Эффективность применения ВПКМ в машиностроении

Эффективность применения ПМ, ПКМ, ВПКМ в машиностроении связана как со снижением массы конструкций (экономия топлива при эксплуатации транспортных средств), так и с использованием специфических свойств этих материалов. На первом этапе расчета экономического эффекта при замене металла стоимость "С" 1 кг сэкономленной массы

, где

m₁, Д₁, Ц₁ – масса, долговечность, цена металлической детали;

m₂, Д₂, Ц₂ – соответственно для детали из ПМ, ПКМ.

На втором этапе учитывается эффект от снижения затрат на технологию и от роста технических характеристик (грузоподъемность, скорость, упрощение конструкции и др.). Так, для быстровращающихся деталей типа "карданный вал" критическое число оборотов n определяется значением удельного модуля упругости E/ρ материала:

, где

К – коэффициент, для ПКМ К=20946;

L – длина вала, м;

Е – продольный модуль упругости, ГПа;

D и d – внешний и внутренний диаметры вала.

При применении ВПКМ достигается двойное снижение массы (ПКМ с высокими значениями прочности при кручении при структуре ±45^о); повышение n в 2 раза при использовании однонаправленных ВПКМ; удлинение L на 40 % при заданном n (реализация карданной передачи без промежуточной опоры).

Аналогичные результаты имеют место при расчете n = K(EJ/WL⁴)^0,5 , где J – момент сопротивления вала, W – масса единицы длины вала.

Конструкционный параметр D = σ/к·ρ·ω² связывает геометрические размеры конструкции с прочностью σ, плотностью ρ материала, скоростью вращения ротора ω. По значению D ВПКМ превосходят металлы в 2–2,5 раза.

Размеры вращающихся деталей, находящихся под действием центробежных сил (диаметр маховика – аккумулятора энергии, хорда пера или средний радиус лопатки компрессора ГТД, лопасть вертолета) могут быть при одинаковых скоростях вращения увеличены в 2 раза (из ПКМ) – необходимое условие для двигателей с большой тягой и маховиков с большой энергоемкостью.

Расчеты удельной энергоемкости е_w маховиков показывают высокую эффективность ВПКМ (таблица 16).

Таблица 16.

Сравнение энергии, запасаемой маховиками из различных материалов.

Материал	Прочность при растяжении σ+, МПа	Допустимое напряжение σА, МПа	Плотность ρ, г/см3	Удельная прочность σА/ρ, МПа/(г/см3)	Коэффициент, учитывающий форму маховика КS	Удельная энергоемкость МПа/(г/см3)
Чугун			7,7		0,8	40,8
Высокопрочная сталь			7,8		0,8	64,0
Мартенситная сталь			7,8		0,8
Композиционный материал на основе Е-стекла и эпоксидной смолы			2,1		0,5
Эпоксидный углепластик			1,6		0,5
Композиционный материал на основе арамидных волокон и эпоксидной смолы			1,4		0,5
Свинцовая электрическая балка	–	–	–	–	–	72–109

Для дисков из ортотропных ВПКМ удельная массовая кинетическая энергия е=Е/m=σ/2ρ при максимальной окружной скорости V=σ^0,5 /ρ^0,5 существенно превышает показатели для алюминия и стали (таблицы 17).

Таблица 17.

Удельная массовая кинетическая энергия свободно вращающегося кольца из различных материалов.

Материалы	V, м/сек	е, кДж/кг
Стекловолокнит
Органоволокнит
Углеволокнит
Бороволокнит
Алюминий
Сталь

Критическое разрушающее напряжение σ_крит. для оболочки радиусом R_об, толщиной стенки δ определяется, в основном, модулем упругости Е материала:

ВПКМ с высокими значениями σ, σ/ρ эффективны для использования в рессорах, торсионах, пружинах, бамперах, спортивных луков, шестов для прыжков. Накопленная упругая энергия в изгибаемом стержне из однонаправленного стекловолокнита в расчете на 1 кг массы – наибольшая по сравнению с упругой энергией металлов.

