Inventar istraživačkih žarišnih točaka u naprednim kompozitnim materijalima u zrakoplovstvu

Kompozitni materijali i metali, polimeri i keramika nazivaju se četiri glavna materijala. Danas je razina industrije kompozitnih materijala u zemlji ili regiji postala jedan od pokazatelja za mjerenje njezine tehnološke i ekonomske snage. Napredni kompozitni materijali izvor su konkurentske prednosti za nacionalnu sigurnost i nacionalno gospodarstvo. Među njima, epoksidne smole su izvrsne smole koje se mogu izliječiti reakcijom. U području kompozitnih materijala ojačanih vlaknima veliku ulogu igraju epoksidne smole. Složen je s visokoučinkovitim vlaknima pan-based karbonskim vlaknima, S ili E staklenim vlaknima, aramidnim vlaknima, polietilenskim vlaknima i bazaltnim vlaknima, a postaje nezamjenjiv važan matrični materijal i konstrukcijski materijal, koji se široko koristi u elektroničkoj snazi, zrakoplovstvu, sportskoj opremi, ojačanju zgrade, tlačnim cjevovodima, kemijskim antikorozivnim i drugim šest polja. Ovaj se rad usredotočuje na domaći i strani status zrakoplovnih naprednih kompozita matrice smole te probleme i smjerove koje Kina proučava.

Ojačavajuća vlakna koja se koriste u kompozitnim materijalima

Usporedba performansi različitih materijala od vlakana koji se koriste u kompozitnim materijalima prikazana je u tablici 1. Uspoređena su svojstva nekih materijala. Iz tablice 1. može se vidjeti da se specifična čvrstoća i specifični modul samo staklenih vlakana povećavaju za 540%, odnosno 31%, u usporedbi s metalnim materijalima, a poboljšanje ugljičnih vlakana još je značajnije. Prema izvješćima literature, teoretska čvrstoća jednokrilnog grafita izračunata iz energije veze i gustoće veze iznosi čak 150 GPa. Stoga je daljnji razvojni potencijal ugljičnih vlakana vrlo ogroman. Kratkoročni cilj japanske tvrtke Toray je učiniti vlačnu čvrstoću od ugljičnih vlakana od 8.5GPa, modulus 730GPa. Nepotrebno je reći da će ugljična vlakna i dalje biti glavni materijal za čvrsta kućišta i mlaznice raketnih motora u budućnosti.

Razvoj drugih primjena kompozita od ugljičnih vlakana vrlo je obećavajući, kao što su sustavi kočenja zrakoplova i brzih vlakova, civilni zrakoplovi i automobilske kompozitne konstrukcije, ležajevi od ugljičnih vlakana visokih performansi, velike oštrice za vjetroturbine, sportska oprema (kao što su skije, reketi, štapovi za ribolov) itd. Širenjem ljestvice proizvodnje ugljičnih vlakana i postupnim padom troškova proizvodnje brzo će se proširiti i primjena ugljičnih vlakana u armiranom betonu, novim uređajima za grijanje, novim materijalima za elektrode, pa čak i svakodnevnim potrepštinama. Kako bi surađivala s Olimpijskim igrama u Pekingu, moja zemlja planira energično razviti nove cfrp građevinske materijale i nova visokotehnološka cfrp tržišta povezana sa zaštitom okoliša i robom široke potrošnje.

Karbonska vlakna su materijal visoke čvrstoće i visokog modula. Teoretski, većina organskih vlakana može se pretvoriti u ugljična vlakna. Postoje tri glavne vrste organskih vlakana koja se zapravo koriste kao sirovine za ugljična vlakna: viskozna vlakna, vlakna i poliakrilonitrilna vlakna. Većina karbonskih vlakana koja se koriste u trenutnim konstrukcijskim dijelovima čvrstog raketnog motora izrađena je od poliakrilnolonitrilnih vlakana.

