Посадить на клей

Большинство довоенных самолетов были склеенными из дерева и ткани. "Типичный представитель" бипланов середины 1930-х годов самолет И-15 конструкции Н. Н. Поликарпова.

Да и в современных самолетах множество деталей соединены друг с другом при помощи клея. Более того, сделать современный самолет, вертолет, космический аппарат без применения клея попросту невозможно.

Во многих случаях склеивание имеет существенное преимущество перед другими способами соединения деталей. Прежде всего, потому, что оно позволяет надежно скреплять разнородные материалы, например металл и древесину, резину и стекло, ткань и пластмассу.

Историю создания клеёв и технологии склеивания в ВИАМе можно разделить на два этапа: первый - с 1932 по 1959 год (прочность клеевых соединений в это время не превышала 10 Мпа, или ~ 100 кгс/см2) и второй - с момента образования в 1959 году специализированной клеевой лаборатории, возглавляемой Д. А. Кардашовым. К настоящему времени здесь созданы клеи и способы их применения, обеспечивающие прочность соединения 40-50 МПа и более.

В 30-х годах для производства самолетов использовали сосну, альбуминовую фанеру и казеиновый клей. Под действием влаги, неизбежно попадавшей на детали конструкции при эксплуатации, прочность и основного материала, и клеевых соединений снижалась. Более того, эти материалы были отличной питательной средой для различных микроорганизмов (казеиновые клеи готовят из обычного молока) и самолет начинал попросту гнить, проведя под открытым небом всего 5-6 месяцев.

Повысить атмосферостойкость деревянных конструкций удалось, когда были созданы синтетическая замена клею из натуральных продуктов и новые конструкционные материалы на основе дерева - дельтадревесина. Первыми синтетическими клеями, созданными в ВИАМе, стали ВИАМ Б-3 и ВИАМ Ф-9. С их появлением были разработаны и новые технологические процессы склеивания. В период с 1930 по 1950 год эти клеи использовали для производства самолетов деревянной и смешанной конструкции (с применением металла).

Клеёными были такие известные и широко распространенные в довоенное и военное время самолеты, как поликарповские Р-5, И-15, И-16, яковлевские Як-З, Як-7Б, самолеты Лавочкина ЛаГГ-1, ЛаГГ-3, Ла-5 и Микояна МиГ-1. Из машин этих типов (а это почти 16 тыс. экземпляров) 85% были в основном клеёными.

Если же учесть, что в этот период выпускали большое количество цельнодеревянных десантных планеров и что во многих сериях металлических самолетов Ил-4 и Ту-2 из-за дефицитности дуралюмина консоли крыла и носовую часть фюзеляжа изготавливали с использованием древесины и фанеры, то становится понятно, насколько широко использовался клей в авиации довоенного и военного периодов.

На втором этапе начались интенсивные работы по созданию клеёв конструкционного назначения, теплостойких клеёв для ракетно-космической техники, для склеивания резинотехнических изделий и неметаллических материалов. Значительно расширились границы температур, при которых предстояло работать новым клеям.

Так, если для самолетов 30-40-х годов ХХ века нижний предел температу ры составлял, как правило, -50оС, а верхний не превышал 100-110оС, то с началом развития реактивной и ракетной техники эти пределы расширились: от -269 до +1600°С. Сегодня в ВИАМе разработано более 100 марок синтетических клеёв, пригодных для эксплуатации в этом интервале температур.

Кроме экстремальных температур клеи должны выдерживать и самые разнообразные климатичес кие условия - от влажных тропиков до засушливых пустынь, от мягкого европейского климата до суровых арктических зим. Современные клеи обеспечивают надежную работу металлических и неметаллических конструкций в самых невероятных условиях.

Первыми конструкционными клеями, предназначенными для склеивания металлов, были фенолокаучуковые. Сочетание в одном клее фенолоформальдегидной смолы и каучука позволило использовать положительные свойства как первого, так и второго компонента - клей сохранял прочность и достаточную теплостойкость фенолоформальдегидной смолы и приобретал эластичность, свойственную каучукам, благодаря чему мог работать при воздействии отслаивающих и ударных нагрузок.