При использовании ВПКМ (на примере стеклопластика) число листов "n" в листовых рессорах

, где

р – максимальная нагрузка;

с = dP/αV – жесткость;

[σ] – допустимое напряжение при изгибе;

b – ширина листа;

δ – коэффициент формы лист (δ=1 для прямоугольной балки, δ = ³/₂ – для треугольной балки);

l₁, l₂ – длины плеч несимметричной рессоры;

Е – продольный модуль упругости.

С начала 50-х годов основным типом ВПКМ были высокопрочные, но низкомодульные (по сравнению с Al и Ti) стеклопластики, используемые в производстве антенных обтекателей.

Использование ВПКМ в высоконагруженных конструкциях потребовало разработки материалов с более высоким модулем упругости с сохранением высокой прочности. Разработаны углеродные, борные, высокомодульные полимерные волокна (СВМ, Кевлар, Русар, из СВМПЭ) и угле-, боро-, органопластики многофункционального назначения.

Прочность кевларопластиков близка к прочности стеклопластиков, модуль упругости их примерно в 2 раза выше, но они плохо работают на сжатие и сдвиг, трудно обрабатываются. Борные волокна и боропластики дороги. В последнее время большое внимание привлекают SiC и некоторые другие волокна. Основными конструкционными ВПКМ становятся углепластики и гибридные ВПКМ.

В 1995–2015 (20 лет) годах ожидается прирост рынка самолетов на 5–6 % в год. Потребуется 14750 новых транспортных самолетов, из них 9 % на 65–120 мест, 23 % – на 120–210 мест, 68 % на 210–500 мест.

Дальность полета возрастает до 15000 км, средняя вместимость в 2010 году возрастает с 175 до 224 мест.

Существенное увеличение качества ЛА стимулирует весовое совершенствование их конструкции и все более широкого использования высокопрочных, высокомодульных многофункциональных ВПКМ.

Соотношение массы ЛА и полезной нагрузки для дозвукового самолета составляет 4:1 (при использовании ПКМ 3:1), для сверхвукового соответственно 12:1 и 9:1 для космического аппарата (КА) на земной орбите 66:1, для КА на лунной орбите 500:1. В среднем в самолетеприходится массы на планер – 30 %, двигатель и оборудование – 20 %, топливо – 30–35 %, полезная нагрузка – 15-20 %.

Использование ВПКМ в конструкции фюзеляжа возможно только для высокопрочных ВПКМ из-за больших потоков касательных напряжений и больших сосредоточенных сил от крыла, оперения, шасси. Крупногабаритные отсеки фюзеляжей воспринимают общий изгиб, сосредоточенные перерезывающие и осевые нагрузки, в некоторых случаях – крутящие моменты.

При σ⁺ 1 ГПа в конструкциях ЛА может быть использовано до 20 % ПКМ, при σ⁺ 2 ГПа – до 40 % ПКМ. Повышение σ⁺ до 2 ГПа требует перехода к использованию высокопрочных нитей типа УКН вместо лент ЛУ, ЭЛУР, что усложняет технологию. Около 40 % конструкций военных самолетов в этом случае вместо алюминия могут быть выполнены из углепластиков (Δm 12–15 %).

Планер – основная часть массы самолета, позволяющая повысить полезную нагрузку. Экономия массы ЛА при использовании ВПКМ для конструкций фюзеляжа составляет 12–28 %, крыла – 15–20 %, хвостового оперения – 15–30 %, планера вертолета – 20–22 %. При изготовлении конструкций крыльев намоткой снижения массы может достигать 30 %, фюзеляжа – 25 %, снижение количества деталей планера достигает 50 % (таблицы 18, 19). Так в конструкции ИЛ-96-300 использовано 14 % ПКМ, что дало снижение массы на 1300 кг.

Таблица 18.

Расчетное снижение массы конструкций самолета при использовании ВПКМ (в %).

Агрегаты	Сохранение размеров конструкции	Использование ВПКМ с σ+ 2 ГПа и изменение	Использование ВПКМ с σ+ более чем в 2 ГПа конструкции
Крыло	20–26	35–60
Горизонтальное и вертикальное оперение	30–35	40–80
Фюзеляж	20–25	26–40
Воздухозаборники	30–36	36–60

Таблица 19.

