Современные композиционные материалы и технологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ДГТУ

Кафедра «Авиастроение»

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Современные композиционные материалы и технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил  студент группы ТТА-51

Ивахненко М.И

Проверил  преподаватель

Рождественская  Н.В

 

 

 

 

2012 г.

Содержание

 

Композиционные материалы – материалы будущего

 

Структура композиционных материалов

 

Применение композиционных материалов

 

Композиционные  материалы в авиастроении

 

Заключение

 

 

 

Композиционные  материалы – материалы будущего

 

После того как современная  физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности  и ее увеличения, началась интенсивная  систематическая разработка новых  материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем  к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня  сплавов. При  этом большое внимание будет уделяться  уже известным механизмам закалки  стали и старения алюминиевых  сплавов, комбинациям этих известных  механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями  создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают  комбинированные материалы, усиленные  либо волокнами, либо диспергированными  твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие  высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или  нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность  сочетается с высоким модулем  упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

Композиционный материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в  котором имеются усиливающие  его элементы в виде нитей, волокон  или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами  или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы  с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать  композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими  и другими специальными свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структура композиционных материалов

 

По структуре композиты делятся  на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные 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 придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет 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 пленок.

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

 

 

 

 

 

Применение композиционных материалов

Композитные материалы находят  все более широкое применение в авиационной промышленности. Усталость  и обусловленные ею разрушения являются одними из важных факторов, ограничивающих ресурс и период эксплуатации авиационной  техники. Современные композиционные материалы решают эту проблему, предоставляя разработчикам целый ряд преимуществ  использования.

Преимущества  использования:

снижение  себестоимости производства летательного аппарата;

увеличение  прочностных и механических характеристик;

увеличение  срока эксплуатации летательного аппарата;

уменьшение  массы летательного аппарата;

увеличение  полезной нагрузки и тяговооруженности;

снижение  затрат на эксплуатацию летательного аппарата (например: снижение топливных  издержек)

Примеры использования:

обтекатели;

хвостовое оперение;

крылья;

двери;

фюзеляжи;

перекрытия

капот двигателя,

хвостовой стабилизатор,

все виды закрылков  и т. д.

 

 

 

 

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 ком-позиционного 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%. (рис. 2).

 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.

 

Заключение

 

Композиционные  материалы  постепенно  занимают  все  большее  место  в нашей  жизни. Области   применения   композиционных   материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и  других  специальных отраслей  техники,  они  могут  быть  успешно  применены  в   энергетическом турбостроении,   в    автомобильной    и    горнорудной,    металлургической промышленности, в строительстве  и т.д. Диапазон применения  этих  материалов увеличивается  день  ото  дня  и  сулит  еще  много  интересного.  Можно   с уверенностью сказать, что это материалы будущего.