Блискавкозахисне покриття

Винахід відноситься до галузі літакобудування, а саме до засобів блискавкозахисту літальних апаратів. Відомо блискавкозахисне покриття, що містить електропровідний матеріал Astrostrike, що являє собою сітку, виготовлену із мідної фольги шляхом перфорації [див. Рекламний проспект фірми Astroseal Products Manufacturing Company, США]. Фольга Astrostrike не є міцною та має малу розтяжність при нанесенні блискавкозахисного покриття на панель із полімерного композиту і використовується зазвичай разом з клеєвою плівкою. Плівка захищає сітку від пошкоджень при нанесенні її на панель та при наступному нанесенню лакофарбового покриття. Ці недоліки сітки Astrostrike зумовлені будовою її вічок, що мають ромбічну форму з прямолінійними перетинками, які є жорсткі й руйнуються при розтягненні сітки Astrostrike чи деформаціях, що призводять до зміни форми вічок сітки. Під дією удару блискавки в зоні ураження жорсткі перетинки вічок, не маючи піддатливості, призводить до розшарувань в блискавкозахисному покритті та збільшеним пошкодженням в композиційному матеріалі, що є істотнім недоліком відомого матеріалу Astrostrike. За прототип взято блискавкозахисне покриття, що містить струмопровідний шар із металевої трикотажної сітки, виготовленої із покритого олов'яно-свинцевим припоєм мідного дроту діаметром 0,070,12мм. Сітка зв'язана кулірним переплетенням «ластик 1+1» через голку щільністю переплетення на 100мм 36¸44 петлі по горизонталі та 56¸72 петлі по вертикалі. Відношення товщини олов'яно-свинцевого припою, що покриває мідний дріт, до його діаметру складає 0,04-0,06 [див. патент України №6198, МПК В64 4502 від 29.12.1994р.]. Перевагою струмопровідного шару із трикотажної сітки над сіткою Astrostrike є її підвищена еластичність, що досягається за рахунок рухливості петельних вічок сітки, та круглий переріз дротів, який сприяє рівномірному розподілу струму по усьому перерізу дроту на відміну від прямокутного перерізу перетинків вічок сітки Astrostrike, де струми зосереджені в області гострих кромок. Дія зусилля, здатного розпочати крихкі руйнування в сітці Astrostrike, в трикотажній дротяній сітці викликають розтягнення без руйнування за рахунок зміни форми петлі та рухливості їх контактів. Наприклад, для сітки за прототипом розтяжність, цебто гранична деформація до руйнування, може досягати вздовж петельних рядів 125-147%, а вздовж вічкових стовпчиків 80-85%. Володіючи зазначеною перевагою, такі металеві трикотажні сітки добре облягають будь-які поверхні криволінійної форми. Проте недоліком прототипу, особливо вздовж петельних стовпчиків, є підвищений електрооопір, зумовлений втратами електропровідності в рухомих контактах петель за рахунок нещільного прилягання дротів, що утворюють петлі, один до одного. Окрім того, в процесі нанесення покриття до панелі з полімерного композиту можливе затікання в проміжки контактуючих дротів зв'язуючого, яке має діелектричні властивості. Це також знижує електропровідність полотна сітки. В результаті в момент удару блискавки сітчасте полотно не досить добре відводить струм від місця її влучення, що збільшує пошкодженість покриття. В основу винаходу покладена задача створити таке блискавкозахисне покриття, в якому шляхом часткового обмеження рухливості петель сітки відносно одна одній, що зберігається при зусиллях, які не перевищують межі міцності на зсув матеріалу припою, досягається можливість швидкого відводу струму сітчастого полотна у перший момент часу, коли блискавка торкається обшивки літака, з одночасним збереженням його рухливості у наступні моменти часу. Для вирішення задачі запропоновано блискавкозахисне покриття, що містить проводячий шар із металевого трикотажного сітчастого полотна, зробленого із дроту, покритого припоєм, та розташований поверх нього діелектричний шар, та лакофарбове покриття, в якому, згідно з винаходом, дроти суміжних рядів полотна в місцях контактів утворюють між собою нероз'ємні з'єднання, міцність зв'язку на відрив дротів в яких складає 0,1-1,0 від міцності на зсув матеріалу припою, причому кількість контактів, що створюють нероз'ємні з'єднання, складає не менше 70% всіх контактів петель сітчастого полотна в робочому стані. Від прототипу запропоноване технічне рішення відрізняється, головним чином, тим, що в металотрикотажному сітчастому полотні утворено нероз'ємні