Многослойное молниезащитное покрытие

Изобретение относится к области получения композиционных материалов для авиационной техники и может быть использовано для защиты от поражения молнией деталей и агрегатов летательных аппаратов, выходящих на внешний контур. Многослойное молниезащитное покрытие включает диэлектрический и токопроводящий слои. Диэлектрический слой выполняют из отвержденной полимерной эпоксидной или полиамидной матрицы. Токопроводящий слой на основе высокопрочных углеродных волокон выполняют из двух или более монослоев углеродной ткани, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство которых вводят полимерное эпоксидное или полиамидное связующее с температурой деструкции ≥250°С. Связующее содержит равномерно распределенные углеродные частицы шунгита - природного кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения размером 2-10 мкм в количестве 5-40 мас.%. Изобретение позволяет повысить молниестойкость и прочность покрытия, а также удешевить и упростить технологический процесс его производства. 2 табл.

 

Изобретение относится к области материалов для авиационной техники и может быть использовано для защиты от поражения молнией деталей и агрегатов летательных аппаратов, выходящих на внешний контур и выполненных из проводящих слоистых полимерных композиционных материалов, в частности из углепластиков.

Углепластики нашли широкое применение в несущих элементах конструкций летательных аппаратов благодаря высоким показателям удельной прочности, жесткости, тепло- и электропроводности. В процессе полета наблюдается ориентирование смещающихся разрядов молнии на углепластиковые конструкции, выходящие на поверхность, подобное их ориентированию на конструкции из металлов. Поскольку слоистые углепластики являются изотропно-армированными материалами и обладают повышенным электрическим сопротивлением в поперечном направлении, незащищенные углепластиковые конструкции внешнего контура планера ( например, тонкослойные обшивки несущих сотовых панелей) получают повреждения, недопустимые по эксплуатационным и ресурсным требованиям: сквозной пробой диаметром 10 мм и более, расщепления вдоль волокон на десятки сантиметров от канала молнии, расслоение материала и отрыв его слоев потоком воздуха. Такие повреждения являются следствием термической деструкции полимерной матрицы, носящей взрывной характер. Для предотвращения термической деструкции матрицы необходимо повысить поверхностную проводимость углепластика. В существующих системах молниезащиты (МЗ) этого достигают путем нанесения на поверхность углепластиковых конструкций, выходящих на внешний контур, специальных покрытий, обладающих повышенными показателями электро- и теплопроводности. В большинстве технических решений - это сплошные или дискретные металлические слои, отделенные от несущего материала конструкции слоем диэлектрика с высокой электрической прочностью. Металлические слои принимают на себя электрическую энергию молнии, отводят ее от центрального канала по своим разветвлениям, преобразуют в тепловую и рассеивают. Слой диэлектрика выполняет изолирующую функцию - препятствует распространению электрического разряда молнии в материал несущей конструкции.

Известна система МЗ и снятия статического электричества с конструкций из полимерных композиционных материалов, в которой в качестве токоотводящего элемента использована трикотажная сетка из стальных или медных нитей диаметром 0,03-0,08 мм. Применение трикотажной сетки из нержавеющей стали массой 50 г/м² в панелях из органопластика уменьшило период стекания заряда статического электричества с 2000 до 10 секунд. Размеры сквозного пробоя после удара молнии не превышали диаметра 20 мм (Вишняков Л.Р. АНТК "Антонов". Обзоры промышленности. "Пластические массы", №12, стр.10, 2002).

Главным недостатком молниезащитных покрытий, использующих различные металлические конструктивные элементы, является их большая масса, приводящая к значительному (от 500 до 1500 г/м²) привесу защищаемой конструкции.

Известны технические решения систем МЗ, в которых снижение привеса защищаемой конструкции достигается путем замены части металлических элементов на легкие проводящие неметаллические: например, устройство для обеспечения МЗ поверхности транспортных средств с использованием комбинированной (гибридной) сетки из металлической проволоки и углеродных волокон (ЕР, патент №0318839) или МЗ сотовых структур с использованием проволочной сетки из алюминия и углеродного волокна (США, патент №6432507).

Такие решения, хотя и обеспечивают заметное (на 30-50%) снижение привеса конструкции, оставляют проблемными вопросы коррозии. Кроме того, присутствие металлических элементов на поверхности внешнего контура планера лишает летательное устройство некоторых дополнительных преимуществ, присущих углепластику (радиопоглощение, экранирование от электромагнитных излучений, рентгенопрозрачность и др.).

