Композиционный материал

Композиционные материалы в авиастроении

Для улучшения лётно-тактических характеристик боевых самолетов и вертолетов выполняются дорогостоящие программы, предусматривающие снижение веса конструкции летательных аппаратом за счет применения новых, более перспективных материалов, к числу которых относятся так называемые композиционные материалы.

Ведущее место в мире по разработке композиционных материалов и их использованию в конструкциях летательных аппаратов (особенно военного назначения) принадлежит США, где темпы работ и этой области непрерывно растут. Координацию проводимых исследований (применительно к авиационным конструкциям) осуществляет лаборатория материалов ВВС США и НАСА. Лаборатория материалов занимается оценкой эффективности применения композиционных материалов к конструкции военных самолетов. В настоящее время по контрактам с ВВС и программам, финансируемым крупными авиастроительными фирмами, производится и испытывается большое количество элементов конструкции самолетов и вертолетов из композиционных материалов.

Наибольшее распространение в авиа- и ракетостроении за рубежом получили композиционные материалы на основе высокопрочных волокон. Композиционный материал ведет себя как единое структурное целое и обладает свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты. Особенностью композиционных материалов является анизотропность их свойств (то есть зависимость, физических, в том числе механических, свойств материалов от направления), которая определяется ориентацией армирующих волокон. Заданную прочность материала получают, ориентируя волокна наполнителя в направлении действия основных усилии. Иностранные специалисты считают, что это открывает новые возможности при конструировании силовых элементов самолетов и вертолетов.

По мнению специалистов, с точки зрения характеристик удельной прочности и удельной жесткости наиболее перспективны композиционные материалы, в которых в качестве упрочняющей арматуры используются волокна бора, карбида бора и углерода. К таким материалам относятся бороэпоксидные материалы (боропластики, углепластики, бороалюминий).

Бороэпоксидные композиционные материалы. За рубежом наибольшее распространение получили материалы (боропластики) с армирующим наполнителем из волокон бора (бороволокон) и эпоксидными матрицами. По данным иностранной печати, применение боропластиков позволяет уменьшил вес конструкции на 20-40%, увеличить ее жесткость и повысить эксплуатационную надежность изделия. Композиционные материалы на основе бороволокна имеют высокие показатели по прочности, жесткости и сопротивлению усталости. Например, в иностранной печати отмечалось, что отношение удельной прочности боропластиков к удельной прочности алюминиевого сплава при растяжении составляет 1,3-1,9, сжатии -1,5, сдвиге-1,2, смятии-2,2, а усталостная характеристика возрастает в 3,8 раза. Кроме того, боропластики сохраняют свои качества в диапазоне температур от -60 до + 177°С. Сочетание этих свойств и предопределило перспективность широкою использования боропластиков в авиационной и ракетно-космической технике.

Как следует из сообщении зарубежной печати, масштабы применения боропластиков в самолетостроении США уже в настоящее время весьма значительны. Например, на один истребитель F-I5 расходуется около 750 кг боропластиков. Эти материалы используются для усиления элементов силового набора накладками из боропластика, что обеспечивает снижение веса элементов конструкции и повышение их несущей способности, а также для изготовления обшивок.

Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолета. Например, по заявлению специалистов фирмы «Макдоннелл Дуглас», при изготовлении из боропластиков руля направления самолета F-4 «Фантом» число деталей сократилось с 240 до 84.

Композиционные материалы с углеродными волокнами. Иностранные специалисты считают, что в условиях высоких температур, возникающих при сверхзвуковом полете, наиболее эффективны композиционные материалы на основе матриц, армированных волокнами графита (углерода). Использование этих материалов в конструкциях современных и перспективных сверхзвуковых самолетов выгодно с точки зрения экономии веса конструкции, особенно для узлов, вес которых в большей степени определяется требованиями жесткости, чем прочности. Наибольшее распространение за рубежом получили материалы с углеродными волокнами на основе эпоксидных матриц (углепластики) и материалы на основе углеродных графитизированных матриц, армированных волокнами углерода («углерод-углерод»).

Углепластики. Углепластики имеют малый удельный вес — 1,5 г/см3 (алюминиевые сплавы 2,8 г/см3, титановые 4,5 г/см3); высокие жесткость, вибропрочность и показатели усталостной прочности. Всё это делает их одними из самых перспективных материалов для производства авиационной и космической техники. При всех основных видах действующих нагрузок удельная прочность углепластиков оказывается выше прочности алюминиевого сплава. Прочность и жесткость углепластиков примерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали, используемых в конструкциях самолетов.

