Автор: Судаков Дмитрий Сергеевич
Возраст: 15 лет
Место учёбы: УАвиаК – МЦК
Город, регион: Ульяновск, Ульяновская область
Руководитель: Ершова Нина Александровна

Как и где в самолетостроении
впервые появились композиционные материалы,
как и где они используются сегодня
и каковы перспективы их применения?

Иллюстрации на сайт участником не закачаны. Отображение не гарантируется. (Прим. Модератора)

Цели:

1. Изучение композиционных материалов и их видов
2. Изучение истории появления композиционных материалов
3. Изучение причин повсеместного использования композиционных материалов
4. Изучить влияние использования композиционных материалов на экологию
5. Изучение перспектив применения композиционных материалов в России

План:

1. Определения
2. Введение
3. История создания и развития композиционных материалов
4. Преимущества и недостатки композиционных материалов
5. Композиционные материалы в Мировом Авиастроении
6. Композиционные материалы в Отечественном Авиастроении
7. Влияние использования композиционных материалов на экологию
8. Перспективы применения композитов в России
9. Вывод
10. Литература

Определения

Композитный материал (КМ), композит – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), 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.

Наполнитель - обеспечивает прочностные и жесткостные характеристики КМ, локализует появившиеся трещины.

Матрица - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жёсткостью

Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол).

Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков.

Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями.

Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды.

Композиты с металлической матрицей— композиты, матрицей в которых является металл или металлический сплав.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – композиционные материалы, матрицей в которых служит полимерный материал.

Керамические композиционные материалы (ККМ) – материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических или неметаллических наполнителей.

Анизотропия — зависимость свойств КМ от выбора направления измерения. Например, модуль упругости однонаправленного углепластика вдоль волокон в 10-15 раз выше, чем в поперечном.

Гигроскопичность — способность некоторых веществ поглощать водяные пары из воздуха.

Введение

Бурное развитие науки и техники, крупные достижения в освоении космоса и овладении новыми источниками энергии, в создании новых видов транспорта и связи, в освоении глубин Мирового океана - вот характерные черты нашего времени. Прогресс науки и техники во многом зависит от успехов в области создания новых материалов. Это относится, прежде всего, к тем областям, где соотношение между прочностью (жесткостью) и массой конструкции определяет ее эффективность.

Разработка новых надежных и экономичных конструкций в машино­строении нуждается в применении материалов с высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами: высокой прочностью, тепло- и жаростойкостью, коррозионной устойчивостью, сопротивлением распространению трещин, малой плотностью, специальными свойствами (электромагнитными, оптическими и др.). Традиционные материалы (преимущественно металлы) не в полной мере отвечают этим высоким требованиям. Например, на раннем этапе развития космонавтики в качестве теплоизоляционного покрытия воз­вращаемого на Землю аппарата использовались тугоплавкие сплавы на основе вольфрама. С учетом высокого значения его удельного веса -19,3 г/см3 - защитный слой изготавливался минимальной толщины. Это привело к тому, что при завершении программы полета летчиком-космонавтом Комаровым В.М. на «Союзе-1» в апреле 1967 г. из-за запоздалого включения системы торможения температура на внешней поверхности возвращаемого аппарата поднялась выше расчетных значений. В результате произошел прогар и разгерметизация аппарата, не оставив никаких шансов на выживание космонавта. В дальнейшем был разработан искусственно созданный материал для теплозащиты, теплофизические характеристики которого не уступают тугоплавким сплавам на основе вольфрама, а удельный вес его более чем в 10 раз меньше, чем указанных сплавов - это углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ).

Композиционные материалы (КМ) открывают широкие возможности для улучшения существующих и разработки новых конструкций.

Композиционные материалы по праву считаются материалами будущего, поскольку сочетают в себе целый ряд уникальных свойств: лёгкость, прочность, достаточно высокую жёсткость, немагнитность, радиопрозрачность.

