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.