Разработка отечественных фенолокаучуковых клеёв помогла решить важнейшую народнохозяйственную задачу создания первых силовых клеёных авиационных конструкций с высоким ресурсом и надежностью. Благодаря их использованию авиационные ОКБ разработали принципиально новые клеёные конструкции узлов и агрегатов, обладающие высокой эффективностью по сравнению с конструкциями, изготовленными традиционными методами (сборка клепкой, сваркой, пайкой и т.д.).

Фенолокаучуковые клеи ВК-3, ВК-32-200, ВК-25, ВК-50 внедрены практически на всех авиазаводах страны. На вертолетах Московского вертолетного завода им. М. Л. Миля установлены лопасти несущих и рулевых винтов цельноклеёной конструкции. Это позволило снизить трудоемкость изготовления агрегатов в 4-6 раз, увеличить ресурс в 10 раз, а весовую эффективность повысить в 2-3 раза. Впервые с использованием этих клеёв созданы силовые клеёные сотовые конструкции.

Увы, несмотря на ряд положительных свойств, у фенолокаучуковых клеёв есть и недостатки. Прежде всего, к ним относятся необходимость прогрева клеевого шва до 150-200°С для его отверждения и приложения значительных усилий на соединение: давление при склеивании достигает 1 МПа (~ 10 кгс/см2).

Это не позволяет применять такие клеи для скрепления естественно состаренных алюминиевых сплавов. А они имеют существенное преимущество перед искусственно состаренными по усталостной прочности и коррозионной стойкости (о технологии старения алюминиевых сплавов см. на стр. 50). Нельзя использовать фенолокаучуковые клеи для изготовления конструкций из полимерных композиционных материалов, поскольку из-за высокого давления склеивания происходит коробление конструкций.

Клеи на фенолоформальдегидной основе выделяют при отверждении летучие вещества. Для их удаления из конструкции в сотовом заполнителе делают перфорацию - мелкие отверстия, что снижает его прочность. Кроме того, при эксплуатации таких конструкций в них попадает влага, которая приводит к коррозии сотового заполнителя. В некоторых случаях влаги скапливается столько, что она может нарушить весовой баланс и нормальную эксплуатацию сотового агрегата.

Но клей широко использовался в производстве самолетов и позже, например в фюзеляже и крыльях знаменитого истребителя Як-3.

В институте разработаны высокопрочные пленочные клеи на основе модифицированных эпоксидных олигомеров, свободные от перечисленных недостатков, созданы клеи вдвое большей прочности. Но кроме увеличения прочности удалось значительно улучшить и технологические свойства новых клеёв.

Для них не требуется жидкий подслой или подогрев при прикатывании пленки к субстратам, при их отверждении выделяется не более 2% летучих веществ и, следовательно, не требуется перфорация. В результате трудоемкость технологического процесса склеивания снизилась по сравнению с фенолокаучуковыми клеями на 40%, повысилась культура производства, уменьшились пожароопасность и загрязнение окружающей среды, значительно улучшились условия труда. Высокопрочные пленочные клеи применяют в наиболее нагруженных и ответственных агрегатах планера для склеивания сотовых и слоистых конструкций из металлов и полимерных композиционных материалов.

Для склеивания некоторых элементов сотовых конструкций (соединение блоков сотового заполнителя между собой и с элементами силового каркаса) в институте созданы вспенивающиеся клеи. При отверждении они увеличивают толщину клеевого слоя в 1,5-3 раза и благодаря этому заполняют неровности между соединяемыми элементами.

Прочность клеевых соединений сотовых конструкций, выполненных вспенивающимися клеями, составляет около 5 МПа, что во многих случаях превышает прочность сотового заполнителя. Важно, что режимы отверждения вспенивающихся клеёв совпадают с режимами отверждения высокопрочных пленочных клеёв, и это позволяет изготавливать агрегаты с применением как основного высокопрочного, так и вспенивающегося клея за одну технологическую операцию.

Начиная с 1985 года интенсивно развиваются работы по созданию нового класса конструкционных материалов - долгоживущих клеевых препрегов на основе высокопрочных клеёв и стекло- и угленапол нителей. Препрегами называют полуфабрикаты, состоящие из смеси компонентов реактопласта и наполнителя в виде непрерывных волокон, тканей или бумаги.