В настоящее время применение углепластиков в авиастроении значительно возросло. Различные элементы конструкций из этого материала проходят испытания на самолетах F-5E, A-4D и F-111. Фирма «Боинг» по контракту с ВВС США исследует возможности использования этих материалов в конструкции крыла перспективного высотного беспилотного разведывательного самолета. Подобные работы ведутся и в других странах. Например, английская Фирма «Бритиш эркрафт» по контракту, заключенному с министерством обороны Великобритании, создает из углепластиков элементы планеров некоторых самолетов.

Композиционные материалы «углерод-углерод» обладают малым удельным весом (1,4 г/см3), высокими теплозащитными свойствами, способностью сохранять прочностные характеристики при температурах свыше 2500С Благодаря этим и другим качествам они считаются весьма перспективными для изготовления тех деталей и узлов самолетов, которые работают в условиях высоких температур, а также для теплозащитных экранов летательных аппаратов, прежде всего космических кораблей. По сообщениям зарубежной печати, в настоящее время из этого материала для самолетов разработаны детали колесных тормозов, вес их составляет около 30%. веса стальных тормозов. По мнению специалистов американской фирмы «Данлон», ресурс тормозных устройств из этих материалов — 3000 посадок, что в пять-шесть раз превышает срок эксплуатации обычных тормозов.

Бороалюминиевый композиционный материал (бороалюминий). В качестве армирующего наполнителя этого композиционного материала используются волокна бора (иногда с покрытием из карбида кремния), а в качестве матрицы — алюминиевые сплавы. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в 2 раза прочнее его, что позволяет получить значительную весовую экономию. Кроме того, при высоких температурах (до 430°С) бороалюминиевый композиционный материал имеет в 2 раза большие значения удельной прочности и жесткости по сравнению с титаном, что дает возможность его применения для самолетов со скоростями полета М=3, в конструкциях которых в настоящее время используется титан. Зарубежные специалисты считают бороалюминий также одним из перспективных композиционных материалов, применение которого может дать до 50%. экономии веса конструкции летательных аппаратов.

По сообщениям иностранной печати, работы по исследованию характеристик бороалюминия и внедрению его в авиастроение выполняются несколькими американскими фирмами. Например, фирма «Дженерал дайнэмикс» из этого материала изготовляет элементы конструкции хвостовой части самолета F-111, а фирма «Локхид»- экспериментальный кессон центроплана самолета С-130 «Геркулес». Специалисты фирмы «Боинг» изучают возможность применения бороалюминиевого материала в стрингерах сверхтяжелых самолетов.

В настоящее время бороалюминиевый композиционный материал находит все большее применение в конструкциях авиационных двигателей. По данным зарубежной печати, фирма «Пратт-Уитни» использует его при производстве лопаток вентилятора первой и третьей ступеней ТРДД JT8-D, TF-30, F-100, а Фирма «Дженерал электрик» — лопаток вентилятора двигателя J-79, что, по мнению специалистов фирмы, позволит получить около 40%. экономии веса этих элементов.

В США существует 79 программ, в рамках которых ведутся работы по исследованию и практическому использованию композиционных материалов в авиастроении.

Анализируя подученные при выполнении экспериментальных работ результаты, иностранные специалисты считают, что композиты могут быть использованы при конструировании большинства узлов и деталей боевого самолета. На рис. 1 показана схема планера боевого самолета с указанием тех элементов, в конструкциях которых, по взглядам иностранных специалистов, возможно применение композиционных материалов.

На создаваемом фирмой «Рокуэлл интернэшнл» стратегическом бомбардировщике В-1 внутренние и внешние лонжероны, расположенные в хвостовой части фюзеляжа, делаются с применением накладок из бороэпоксидного композиционного материала. Эти лонжероны состоят из сплошных боропластиковых накладок, соединенных с деталями из металлов. Металлические элементы (сталь, титан) обеспечивают прочность, а накладки из боропластика увеличивают жесткость лонжеронов. Отмечается, что лонжероны такой конструкции не только обладают улучшенными механическими свойствами, но и на 28-44%. легче цельнометаллических.

Предусматривая дальнейшее внедрение композиционных материалов в конструкцию бомбардировщика В-1, лаборатория материалов ВВС США заключила контракты с фирмой «Рокуэлл интернэшнл» на разработку киля из графитоэпоксидного и бороэпоксидного материалов, а с фирмой «Грумман» — на создание стабилизатора самолета из этих материалов.