контакти між дротами петель суміжних рядів. Це істотно збільшує електропровідність полотна в напрямку петельних стовпчиків за рахунок забезпечення надійного контакту між петлями й запобігає затіканню зв'язуючого в міждротяні проміжки в процесі нанесення покриття. Запропоноване технічне рішення забезпечує, з одного боку, високу електропровідність, оскільки утворені нероз'ємні контакти в місцях перетину дротів між собою в трикотажному полотні зумовлюють низький електроопір вздовж петельних стовпчиків. При цьому наявність нероз'ємних контактів істотно не знижує розтяжності сітчастого трикотажного полотна, а його петлі, утворені зігнутими дротами, не пошкоджуються в процесі нанесення блискавкозахисного покриття. З іншого боку, сітчасте трикотажне полотно зберігає свою головну перевагу - підвищену здатність до розтягнення без руйнування сітки. Під дією деформуючого зусилля рухливість трикотажного полотна забезпечується за рахунок деформації та зсуву його петель відносно одна одній. Коли величина зусилля перевищує міцність на зсув матеріала припою, що має меншу міцність на зсув порівняно з міцністю основного матерілу, із якого виготовлено сітчасте полотно, нероз'ємні контакти між петлями розриваються, і уже звільнені петлі, деформуючись, беруть частину навантаження на себе. Це зумовлює зниження пошкоджуваності за рахунок меншого розшарування панелі з композиційного матеріалу в місці влучення блискавки. Металеве трикотажне полотно може бути виконано переплетінням "ластик" або «кулірна гладь» або «фанг». Конкретний вибір типу переплетення визначається ваговими, електропроводячими та міцнісними характеристиками покриття. Як діелектричний шар в бликавкозахисному покритті можуть бути використані зв'язуюче і/або грунт і/або шпатлівка і/або клеєва плівка. Як метал дротів для виготовлення трикотажного полотна використовують мідь і/або її сплави і/або алюміній і/або його сплави, а як припой - припой, яким паяють мідь і/або її сплави і/або алюміній і/або його сплави. Суть рішення, що заявляється, пояснюється рисунками. На Фіг.1 зображено фрагмент панелі агрегата літального апарата з блискавкозахисним покриттям у розрізі. На Фіг.2 та 3 зображені структуру та розріз струмопровідного шару у вигляді металотрикотажної сітки з нероз'ємними з'єднаннями в місцях контакту дротів. Блискавкозахисне покриття 1, нанесене на панель із полімерного композиту 2, містить проводячий шар із металевого трикотажного сітчастого полотна 3, виготовленого із дротів, покритих припоєм, розташований поверх нього діелектричний шар 4, що складається із клейової плівки або грунтового прошарку, або шпатлівки та лакофарбового покриття 5. Дроти петель суміжних рядів 6 полотна 3 в місцях контактів утворюють між собою нероз'ємні з'єднання 7. Міцність зв'язку на відрив нероз'ємних з'єднань 7 становить 0,1-1,0 міцності на зсув матеріалу припою. Виготовляють блискавкозахисне покриття наступним чином. Приклад. На металеву поверхню форми, яка покрита розділяючим шаром, наносять шар зв'язуючого марки 5211-5, після цього викладають металевотрикотажну сітку з мідного дроту, покритого олов'яносвинцевим припоєм ПОС-61. Сітка виготовлена шляхом в'язання трикотажного полотна з послідуючою пайкою у процесі крокового або валкового пресування. При цьому у місцях дотику петель суміжних рядів сітки утворюються нероз'ємні контакти між дротами внаслідок їх припаювання один до одного тим же припоєм ПОС-61. Після викладки сітки на неї наносять один або два шари зв'язуючого, поверх якого наносять клейову плівку ВК-41. Поверх неї укладають шари просоченого зв'язуючим препрегу полімерного композиційного матеріалу (вуглепластика), з якого виготовляють конструкцію панелі. Викладений пакет піддають ваккум-автоклавному формуванню за режимом: тиск 8,5МПа, надлишковий тиск 25МПа, температура 125-130°С, час - 3 години. Після отвердження на зовнішню поверхню одержаної панелі наносять грунт і/або шпатлівку, а після цього лакофарбове покриття. В інших прикладах виконання як матеріал провідного шару блискавкозахисного покриття використовували металеву трикотажну сітку за прототипом, а також сітку Astrostrike. А у таблиці надано результати випробувань зразків пропонованого блискавкозахисного покриття за прототипом із сіткою Astrostrike. Блискавкозахисне покриття працює таким чином. Відомо, що блискавка виявляє комплексну руйнівну дію