Применения композитов

Возрастающий объем применения композиционных материалов в ответственных несущих конструкциях привлек пристальное внимание к разработке и приложениям методов, позволяющих предсказать поведение таких конструкций при нагружении, например, [89]. Фермы, балки, рамы и тонкостенные элементы являются в настоящее время наиболее распространенными конструкциями, которые изготовляют из композиционных материалов. Именно такие конструкции, а также узлы соединений рассмотрены в этой главе.

Природа композиционных материалов вызвала появление специальных видов соединений, особенности которых проявляются у трехслойных систем (рис. 13, д). Для эффективного применения композиционных материалов в конструкциях такого рода необходимо обеспечить передачу нагрузки на узел и далее на элементы, соединяемые в этом узле. Проблема передачи нагрузок как в самом композиционном материале, так и при его соединении с другими материалами весьма серьезная, и еще многое предстоит сделать для разработки эффективных теоретических и полуэмпирических методов ее решения.

Рассмотрены преимущества композиционных материалов перед обычными в каждой из указанных областей техники, особенности проектирования типичных элементов конструкций, экономическая и технологическая целесообразность применения композиционных материалов.

В 3-м томе восьмитомного издания «Композиционные материалы», изданного в 1974 г. издательством «Academic Press» (США), рассматриваются вопросы практического применения композиционных материалов в ведущих отраслях современной техники: авиационно-космическоЁ, судостроительной, транспортном строительстве, строительстве химических предприятий, промышленном строительстве, ядерной технике, электротехнической промышленности и др.

Книга содержит много полезных сведений о свойствах армированных пластиков и более современных композиционных материалов и дисперсных систем, номенклатуре выпускаемых промышленностью исходных компонентов (армирующих наполнителей, связующих смол), технологическим приемам изготовления деталей и узлов конструкций, объемам их производства и применения, перспективам роста применения композиционных материалов и ожидаемой технико-экономической эффективности от их использования. Несомненный интерес представляет конструкторская и технологическая проработка ряда узлов и деталей, используемых в космических летательных аппаратах (гл. 3), авиационной технике (гл. 2, 4), транспортном машиностроении (гл. I и V), судостроении (гл. 7), промышленном строительстве (гл. 8, 9) и др.

Авторами отмечается мысль о необходимости всестороннего подхода к проблеме применения композиционных материалов, объединений конструкторских, материаловедческих и технологических знаний при решении вопроса об использовании того или иного материала в конкретной детали, с учетом опыта эксплуатации и растущего объема производства этого материала и перспективного снижения его стоимости.

В 3-м томе показаны различные области применения как дешевых, так и дорогостоящих композиционных материалов. Однако книга не ограничивается рассмотрением вопросов, связанных с применением композиционных материалов, упрочненных волокнами; в нее включены также интересные композиции, находящие применение в электротехнической и ядерной промышленности, Сложные условия работы в этих отраслях определяют необходимость тщательного подбора компонентов композиционного материала. К материалам, применяемым в отраслях промышленности, рассматриваемых в этом томе, предъявляется широкий спектр технических и экономических требований, оправдывающих использование новых материалов, процессов производства и новых принципов конструирования деталей. Например, стоимость одного килограмма серийно выпускаемого автомобиля, обычного самолета и сверхзвукового реактивного самолета составляет приблизительно 2,2; 33 и 177 долларов соответственно, тогда как экономия массы в стоимостном выражении составляет от одного до нескольких сот долларов на килограмм. Что же касается технологических процессов, то читатель, вероятно, заметит связь между проблемами применения композиционных материалов и технологическими проблемами, настоятельно требующими своего разрешения, а именно создания механизированного производственного процесса, неразрушающих методов контроля и др.

Прослежена история применения композиционных материалов в отрасли, рассмотрены условия, необходимые для дальнейшего увеличения объема применения.

