Выполнил: Фетисов Даниил Юрьевич, 
обучающийся 9А класса МАОУ СОШ №18 
г.Улан- Удэ Республики Бурятия
Руководитель: Борголова Галина Александровна, 
учитель физики МАОУ СОШ №18 
г.Улан- Удэ Республики Бурятия

Композиционные материалы:
использование в самолетостроении,
перспективы их применения

Содержание

1. Введение
2. Основная часть:
2.1. Понятие композиционных материалов.  Их классификация.
2.2. Виды композиционных материалов, используемых в авиастроении. 
2.3. Плюсы и минусы композиционных материалов.
2.4. Когда в авиастроении впервые появился композиционный материал.
2.5. Перспективы применения композиционных материалов в самолетостроении
3. Заключение.
4. Библиографический список
5. Приложения.

1. Введение

Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации ракетно-космических и авиационных средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов авиакосмического материаловедения. В современное время большая часть материалов не справляются со своими задачами. Поэтому мир нуждается в разработке новых материалов с более  повышенными характеристиками. Такими материалами являются композиты.

Область применения композиционных материалов в авиастроении весьма обширна. Они применяются для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоры.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно   могут не бояться коррозии. Поэтому тема «Композиционные материалы: использование в самолетостроении, перспективы их применения»    является актуальной и требует дальнейшего рассмотрения в данной работе.

2. Основная часть

2.1. Понятие композиционных материалов.  Их классификация

Так что же собой представляет композиционный материал? Композиционный материа́л (КМ), компози́т — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Композиционные материалы делятся на две большие группы: древесные и полимерные композиты.

Древесные композиты (приложение 1)

Он получается посредством сочетания сырья разного типа, при этом в качестве основного компонента выступает древесина. Каждый древесно-полимерный композит состоит из трех элементов:

1. частиц измельченной древесины;
2. термопластичного полимера (ПВХ, полиэтилена, полипропилена);
3. комплекса химических добавок в виде модификаторов – их в составе материала до 5 %.

Самый популярный вид древесных композитов – это композитная доска. Ее уникальность в том, что она объединяет в себе свойства и древесины, и полимеров, что существенно расширяет сферу ее применения. Так, доска отличается плотностью (на ее показатель влияет базовая смола и плотность древесинных частичек), хорошим сопротивлением на изгиб.
полимерные композиты (приложение 2).

Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. Именно на долю этих производств приходится порядка 60 % объема использования полимерных композиционных материалов.

Благодаря высокой устойчивости полимерных композитов к коррозии, ровной и плотной поверхности изделий, которые получаются методом формования, повышается надежность и долговечность эксплуатации конечного продукта.
В авиации в больших количествах используется Органопластик.

В этом композите в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна – жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этого полимера можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам (приложение 3).

2.2. Виды композиционных материалов, используемых в авиастроении

В авиастроение используются три типа композиционных материала:

1. Углепластики

Свойства композитных материалов на основе полимеров дают возможность использовать их в самых разных сферах. В них в качестве наполнителя используются углеродные волокна, получаемые из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, пеков. Волокно обрабатывается термически в несколько этапов. По сравнению со стеклопластиками углепластики отличаются более низкой плотностью и более высоким модулем упругости при легкости и прочности материала.

2. Боропластики

Это многокомпонентные материалы, в основе которых лежат борные волокна, введенные в термореактивную полимерную матрицу. Сами волокна представлены мононитями, жгутами, которые оплетаются вспомогательной стеклянной нитью. Большая твердость нитей обеспечивает прочность и стойкость материала к агрессивным факторам, но при этом боропластики отличаются хрупкостью, что осложняет обработку. Борные волокна стоят дорого, поэтому сфера применения боропластиков ограничена в основном авиационной и космической промышленностью.

3. Органопластики

В этих композитах в качестве наполнителей выступают в основном синтетические волокна – жгуты, нити, ткани, бумага. Среди особенных свойств этих полимеров можно отметить низкую плотность, легкость по сравнению со стекло- и углепластиками, высокую прочность при растяжении и высокое сопротивление ударам и динамическим нагрузкам.

2.3. Плюсы и минусы композиционных материалов

Основные преимущества, которые можно обеспечить использованием КМ:

1. довольно высокая прочность;
2. значительная жесткость;
3. малый удельный вес;
4. сопротивление «старению материала»;
5. значительно меньшая подверженность износу.

