)

  1. Панель из полимерного композиционного материала, содержащая обшивку, состоящую из молниезащитного покрытия и слоев углеткани, чередующихся со слоями из полимерного связующего, продольные стрингеры, отличающаяся тем, что продольные стрингеры содержат трапециевидные сечения, образованные с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами, при этом молниезащитное покрытие расположено в верхнем слое обшивки с электросопротивлением не менее 10-4 Ом·м и состоит из равнопрочной углеткани сатинового или саржевого плетения с возможным диаметром жгутов от 1 до 24 К с металлическими включениями диаметром (0,07±0,03) мм на основе посеребренной меди, вплетенными в структуру ткани от 15 до 35 мас. %, пропитанной полимерным связующим, содержащим углеродные наночастицы размером не более 150 нм, причем в структуру панели интегрированы оптоволоконные сенсорные элементы на основе брэгговских решеток.
RU2015121085/11A 2015-06-03 Панель из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием RU2588552C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2588552C1 true RU2588552C1 (ru) 2016-06-27

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5493390A (en) * 1993-09-06 1996-02-20 Finmeccanica S.P.A.-Ramo Aziendale Alenia Integrated optical instrumentation for the diagnostics of parts by embedded or surface attached optical sensors
RU2217320C1 (ru) * 2002-03-14 2003-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Многослойное молниезащитное покрытие
RU2263581C2 (ru) * 2003-12-30 2005-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Многослойное молниезащитное покрытие
US8859948B2 (en) * 2010-08-31 2014-10-14 Airbus Operations Gmbh Apparatus and method for producing a component and aircraft structure component

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5493390A (en) * 1993-09-06 1996-02-20 Finmeccanica S.P.A.-Ramo Aziendale Alenia Integrated optical instrumentation for the diagnostics of parts by embedded or surface attached optical sensors
RU2217320C1 (ru) * 2002-03-14 2003-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Многослойное молниезащитное покрытие
RU2263581C2 (ru) * 2003-12-30 2005-11-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Многослойное молниезащитное покрытие
US8859948B2 (en) * 2010-08-31 2014-10-14 Airbus Operations Gmbh Apparatus and method for producing a component and aircraft structure component

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jollivet et al. Damage of composite materials
Jefferson et al. Repair of polymer composites: methodology, techniques, and challenges
Quaresimin et al. Early stage damage in off-axis plies under fatigue loading
Miao et al. The numerical and experimental investigation on low-velocity impact response of composite panels: Effect of fabric architecture
Timme et al. Fire stability of carbon fiber reinforced polymer shells on the intermediate-scale
CN104866690B (zh) 单向陶瓷基复合材料任意加卸载应力应变行为预测方法
Mivehchi et al. The effect of temperature on fatigue strength and cumulative fatigue damage of FRP composites
US9829450B2 (en) Structural health monitoring
Hosoi et al. Prediction of initiation of transverse cracks in cross-ply CFRP laminates under fatigue loading by fatigue properties of unidirectional CFRP in 90 direction
Topal et al. Late-stage fatigue damage in a 3D orthogonal non-crimp woven composite: An experimental and numerical study
Rizzo et al. Development of multifunctional hybrid metal/carbon composite structures
Randjbaran et al. Effects of volume of carbon nanotubes on the angled ballistic impact for carbon kevlar hybrid fabrics
Xin et al. Dynamic response of single curved fiber-metal hybrid lamina composites subject to low-velocity impact
Das et al. A review of application of composite materials for aerospace structures and its damage detection using artificial intelligence techniques
RU2588552C1 (ru) Панель из полимерного композиционного материала с молниезащитным покрытием
Hannemann Multifunctional metal-carbon-fibre composites for damage tolerant and electrically conductive lightweight structures
Pankow et al. Experimental investigation on the deformation response of hybrid 3D woven composites
Venkatachalam et al. Damage characterization and fatigue modeling of CFRP subjected to cyclic loading
Nguyen-Van et al. Mechanical and dynamic performance of 3D-printed continuous carbon fibre Onyx composites
Hou et al. Advanced composite materials defects/damages and health monitoring
Burov Burst pressure estimations of a composite pressure vessel accounting for the composite shell imperfections
Fatima et al. Review of damages prediction in a composite material at low velocity impact
SEGUI Boeing simulates thermal expansion in composites with expanded metal foil for lightning protection of aircraft structures
Maamar et al. Effect of weaving type on damage behaviour of carbon/epoxy laminate under low velocity impact loading
Shankara et al. Fatigue Behavior of Fiber-Reinforced Polymer Composites-A Review