В соответствии с программой, осуществляемой фирмой «Дженерал дайнамикс» (по контракту с ВВС США), на изготовленной из высокопрочной стали нижней поверхности шарнирной опоры крыла истребителя-бомбардировщикa F-111A, устанавливаются усиливающие накладки из эпоксидного боропластика. Американские специалисты считают, что применение этих накладок более чем вдвое увеличивает усталостную прочность шарнирного соединения узла поворота крыла. На двух самолетах F-111A испытываются экспериментальные стабилизаторы из бороэпоксидного композиционного материала, которые, по данным иностранной печати, на 27%. легче обычных.

В самолете F-l4 Томкэт применение композиционных материалов в силовой конструкции было предусмотрено в самом начале его проектирования. Из композиционного материала на основе бороволокна изготовляются четыре панели обшивки стабилизатора.

По данным иностранной печати, результаты проведенных испытании показали, что усталостные характеристики стабилизатора с обшивкой из боропластика в 2,5 раза выше заданных техническими требованиями, а но стоимости он в настоящее время эквивалентен цельнометаллическому. Общий вес стабилизатора с обшивкой из боропластика 350 кг; экономия в весе по сравнению со стабилизатором с титановой обшивкой 82 кг (или 10%.). Но в сравнении со стабилизатором аналогичной конструкции из алюминиевых сплавов выигрыш в весе получается еще больше — 117 кг (27%.).

В конструкции самолета F-15 «Игл» (фирма «Макдоннелл Дуглас»), исходя из соображений обеспечения требуемой центровки с целью экономии веса хвостовой части самолета, обшивка горизонтальных управляемых стабилизаторов и вертикального хвостового оперения выполнена из боропластика. По сообщениям зарубежной печати, завершены усталостные испытании планера самолета F-15 с панелями обшивки из композиционных материалов. Продолжительность испытаний 10 тыс. ч, что в четыре раза превышает его нормальный ресурс. Затем были проведены статические испытания горизонтального управляемого стабилизатора при нагрузке в два раза больше расчетной разрушающей; стабилизатор выдержал и эти испытания По сравнению с конструкцией горизонтального стабилизатора, выполненной из титана, экономия веса при использовании боропластиковых обшивок составила 22%.

Как отмечается в зарубежной печати, самолет F-15 является первым военным самолетом ВВС США, на котором установлена тормозная система фирмы «Гудьир», детали которой изготовлены с использованием композиционного материала на основе углеродных волокон. Это обеспечило, по мнению американских специалистов, экономию веса (около 32 кг на каждый тормоз) и более плавное и в то же время более эффективное торможение, а также увеличило надежность действия тормозной системы.

Фирма «Макдоннелл Дуглас» уже третий год ведет исследования по специальной программе, предусматривающей применение композиционных материалов для различных элементов крыла самолета F-15, что, по расчетам специалистов фирмы, позволит уменьшить вес крыла на 130-180 кг В ходе прочностных испытаний крыло самолета из композиционных материалов разрушилось при нагрузке, составляющей 110%. расчетной разрушающей. Летные испытания этого крыла планируется начать в 1976 году (в случае успешного завершения статических испытаний).

Иностранная печать сообщает, что высокая стоимость технической оснастки, необходимой дли изготовления деталей из таких материалов, не позволила в должном объеме использовать перспективные композиционные материалы. Однако применение композиционных материалов в конструкциях новых боевых самолетов США все возрастает. Опыт применения графитоэпоксидных композитных материалов, полученный Фирмой «Дженерал дайнемикс» при разработке самолета F-111, учтен и при создании самолета F-16. Благодаря изготовлению обшивки киля, стабилизатора и руля направления из углепластика фирме удались снизить вес хвостовой части фюзеляжа самолета F16 примерно на 30%. В настоящее врем» фирма по контракту с ВВС разрабатывает переднюю часть фюзеляжа этого самолета из графитоэпоксидных материалов.

Во время модернизации тяжелого военно-транспортного самолета С-5А при создании некоторых узлов и деталей планера самолета (например, секции предкрылков) применяли композиционные материалы. Новая секция имеет повышенную прочность и жесткость, она значительно легче металлической.

Предпринимаются попытки использовать композиционные материалы в вертолётостроении. В частности, с целью исследования возможности изготовления некоторых основных элементов конструкции вертолетов из таких материалов американские и западногерманские фирмы проводят ряд опытно-конструкторских работ. По данным иностранной печати, американская Фирма «Сикорский» участвует в программе, предусматривающей повышение усталостной долговечности и улучшение динамических характеристик вертолета СН-54В за счет упрочнения композиционными материалами его хвостовой балки. Сообщается, что в результате упрочнения стрингеров бороэпоксидным материалом ресурс планера вертолета повысился в несколько раз, а вес снизился на 30%.

