Композиционных материалов
Наряду с конструкционными и технологическими достоинствами имеют место и недостатки.
1. Детали из ПКМ крайне чувствительны к нагрузкам, действующим в направлениях, не совпадающих с направлением армирования, поскольку в этом случае прочность определяется свойствами матрицы, а все известные к настоящему времени полимерные матрицы имеют низкое разрушающее сопротивление. В силу этого наиболее распространенные композиты имеют невысокие показатели при межслоевом сдвиге и склонность к расслаиванию.
2. Невысокая теплостойкость ПКМ в сравнении с металлическими сплавами определяется, в основном, низкими показателями наиболее распространенных связующих на основе эпоксидных смол.
3. Сложность выполнения соединений. Большинство КМ не свариваются. Традиционные клепаные и болтовые швы существенно уступают по прочности и ресурсу таким же соединениям для металлических деталей. В некоторых случаях весь выигрыш в весе за счет высокой удельной прочности КМ сводится на нет из-за перетяжения стыковых узлов.
4. Сравнительно большие деформации и коробление изделий, возникающие вследствие технологических напряжений, сопутствующих процессам формования конструкций из ПКМ.
5. Значительный разброс механических характеристик и геометрических параметров последовательно изготовленных однотипных изделий. Этот факт является следствием того, что в технологии композитов механические характеристики материала формируются одновременно с приданием изделию геометрической формы. Такой технологический процесс управляется одновременно по многим параметрам. Отклонение хотя бы одного режима от номинального может привести к существенному снижению качества материала.
6. Сложность механической обработки. Из-за низкой теплопроводности КМ в зоне резания развивается высокая температура, приводящая к быстрому затуплению режущего инструмента. Неблагоприятным фактором является также неоднородность композита – арматура, обладающая очень высокой твердостью, чередуется с достаточно мягкой матрицей.
7. Высокая стоимость ПКМ. Осредненная по данным литературы цена приведена в табл.1.8.
8. Необходимость переоснащения производства и переквалификации кадров при освоении выпуска изделий из ПКМ.
Таблица 1.8
| Материал | Стоимость, долл/кг |
| Стекловолокно Углеродные волокна Арамидные волокна Бор Сталь | 2,5...5 50...100 20...50 0,5 |
9. Вредное воздействие производственных процессов переработки ПКМ на организм человека и связанные с этим значительные расходы на обеспечение безопасных условий труда.
Совершенствование КМ и технологий их переработки уменьшает влияние этих недостатков, что позволяет в большей мере проявляться положительным особенностям этих материалов.
Применение композиционных материалов в конструкциях
Летательных аппаратов
Принципиальное значение замены традиционных конструкционных материалов на композиты состоит, очевидно, в том, что вместо металлов с равными во всех направлениях свойствами появляется возможность использования большого числа новых материалов со свойствами, различающимися в различных направлениях в зависимости от ориентации наполнителя. Причем это различие свойств является регулируемым, и у конструктора появляется возможность целенаправленно создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с действующими нагрузками и особенностями ее эксплуатации. Немаловажным являются также технологические возможности полимерных композитов, отмеченные в предыдущем параграфе.
Сама идея композитов известна давно. Принцип усиления синтетических смол волокнистыми материалами впервые был запатентован в 1909 году. Однако широкое применение их в конструкциях летательных аппаратов началось только в 60-е годы ХХ столетия. Этому способствовали два обстоятельства:
- создание методов получения тонких высокопрочных волокон малой плотности;
- получение синтетических смол с высокими механическими, адгезионными и технологическими свойствами.
Краткая историческая справка
Первыми стали применяться стеклопластики при производстве спортивных планеров. В 1955 году в Японии был построен двухместный планер ЛБС-2 с монококовыми фюзеляжем из стеклопластика [22]. В 1965 году планер из стеклопластика модели Д-36 занял второе место на чемпионате в Англии. Это событие можно считать началом революции в планеростроении, связанной с широким применением стеклопластиков. В 1970 году на чемпионате мира в США 85% планеров, принявших участие в чемпионате, были выполнены из эпоксидных стеклопластиков.