Многие детали легковых автомобилей, включая довольно сложные (обычно литые), могут быть изготовлены из формовочной композиции (листовой заготовки или формовочной массы), причем эти детали могут успешно конкурировать с деталями, полученными литьем из цинковых или алюминиевых сплавов. Постоянное усовершенствование технологии изготовления, оборудования и оснастки для производства деталей из упрочненных пластиков приведет к тому, что объем применения композиционных материалов превысит 8000 т в год, как прогнозировалось в начале 70-х годов.

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.

Для производства грузовых автомобилей характерны сравнительно нечастые изменения конструкций и относительно небольшие рынки сбыта. Обычно производство 10 000 единиц в год, включая многочисленные вариации базовой модели, считается значительным. Стоимость оборудования для таких масштабов более существенна в сравнении с крупносерийными производствами легковых автомобилей. По этим причинам упрочненные стекловолокном полиэфирные смолы можно считать весьма привлекательным материалом для изготовления кабин грузовиков, крыльев, капота, дверей и т. д., а именно в этом направлении применения композиционных материалов отмечается наибольший прогресс.

ляющих получить улучшенные аппроксимации и точные результаты, можно найти в [1]. Следует подчеркнуть, что температурный диапазон применения композитов на основе синтетических смол лежит ниже температуры стеклования смол. Поэтому расчет характеристик композитов при помощи квазиупругого метода обеспечивает достаточно высокую точность.

зиционных материалов обеспечивают существенное снижение массы и повышение основных технике-экономических показателей машин. Благодаря высоким удельным жесткостным и прочностным свойствам волокнистых композитов с полимерной матрицей и наметившейся тенденцией увеличения их выпуска открываются большие возможности применения композитов в массовом машиностроении, например в автомобильной промышленности. С целью снижения стоимости изделий массового машиностроения целесообразно использование гибридных композитов — углестеклопласти-ков.

директора Института проблем технологии микроэлектроники Российской Академии наук, член-корр. РАН, докт. физ.-мат. наук, проф. В.В. Аристова, обратившего внимание автора на ряд новых направлений применения композитов в современной микроэлектронике. Автор глубоко признательна рецензентам за ценные замечания, которые, по возможности, постаралась учесть.

Одна из наиболее перспективных областей применения композитов связана с тонкостенными стержнями (рис.8.9.5), которые.изготовляют намоткой или выкладкой однонаправленной или тканой ленты под различными углами к оси и используют в качестве элементов ферменных конструкций, подкосов, лонжеронов винтов самолетов и вертолетов, приводных валов и т.д.

Листы из армированных стекловолокном термопластов «Аздель» фирмы «Питтсбург плейт гласе индастриз» и найлона марки STX фирмы «Эллайд кемикел», которые могут быть предварительно размягчены до температуры плавления под воздействием теплового излучения и отштампованы или сформованы в холодной форме и далее могут быть использованы для изготовления деталей с уникальными свойствами. По сравнению с традиционными сформованными стеклонаполненными полиэфирами прочность этих материалов аналогична и изотропна, а модуль упругости даже несколько ниже, но ударная вязкость и жесткость много выше. Плотность полипропиленовых листов существенно ниже (1190 кг/м3) несмотря на высокое (40 %) содержание стекловолокна. Отделка материала путем окраски затруднена в случае использования полипропилена в качестве связующего и удовлетворительна в случае применения найлона. Эффективность и целесообразность применения композитов, включая такие показатели, как стойкость к ударам камней, абразивному износу и другим эксплуатационным воздействиям (например, в случае буферов и багажных полок), стойкость к коррозионным воздействиям (в случае ящиков для аккумуляторов) и других деталей, требующих износостойкости (например, сиденья), обусловливают важность конструирования соответствующих деталей и узлов. Штампы, аналогичные тем, которые применяются для формования листовых материалов, используют в гидравлических прессах или прессах для штамповки, которые должны быть предварительно модифицированы для того, чтобы иметь возможность задерживать пуансон в нижней мертвой точке. Циклы формования менее чем 1 мин в данном случае типичны и позволяют обеспечить высокую производительность.