В зарубежной печати сообщалось, что министерство обороны США заключило с фирмой «Хьюз» контракт стоимостью 1,2 млн, долларов на разработку из композиционных материалов лопасти несущего винта для вертолета «Хью Кобра». По заявлению специалистов фирмы, применение композиционных материалов в конструкции лопасти позволит уменьшить ее вес, сохранить прочностные характеристики, добиться относительной неуязвимости лопасти от пуль. Кроме того, такие лопасти будут иметь большой ресурс и малую стойкость, а их производство можно наладить на автоматизированной линии.

Широкое применение композиционных материалов в конструкции несущего винта запланировано также в рамках перспективной программы HLH, предусматривающей создание тяжелого транспортно-десантного вертолета максимальной грузоподъемностью около 30 т. Но данным иностранной печати, к настоящему времени фирма «Боинг» с которой министерство обороны США заключило контракт на выполнение работ по программе HLH, изготовила роторы с несущими винтами, в их конструкции использованы композиционные материалы.

На основе исследований, проводившихся крупнейшей американской вертолетостроительной фирмой «Сикорский» применительно к вертолету CH-53D, сделан вывод о том, что широкое внедрение композиционных материалов в конструкциях вертолетов станет целесообразным и 80-х годах. Специалисты фирмы считают, что максимальная эффективность достигается при включении композиционных материалов в конструкцию фюзеляжа вертолета; при этом в наиболее нагруженных элементах фюзеляжа следует применять материал на основе углерода. Проведенный анализ показал, что за счет использования композиционных материалов вес конструкции вертолета CH-53D может быть снижен на 18,5%.

Изучая опыт применения композиционных материалов в конструкциях самолетов, американские специалисты считают эти материалы с точки зрения веса и механических характеристик весьма перспективными для ракетно-космической техники. По сообщениям иностранной печати, в США при изготовлении головных частей ракет предполагается использовать композиционные материалы с углеволокнистой матрицей, обладающие высокой радиопрозрачностью. Сообщается также о проведении тепловых испытании сопла ракетного двигателя, выполненного целиком из композиционных материалов.

Из углепластиков в сочетании с алюминиевой сотовой конструкцией уже изготовляется ряд деталей искусственных спутников Земли, например каркасы антенн. Это обеспечило не только экономию веса по сравнению с алюминиевой конструкцией, но и стабильность размеров панелей, так как у углепластиков чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (в 50 раз меньше, чем у металлов).

Композиционные материалы планируется широко использовать для изготовления некоторых элементов орбитальной ступени, разрабатываемой в США транспортно-космической системы «Шатл». В частности, для теплозащиты носка фюзеляжа, нижней поверхности носовой части фюзеляжа, передней кромки крыла будет применен композиционный материал «углерод-углерод». Фирмой «Боинг» разработана рама жидкостного реактивного двигателя основной двигательной установки орбитальной ступени, располагающаяся в хвостовой части фюзеляжа. Она сделана из бороэпоксидного композиционного материала в сочетании с элементами из титанового сплава. Эта конструкция, по данным фирмы, позволит по сравнению с обычной титановой достичь экономии в весе около 30%.

Исследования, выполненные рядом американских самолетостроительных фирм под руководством лаборатории материалов ВВС США, показали, что применение композиционных материалов в конструкции военных самолетов и вертолетов 80-х годов позволит не только значительно снизить их вес и стоимость, но и повысить живучесть.

По прогнозам зарубежных специалистов, к началу 80-х годов доля композиционных материалов в планере самолета возрастет до 50%. Это должно обеспечить 20-30% экономию веса в равной мере как для дозвуковых, так и сверхзвуковых самолетов. Достигнутое при этом снижение веса конструкции позволит увеличить запас топлива или боевую нагрузку или уменьшить размеры самолета. Более того, считается, что высокие прочностные характеристики этих материалов могут привести к улучшению аэродинамических характеристик (путем уменьшения относительной толщины профиля и удлинения крыла), а в конечном итоге — к улучшению летных характеристик самолета.

