Автор: Зайцева Кристина
Возраст: 16 лет
Место учебы: МБОУ Школа № 14
Город, регион: Саров Нижегородская обл.
Руководитель: Усенко Е.А.

Новые производственные процессы:
композиционные материалы в авиации

Иллюстрации не закачаны на сайт, их демонстрация не гарантируется (Прим.модератора)

Содержание

1. Введение

2. Изготовление стеклопластика в домашних условиях

3. Композиционные материалы в авиастроении

4. Сферы применения композитных материалов 

5. Недостатки

6. Заключение

7. Источники

1. Введение

Композитный(композиционный) материал — многокомпонентный материал, состоящий, как правило, из пластичной основы, 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. 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.

2. Изготовление стеклопластика в домашних условиях

Для того чтобы изготовить стеклопластик своими руками методом ручного формования необходимо последовательно выполнить следующие этапы работ:

• выбор материалов;
• раскрой стеклоткани;
• создание разделительного слоя в матрице;
• создание покрывного слоя;
• укладка стеклоткани в матрицу;
• нанесение полимерного состава;
• повторение двух предыдущих этапов необходимое количество раз (в зависимости от толщины изделия);
• высыхание изделия;
• извлечение изделия из формы;
• окончательная обработка (в случае необходимости).

Главной особенностью метода ручного формования является высокая степень зависимости качества готовой детали от уровня мастерства исполнителя. 

Выбор материалов

Тип материала матрицы принимается в зависимости от количества серийно изготавливаемых деталей. Для одноразовой формовки матрицу допускается изготавливать из гипса. Если требуется изготовить более тысячи образцов, заказывают стальную матрицу. В домашних условиях матрицей часто служит слепок с оригинальной модели. Слепок удобнее всего изготовить также из стеклопластика по технологии.

3. Композиционные материалы в авиастроении

Для достижения новых высот в авиастроении начали применение композиционных материалов.
Ведущее место по разработке композиционных материалов и их использованию в конструкциях летательных аппаратов принадлежит США, где темпы работ и этой области непрерывно растут. Если в 1958 году на НИОКР по созданию таких материалов Пентагону было выделено 400 тыс. долларов, то к 1967 году расходы по той же статье поставили около 11 млрд. долларов. Координацию проводимых исследований осуществляет лаборатория материалов ВВС США и НАСА. Лаборатория материалов занимается оценкой эффективности применения композиционных материалов к конструкции военных самолётов. В настоящее время по контрактам с ВВС и программам, финансируемым крупными авиастроительными фирмами, производится и испытывается большое количество элементов конструкции самолётов и вертолётов из композиционных материалов.

Композиционный материал  состоит из высокопрочного наполнителя, ориентированного в определённом направлении, и матрицы. В качестве армирующих наполнителей  применяются волокна бериллия, стекла, графита, стали, карбида кремния, бора или так называемые нитевидные кристаллы окиси алюминия, карбида бора, графита, железа и т. д. Матрицы изготовляются из синтетических смол или сплавов металлов. Соединение волокон или нитевидных кристаллов с матрицей производится горячим прессованием, литьём, плазменным напылением и некоторыми другими способами.

Наибольшее распространение в авиа- и ракето- строении за рубежом получили композиционные материалы на основе высокопрочных волокон. Композиционный материал ведёт себя как единое структурное целое и обладает свойствами, которых не имеют составляющие его компоненты.

По мнению специалистов, с точки зрения характеристик удельной прочности и удельной жёсткости 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).

Наиболее ярким примером на данный момент считается Боинг 787 DREAMLINER. Больше половины деталей данного самолета выполнены из композиционных материалов, он имеет более высокий КПД по сравнению с предыдущим аналогом и более низкий расход топлива. В российской авиации таким примером может служить ТУ-334, где органы управления и механизации крыла выполнены из композитов.