поставленной задачи. Он должен, кроме того, иметь некоторые основы знаний о свойствах важнейших материалов на основе СП, так же как и о технике формования и сборки, и, кроме того, о влиянии изменяющихся факторов на свойства СП, чтобы он мог быть уверенным, что его требования выполнимы и могут быть достигнуты в необходимых границах по стоимости. Его инженерное решение с одновременным обеспечением факторов безопасности должно базироваться на рассмотрении природы нагрузок на материал (например, долговременная статическая и циклическая) и условий окружающей среды при эксплуатации. Если область применения композитов новая и отсутствует прецедент по использованию аналогичных конструкций, необходимо составить программу по усовершенствованию прототипа для оптимизации разработки. Это особенно важно, если применение приходится осуществлять в критических условиях по массе, безопасности, в жестких условиях эксплуатации или при ударных нагрузках.

Разработка технологии сборки требует внимательного качественного контроля и существенно зависит от выбранного типа соединения, адгезива и подложки так же, как и от условий применения. Использование самонарезающих винтов оказалось полезным для предотвращения расслоения композитов, особенно в условиях циклических или высоких ударных нагрузок. Труды ежегодных технических конференций по композитам являются прекрасным источником современной информации по материалам, разработке и фактическим данным, касающимся применения кон-. струкций из АП. Примером практического применения композитов является отчет об исследованиях по результатам эксплуатации судов из стеклопластиков в ВМС США за 15 лет, описывающий особенности поведения различных деталей конструкций. Кроме того, имеется много технических брошюр, написанных разработчиками основных материалов. Методы разработки путей конструирования и критериев оценки АП все еще развиваются, поскольку в настоящее время оказались доступными новые мате-1 риалы или их комбинации. Техника конструирования становится^ 520

В этой главе сделана попытка очень кратко описать основные материалы, процессы получения и характеристики композиционных СП, обычно используемых в судостроении, а также влияние на них соответствующих условий окружающей среды. В силу того, что каждый из компонентов этой системы представляет, в свою очередь, достаточно широкую и сложную структуру, было бы невозможно описать каждую из них достаточно детально. Приведено значительное число источников, из которых можно извлечь более детальную информацию, касающуюся специфических областей применения композитов. Существует ряд обычных областей, в которых необходимость в дальнейших технологических усовершенствованиях может в дальнейшем послужить причиной создания новых композиционных материалов. Примерами в этой области являются огнестойкие смолы, обладающие улучшенной прочностью на сдвиг, высокотермостойкие смолы, которые должны быть простыми в обращении и легко отвер-ждаться, а также простые в обращении клеевые системы, удобные для использования в судостроении. Для автоматизации процессов изготовления крупных судовых корпусов и других изделий из АП необходимо тщательное рассмотрение процессов их формования и существенное их улучшение, что должно, в свою очередь, привести к созданию более дешевых высококачественных кон-

В большинстве современных областей применения композитов сейчас и в будущем материалы с высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе композиты с улучшенными свойствами (КУС), обеспечивают наиболее впечатляющие области применения, но стекловолокна, в том числе в системах с гибридным наполнением, все еще составляют большую часть объема применения.

Использование композитов в авиационной технике быстро расширяется, особенно в области военной авиационной техники, где отдача от затрат наибольшая. Потенциальные возможности применения композитов ограничены из-за существующего в настоящее время некоторого спада в развитии военной авиационной техники. В самолетостроении для гражданской авиации композиты в качестве основных конструкционных элементов прививались^ значительно медленнее, но в настоящее время развитие областей 538

На сегодня пока отсутствует достаточно большой опыт применения композитов в аэрокосмической технике. Кроме того, действуют температурные ограничения для углепластиков. В настоящее время имеются наибольшие достижения в области армирования волокнами, в то время как регулирование свойств матрицы все еще не дошло до стадии, при которой могли бы быть использованы все потенциальные возможности материала.

Примером современного 'применения композитов может служить эффективное использование в некоторых областях композиций на основе смесей фторполимера с сополимерами этилена и пропилена с полиамидом (найлоном) для изоляции проводов взамен системы поливинилхлорид—полиамид. Такая замена обеспечивает снижение массы на 10 %, снижение объема на одну треть и появление возможности непрерывной эксплуатации изделий при температуре 120 °С. 540