Расчетное снижение массы конструкций самолета при использовании ВПКМ (в %).

Материал	Стоимость деталей	Стоимость сборочных работ	Общая стоимость
Металлические сплавы
Высокомодульные ВПКМ

Для ВПКМ оптимальной структуры и состава характерны:

1. малая подвижность повреждениям вследствие усталостных нагружений;

2. анизотропия свойств ВПКМ используются для улучшения динамических и аэроупругих характеристик конструкций (для лопастей несущих винтов вертолетов вибрации являются функцией частоты вращения винта);

3. улучшение изгибно–крутильных характеристик крыла позволяет эффективно использовать аэроупругие деформации крыла с обратной стреловидностью – большая маневренность на околозвуковых скоростях (в случае металлического крыла увеличение угла атаки приводит к резкому повышению нагрузок);

4. для кессона крыла самолета эффективны только ВПКМ с ε ≥ 2 % и τ_сд ≥ 100 МПа, что затрудняет использование углеволокнитов (предельно допустимая деформация 0,4 %, при деформации углеродных волокон 1,3 %, чувствительность к ударным напряжениям; в протяженных конструкциях из углеволокнитов возникают проблемы из-за анизотропной; электропроводности; металлизированные углеродные волокна с электропроводностью меди экранируют аппаратуры от помех и удара молний).

Недостатки моноволокнистых ВПКМ в меньшей степени проявляются в поливолокнистых (гибридных) ВПКМ.

Высокие показатели упруго–прочностных свойств при статическом и динамическом нагружении эпоксидных ВПКМ на первом этапе стимулировали их применение в нагруженных конструкциях. Расширение использования ВПКМ в сильнонагруженных конструкциях привело к необходимости критического подхода к оценке возможностей эпоксидных ВПКМ. Им присущ ряд недостатков, определяемых строением эпоксидного сетчатого полимера (матрица в ВПКМ):

1. низкая теплостойкость (Т_отв связующего ЭДТ-10 – 140-160^оС; теплостойкость эпоксидных связующих, отвержденных даже ароматическимидиаминами и ангидридами, обычно не выше 120-140^оС, НДТ/А, Т_18,5, при Т_с = 70–160^оС). Для повышения теплостойкости используют смеси с фенольными резольными смолами, связующие ЭТФ, 5-211-БН, ЭНФБ, УНДФ;

2. низкая трещиностойкость, G_Ic = 400–200 Дж/м², К_Ic=30 МПа·м (повышение G_Ic до 400 Дж/м² при гетерофазной эластификации жидкими каучуками и термопластами);

3. низкая огнестойкость (КИ около 20, при использовании антипиренов – до 25–28, самозатухающие);

4. высокое равновесное водопоглащение (до 12 %, у отвержденных тетрафункциональных типа ЭХД, ВС 2526, 2561, 5208, MY720 – 6,5 – 8 %; при водопоглащении в 1 % повышается чувствительность ВПКМ к концентраторам напряжений, σ^– уменьшается на 10–15 %, σ⁺ – на 20–30 %, τ_сд на 35 % (при водопоглощении 2%). Для эксплуатации конструкций из эпоксидных ВПКМ в течение 20 лет при влажности 60–80 % используют для снижения водопоглощения системы защитных многослойных покрытий, экраны из алюминиевой фольги толщиной 50мкм, медноникелевое покрытие толщиной 200 мкм).

5. Ограниченный ассортимент связующих для получения препрегов с длительной жизнеспособностью (композиции на основе эпоксидных смол с латентными отвердителями, ароматические амины, ангидриды, кислоты Льюиса, дициандиамид).

Коэффициент безопасности использования ВПКМ в конструкции f = f_осн + f_доп. При f_осн =1,5, из-за непостоянства свойств ВПКМ, их изменения при эксплуатации f_доп составляет не менее 1,20–1,25 (для углеволокнитов). f_доп учитывают и при расчете допустимых напряжений σ_расч., на которые влияют факторы окружающей среды (климатические – С_клим., концентрационные С_конц.):

, где

σ – разрушающее напряжение,

С_конц.=0,75–0,90.