История создания и развития композиционных материалов

Первым создателем КМ была природа. Стволы деревьев, кости животных, зубы имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных между собой матрицей из органического вещества - лигнина, придающего древесине поперечную прочность. Древесина - природный анизотропный материал с различными свойствами. Зубы людей и животных состоят из твердого вязкого поверхност­ного слоя - эмали и более мягкой сердцевины - дентина. И эмаль, и дентин содержат неорганические кристаллы игольчатой формы, расположенные в мягкой органической матрице. Примерную структуру имеет и слоновая кость.

История использования и развития КМ связана с производственной деятельностью человека. Уже более миллиона лет назад, с момента выделения человека из животного мира, люди сознательно использовали природные КМ - кости животных, кожу, древесину и др. За 5 тыс. лет до н.э. при изготовлении глиняных изделий и кирпичей в них добавляли песок, измельченные камни, солому, камыш и т.п. для снижения усадки, уменьшения растрескивания, повышения прочности. В Библии упоминается, что за 4000-2000 лет до н.э. вавилоняне использовали в строи­тельстве материалы на основе тростника, пропитанного битумом. Поз­же из них египтяне строили свои суда. В Азии более чем за 1000 лет до н.э. изготавливали луки, стрелы из композиционных материалов, в которых использовали древесину, слои рога, сухожилия животных, соединенных с помощью клея. Такие луки характеризовались большой убойной силой и радиусом действия. В Китае, Индии в качестве связующего широко использовался лак на основе природной смолы - шеллака (сложная смесь полиэфирных смол). Лак смешивали с песком, спекали и получали точильные камни. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосами каменные плиты. Таких примеров можно привести много, однако это все были хоть и удачные, но случайные находки.

В некоторых источниках первым осознанно созданным КМ называют железобетон, запатентованный в 1867 году французским ученым Ж. Монье и получивший широкое применение с конца XIX века. Железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики.

Первый патент на полимерный композиционный материал (ПКМ) был выдан в 1909 г. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными волокнами. Армировали первые ПКМ рубленными природными волокнами, целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями. Хотя о приоритете патента на ПКМ вопрос спорный. В описании технологии изготовления первого фанерного самолета братьями Уилбером и Орвиллом Райт, на котором они 17 декабря 1903 года совершили первый полет продолжительностью 59 сек указано, что для защиты фанерных крыльев от дождя и других атмосферных воздействий их оклеивали пропитанной смолой тканью - а это и есть ПКМ.

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.

В 50-х годах XX века было обнаружено, что многие материалы в виде тонких монокристаллов игольчатой формы обладают фантастически высокой прочностью 10000 МПа и выше. Были получены новые виды неорганических поликристаллических волокон - углеродные, бор­ные с прочностью 3000-3500 МПа и модулем упругости (3-5)∙105 МПа. Эти сверхпрочные волокна стали использовать для армирования раз­личных матриц.

История развития современных КМ насчитывает чуть больше половины столетия, но успехи в этом направлении достигнуты значитель­ные. Они нашли применение в самолетостроении и аэрокосмической промышленности, в автомобилестроении, в медицине и строительстве, в судостроении и производстве спортинвентаря, в быту и во многих других направлениях деятельности человека.

Сейчас самолеты-невидимки на 75-85% по массе состоят из КМ, престижные иномарки автомобилей содержат от 120 до 150 кг деталей из КМ, не только облицовочные материалы в строительстве, но и целые временные постройки выполнены из КМ. По объему производства эти материалы в развитых странах находятся на третьем, а в некоторых на втором месте.

Преимущества и недостатки композиционных материалов

Проводя исследование физических свойств композиционных материалов, мы можем выделить преимущества, которые вывели композиты на лидирующие позиции :

• высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа)
• высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
• легкость

Но у этих материалов, также, есть и существенные недостатки:

• Высокая стоимость. Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

• Анизотропия. Тем не менее, во многих случаях анизотропия свойств оказывается полезной. Например трубы, работающие при внутреннем давлении испытывают в два раза большие разрывающие напряжения в окружном направлении по сравнении с осевым. Следовательно труба не должна быть равнопрочной во всех направления. В случае композитов это условие легко обеспечить, увеличив вдвое армирование в окружном направлении по сравнению с осевым.

• 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.

