Использования композитов

Первоначально область использования композиционных материалов с пространственным расположением армирующих волокон ограничивалась тепловой защитой космических и летательных аппаратов [91, ПО, 123], так как именно в условиях высокоскоростного нестационарного температурного нагружения наиболее велика опасность расслоения слоистых конструкций, возникающего вследствие различных технологических макродефектов [67]. Использование пространственно-армированных композиционных материалов для изготовления таких конструкций исключает опасность расслоения, так как наличие армирующих волокон в третьем направлении препятствует распространению макротрещин, появляющихся в местах дефектов.

Совокупность свойств композиционных материалов как конструкционных материалов позволяет надеяться на их широкое применение в многочисленных деталях и узлах дорожных транспортных средств. Автомобильная промышленность представляется весьма перспективной сферой использования композиционных материалов вследствие ее масштабности, а также традиционной восприимчивости к новым материалам, конструкциям и технологическим процессам.

Несмотря на все доводы в пользу применения композиционных материалов в автомобилестроении, последнее слово остается за инженерами, отношение которых к материалам формируется в процессе накопления практического опыта. Производство деталей автомобильными компаниями, будь они из традиционных материалов или из упрочненных пластиков, осуществляется в условиях жестокой конкуренции. В таких условиях возможны случаи, когда рекомендации для проектирования и производства деталей могут оказаться недостаточно надежными, поэтому отсутствие богатого опыта, подобного накопленному при конструировании тысяч кузовов из стального листа, производство которых за более чем шестидесятилетний период составило десятки миллионов штук, требует осторожного подхода к проблеме новых материалов. Тем не менее имеющийся на сегодняшний день некоторый опыт использования композиционных материалов в автомобилестроении позволяет надеяться и на дальнейшие успехи.

Таким образом, благодаря преимуществам использования композиционных материалов в авиационных конструкциях, выражаемым в расчетных показателях, при изготовлении многих самолетов будущего эти материалы найдут широкое применение. Свидетельством этого служит снижение массы конструкций и соответствующее изменение размеров в результате применения более легких материалов. Несомненно, можно обнаружить и другие преимущества, многие из которых выявляются в процессе конструирования. Например, возможно упрощение производственных операций по сравнению с процессами изготовления металлических конструкций. Реализация этой возможности позволит не только компенсировать повышенную стоимость композиционных материалов, но фактически может привести к снижению общей стоимости.

ность обшивки из неметаллического материала позволила исключить внешние антенны. Метод изготовления этого самолета иллюстрирует выгоды использования композиционных материалов для повышения производительности производства. Обшивка крыла, например, работает как балка коробчатого сечения с заплечиками, заменяющими обычные лонжероны. Предусмотрено также изготовление цельных топливных отсеков, и, кроме того, имеется возможность формования и окончательной окраски основных элементов конструкции в матричных формах. После завершения процесса отверждения окончательная сборка заключается в соединении относительно небольшого числа узлов. В качестве армирующего наполнителя были использованы в основном нетканые стекло-холсты однонаправленной структуры, пропитанные эпоксидной смолой производства фирмы Dow. Высокие летные качества конструкции определяются аэродинамическим качеством и эффективным конструкторским решением.

На рис. 12 показаны примеры применения этого метода в конструкциях. В настоящее время закончены исследования, выявившие множество возможных вариантов использования композиционных материалов для местного упрочнения элементов конструкции существующих и разрабатываемых самолетов.