Композиты в авиастроении

Совместный курс МГТУ им. Н.Э. Баумана и ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация». На сегодняшний день наиболее перспективными материалами для изготовления авиационной техники являются композиты – искусственно созданные за счет сочетания двух других материалы, обладающие уникальными характеристиками. Композиты прочнее и легче, чем привычные материалы. Например углепластик, более известный как карбон, такой же прочный, как сталь и при этом в 8 раз легче! Процесс изготовления изделий из композитов в значительной степени отличается от изготовления изделий из металлов. Карбон состоит из углеродной ткани и полимерной смолы, не имеющих форму сами по себе. Форма задается в процессе производства. Один из самых распространённых способов производства композитных конструкций является метод вакуумной инфузии, именно его мы будем использовать на курсе «Композиционные материалы в Авиастроении». Он сочетает в себе безопасность и эффективность. В ходе курса обучающиеся узнают, что такое композит, как он работает, какие существуют методы проектирования и анализа композитов. Лекции читают специалисты МГТУ им. Н.Э. Баумана, ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация», ПАО «Корпорация Иркут» и будут направлены на введение обучающихся в инженерный анализ конструкций, геометрическое проектирование и введение в технологию и прочность композитов. Затем обучающиеся разобьют на две группы и подготовят две пластинки с различными направлениями укладки углеродных волокон. Это необходимо для наглядной демонстрации неравномерности характеристик изготавливаемой модели в различных направлениях. В задачи каждой группы войдет раскрой материала, подготовка оснасток, сборка вакуумного пакета, пропитка вакуумного пакета – проще говоря, создание модели с нуля. После этого подготовленные образцы будут испытаны и проведется сравнение полученных в результатах испытаний данных с данными, полученными в ходе инженерного анализа. Следующим этапом станет непосредственно изготовление сегмента крыла самолета: кессона – силовой части крыла. Разрабатываемый ребятами кессон будет состоять из нескольких пластин, которые в последствии будут собираться в единую конструкцию с помощью клея и герметика. На этом этапе важно точно разметить скрепляемые детали, выдержать режим отверждения двухкомпонентного клея, следить за отсутствием подтеков и непроклеев, в чем вашему ребенку всегда поможет опытный и ответственный преподаватель. Финальным этапом программы станут испытания. Испытания материалов и конструкций будет проходить в уникальной лаборатории кафедры МТ8 «Материаловедени» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Данная лаборатория оснащена необходимым оборудованием для полноценных испытаний изделий из композитов по российским и международным стандартам. В ходе испытаний образцы, созданные ребятами, будут изгибаться для определения предела упругости готовой модели. Такие испытания для композитных конструкций крайне важны, т.к. прочность композита зависит от многих факторов, в том числе квалификации технолога. По окончании программы пройдет итоговое мероприятия с представителями МГТУ им. Н.Э. Баумана, ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация», ПАО «Корпорация Иркут».

Также читайте:

Ведущие российские научные организации авиационной отрасли — ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, ГкНИПАС, СибНИА, ЛИИ, ВИАМ, ГосНИИ ГА, НИИСУ, НИИАО, НИАТ – в рамках нового подхода к формированию научно-технического задела в области авиации разработали концепцию развития авиационной науки и технологий до 2030 года и дальнейшую перспективу. В документе отмечается особый вклад отечественной композитной отрасли в решение задач авиационной промышленности. Облик авиационных конструкций является компромиссом между требованиями к авиаконструкциям по безопасности, экологии и экономической эффективности и существующими техническими возможностями, определяемыми свойствами конструкционных материалов, технологией производства авиаконструкций и уровнем проектирования.

В настоящее время, работая над повышением авиатранспортной эффективности (величина, обратная стоимости перевозки одного пассажира на 1 км, при обеспечении соответствующего уровня комфорта, а также требований по безопасности и экологии), мировая авиаиндустрия активно переходит от металлических конструкций к новому типу конструктивных решений на основе композиционных материалов.

Дальнейшее повышение транспортной эффективности будет обеспечиваться внедрением в силовую конструкцию планера новых волокнистых композиционных материалов с высокими удельными прочностными характеристиками. К примеру, предел прочности современных угольных волокон превышает величину sпред=500 кгс/мм2, что на порядок выше предельных прочностных характеристик современных авиационных алюминиевых сплавов, тогда как удельный вес волокон почти в два раза ниже, чем у этих сплавов.

Однако составители форсайта отмечают, что разработка и создание композитных авиаконструкций (на 2013 год) характеризуются недостаточной эффективностью использования потенциально высоких удельных свойств современных угольных и других органических волокон в высоконагруженных силовых авиаконструкциях. Трудности возникают из-за низких прочностных и эластичных характеристик современных связующих по отношению к характеристикам волокон (наполнителя), что не позволяет в рамках современных многослойных композиционных материалов реализовать даже 20-25% от предельных прочностных характеристик для волокон в составе квазиизотропной обшивки.

Таким образом композитная технология «Black metal», предполагающая лишь замену конструкционного материала при неизменной конструктивно-технологической схеме планера, оказалась малоэффективной. ЦАГИ на базе своих исследований отмечает, что для успешной реализации данной технологии характеристики связующего должны быть улучшены как минимум в 2‑2.5 раза по сравнению с существующим уровнем, что возможно лишь в долгосрочной перспективе.