Известно многослойное МЗ-покрытие, состоящее из слоя диэлектрика, выполненного из полимерной (например, эпоксидной) отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя, состоящего из высокопрочных углеродных, борных, арамидных или стеклянных волокон с нанесенными на них слоями никелевой проволоки. Покрытие получают методом спиральной намотки под углом (-30)-(+60)° к оси вращения защищаемой детали, причем покрытые никелем волокна располагают на внешней поверхности конструкции и хотя бы частично погружают в поверхность пропитывающей смолы (США, патент №5132168).

Помимо недостатков, напрямую связанных с применением металла (привес, коррозия), покрытие отличает большая трудоемкость и сложная технология изготовления. Вследствие использования метода спиральной намотки оно может применяться только для защиты конструкций, представляющих собой тела вращения. Кроме того, никелевое покрытие существенно снижает абсолютные и удельные упругопрочностные характеристики легких армирующих волокон (углеродных, арамидных) и не может быть включено в расчетную схему конструкции.

Известны технические решения, обеспечивающие повышение электрической проводимости термопластичных полимеров без применения металлических элементов: МЗ для обтекателей на основе слоев из полиэтиленвинилацетата, наполненных сажей (Великобритания, патент №2295594); электропроводный полимерный слой, содержащий сажу (Япония, заявка №3209394); электропроводящая композиция на основе полифениленоксида и полиамида, содержащая в качестве электропроводных частиц 1,5-5% проводящей черной сажи (США, патент №6171523); электропроводная композиция на основе смеси полиуретана и полиацеталя, содержащая технический углерод (Япония, заявка №3167297, кл. С 08 L 59/00, 1992).

Недостатком этих технических решений является высокий (для технического углерода более 20 мас.%) концентрационный порог перколяции (фильтрации) электрического заряда через проводящие частицы, диспергированные в полимерной диэлектрической среде. Частичная компенсация этого недостатка достигнута заменой доли технического углерода на его металлоорганические соединения (полимерная композиции из полифенилена для термостойкой подложки интегральной схемы с улучшенной электропроводностью - Заявка Японии №3112519, кл. С 08 L 71/12, 1991). Использование больших концентраций известных неметаллических проводящих наполнителей приводит к снижению прочности полимеров. Такие технические решения МЗ не в состоянии выполнять совмещенные несущие функции и не могут быть включены в расчетную схему авиационной конструкции.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя, состоящего из высокопрочных углеродных волокон, в котором токопроводящий слой выполнен из двух или более слоев углеродной ткани саржевого, сатинового и других видов плетения, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство углеродной ткани введено полимерное связующее с температурой деструкции ≥250°С, причем слои углеродной ткани соединены между собой методом многослойного ткачества или прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами (плотность прошивки составляет 1-5 на 1 см²), обеспечивающими повышение контактной электропроводности между слоями углеродной ткани. Также для повышения контактной электропроводности в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродные наномодификаторы в количестве 3-25% (вес.). Соединение токопроводящего и диэлектрического слоев с защищаемой утлепластиковой конструкцией может производиться как в едином технологическом цикле, так и путем напрессовки токопроводящего слоя на изделие с использованием препрегов на основе углеродных наполнителей (РФ, патент №2217320).

Недостатками прототипа являются большая трудоемкость, сложная технология изготовления, связанная с прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами специально ориентированных слоев углеродной ткани. Не исключено также механическое повреждение плетения углеродной ткани в виде стяжек, петель, зацепов, близн, что вызывает снижение упругопрочностных свойств МЗ-покрытия и создает сложности при включении его в расчетную схему конструкции.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание легкого, высокопрочного и технологичного молниезащитного покрытия на основе неметаллических проводящих компонентов с повышенным уровнем упругопрочностных свойств, упрощение технологического процесса изготовления и удешевление покрытия, обеспечение возможности его включения в расчетную схему конструкции, предотвращение привеса и коррозии изделия.

Для решения поставленной технической задачи предлагается многослойное молниезащитное покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из полимерной эпоксидной или полиамидной отвержденной матрицы, и токопроводящего слоя на основе высокопрочных углеродных волокон, в котором токопроводящий слой выполнен из двух или более монослоев углеродной ткани, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство которых введено полимерное эпоксидное или полиамидное связующее с температурой деструкции ≥250°С, при этом в связующем равномерно распределены частицы шунгита - природного кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения размером 2-10 мкм в количестве 5-40 мас.%.

В качестве основного материала токопроводящего слоя МЗ используют ткани саржевого, полотняного и других видов плетения из высокопрочных, высокомодульных углеродных жгутов, имеющих высокую термостойкость (до 1400°С) и сопоставимые с металлами показатели электро-, теплопроводности. Диаметр жгутов от 1К до 6К (от 1000 до 6000 филаментов), суммарная толщина одного слоя ткани от 0,2 до 0,5 мм. Углеродные жгуты принимают на себя и отводят (рассеивают) по своим волокнам (филаментам) основную часть энергии молнии. Для большей эффективности предложено шаговое ориентирование монослоев углеродной ткани в токопроводящем слое под углами (-30)-(+60)° друг к другу, создающее многовекторность направлений отвода электрической и тепловой энергии от канала молнии.