Рис. 21. Длина разбега оГ>ычпь:х са молетов (1) и самолетов с укороченным разбегом и пробегом (2) (70 нас-саашров, дальность полета 945 км, крейсерская высота 900 м, крейсерская скорость 0,78 махов): / — изменение массы конструкции в результате использования композиционных материалов; // — то же, и вследствие изменения размеров; 1 — PIS = 244-440 кгс/м2; 2 — PIS ~ 440 кгс/ы2

Для изготовления лопастей несущих и хвостовых винтов с учетом их размеров можно использовать прогрессивные методы. На рис. 23 показано два варианта использования композиционных

Заметное и надежное улучшение конструкции транспортных самолетов в ближайшее время, являющееся результатом использования композиционных материалов, ставит под угрозу любую страну или компанию, которая, слишком долго проработав с металлическими конструкциями, позволит конкурентам выйти на рынки сбыта с продукцией высшего качества. Если это произойдет, аргумент в пользу обычного периода амортизации может стать недействительным. С учетом этого переход на новые материалы на основе постепенного замещения традиционных будет начат, вероятно, уже на моделях, находящихся в настоящее время в массовом производстве. Доказательства этого уже отмечались в разделе III, в котором сообщалось о проводимой оценке вспомогательных конструктивных элементов.

Необходимо подчеркнуть, что выигрыш по показателям массы от использования композиционных материалов тем больше, чем меньше соединений. Отметим, кроме того, что конструирование

Хотя допустимое значение экономии массы (10,2%) обшивок из композиционного материала оказалось ниже заданного (25%), оно представляется достаточным с учетом того, что это была одна из ранних попыток использования композиционных материалов. Пониженные значения экономии массы явились следствием использования титановых прокладок для обеспечения более высокой, чем первоначально предполагалось, прочности и невозможности преодолеть ряд конструктивных ограничений.

В этой главе всюду, где это возможно, будет выявлена зависимость между надежностью конструкций и расчетными параметрами. При этом преследуется двойная цель: во-первых, подчеркивается, что использование коэффициентов запаса само по себе не обязательно обеспечивает некоторый требуемый уровень надежности: во-вторых, показывается, что существует возможность, используя опыт, накопленный на традиционных конструкциях, увеличить степень уверенности в работоспособности конструкции и у расчетчика, и у потребителя. Эффект, который можно получить от промышленного использования композитов в сочетании с вероятностными методами расчета изделий из них, трудно переоценить. Помимо этого, очень важным является исключение возможности отказа от высокоэффективной конструкции из композита из-за использования в расчетах необоснованных коэффи-

четание высоких для данной плотности значений жесткости (модуля) и прочности, наряду с пластичностью, вязкостью, а зачастую и сопротивлением окислению, позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов для авиации и подводного флота, для лопаток газовых и паровых турбин. Такое уникальное сочетание свойств создает свои сложности и ограничения при конструировании. Для эффективного использования композитов с металлической матрицей необходимы исчерпывающие сведения о механических (упругих и пластических) характеристиках. С точки зрения размерной стабильности первостепенное значение имеют данные по модулю упругости и микронапряжениям. Для определения пределов упругости, текучести и прочности нужно знать характеристики условий нагружения и критерии разрушения. В эксплуатационных условиях часто напряжения или деформации изменяются во времени, поэтому необходимы данные по ползучести или усталости.

В рассмотренном выше изложении неупругого поведения, присущего композитам, многие важные темы опущены. Среди них уменьшение эффективности использования композитов, армированных волокнами, при создании элементов конструкций, нагружаемых плоской или пространственной системой сил, по сравнению с обычными конструкционными материалами. Потери вызваны уменьшением доли волокон по сравнению с максимальной, которая может быть достигнута на однонаправленном материале. Прочность композита, армированного в плоскости или в пространстве, уменьшается минимум в два раза из-за того, что волокна в отличие от традиционных материалов могут воспринимать нагрузку только в одном направлении.

Возможность дать определение разрушению — вот еще одна задача любого исследования, касающегося усталости. Должно ли состояние, определяемое по достижению трещиной некоторой длины, называться разрушением или следует дать иное определение исчерпанию несущей способности в процессе усталостного нагружения. Одной из важных причин широкого использования композитов является их высокая жесткость, поэтому любое ее уменьшение в процессе эксплуатации неблагоприятно сказывается на некоторых параметрах, ограничивающих применение конструкции, в частности на основной частоте. Таким образом, изменение жесткости до определенного предельного уровня в ряде случаев также следует трактовать как разрушение.