В то же время 50% улучшение механических свойств связующих становится возможным получение эффективных по весу и стоимости авиаконструкций в рамках так называемых «про-композитных» или «гибридных» конструктивно-силовых схем. Это сетчатые и балочные КСС (рисунок ниже), где основными силовыми элементами являются не подкрепленные панели, а система массивных ребер, интегрированных с металлическими частями. Ребра воспринимают глобальные нагрузки от сжатия, растяжения, изгиба и кручения, в то время как сосредоточенные нагрузки, нагрузки в стыковочных узлах воспринимают металлические конструкции. Что касается внутреннего наддува, то для этих КСС нагрузки от внутреннего давления могут восприниматься как металлическими конструктивными элементами, так и эластичными пластиками, приспособленными к восприятию растягивающих усилий.

Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040‑2050 гг. (представлено Airbus)

В форсайте указывается, что будут разработаны гибридные, активно управляемые и преобразуемые КСС с высокой степенью адаптации к режимам полета. Они могут быть эффективными для конструкции крыла большого удлинения, а также для конструкции «летающего крыла», которые в среднесрочной перспективе могут быть базовыми вариантами для конструкций гражданских самолетов. Получат распространение активные системы снижения нагруженности планера летательных аппаратов в эксплуатации, встроенные системы контроля состояния конструкции. Это, в свою очередь, потребует новых достижений в области адаптроники, аэроупругости, отказобезопасности авиаконструкций.

Новые материалы и конструктивно-технологические решения ожидаются при создании «горячих», теплозащищенных и охлаждаемых конструкций планера сверх- и гиперзвуковых самолетов. Будут разработаны КСС и термокомпенсационные мероприятия, обеспечивающие прочность с учетом тепловых нагрузок при минимальных весовых затратах.

Реализация данных тенденций должна обеспечиться созданием блока инновационных решений и рекомендаций по проектированию конструкций перспективных компоновок ЛА с использованием новых инновационных технологических решений: композитные, малостыковые, деформируемые и адаптируемые к условиям полета упругие конструкции крыла, органов управления, оперения и фюзеляжа, активное шасси, сварные соединения и металло-композитные стыки.

В рамках развития авиационной науки и технологий одним из перспективных направлений рассматривается внедрение новых материалов и технологий их производства, на что подтверждает мировая практика инновационных разработок в ведущих областях промышленности. Базисом в создании новых материалов должны стать результаты фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований отраслевых научно-исследовательских организаций и институтов Российской академии наук. При этом, как отмечается в форсайте, исследования будут основываться на неразрывности материалов, технологий и конструкций, а также реализации полного жизненного цикла от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте и утилизации.

Среди стратегических направлений развития материалов:

  1. Композиционные и керамические материалы нового поколения. В основе данных материалов исследования процессов избирательной сорбции компонентов связующих на поверхности волокон, механизмов структуро — и фазообразования на границе раздела и межволоконном пространстве, продвижения и распределения нанообъектов в энергетически неравновесных зонах структуры, обеспечивающих залечивание дефектов на нано- и мезоуровнях, накопления повреждений, деградации и разрушения при различных видах воздействия и сред в процессе эксплуатации.
  2. Металломатричные композиционные материалы на основе легких сплавов с пониженной на 15% плотностью, повышенной на 30% удельной прочностью и рабочей температурой до 450 С применительно к конструкциям перспективных космических аппаратов.
  3. Новые полимерные основы и связующие для композиционных материалов, в т.ч. термостойкие, высокодеформативные с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, обладающие функциями самозалечивания, механохромными свойствами и модифицированными наночастицами.
  4. Высокопрочные и высокомодульные конструкционные и функциональные композиты, в т.ч. гибридного типа на основе различных текстурных и мультиаксиальных текстильных форм с высокими физико-механическими характеристиками, сопротивлением к статическим, повторно-статическим, динамическим нагрузкам, климатическим воздействиям и биоповреждению;
  5. Технологии прогнозирования свойств, моделирования и реализации современных процессов конструирования и производства изделий из неметаллических и композиционных материалов с использованием цифровых методов, совместимых с CAD/CAM/CAE и PLM системами, включая разработку методов моделирования и создание алгоритмов расчета, определяющего взаимосвязь «состав — технология — свойства», как на протяжении технологического, так и жизненного цикла материала в изделии.
  6. Междисциплинарные исследования в области новых материалов, нано- и IT-технологий, когнитивных и биотехнологий, направленные на изучение «устройства» и возможностей биологических объектов с целью их копирования в виде модельных технических систем на базе новых материалов; соединение современных технологических возможностей с достижениями в области познания живой природы (нано-биотехнологии); создание технологий атомно-молекулярного конструирования и самоорганизации на основе атомов и биоорганических молекул, а также разработку гибридных андроидных, интеллектуальных материалов нового поколения, в т.ч. бионического и нейронного типов.