В дальнейшем опыт применения стеклопластиков был перенесен на легкие спортивные самолеты. Доля ПКМ в некоторых из них стала достигать 60% по массе (например, Су-26М). Применение стеклопластиков в конструкции военных и пассажирских самолетов относится к середине 60-х годов. На первом этапе, когда не было достаточного опыта летной эксплуатации изделий из ПКМ, из соображений осторожности они использовались в отдельных легко заменяемых конструкциях: обтекателях радиоантенн, разнообразных съемных панелях, створках ниш шасси и грузолюков, в рулях управления и органах механизации. С середины 70-х из ПКМ стали проектировать и изготавливать более ответственные части самолетов: стабилизаторы, кили, грузовые люки, силовые панели крыла, панели пола и т.п. В вертолетостроении начали вести работы по созданию композиционной лопасти несущего и управляющего винтов.
Боропластики начали применяться с начала 60-х годов. Их внедрение позволяет существенно повысить жесткость и прочность изделия. Однако ввиду высокой стоимости и низкой технологичности они не нашли столь широкого применения как другие ПКМ.
Углепластики в литературе называют композитами второго поколения. Их появление относится к концу 60-х - началу 70-х годов. Как и боропластики они позволяют существенно повысить жесткость конструкции, однако значительно технологичнее и дешевле. Это предопределило их широкое применение. В начале в конструкции планеров (ФРГ – 1972 год), затем – для изготовления широкого спектра деталей, узлов и даже агрегатов различного назначения.
Органопластики можно отнести к композитам третьего поколения. Они появились в начале 70-х годов. Сейчас широко используются в конструкции летательных аппаратов наряду со стеклопластиком и углепластиком.
Полимерные композиты с наполнителями в виде нитевидных кристаллов размером от 0,1 до 2 мм на основе оксида алюминия, карбида кремния, нитрида кремния, карборунда и т.п. начали создаваться с середины 70-х годов и к нашему времени не вышли из стадии опытных разработок. Эти материалы имеют большую перспективу, так как обладают очень высокими удельной прочностью и жесткостью. Их можно назвать композитами четвертого поколения.
Стремление к созданию материалов гетерогенной структуры с более прочной и теплостойкой матрицей инициировало работы в области композитов с металлической и керамической матрицами. Первые шаги по внедрению таких материалов относятся к началу 80-х годов и связаны, в первую очередь, с успехами в получении бороалюминиевых композиций.
На рис.1.10 приведена ориентировочная хронология создания различных композиционных материалов [22].
Рис.1.10. Этапы внедрения конструкций из ПКМ
Композиты природного происхождения. В природе встречаются материалы естественного происхождения, которые в той или иной степени подпадают под определение "композиты". К ним можно отнести газонаполненные вспененные вулканические породы, а также материалы растительного происхождения, например дерево. Как известно, дерево неоднородно по объему, а механические свойства его в разных направлениях резко отличаются. В нем мягкие волокна чередуются с более твердыми, которые являются прототипом арматуры, заключенной в податливой матрице. Такая неоднородная структура придает дереву великолепную выносливость к знакопеременным нагрузкам. Это же свойство характерно для искусственно созданных волокнистых композитов.
За сотни лет до появления современных КМ человеком были созданы материалы, имеющие признаки композитов. В строительстве – это бетон, а затем железобетон. В оружейном деле – это многократно прокованная сталь клинков. По своему объему такой металл имеет выраженную неоднородную структуру, которая создается чередованием более твердых и мягких волокон, имеющих различную кристаллическую структуру.
Применимость ПКМ в конструкциях современных отечественных летательных аппаратов ориентировочно составляет [21]:
| пассажирские самолеты | 10…15% от массы планера |
| средние и тяжелые самолеты | 5…10% |
| маневренные самолеты | 10…20% |
| спортивные самолеты | до 70% |
| вертолеты | до 30-50% |
По разным сведениям, публикуемым в технической литературе, можно сделать выводы, что применение ПКМ в летательных аппаратах дает возможность:
- уменьшить массу планера;
- улучшить качество аэродинамической поверхности;
- увеличить ресурс и живучесть конструкций;
- снизить трудоемкость изготовления;
- существенно упростить изготовление ряда сложных элементов конструкций и сократить количество комплектующих деталей;
- сэкономить значительное количество металлов и топлива.
На рис. 1.11, 1.12 и 1.13 представлены схемы применения полимерных композитов в отечественных самолетах Ту-204, Ан-124 и в вертолете Ми-38. Как видно из этих схем, ПКМ используются как в деталях малой и средней степени ответственности (панели интерьера, органы механизации и управления, створки грузолюков и шасси), так и в узлах и агрегатах первой степени ответственности (стабилизаторы и киль оперения лопасти несущего винта, хвостовая балка и т.п.).