• Высокий удельный объём. Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объёму. Это относится, например, к области сверхзвуковой авиации, где даже незначительное увеличение объёма самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

• Гигроскопичность. Композиционные материалы гигроскопичны, то есть склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. 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
• Токсичность.  При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека , то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ 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 в Мировом Авиастроении

Современная авиация постоянно сталкивается с проблемами роста конкуренции и повышением топливных затрат. Очевидным решением данных проблем является снижение веса конструкции за счет использования композиционных материалов. В настоящее время процент содержания композитов в конструкциях современной авиации составляет порядка 15%, но в новом поколении самолетов этот процент значительно вырастет.

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.

Отличными представителями самолётов, сделанных из углепластика, также являются Airbus A320 и Boeing 747, состоящие из углепластика на 20-25%

Композиционные материалы в Отечественном Авиастроении

Прорывом в отечественной Авиации является самолёт МС-21. MC-21 — низкоплан с консольным стреловидным крылом с композитной структурой и трёхколесным шасси, оснащённый двумя турбовентиляторными двигателями. Первоначальная конструкция включала ~ 33% композиционных материалов, увеличившись до 40… 45% с выбором углепластика для создания крыла.

 Также, примером может служить ТУ-334, где органы управления и механизации крылавыполнены из композитов.

Влияние использования композиционных материалов на экологию

Использование композитных материалов при производстве самолетов, в широком масштабе сократит выбросы углекислого газа до 15%.

Исследования, проведенные группой ученых из университета Шиффилда, Cambridge и University Colledg London являются первой целью осуществления всесторонней оценки жизненного цикла (LCA) самолета, при производстве которого использованы композитные материалы, таких как Boeing 787 Dreamliner или Airbus 380, и экспрополировать результаты на авиапарк всех стран. LCA рассматривает производство, использование и утилизацию материалов применяемых при производстве самолетов, с учетом использования новых технологий и внедрения робототехники. При исследовании сравнивались результаты, полученные при производстве с использованием традиционных технологий и новаторских с применением композитных материалов.
Выбросы газов самолетами, изготовленными из композитных материалов более чем в два раза меньше, чем у самолетов, производимых из алюминия. Легкие самолеты потребляют значительно меньше топлива. За время эксплуатации, самолеты из композитов вырабатывают на 20% меньше выбросов CO2, чем обычные самолеты. Переход компаний на эксплуатацию самолетов из композитов, произойдет в ближайшие 25 лет. Что обусловлено, прежде всего, растущими ценами на нефть.

В исследовании, опубликованном в международном журнале Life Cycle Assessment – подсчитано, что к 2050 году, композитные материалы, используемые при производстве самолетов, могут сократить выбросы парниковых газов на 14-15%, по сравнению с обычными самолетами.

Новые самолеты, вводимые в эксплуатацию до 2020 года, могут использоваться по-прежнему до 2050 года. Внедрение новой технологии при производстве самолетов позволит достичь значительного сокращения выбросов в окружающую среду. Учитывая, что мировой воздушный трафик увеличится в четыре раза до 2050 года, с переводом самолетостроения на композитные материалы, можно было бы избежать значительных выбросов CO2.

Перспективы применения композитов в России

Министерство промышленности и торговли РФ на конкурсной основе выделяет субсидии на поддержку развития производства композиционных материалов и изделий из них в рамках реализации программы «Разработка технологий получения комплекса композиционных материалов (композитов) нового поколения, изделий и конструкций из них» и подпрограммы «Развитие производства композиционных материалов (композитов) и изделий из них». Главная цель – стимулирование развития отрасли конструкционных и композиционных материалов нового поколения.

В ходе реализации подпрограммы будет создана современная нормативно-правовая и нормативная техническая база, регламентирующая разработку, производство и широкое внедрение композиционных материалов и изделий из них в ключевых секторах экономики. Будут разработаны и реализованы пилотные масштабируемые инновационные проекты на основе первоочередных отраслевых проблемно-ориентированных НИОКР, а также сформирована национальная база интеллектуальной собственности в области производства современных композиционных материалов и изделий из них гражданского назначения.