Развивая эти и другие стратегические направления в области разработки новых материалов и технологий, разработчики перспективных самолетов, вертолетов, авиационных двигателей и агрегатов смогут обеспечить:

  • увеличение ресурса конструкций планера до 80 тысяч и более летных часов с увеличением межремонтных сроков до 20 лет, и ресурса двигателя до 0,5 — 1 ресурса планера;
  • 30-процентное снижение массы конструкций планера и двигателя;
  • сокращение до 50% стоимости и затрат на ремонт и восстановление конструкций, а также двукратное снижение трудоемкости техобслуживания;
  • повышение до 90% объема отечественных материалов в планере и двигателе гражданских летательных аппаратов и до 100% — в военной авиационной технике;
  • создание гражданских летательных аппаратов, работающих при скоростях от 5 до 15 чисел Маха, включая развитие проекта по гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю;
  • повышение безопасности полета за счет снижения влагонасыщения полимерных композиционных материалов, повышения их ударо- и молниестойкости.

Пресс-служба Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского сообщает, специалисты ЦАГИ в ходе пленарного заседания 60-научной конференции Московского физико-технического института представили свои разработки в рамках доклада «Современные и перспективные конструкции летательных аппаратов». Авторы исследования (начальник комплекса прочности летательных аппаратов Михаил Зиченков и руководитель лаборатории прочности перспективных авиаконструкций ФГУП «ЦАГИ» Александр Шаныгин) считают, что наиболее ощутимый эффект от использования композиционных материалов в авиапромышленности может быть достигнут только при внедрении новых типов конструкций самолетов.

Ученые ЦАГИ предлагают всем отечественным конструкторским предприятиям взять за основу многоуровневый подход к проектированию. В рамках новой системы специалисты института разработали конструктивно-силовые схемы (КСС) для нового поколения гражданских самолетов. В частности, в ходе исследования были получены новые решения для гибридных (металло-композитных) КСС в рамках создания цилиндрического фюзеляжа и гермокабины в схеме самолета «летающее крыло».

Главная идея заключается в создании композитного каркаса в виде сетчатой структуры, где каждый элемент отвечал бы за конкретный вид нагрузки. Такой подход позволил бы создать планеры совершенно нового типа, что в свою очередь, ознаменовало бы выход сверхлегкий и сверхбыстрых самолетов.

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Композиционный материал

У этого термина существуют и другие значения, см. Композит (значения). Обычная клееная фанера является широко распространённым композитным материалом

Композитный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жёсткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении её механических характеристик.

Энциклопедичный YouTube

  • 1/5 Просмотров:3 181 3 366 828 916 2 834
  • ✪ Химия 52. Виды композиционных материалов — Академия занимательных наук
  • ✪ Композиционные материалы (рассказывает Владимир Нелюб)
  • ✪ Композиционные материалы (рассказывают Александр Аношкин и Анатолий Ташкинов)
  • ✪ Композиционные материалы и композитные конструкции
  • ✪ Метаматериалы; технология «плаща-невидимки» (рассказывает Артём Малахо)

Субтитры

Структура композитных материалов

По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочнённые частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами — кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придаёт материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счёт добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных плёнок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочнённых частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20—25 % (по объёму), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15 % (по объёму) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов — нового класса композиционных материалов — ещё меньше и составляют 10—100 нм.

Полимерные композитные материалы (ПКМ)

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях даёт значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики — полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формируют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т. д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т. д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей — куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось — она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80 % по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетённая из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики — достаточно дешёвые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т. п.

Б) Углепластики — наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т. д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220° С, карбонизация — 1000—1500° С и графитизация — 1800—3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков — чаще всего — термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики — очень лёгкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, чёрного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении лёгких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композитные углеграфитовые материалы — наиболее термостойкие композитные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолётов, тормозные колодки и диски для скоростных самолётов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики — композитные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедрённые в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетённых вспомогательной стеклянной нитью или лентой, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твёрдости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30 % стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики — композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже — природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т. д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40—70 % наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров — полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т. п. — варьируется в значительно больших пределах — от 2 до 70 %. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т. д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформальдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола — вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до её затвердевания, увеличивает её прочность. Созданный им материал — бакелит — приобрёл большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отверждённого полимера и наполнителя — пресс-порошок — под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это — ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дёшевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет даёт возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жёстких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т. д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т. п. По-прежнему широко применяют органические наполнители — древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Большую популярность приобрел полимерно-песчаный композит на основе полиэтиленов с наполнителем из речного песка. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты — слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов — покрытия для кухонных столов — трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие — на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон — хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т. д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Композитные материалы с металлической матрицей

При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т. д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности.