В настоящее время практически ни один летательный аппарат не проектируется без деталей и узлов из КМ.
Наиболее перспективные конструкторские разработки последних лет предусматривают еще более широкое использование композитов. Среди них можно отметить: летательные аппараты малой заметности (выполненные по технологии "СТЕЛС"), вертикально взлетающие самолеты типа конвертопланов, самолеты с адаптивным крылом* (рис.1.14,а), самолеты с крылом обратной стреловидности и с тандемным крылом (рис. 1.14,в).
Рис.1.11. Применение ПКМ в конструкции пассажирского самолета Ту-204:
1 – носок киля; 2 – обшивка киля; 3 – руль высоты; 4 – руль направления; 5 – панель
стабилизатора; 6 – форкиль; 7 – законцовка крыла; 8 – элерон; 9 – залонжеронная часть;
10 – обтекатель; 11 – воздухозаборник, 12 – носовой обтекатель; 13 – зализ крыла;
15 – мотогондола; 16 – предкрылок; 17 – закрылок; 18 – потолочная панель; 19 – короб
багажной полки; 20 – пол салона; 21 – створка хвостового люка; 22 – передняя панель
стабилизатора
В то же время следует отметить некоторое снижение темпов внедрения композитов в конструкции летательных аппаратов, наметившееся в 90-е годы.
____________
* Адаптивное крыло дает возможность управлять кривизной профиля крыла при сохранении жесткости его контура в полете для достижения максимальной крейсерской эффективности. Носок и хвостовая часть выполнены из эластомерных материалов (стеклопластик). Впервые испытано на F-111 (США).
Рис.1.12. Применение ПКМ в конструкции транспортного самолета Ан-124:
1 – носовой обтекатель; 2 – передние створки; 3 – предкрыльевая панель; 4 – мотогандола; 5 – задняя часть пилона; 6 – обтекатель; 7 – концевой носок стабилизатора; 8 – зализы стабилизатора; 9 – створки грузового люка; 10 – створки шасси; 11 – залонжеронная часть крыла
Рис.1.13. Применение ПКМ в конструкции вертолета Ми-38:
1 – носовой обтекатель; 2 – лопасть несущего винта; 3 – торсион; 4 – обтекатель
двигателя; 5 – боковая панель; 6 – хвостовая балка; 7 – рулевой винт; 8 – обтекатель;
9 – дверь; 10 – обтекатель шасси; 11 – панель кабины
Рис.1.14. Использование композитов в перспективных конструкциях:
а – адаптивное крыло; б – самолет с крылом обратной стреловидности;
в – самолет с тандемным крылом
Так, в диаграммах, показанных на рис.1.15, представлены прогнозы NACA, сделанные в 70-е годы на применение ПКМ в самолетах, планируемых к выпуску в 90-е годы. Сейчас можно сказать, что эти прогнозы не состоялись. Удельное использование композитов в серийно выпускаемых военных самолетах не перешагнуло 25-процентного рубежа и 15 процентов в гражданских самолетах. Объяснение этому обстоятельству можно искать в следующих причинах.
1. Стоимость деталей и агрегатов, изготовленных из ПКМ, в среднем превышает пока стоимость металлических конструкций аналогичного назначения.
2. Для металлических конструкций более точно прогнозируется их поведение под нагрузкой и другими внешними воздействиями, чем для композиционных. Опыт проектирования и эксплуатации изделий из металлов значительно превышает опыт работы с ПКМ.
3. Процессы сборки металлических конструкций значительно эффективнее пока, чем сборка из композитов.
4. Не стоят на месте разработки в области материаловедения металлов и технологии изготовления из них деталей. Большие перспективы открывает появление алюминиево-литиевых сплавов, а также высокоэнергетических методов формообразования деталей.
Рис.1.15. Прогноз на использование композитов в 1990-1995 годы
Надо отметить, что композиционные материалы и технология их переработки, получившие развитие, в основном, в ракетно-космической, авиационной технике и судостроении, начинают активно внедряться в отрасли народного хозяйства. В основном, это изделия, работающие в условиях сложного и интенсивного нагружения, эффективная работа которых предопределяет большой социальный или экономический эффект. В первую очередь, это изделия для энергетики, медицины, спасательное оборудование, спортивный инвентарь, снаряжение и т.п.