Большинство конструкций летательных аппаратов из ВПКМ – конструкции из ВПКМ на основе модифицированных эпоксидных матриц с оптимизированными параметрами теплостойкости, огнестойкости, трещиностойкости, водопоглащения, жизнеспособности препрегов.

Аналогичные материалы используются в конструкциях судостроения (наряду с ВПКМ на основе полиэфирных матриц), автомобилестроения, в конструкциях лопастей ветроэнергетических установок.

Тенденции развития ВПКМ.

Композиционные материалы (КМ) разработаны на основе матриц различной химической природы: полимерных (ПКМ), углеродных (УКМ), металлических (МКМ), керамических (ККМ). Комплекс эксплуатационных свойств ПКМ, УКМ, МКМ, ККМ определяется свойствами матриц, наполнителей и взаимодействием компонентов в гетерофазной структуре КМ.

К материалам 1-ого поколения относятся изотропные материалы, которые могут быть однофазными (конструкционные металлические сплавы, объемная керамика, полимеры, модифицированные низкомолекулярными добавками, смеси термодинамически совместимых полимеров и др.) или гетерофазными (композиционными), представителями которых являются материалы, наполненные дисперсными частицами (порошки, короткие волокна) и сохраняющие изотропность свойств на микроуровне. Наполнение полимеров дисперсными частицами позволяет получать ПКМ с более высоким уровнем свойств (особенно, при использовании волокон длиной в 10–100 раз большей критической длины волокна, когда реализуется механизм перераспределения напряжений с матрицы на упрочняющие волокна), а также получать ПМ со специальными свойствами (токопроводящие, электроактивные, магнитодиэлектрические, радиопоглощающие и др.). Такое наполнение не дает возможности реализовать главное преимущество ПКМ, наполненных непрерывными волокна (ВПКМ, армированные ПКМ, Composite Materials), т.е. конструировать структуры высокопрочных и высокомодульных материалов с планируемой анизотропией свойств, что особенно важно для высоконагруженных изделий авиакосмической техники.

Совершенствование ПКМ первого поколения связано с использованием наукоёмких технологий. Примерами таких материалов являются нанокомпозиты [6], использующие в качестве наполнителей дисперсные частицы наноразмеров (нм=10^-9м)керамической (Al₂O₃, SiO₂, "наноглины") и углеродной (фуллерены, нанотрубки, основное применение которых связано с микро– и нано– электроникой, молекулярной электроникой) природы.

Благодаря высоким значениями активной поверхности наночастиц, композиции приобретают ценный комплекс эксплуатационных свойств даже при малом объеме наполнения. Другое направление – получение "молекулярных" композитов на основе жидкокристаллических полимеров, мезофазы которых формируют волокнистые структуры (принцип самоармирования, самоусиления). Механические свойства анизотропных молекулярных композитов аналогичными свойствами полимеров с 20–30 % об. дисперсных наполнений (например, стеклянных волокон).

ВПКМ – материалы второго поколения, анизотропные гетерофазные композиции на основе непрерывных армирующих высокомодульных волокон в виде различных текстильных форм (нити, жгуты, ровинги, ленты, ткани). Стекло–, угле–, органопластики, поливолокнистые (гибридные) межслоевые и внутрислоевые ВПКМ широко используются в различных областях техники, особенно, в аэрокосмических конструкциях, ракетостроении, повышение эксплуатационных характеристик которых достигается и использованием специфических разновидностей ВПКМ (сотовые конструкции, многослойные супергибридные металло–полимерные, полимерно–керамические конструкционные типа Алоров и Сиалов и броневые, устойчивые к высокоскоростному инденторному воздействию, материалы). Структура ВПКМ при использовании современного расчетного аппарата, используемого для вязкоупругих тел, может быть оптимизирована по отношению к характеру внешних воздействий и сконструирована с требуемым уровнем анизотропии свойств. ВПКМ, как правило, являются материалами многофункционального назначения, которые в зависимости от свойств компонентов могут сочетать конструкционные свойства, с тепло– и термостойкостью, химостойкостью, способностью экранировать ионизирующее излучение, радиопрозрачностью, радиоэкранированием, радиопоглощением.