Композитные материалы обладают также и рядом недостатков:

1. анизотропия – одни и те же свойства могут в десятки раз различаться в зависимости от направления внешнего воздействия (вдоль волокон или поперек);
2. большой удельный объем;
3. гигроскопичность; так как КМ неоднородны по определению, то они имеют свойство впитывать влагу;
4. токсичность; при изготовлении и эксплуатации данные материалы способны выделять вредные для здоровья человека пары;
5. высокая цена; это объясняется тем, что при производстве композитных материалов довольно часто используется дорогостоящее оборудование, что отражается на их себестоимости.

2.4. Когда в авиастроении впервые появился композиционный материал

Стеклопластики запатентованы в 1935 году - это первые полимер­ные КМ, в которых в качестве упрочняющего элемента использовались неорганические волокна. Промышленный выпуск стеклопластиков на­лажен после Второй мировой войны, и с тех пор их интенсивно исполь­зуют в технике.

В 1941 году в США был подписан первый правительственный кон­тракт на создание материала из хлопкового волокна, пропитанного фенольной смолой. Целенаправленно стеклопластики в авиастроении на­чали использовать с 1943 года, когда из них стали изготавливать кресла летчиков для учебных самолетов и облицовывать кабины.

В 1940-1950 гг. появляются современные, созданные сознательно, композиционные материалы - полимерные, керамические, металличе­ские и другие. Они были вызваны к жизни потребностями передовых областей науки и техники: судо- и авиастроения, военной техники, за­рождающейся космонавтики и др. (в США, Германии, Франции, СССР и др.). Их создание и совершенствование продолжается и в настоящее время.

2.5. Перспективы применения композиционных материалов в самолетостроении

На сегодняшний момент активно разрабатываются композиционные материалы нового поколения – так называемые интеллектуальные материалы. Данные композиты способны контролировать напряженно-деформированное состояние в условиях воздействия внешних факторов (нагрузок, температур) и адаптироваться (приспосабливаться) к этим воздействиям, например, путем управления формой для снижения возникающих в нем напряжений. Такие материалы могут применяться для особо ответственных высоконагруженных конструкций. Для осуществления этих функций в структуру материала встраиваются сенсоры – тензорезисторные, оптоволоконные, пьезоэлектрические, которыми могут служить, в том числе армирующие элементы, входящие в состав композиционного материала.

Сегодня полимерные композитные материалы начинают активно применяться в мировом авиастроении. Композиты используют в изготовлении ряда частей авиалайнера. В их числе воздушные тормоза; интерцепторы; элероны; закрылки; рули направления; элемент конструкции сложного закрылка; пилоны; панели коробки приводов; люки коробки приводов; лопасти винтов; панели крыльев вертикального и горизонтального оперения; элементы силового набора (центроплан, кессон, лонжероны, стрингеры, нервюры); элементы обшивки фюзеляжа; элементы внутреннего силового набора (балки и панели полов, перегородки); детали интерьеров и отделки.

Создание перспективных образцов для авиационной, ракетно-космической техники и других отраслей промышленности, как считают многие ученые, определяется широким использованием композиционных материалов.

3. Заключение

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиционные материалы с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Однако механика деформирования и разрушения композитов и конструкций из них не может считаться завершенной. Уже при относительно невысоких значениях эксплуатационных нагрузок в некоторых слоях начинается растрескивание полимерного связующего, материал расслаивается.

Эти два аспекта: целесообразность применения в авиации и ракетно-космическом строительстве композитов как материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, с одной стороны, и недостаточная изученность механики их разрушения для оценки несущей способности и надежности конструкций, с другой, — определяют актуальность работы по совершенствованию технологии создания композитов.

Конструкция из композиционного материала – это еще один шаг вперед для авиации. Огромное количество деталей конструкции самолета изготавливались и продолжают изготавливаться из стекловолокна. Конечно, сейчас мы можем найти самолеты, которые практически полностью изготовлены из стекловолокна. Технологии композиционных материалов безвозвратно изменили авиационную индустрию. По использованию композитов в нашей стране одну из лидирующих позиций занимает ракетно-космическая промышленность. 

4. Библиографический список

1. Комиссар О.Н.. Композиционные материалы и технологии для аэрокосмической промышленности. Научный электронный журнал «Новости материаловедения. Наука и техника», №4, 2013. С. 1-4.
2. Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб. Профессия, 2008. - 560 с.
3. Ощепков М.Ю. Композиты в авиационно-космической промышленности России. Композитный мир, 2010, ноябрь-декабрь. С. 46-49.
4. Капитанова Л.В. Проектирование самолетных конструкций из композиционных материалов на основе стохастических моделей: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.07.02 / Национальный аэрокосмический ун-т им. Н.Е.Жуковского "Харьковский авиационный ин-т". - Х., 2002. - 179л. - Библиогр.: л. 147-158.

5. Приложения

Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3