Механика композитов основывается на двух различных, дополняющих друг друга гипотезах. Первый опыт конструкционного использования композитов позволил сделать вывод [1], что представительный объемный элемент композита есть бесконечно малый куб dx, dy, dz анизотропного материала, который для практических целей можно рассматривать как однородный. Поведение этого материала можно охарактеризовать таким же образом, как и поведение любого другого идеально анизотропного материала, не рассматривая его микроструктуру (например, металлов и древесины, особенностями микроструктуры которых пренебрегают при расчете конструкций). Предположение об однородности позволяет применять существующие методы анализа слоистых сред при проектировании многослойных стержней, балок, пластинок и элементов оболочек из композитов.

Полимеризация мономеров происходит непосредственно в форме, что приводит к формированию детали с собственной оболочкой и хорошо окрашиваемой поверхностью. Проблемы, которые еще требуют разрешения, связаны с повышением вязкости системы, содержащей большое количество армирующего агента, замедлением процесса извлечения из формы и очисткой формы между очередными операциями заполнения. Благодаря низким капиталовложениям, неограниченному размеру деталей и потенциально высокой продуктивности (полутораминутный цикл) автомобильные фирмы чрезвычайно заинтересованы в столь благоприятном сочетании процесса с материалом для использования композитов при изготовлении наружных деталей с красивым внешним видом.

Нет оснований считать, что наше общество станет менее мобильным в обозримом будущем. До тех пор, пока эта мобильность будет существовать, средства транспорта будут изнашиваться, устаревать или требовать замены по другим причинам. Несмотря на скорость и экономичность передвижения по воздуху, удобство персональных средств транспорта, особенно для путешествий на расстояния до 240 км, будут занимать существенное место в семейном бюджете. Быстрая эволюция разработок средств наземного транспорта создает постоянно растущие возможности для использования новых и улучшенных материалов, процессов и химических продуктов. Наибольшая масса (высокие прочность и коррозионная стойкость, а также многосторонность возможностей использования композитов в разработках, составах и изделиях дают возможность с учетом специфических потребностей сделать их привлекательными для применения в автомобилестроении. Разработка качественных продуктов, надежной оснастки и оборудования для проведения процесса, а также снабжение соответствующими сырьевыми материалами придает уверенность в возможности разработки качественных материалов с хорошими эксплуатационными свойствами, необходимыми для гарантии доверия при составлении программ выпуска, точного определения вида АП и производства композитов на основе АП.

Кроме использования композитов в корпусах кораблей их применяют в корабельных конструкциях, в основном для снижения массы или решения проблем коррозии, возникающих при использовании алюминия или других металлов. Некоторые из этих областей использования описаны ниже.

Стоимость большинства современных летательных аппаратов возрастает более чем вдвое через каждые 3—4 года. Быстрый рост использования композитов представляет собой попытку снизить быстро возрастающую стоимость производства. Как упоминалось ранее, наибольшее снижение цен происходит при использовании композитов в новых конструкционных решениях. Замена ранее использовавшихся или существующих металлических деталей дает очень ограниченный результат.

Рис. 28.11. Влияние использования композитов на экономические параметры большого транспортного самолета:

Другими деталями, Для которых оценивалась возможность использования композитов, были балки крепления пола, пол, гондолы и детали двигателя. На основе принятой недавно программы разработки бесшумного двигателя была выявлена важность использования деталей из КМ. Можно сказать с достаточной степенью уверенности, что в двигателях будущего, особенно для неподвижных деталей, будут широко использоваться композиты. В качестве уже разработанных и испытанных деталей двигателя можно назвать лопатки компрессоров и турбин, разделительные перегородки и перфорированные оболочки воздуховодов.