При использовании в качестве наполнителя мелких частиц полуфабрикат называется премиксом. После введения всех компонентов текучесть смеси остается высокой, изделия из нее можно формовать заливкой (литьем), контактным формованием, намоткой. Технологическая оснастка для формования изделий из премиксов и препрегов проста, и энергетические затраты на обработку невысоки.

Применение клеевых препрегов позволяет изготавливать агрегаты сложной сотовой конструкции за одну технологическую операцию. При этом сокращаются трудозатраты, затраты энергии, количество используемой оснастки и вредные выбросы в атмосферу. Особенно важно и то, что масса готовых панелей снижается почти на 0,4 кг/м2. Изготовленная из них обшивка в 10 раз более герметична, чем обычная, что особенно важно для сотовых конструкций.

На основе клеевых препрегов изготавливают стекло- и углепластики. Эти материалы по сравнению с аналогичными традиционными имеют более высокие трещиностойкость (на 40-50%), прочность при межслоевом сдвиге (на 20-35%), усталостную и длительную прочность, лучше сохраняют прочностные характеристики после воздействия различных внешних факторов (вода, влага, топливо, масла, повышенные температуры).

В настоящее время конструкционные пленочные клеи и препреги применяются практически во всех изделиях авиационной и ракетно-космической техники. С использованием клеевых препрегов разработан слоистый алюмополимерный материал СИАЛ, обладающий повышенными надежностью и ресурсом.

По сопротивлению усталости, вязкости разрушения, статическим механическим свойствам, ударо- и огнестойкости он превосходит монолитные листы из традиционных алюминиевых сплавов, которые в настоящее время применяют в авиации. Слоистые материалы имеют также пониженную плотность. За создание высокопрочных клеёв и препрегов и внедрение их в перспективные изделия группа сотрудников ВИАМа удостоена Государственной премии России.

Для склеивания металлов и различных неметаллических материалов в клеевых и комбинированных соединениях (клееклепанных, клеесварных, клеерезьбовых) в институте разработаны пастообразные клеи холодного и горячего отверждения. Сейчас их широко используют не только в авиационной, но и в автомобильной промышленности, в кораблестроении, приборостроении и во многих других отраслях.

Прочность при испытании на сдвиг алюминиевых образцов, склеенных клеями этого класса, находится в пределах от 20 до 35 МПа при удлинении от 25 до 125%. Выносливость клеёных, клееклепанных и клеесварных конструкций в сочетании с высокой водо- и тропикостойкостью увеличивает ресурс изделий. Масса же конструкции (по сравнению с обычной клепаной) заметно снижается.

В ВИАМе выполнен большой объем работ по созданию клеёв для склеивания сырых резин с металлами в процессе вулканизации, вулканизованных резин с резинами, резинотканевыми материалами и металлами.

За последние 15-20 лет в быту стали необыкновенно популярны липкие ленты скотчи - пленочные клеи с постоянной липкостью. Между прочим, эти материалы используются и в авиации. В ВИАМе разработаны липкие ленты для крепления ковровых покрытий, декоративно-отделочных пленок, теплозвукоизоляции, для временного ремонта лакокрасочного покрытия на внешней поверхнос ти планера самолетов. Липкие ленты изготавливают на различных основах: бумаге, пленке, пене, нетканых материалах, фольге.

В 90-х годах ХХ века получило развитие научное направление по созданию клеёв со специальными свойствами для авиационного приборостроения. Это, например, электропроводящие клеи с удельным объемным электрическим сопротивлением 10-4-10-6 Ом.м для крепления радиоэлементов; теплопроводные клеи, клеи с высокими электроизоляционными свойствами; вакуумно-плотные клеи, обеспечивающие герметичность при вакууме 10-8 мм рт.ст. (1,33 мкПа).

Специалисты создали карборансодержащие термостойкие клеи, в частности фенольнокремнийорганические, полиуретановые, неорганические, работоспособные до температур 1600оС.

Вот и ответ на вопрос, поставленный в начале статьи: в современном самолетостроении, так же как и в других высокотехнологичных отраслях, без клея не обойтись. Более того, по мнению многих специалистов, количество используемых в промышленности клеёв (и по их суммарной массе, и по числу видов) весьма точно отражает уровень развития производства и технологии: чем выше уровень, тем больше потребности в клеях.

   
автор: Доктор технических наук А. Петрова