Бесплатно по России: 8 800 707-44-50
Москва: +7 (495) 656-79-94
zakaz@priborysgk.ru

Удивительные свойства композитов в авиастроении

Широкий интерес к композиционным материалам возник относительно недавно. Но это не значит, что их не было раньше. Известный всем железобетон является наиболее классическим примером композиционного материала. Он состоит из бетонной оболочки и металлической арматуры, прочность (точнее – модуль упругости) которой больше, чем у бетона. Такой составной материал позволяет строить прочные, высокие и относительно лёгкие здания и сооружения, которые будут сохранять устойчивость и не станут разрушаться под собственным весом или под воздействием внешних нагрузок.

Подобным образом устроены все композиционные материалы. Они состоят из двух (иногда более) компонентов, разнородных по своей структуре и свойствам; в результате образуется соединение, сочетающее свойства всех входящих в него компонентов.

Перспективными сегодня являются конструкционные полимерные композиты, сфера применения которых постепенно расширяется. Если первоначально их планировалось использовать для авиационных и космических целей, то в наше время из них производят более «бытовые» изделия и их компоненты. Обычно такие композитные материалы состоят из полимерной матрицы и армирующего наполнителя; в качестве наполнителя чаще всего выступают стеклянные или углеродные волокна, а матрицей служит синтетическая смола. При нагревании матрица образует трёхмерную полимерную сетку, которая делает её прочной, жёсткой и химически устойчивой. Из полимерных композитов можно создавать изделия, по прочности превосходящие металлические и в то же время более лёгкие, чем они.

Исключительная прочность и лёгкость – это те показатели, благодаря которым углепластики (наиболее популярные полимерные композиты) нашли широкое применение в авиации. Ведь увеличенная лёгкость самолёта означает, что на его передвижение затрачивается меньше топлива. Не менее широко углепластики применяются и в, так сказать, «наземной авиации» — это болиды «Формулы-1», другие гоночные автомобили, спорткары. Некоторые элитные модели «обычных» автомобилей тоже стали делать из углепластиков, из них же производят электромобили. То есть из полимерных композитов сейчас производят в первую очередь то, что должно очень быстро передвигаться.

В самолёте из композитных материалов делают фюзеляж, крылья, хвостовую часть, мотогондолу, детали интерьера. Большинство деталей самолёта делаются из углепластика, поскольку он более лёгкий и прочный. Стеклопластик же применяется для ненагруженных деталей, а также для носового обтекателя. Стеклопластик более тяжёлый и менее прочный, но он значительно дешевле. К тому же он пропускает радиоволны, что необходимо для носового обтекателя, тогда как углепластик создаёт помехи, поскольку имеет способность проводить ток. 
Конечно, в самолёте отнюдь не всё можно сделать из композитов. Детали двигателя остаются металлическими, поскольку полимерные материалы не выдерживают высоких температур.

Стойки шасси тоже металлические, потому что на них приходится огромная ударная нагрузка. Некоторые подвижные части самолёта тоже изготавливают из металлов. В последнее время композиционные материалы стали применять и для изготовления тормозных дисков, но там это другой тип материалов – углерод-углеродные композиты.

Несмотря на очевидный прогресс, композиционные материалы продолжают совершенствоваться: исследователи хотят поручить им новые задачи, с которыми нынешние композиты пока справляются очень плохо. Например, они боятся высоких температур и плавятся от них. Учёные разрабатывают такие полимерные композиты, которые выдерживают высокие температуры; в обозримом будущем из них наверняка будут производиться и детали авиационных двигателей. Можно увеличить прочность и лёгкость полимерного материала, модернизируя структуру детали и вид наполнителя. Свойства углеродных волокон постоянно совершенствуются.

Много внимания уделяется совершенствованию термостойкости материалов. Устойчивость к большим температурам зависит главным образом от полимерной матрицы. Углеродные и стеклянные волокна способны выдерживать очень высокие температуры – до 600 градусов, а вот те или иные полимеры плавятся при показателях свыше 180 градусов. Самый прочный вид эпоксидной смолы выдерживает чуть более высокую температуру – до 240 градусов, однако этот материал пока не выпущен в массовое производство.

Термостойкие полимерные композиты требуются для изготовления выхлопных труб, деталей двигателей, высокотемпературной изоляции, для внутренностей подводных лодок. Они пригодятся там, где велика вероятность пожара, потушить который довольно затруднительно. Благодаря термостойким полимерным композитам можно вновь наладить производство сверхзвуковых пассажирских лайнеров.