Частицы шунгитового углеродного вещества размером 2-10 мкм сообщают полимерной матрице проводимость и повышенную теплоемкость, а также осуществляют поперечные электро- и теплопроводящие контакты между углеродными волокнами. Это способствует сохранению работоспособности токопроводящего слоя после воздействия высоких тепловых энергий. В результате прохождения тока молнии по токопроводящему слою его плотность снижается в 3,5-5 раз, а удельное энерговыделение - в 6-8 раз. Обеспечивается не только защита углепластиковых несущих конструкций, но и сохранение не менее 85% прочности самого токопроводящего слоя.

Введение в полимерную матрицу большого (до 40 мас.%) количества шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения, в отличие от аморфных форм углерода (сажа, технический углерод), не приводит к ухудшению прочностных характеристик матрицы. Наоборот, улучшается ее морфология, совершенствуется надмолекулярная структура, выбирается свободный обьем, устраняются "рыхлости". Адгезионная прочность на границе раздела фаз "армирующее волокно - полимерная матрица" становится больше когезионной прочности материала самой полимерной матрицы. Почти на порядок повышается уровень проводимости границы раздела фаз.

Благодаря гарантированному сохранению прочности токопроводящий слой может рассматриваться уже не в качестве "жертвенного", а в качестве полноценного элемента несущей конструкции. Его включение в расчетную схему позволяет не только полностью избежать привеса конструкции, но даже облегчить ее.

Соединение токопроводящего и диэлектрического слоев с защищаемой рабочей поверхностью углепластиковой конструкции может производиться как в едином технологическом цикле, так и путем напрессовки токопроводящего слоя на ранее отформованную рабочую поверхность с использованием полуфабрикатов-препрегов.

Преимуществами предлагаемого изобретения таким образом являются:

- использование частиц шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения для придания полимерной матрице проводимости, повышенной теплоемкости, предотвращения термической деструкции, а также для увеличения поперечной проводимости токопроводящего слоя;

- возможность включения МЗ-покрытия в расчетную схему конструкции летательного аппарата для предотвращения ее привеса благодаря высокому начальному уровню упругопрочностных характеристик токопроводящего слоя и сохранению им не менее 85% остаточной прочности после поражения молнией;

- технологичность изготовления МЗ-покрытия путем присоединения диэлектрического и токопроводящих слоев к защищаемой углепластиковой несущей конструкции как в едином технологическом цикле, так и методом приформовки с использованием полуфабрикатов МЗ в виде препрегов;

- технологичность процесса совмещения частиц шунгитового кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения с полимерными связующими, а также благодаря химическому сродству - с углеродными тканными наполнителями, отсутствие сложных, трудоемких технологических операций подготовки и совмещения компонентов (сшивка и ткачество);

- доступность природных сырьевых ресурсов шунгитового наполнителя фуллероидного строения, низкая стоимость сырья, позволяющая в 7-12 раз снизить стоимость 1 м² молниезащитного покрытия.

Примеры осуществления

Пример 1

Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего ЭДТ-69Н на основе эпоксидной диановой смолы (ТУ 1-595-25-277-89), и токопроводящий слой, состоящий из трех монослоев ткани толщиной 0,23 мм полотняного плетения, расположенных под углом ±30° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 6К (6000 филаментов), в межволоконное пространство которых введено связующее ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы (ТУ 1-595-25-261-88) с температурой деструкции 260°С, содержащее 5 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1 (содержание углерода 97,51%, показатель электропроводности σ=1250 Ом/м) размером 2-10 мкм. Токопроводящие монослои МЗ-покрытия в виде полуфабрикатов-препрегов припрессованы к поверхности защищаемой углепластиковой детали методом автоклавного формования.

Пример 2

Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего СП-97С на основе полиамидной смолы (ТУ 2224-415-00209349-2000), и токопроводящий слой, изготовленный из двух монослоев ткани саржевого плетения толщиной 0,5 мм, расположенных под углом ±45° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 1К, в межволоконное пространство которых введено связующее СП-97С на основе полиамидной смолы с температурой деструкции 390°С, содержащее 20 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1. Диэлектрический и токопроводящие слои МЗ-покрытия изготовлены в едином технологическом цикле совместного прессования с защищаемой углепластиковой деталью.