Свойства дисперсноупрочненных металлических композитов изотропны — одинаковы во всех направлениях. Добавление 5-10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромоникелевый сплав тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000° С до 1200° С. Дисперсноупрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии.

Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450—500° С, вместо 250—300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластическую деформацию материала, что создаёт значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т. д.

В 1970-х появились первые материалы, армированные нитевидными монокристаллами («усами»). Нитевидные кристаллы получают, протягивая расплав через фильеры. Используются «усы» оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т. д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм. Армирование «усами» позволяет значительно увеличить прочность материала и повысить его жаростойкость. Например, предел текучести композита из серебра, содержащего 24% «усов» оксида алюминия, в 30 раз превышает предел текучести серебра и в 2 раза — других композиционных материалов на основе серебра. Армирование «усами» оксида алюминия материалов на основе вольфрама и молибдена вдвое увеличило их прочность при температуре 1650° С, что позволяет использовать эти материалы для изготовления сопел ракет.

Композитные материалы на основе керамики

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными частицами позволяет получать высокопрочные композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного материала. Часто используют металлические волокна. Сопротивление растяжению растёт незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам — материал меньше растрескивается при нагревании, но возможны случаи, когда прочность материала падает. Это зависит от соотношения коэффициентов термического расширения матрицы и наполнителя.

Армирование керамики дисперсными металлическими частицами приводит к новым материалам (керметам) с повышенной стойкостью, устойчивостью относительно тепловых ударов, с повышенной теплопроводностью. Из высокотемпературных керметов делают детали для газовых турбин, арматуру электропечей, детали для ракетной и реактивной техники. Твёрдые износостойкие керметы используют для изготовления режущих инструментов и деталей. Кроме того, керметы применяют в специальных областях техники — это тепловыделяющие элементы атомных реакторов на основе оксида урана, фрикционные материалы для тормозных устройств и т. д.

Керамические композитные материалы получают методами горячего прессования (таблетирование с последующим спеканием под давлением) или методом шликерного литья (волокна заливаются суспензией матричного материала, которая после сушки также подвергается спеканию).

  • Композитная арматура
  • Гибридный материал

Литература

  • Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
  • Васильев В. В., Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
  • Карпинос Д. М., Композиционные материалы. Справочник. — Киев, Наукова думка
  • СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
  • Техническое заключение по результатам лабораторных испытаний арматурных выпусков из стеклопластика, установленных в монолитный бетон, на действие продольных относительно оси выпуска усилий // Tekhnicheskoe zaklyuchenie po rezul’tatam laboratornyh ispytaniy armaturnyh vypuskov iz stekloplastika, ustanovlennyh v monolitnyy beton, na deystvie prodol’nyh otnositel’no osi vypuska usiliy
  • Высокопрочные системы усиления ITECWRAP/ITECRESIN. Екатеринбург: ООО НИИ Высокопрочные системы усиления ИНТЕР/ТЭК, 2010. 69 с. // Vysokoprochnye sistemy usileniya ITECWRAP/ITECRESIN. Yekaterinburg: OOO NII Vysokoprochnye sistemy usileniya INTER/TEK, 2010. 69.
  • Коршунов, Я. Бурейская ГЭС: сверхпроектные работы/ Я. Коршунов // Газета «Вестник РусГидро».№ 4 — 2014. С.8. // Korshunov, Ya. Bureyskaya GES: sverhproektnye raboty/Ya. Korshunov//Gazeta «Vestnik RusGidro» #4-2014. P.8
  • Усиление железобетонных конструкций (Пособие П 1-98 к СНиП 2.03.01-84*). Минск, 1998. // Usilenie zhelezobetonnyh konstrukciy (Posobie P 1-98 k SNiP 2.03.01-84*). Minsk, 1998.
  • Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С.1-8
  • Хозин В. Г., Пискунов А. А., Гиздатуллин А. Р., Куклин А. Н.//Сцепление полимеркомпозитной арматуры с цементным бетоном / Известия КГАСУ № 1(23) — 2013. С. 1-9