Токопроводящие и магнитодиэлектрические ПКМ, наполненные углеродными компонентами, ферритами, аморфными металлами являются узко– или широкодиапазонными радиопоглощающими материалами, используемыми для уменьшения радиолокационной заметности (УРЗ, технология Стелс).

Основными матрицами ПКМ являются составы на основе реактопластов (отвержденных эпоксидных, фенольных, эпоксифенальных, полипмидных связующих). Их недостатки стимулировали переход к использованию составов на основе термопластов (термопластичные связующие на основе жесткоцепных полифениленоксинов, полифениленсульфидов, полиэфиркетонов, полисульфонов, полиэфиримидов), свойства которых позволяют более полно реализовать высокие упругопрочностные свойства волокон в композиции. Пленочная и волоконная технологии переработки термопластичных ПКМ в изделия существенно упрощает и удешевляет производство изделий из ВПКМ [2, 7].

При оптимизации структур ВПКМ им придается определенный уровень "интеллектуальности", в части хотя и пассивной, но эффективной реакции материала на внешние воздействия (диссипация энергии при разрыве волокон, вязкоупругое поведение и гашение колебаний при вибрациях, остановка роста трещин стопперами и т.д.).

Направленная интеллектуализация материалов (переход к ПКМ 3-его поколения) обеспечивает стабильность свойств конструкционных и специальных ПКМ за счет модификации их специальными компонентами и на основе использования достижений микро– и нанотехнологий, переводящих ПКМ в самодиагностирующиеся и адаптирующиеся к внешним воздействиям интеллектуальные полимерные композиционные материалы (ИПКМ) [8]. За счет введения в объем изделий из ПКМ, ВПКМ (конформно) датчиков (сенсоров, элементов микросенсорики), исполнительных компонентов и механизмов (актюаторов, элементов микромеханики), элементов систем связи, обработка информации и управления (оптические волокна, микропроцессоры, элементы микроэлектроники, микрооптоэлектроники) в ИПКМ реализуются возможности самодиагностики и адаптирования. Для создания датчиков, исполнительных механизмов и систем управления в ИМ используют различные материалы (токопроводящие, электроактивные, фоторефрактивные, люминисцирующие, пьезоэлектрические, фоторезисторные, механохимические, дендримерные, жидкокристаллические и другие полимеры) и процессы.

Контролируемые процессы деструкции ВПКМ (фенольных, фенолокремнийорганических углепластиков) лежат в основе технологии получения углеродных и углеродкерамических композиционных материалов(УКМ, УУКМ, УККМ), нашедших применение в качестве абляционных теплозащитных материалов (ГЧ БРДД, сопловые блоки РДТТ), многоразовых переизлучающих теплозащитных материалов (ТЗ ВКС), материалов для горячих трактов авиадвигателей 5 и 6 поколений.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Михайлин Ю.А. и др., Требования к матрицам конструкционных ПКМ. Учебное пособие, УГАТУ, Уфа, 1996, 70с.

2. Михайлин Ю.А., Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы, С.–Петербург, Изд. "Профессия", 2006, 490с.

3. Трофимов Н.Н., Канович М.З., Основы создания полимерных композитов, М.: Наука, 1999, 540с.

4. Алексашин В.М. и др., Авиационная промышленность, 1997, № 6 , с.25–30.

5. Мазутов Н.А. и др., НТС ВИМИ "Технология". Серия "Конструкции из КМ", 1989, Вып. 1, с.33–41.

6. Muelhaupt R., Kunststoffe, 2004, № 94, № 8, s. 76–88 (ИБ "Полимерные материалы", 2005, № 7).

7. Армированные пластики. Под ред. Г.С.Головкина ­– М.: МАИ, 1997, 402с.

8. Михайлин Ю.А., ИБ "Полимерные материалы", 2004, № 8 (63), № 9 (64), № 10 (65), № 12 (67); 2005, № 1 (68), № 2 (69), № 3 (70).