При производстве крыла российского истребителя Т-50 используются сотни слоев специального углепластика, покрывающие алюминиевые соты сверху и снизу. Уникальность данного материала во многом зависит от качества препрегов. Только при соблюдении всех технологических тонкостей в конце получают сверхпрочное, а главное, сверхлегкое крыло. Полный процесс производства углепластика, начиная с создания углеродного волокна и заканчивая пропиткой связующим веществом, а также все этапы проектирования монослоя материала до получения готовой конструкции можно промоделировать в программных продуктах ESI.

4. Сферы применения композитных материалов

1. Автопром и тюнинг
2. Приборо- машиностроение
3. Авиация и космос
4. Спорт
5. Медицина
6. Строительство и архитектура

5. Недостатки

Но как и любое нововведение композиционные материалы имеют свои недостатки.

Высокая стоимость

Из-за использования различных материалов, требуется специальное  дорогостоящее оборудование 

Токсичность

При эксплуатации композиты могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из композитов изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека ,то для одобрения применяемых при изготовлении композитных материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность

Композиционные материалы могут иметь низкую эксплуатационную технологичность, низкую ремонтопригодность и высокую стоимость эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоёмких методов (а подчас и ручного труда), специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто изделия из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Композиционные материалы применяются не только в авиации ,но и в космонавтике, для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий шаттлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.

Дефекты структуры композита, такие как трещины, воздушные раковины, свили, отслоения волокон от матрицы, инородные включения и т.д., появляющиеся как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации, существенно ослабляют его прочность. Большинство композитных материалов подвержены старению, т.е. их упругие свойства меняются под действием динамических и статических нагрузок. Такие процессы приводят к изменению затухания и скорости распространения ультразвуковых волн в композите. Поэтому одним из наиболее распространенных методов неразрушающего контроля и диагностики композитных материалов является ультразвуковой метод.

Гигроскопичность

Композиционные материалы гигроскопичны, то есть склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры композитов. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Справедливости ради нужно отметить, что указанный недостаток относится к композитам первых поколений, которые имели недостаточно эффективное сцепление связующего с наполнителем, а также большой объем каверн в матрице связующего. Современные типы композитов с высокой адгезией связующего к наполнителю (достигается применением специальных замасливателей), получаемые методами вакуумного формования с минимальным количеством остаточных газовых каверн этому недостатку неподвержены, что позволяет в частности строить композитные корабли, производить композитную арматуру и композитные опоры воздушных линий электропередач.

Тем не менее КМ могут впитывать другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин или другие нефтепродукты.

Низкая ударная вязкость

Низкая ударная вязкость также является причиной необходимости повышения запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

6. Заключение

Я считаю, что использование композитов в различных областях и сферах – настоящий прорыв в технике. Одной из главных сфер применения композитов остается авиационная и ракетно-космическая техника.

Массу самолетов выполненных с применением композитов, можно снизить на 15-20%, что для летательных аппаратов имеет решающее значение.

Чтобы полностью реализовать потенциальные возможности снижения массы конструкций при использовании полимерных КМ, необходимо улучшить их характеристики стойкости к ударным повреждениям и расслоению ,а также обеспечить ремонтопригодность дефектных конструкций.

Несмотря на все минусы КМ, они стали идеальными для производства благодаря своей прочности, легкому весу и возможности сборки, избежав многих трудностей их соперников – металлов, дерева, бетона и других материалов. Представители промышленности стремятся найти решения, которые позволяют оптимизировать сырьевые материалы и эксплуатационные характеристики. При высоком спросе на сырьевые материалы и постоянном росте цен особую значимость приобретает техническая сторона вопроса.

Получение технологии, которая позволяет уменьшить вес и толщину деталей, и одновременно увеличить гибкость, прочность, упругость деталей меняет положение дел. И поэтому я могу смело сделать вывод: XXI век станет веком композитов и высоких технологий.

7. Источники

1. Статьи Wikipedia

2. https://m.habr.com/post/365831/ 

3. https://polimerinfo.com/kompozitnye-materialy/stekloplastik-svoimi-rukami.html

4. Интервью специалистов (https://www.youtube.com/watch?v=wqnnRvIfj_A&feature=youtu.be)