Основной ожидаемый результат заключается в росте объема внутреннего производства продукции композитной отрасли, который к 2020 году составит 120 млрд руб., а объем потребления продукции отрасли на душу населения к 2020 году составит не менее 1,5 кг. Количество разработанных технологий мирового уровня, прошедших опытную отработку и готовых к коммерциализации или переданных в производство, к 2016 году составит не менее 65 единиц, а количество полученных патентов, ноу-хау и других правоохранных документов, удостоверяющих новизну технологических решений, – не менее 58 единиц.

В рамках данной подпрограммы ФГУП «ВИАМ» реализует два пилотных масштабируемых инновационных проекта. Первый проект: «Разработка технологий получения композиционных материалов нового поколения и конструктивных решений для применения при строительстве быстровозводимых мостовых сооружений с использованием в качестве надземных частей опор арочных элементов и профилированного настила, а также освоение производства высокотехнологичной продукции на основе полученных технологически решений». Соисполнителем в данном проекте является ОАО «НИИ Графит». Быстровозводимые мостовые сооружения с использованием в качестве надземных частей опор арочных элементов и профилированного настила из композиционных материалов нового поколения обладают рядом существенных преимуществ. Они устойчивы к коррозии и воздействию высоких и низких температур, в 20 раз легче бетонных и в 5 раз легче стальных конструкций, что позволяет сократить расходы на строительство и эксплуатацию. Изготовление арочного моста на строительной площадке занимает всего два-три месяца, и, следовательно, это позволяет резко сократить экономические потери и уменьшить загрязнение окружающей среды.

Помимо этого, возведение арочных мостов с применением элементов конструкции из ПКМ возможно в труднодоступных районах (горная местность и местность с вечной мерзлотой).

В целом по двум сегментам (автомобильные и железные дороги) емкость рынка мостовых сооружений оценивается на уровне 80 тыс. штук. При условии, что средний срок эксплуатации мостов составляет 20–25 лет, каждый год необходимо заменять или проводить капитальный ремонт не менее 3000 мостов. Однако на сегодня фактическое количество мостов, требующих замены, в 2–3 раза больше в связи с тем, что последние 10–15 лет обновление транспортной инфраструктуры в стране проводилось крайне медленно.

Второй инновационный проект – «Разработка технологий получения композиционных материалов нового поколения и конструктивных решений для создания опорных плит и электроизолирующих стяжек соединительных элементов из композиционных материалов для силовых сборок блоков коммутаторов на основе импульсных фототиристоров, предназначенных для создания сверхмощных электромагнитных полей в схемах импульсно энергетики, а также освоение производства высокотехнологичной продукции на основе технологических решений». Соисполнителями по данному проекту являются ООО «Центр нанотехнологий и наноматериалов» и ООО «Новые композитные материалы» (г. Саранск). Применение опорных плит и электроизолирующих стяжек соединительных элементов из композиционных материалов приводит к снижению совокупной стоимости владения, увеличению срока службы оснований сборок за счет уменьшения сроков ремонта, а также снижению веса конструкций на 80%.

Композиционные материалы – материалы будущего

Сейчас композиты имеют широкое применение в таких сферах, как строительство, мостостроительство, мебельная промышленность, автомобильная промышленность, Железнодорожный транспорт, медицина, текстильная промышленность и авиастроении.

С течением времени этот список будет становиться всё длиннее и длиннее. С каждым годом производство композиционных материалов повышается на 20%, в то время, как производство металлов повышается всего на 2%.

Уже сейчас мы можем не сомневаться, что будущее именно за композиционными материалами, которые будут только совершенствоваться и заменять «устаревшие» материалы.

По экспертным оценкам объём мирового потребления ПКМ и изделий увеличится в два раза. Я считаю, что именно это является доказательством того, что композиты- материалы будущего.

Литература:

1. Кербер М. Л., Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.
2. Достижения в области композиционных материалов. Под. ред. Дж. Пиатти. М., Металлургия, 1982
3. Берлин А.А., Пахомова Л.К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов. – Высокомолекулярные соединения. Том (А) 32, 1990, № 7
4. Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы. – Соросовский Образовательный Журнал. 1995, № 1
5. Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский Образовательный Журнал. 1999, № 5
6. Статья Генерального директора ВИАМ, академика РАН Евгения Николаевича Каблова «Композиты: сегодня и завтра».