Mattizi matrice zrakoplovne smole

Prema relevantnim podacima, svakih 1 kilogram mase svemirske letjelice može smanjiti težinu lansirnog vozila za 500 kilograma, a cijena lansiranja satelita je nekoliko desetaka milijuna dolara. Visoki faktor troškova čini strukturne materijale laganim i visokim performansama. Čvrsti poklopac motora na bazi epoksida proizveden postupkom namotavanja filamenata otporan je na koroziju, visoku temperaturu i zračenje te ima nisku gustoću, dobru krutost, visoku čvrstoću i stabilnu veličinu. Na primjer, raketne bojeve glave i satelitski sajmovi, materijali otporni na toplinu za svemirske letjelice i podloge niza solarnih ćelija izrađeni su od materijala ojačanih vlaknima na bazi epoksida i epoksida i fenola. Za razmatranje zrakoplovnog leta i njegove sigurnosti, kao strukturni materijal, trebao bi imati malu težinu, visoku čvrstoću, visoku pouzdanost i stabilnost, a kompozitni materijal od epoksidnih karbonskih vlakana postao je nezamjenjiv materijal.

Materijali za ojačanje koji se koriste u epoksidnim kompozitima visokih performansi uglavnom su karbonska vlakna (CF) i hibridna vlakna OD CF i aramidnih vlakana (K-49) ili staklena vlakna visoke čvrstoće (S-GF). Epoksidna smola koja se koristi kao matrični materijal čini oko 90% kompozitne smole visokih performansi. Proces oblikovanja kompozitnih materijala visokih performansi uglavnom prihvaća jednosmjerno prepreg suho polaganje te autoklavno stvrdnjavanje i oblikovanje. Epoksidni kompoziti visokih performansi naširoko se koriste u raznim zrakoplovima. Uzimajući Sjedinjene Države kao primjer, šezdesetih godina prošlog stoljeća bor / epoksidni kompozitni materijali korišteni su za kožu zrakoplova i operativne površine. Zbog visoke cijene vlakana bora, ugljični/epoksidni kompoziti pretvoreni su u ugljične/epoksidne kompozite 1970-ih i brzo se razvijali. Može se grubo podijeliti u tri faze. Prva faza primjenjuje se na komponente s malom snagom, kao što su različite upravljačke površine, površine kormila, spojleri, aileroni, zakrilci, vučne ploče, vrata stajnog trapa, poklopci motora i druge sekundarne konstrukcije. Druga faza primjenjuje se na konstrukcijske dijelove s velikim opterećenjem, kao što su stabilizatori, horizontalni repovi punog pokreta i glavna nosiva konstrukcijska krila. Treća faza primjenjuje se na složene naglašene strukture, kao što su trup, središnja kutija krila itd. Općenito, gubitak težine može biti 20% do 30%. Trenutno je količina kompozitnih materijala na vojnim zrakoplovima dosegla oko 25% težine konstrukcije, što čini 80% površine tijela. Mnogo je primjera primjene epoksidnih kompozitnih materijala visokih performansi u stranim vojnim i civilnim zrakoplovima.

Osim ablativnih kompozitnih materijala u zrakoplovnoj industriji, široko se koriste i kompozitni materijali visokih performansi. Na primjer, nakon usvajanja C /EP-a, konus instrumentne kabine rakete Trident može smanjiti težinu za 25% do 30% i uštedjeti radnu snagu za oko 50%. Također se koristi kao instrumentna potpora i 55 pomoćnih konstrukcijskih dijelova kao što su nosač žiroskopa, potporni prsten cilindra za izbacivanje, nosač valjka za izbacivanje, unutarnja potpora inercijskog uređaja i potpora bateriji na raketi Trident. Zbog smanjenja težine, domet se povećava za 342 km. Štitove i međusezone za delta rakete također proizvodi C /EP. Antene, antenski nosači, okviri solarnih ćelija i mikrovalni filtri na američkim satelitima i zrakoplovima proizvode C/EP.C/EP se koristi za izradu strukture potpore anteni i velike strukture prostora na Intelsatu V. Svemirska letjelica Air Voyager koristi K-49/EP za visokoprinosne antene subreflektore te unutarnju i vanjsku kožu strukture sendviča saćama. Space shuttle koristi Nomex saće C / EP kompozitne materijale za izradu velikih otvora, C / EP konstrukcijskih panela stražnje kabine itd.