В МГУ, на кафедре химической технологии, уже изобрели термостойкий полимерный композит, который в скором времени можно будет полноценно выпускать в массовое производство. В основе матрицы лежат фталонитрилы – достаточно известные теплостойкие полимеры, открытые ещё много лет назад. Проблема их использования заключалась в том, что при повышении теплостойкости материал становится труднее перерабатывать. Учёные модифицировали структуру фталонитрилов, благодаря чему они стали легко перерабатываться при сохранении высокой теплостойкости. Этот материал может выдерживать температуры до 450 градусов, но долговременно функционировать может при температуре до 350 градусов, поскольку при более высокой температуре подвергается окислению. Основная заслуга упомянутой группы учёных в том, что они нашли способ производить фталонитрилы дёшево, при этом чтобы они смогли легко перерабатываться и сохраняли свои полезные свойства.

В производстве деталей из полимерных композитов есть свои нюансы. Свойства этого материала зависят не только от волокна и матрицы, но и от того, как они располагаются. Прочность композита увеличивается лишь в направлении вдоль волокон. Чтобы повысить прочность изделия во всех направлениях, детали изделия укладывают слоями, чередуя направление волокон; сверху вниз они могут также быть прошиты дополнительными волокнами, что усиливает прочность и в этом направлении. Для каждого изделия применяется свой тип выкладки. Определить правильное расположение волокон для каждой детали не так просто, как может показаться; этим занимаются прочнисты – математики, рассчитывающие именно этот показатель для каждого случая.

Как происходит производство изделий из композитов? Раньше их изготавливали вручную. Волокна укладывались одним слоем, с помощью кисточки промазывались полимером, после чего сверху укладывался следующий слой – и так далее. Некоторые изделия таким способом производят и сегодня, однако ручное изготовление чревато частыми ошибками; как-никак «человеческий фактор». Поэтому в наше время производство изделий из композитов автоматизировано.

Совместить оба компонента, матрицу и наполнитель, можно разными способами. Например, подготовленную заранее и пропитанную полимером ткань (её называют забавным термином «препрег») кладут в автоклав, куда подают высокие давление и температуру. Дело в том, что между слоями волокон в связующем веществе образуются пустоты, которые необходимо убрать, для этого и используется автоклав. Если деталь имеет осевую симметрию (ветряк, фюзеляж самолёта, мачта и др.), то ткань наматывается на вращающийся вал, а затем также помещается в автоклав. У этого метода есть один недостаток – слишком высокая стоимость; автоклавы имеются лишь у крупных корпораций, и более мелкие компании вынуждены обходиться без них, что удешевляет производство.

Вместо автоклавов можно использовать метод вакуумной инфузии. Заготовка при этом помещается в специальный пакет, в котором с помощью вакуума полимер затягивается и проникает в ткань, а затем заготовка твердеет при воздействии высокой температуры. Таким способом можно достаточно легко производить детали какого угодно размера. Именно этот способ используют в производстве деталей для крыльев российского самолёта МС-21, длина которых 25 метров; такого ранее не производил больше никто. С помощью вакуумной инфузии можно производить такие детали, какие невозможно изготовить каким-либо другим способом. И этот метод значительно дешевле, чем использование автоклавов.

Композиты позволяют уменьшить количество деталей, они, в отличие от металлов, не подвержены усталости, из них можно производить детали очень сложной формы. Но у композитов есть и свои недостатки, ограничивающие их применение. К примеру, они в настоящее время значительно дороже металлов, поэтому их использование окупается только при долговременном использовании изделия.

Главный недостаток композитов – низкая ударная прочность. При этом в них образуются трещины, которые практически невозможно обнаружить невооружённым глазом и с помощью обычных приборов. Если деталь повреждена, то её не ремонтируют, а заменяют новой. Диагностировать целостность углепластиковой детали самолёта можно с помощью особых датчиков, которые устанавливаются по всему корпусу самолёта в большом количестве.

Наконец, углепластики способны гореть, при этом они выделяют ядовитые вещества. Конечно, существуют сорта углепластиков, которые устойчивы к пожарам, в их составе имеются особые защитные вещества – антипирены. Но это опять-таки повышает стоимость композита.

132
05.07.2019 г.
Russian map Оренбург Махачкала Ярославль Иркутск Барнаул Тольятти Саратов Краснодар Пермь Красноярск Ростов-на-Дону Казань Челябинск Омск Самара Уфа Воронеж Волгоград Тюмень Ижевск Ульяновск Хабаровск Владивосток Томск Кемерово Новокузнецк Рязань Астрахань Магадан Якутск Мирный Норильск Сургут Ханты-Мансийск Новый Уренгой Архангельск Мурманск Калининград Симферополь Сыктывкар Чита Улан-Удэ Анадырь Петропавловск-Камчатский Биробиджан Благовещенск Южно-Сахалинск Горно-Алтайск Кызыл Москва Санкт-Петербург Новосибирск Екатеринбург Нижний Новгород
TOP
Сайт использует файлы cookies. Продолжая просматривать сайт Вы соглашаетесь с использованием cookies. Хорошо!
Сервис звонка с сайта RedConnect