Пример 3

Неметаллическое молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной матрицы, например из связующего ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы, и токопроводящий слой, изготовленный из двух монослоев ткани саржевого плетения толщиной 0,2 мм, расположенных под углом ±60° друг к другу, на основе высокопрочных углеродных жгутов диаметром 2,5К, в межволоконное пространство которых введено связующее ВС-2526к на основе хлорсодержащей эпоксидной смолы с температурой деструкции 260°С, содержащее 40 мас.% частиц шунгитового углеродного вещества Ш-1/1. Диэлектрический и токопроводящий слои МЗ-покрытия изготовлены в едином технологическом цикле совместного автоклавного формования с защищаемой углепластиковой деталью.

Прототип - многослойное МЗ-покрытие, состоящее из диэлектрического слоя, выполненного из отвержденной полимерной матрицы, например из эпоксидного связующего ВС-2526к, и токопроводящего слоя, выполненного из трех слоев углеродной ткани саржевого плетения на основе высокопрочных углеродных волокон диаметром 2,5 К толщиной 0,23 мм каждый слой, расположенных под углом ±60° друг к другу, в межволоконное пространство введено полимерное связующее ВС-2526к с температурой деструкции 260°С, причем слои углеродной ткани соединены между собой прошивкой трансверсально-армирующими углеродными волокнами (плотность прошивки составляет 5 на 1 см²). Между отдельными слоями углеродной ткани в полимерное связующее токопроводящего слоя вводят углеродный наномодификатор - фуллерен С60 в количестве 15 вес%.

Результаты стендовых испытаний образцов углепластиковых конструкций с различными вариантами МЗ-покрытия в условиях, имитирующих воздействие смещающихся электрических разрядов молнии, представлены в таблицах 1 и 2. Испытания на молниестойкость проводили в Испытательном центре электромагнитных и механических воздействий НИЦ 26 ЦНИИ в соответствии с методиками, принятыми в РФ, и международными нормами FAR. Каждый образец подвергался однократному воздействию импульса тока молнии с параметрами:

Компонента А:

- максимальное значение тока, кА	200;
- длительность фронта, мкс	50;
- длительность импульса, мкс	185.

Компонента С:

- максимальное значение тока. А	750;
- длительность импульса (t), мс	60;
- заряд, кЛ	10,3.

Таблица 1 Характер и уровень повреждения токопроводящего слоя после удара молнии
Вид повреждения токопроводящего слоя в зоне удара молнии	Диаметр повреждения, мм
Прототип	Пример 1	Пример 2	Пример 3
Распушение жгутов на отдельные углеродные волокна	30	17	12	8
Разрыв части углеродных волокон	18	12	8	6
Разрушение верхнего монослоя	15	8	6	4
Таблица 2 Остаточная прочность токопроводящего слоя после удара молнии
Расстояние от центра удара молнии, мм	Сохранение прочности токопроводящего слоя, %
Прототип	Пример 1	Пример 2	Пример 3
0	76	79	80	87
20	79	81	87	96
40	89	95	95	100
60	100	100	100	100
80	100	100	100	100

Результаты испытаний показали, что предлагаемое неметаллическое молниезащитное покрытие способно эффективно защищать углепластиковые конструкции внешнего контура летательных аппаратов от воздействия смещающихся разрядов молнии со значениями тока I=200 кА и электрического заряда Q=10 кЛ. Наблюдается лишь частичное разрушение поверхности токопроводящего слоя с явлениями разрыва отдельных волокон верхнего слоя углеродной ткани и распушение углеродных жгутов. Нижележащие монослои углеродной ткани в токопроводящем покрытии сохраняются в неизменном состоянии. О незначительности повреждения молниезащиты свидетельствуют результаты определения остаточной прочности материала токопроводящего слоя в зависимости от удаления от центра канала молнии: в центре удара остаточная прочность составляет около 80% от исходной, а при удалении от центра удара молнии на 60 мм и дальше прочность материала полностью восстанавливается до 100%. Высокие характеристики молниестойкости и прочности позволяют включить токопроводящие слои МЗ-покрытия в расчетную схему конструкции, введение проводящих частиц непосредственно в полимерное связующее - уменьшить трудоемкость процесса его изготовления, а использование доступного и недорого сырья - снизить его стоимость.

Многослойное молниезащитное покрытие, включающее диэлектрический слой, выполненный из отвержденной полимерной эпоксидной или полиамидной матрицы, и токопроводящий слой на основе высокопрочных углеродных волокон, выполненный из двух или более монослоев углеродной ткани, расположенных под углом (-30)-(+60)° друг к другу, в межволоконное пространство которых введено полимерное эпоксидное или полиамидное связующее с температурой деструкции ≥250°С с равномерно распределенными в нем углеродными частицами, отличающееся тем, что в качестве углеродных частиц используют частицы шунгита - природного кристаллического углеродного вещества фуллероидного строения размером 2-10 мкм в количестве 5-40 мас.%.