на елементи конструкції літака (теплову, магнітну, електричну, механічну). Зменшення дії принаймні однієї із складових руйнуючої дії блискавки, приводить до зменшення пошкоджуваності покриття. При попаданні блискавки в обшивку конструкції літака, яка захищена блискавкозахисним покриттям, електричний заряд стікає по металевому трикотажному полотну 3. У запропонованому покритті електричний опір істотно зменшується у зв'язку з підвищеною електропровідністю трикотажного полотна 3, що забезпечується створенням пайкою нероз'ємних з'єднань 7 у місцях контакту дротів сусідніх петель в суміжних рядах 6. Це істотно збільшує ефективність відводу частини струму від точок контакту каналу розряду блискавки. Виникнення електричного струму викликає нагрів металевого полотна 3. При цьому розпочинається випаровування більш легкоплавкого, ніж метал сітки, припою. Це приводить до зниження величини теплової енергії, яка діє на поверхню мідного дроту, що зменшує температуру нагріву покриття. Частина механічної напруги гаситься за рахунок того, що має місце деформація петель та їх зсув відносно одна одної. Випаровування припою з місць нероз'ємних з'єднань 7, утворених вічками суміжних рядів 6, які стали точками прикріплення каналу розряда блискавки, сприяє плавному послабленню механічного зв'язку між з'єднаними припоєм дротами. Внаслідок цього дроти можуть легше роз'єднуватися між собою та збільшувати ефект релаксації механічних напруг в мікрооб'ємах покриття, значно зменшуючи його пошкодження. Тип переплетення сітки і щільність розташування дротяних петель також грає роль в ефективності захисту от дії розряда блискавки. Чим більша щільність сітки, тим менше пошкодження композитної панелі, проте з надмірним зменшенням петельного вічка зростає вага покриття, що неприпустимо в авіаційних конструкціях. Виходячи із вищезазначеного, можна зробити висновок, що, завдяки запропонованому технічному рішенню, в блискавкозахисному покритті спостерігається дія таких основних захисних ефектів: - електричного (за рахунок збільшення електропровідності сітки, особливо вздовж петельних стовпчиків, шляхом створення нерознімних з'єднань в місцях контакту дротів сусідніх петель в суміжних рядах); - термічного (шляхом випаруваная припою з поверхні дротів та із місць їх контакту в нероз'ємних з'єднаннях); - механічного (за рахунок зниження внутрішніх механічних напруг при роз'єднанні дротів в місцях нероз'ємних з'єднань, що утворені припоєм, і можливості, що з'являється для мікродеформацій, які супроводжуються розділом дротів у петлях та можливістю їх витягування із шару з'вязуючого). Все це сприяє розсіянню електричної, теплової та механічної складових енергії при дії розряду блискавки, а також розгалуженню руйнуючих тріщин при їх відхиленні від магістрального просування по матеріалу покриття і внутрішнім шарам панелі. Результати випробувань блискавкозахисного покриття засвідчують про позитивний вплив запропонованого технічного рішення на зменшення пошкоджуваності авіаційних конструкцій з полімерних композиційних матеріалів. Таблиця Результати випробувань на захист від блискавки зразків композиційних матеріалів (вуглепластиків) для авіаційних конструкцій Характеристика струмопровідного шару блискавкозахисному покриті зразків з композиційних матеріалів № зразка Діаметр мідних Відношення міцності на відрив дротів у Кількість контактів, що утворять нероз'ємну Площа Габарити механічних Оцінка дефектів, см2 пошкоджень, мм´мм результатів випробувань Зовні З Зовні З для зразка середини зразка середини застосування 1 2 3 4 дротів, нероз'ємному з'єднання, по відношенню покритих з'єднанні до міцності до кількості контактів петель припоєм припоя ПОС-61 на сітчастого полотна в ПОС-61 зсув робочому стані, % 0,08 0,6 85 0,12 0,4 76 0,08 Сітка Astrostrike Cu 029 зразка зразка 28 5 8 2 70´60 30´25 120 104 240´180 62 35 280´90 в конструкції Допускається Допускається Не 280´180 допускається Не 29´60 допускається 40´30 20´10 Примітка: 1. Умови випробувань: Всі зразки були випробувані в однакових умовах, які моделюють зону 1А пошкодження літака за методикою Московського енергетичного інституту та Авіаційного науково-технічного комплексу ім. O.K. Антонова) 2. Зразок №3 - сітка СВ-2 ТУ 383-33-88 (прототип) 3. Зразок №4 - сітка Astrostrike Cu 029 виробництва компанії Astroseal Prodacts Manufacturing Company, США