Применение композитных материалов в самолётостроении

 

 

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Самолетостроения и эксплуатации авиационной техники»

 

Допускаю к защите

Руководитель:

________

 

 

 

Применение композиционных материалов в самолётостроении

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

введение в специальность

1.014.00.00.00

 

 

 

Выполнил студент группы СМ-13-2  ____________  А.С Сочивка

шрифт   подпись   И.О. Фамилия

 

 Руководитель работы _________   ____________  О.В. Артамонов

шрифт    подпись    И.О. Фамилия

Курсовая работа защищена с оценкой  _______________

 

 

 

Иркутск, 2013

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (КУРСОВУЮ РАБОТУ)

 

По курсу :_____Введение в специальность _____________________________

__________________________________________________________________

 

Студенту: ____Сочивка  А.С__________________________________________

(фамилия, инициалы)

Тема проекта : Применение композитных материалов в самолётостроении________________________________________________

________________________________________________________________

Исходные данные ____________________________________________________________________________________________________________________________________

Рекомендуемые источники информации_____________________________

_______1)основы авиационной техники С.М.Егер____________________

_______2) печатные  и электронные источники информации____________ _______________________________________________________________

 

Графическая часть на ______-_______листах.

 

Дата выдачи задания “__02__” _____11____2013 г.

 

Дата представления проекта руководителю “__14__” ____12____2013 г.

 

 

Руководитель курсовой работы ____________________ / О.В.Артамонов

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Волокнистые структуры широко распространены в природе, они составляют основу тканей всех живых организмов – растений и животных, в которых выполняют различные жизненно важные функции, одной из них является восприятие внешних механических воздействий и сохранение при этом целостности организмов.

 

  Основываясь на тех же принципах  и отвечая на требования развивающейся техники, человеком стали создаваться аналогичные материалы – волокнистые полимерные композиты. Сегодня они являются важнейшими конструкционными материалами и останутся в многолетней перспективе «материалами будущего».

 

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

 

1 Что такое композиционный материал

Что же собой представляет композиционный материал? Итак, композиционный материал или композит, — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними (см. Рисунок. 1.1  ). Композиционный материал состоит из высокопрочного наполнителя, ориентированного в определенном направлении, и матрицы. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.

 

Рис. 1.1 Схема наложения слоев композиционного материала

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает стойкость материала к трещинам, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. В качестве армирующих наполнителей (силовая основа композиции) применяются волокна бериллия, стекла, графита, стали, карбида кремния, бора или так называемые нитевидные кристаллы окиси алюминия, карбида бора, графита, железа и т. д. Матрицы изготовляются из синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, кремниево-органических) или сплавов металлов (алюминия, титана и других). Соединение волокон или нитевидных кристаллов с матрицей производится горячим прессованием, литьем, плазменным напылением и некоторыми другими способами. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. 

Примерами композитов являются такие материалы, как гетинакс  и  текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями). Обычная  клееная фанерная доска также является примером композиционного материала. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.

В нашей стране основы науки и развития технических решений в области волокнистых полимерных композитов были положены в лаборатории армированных пластиков Института химической физики им.академика Н.Н.Семенова РАН. Здесь был создан первый высокопрочный отечественный композит – СВАМ (стекловолокнистый армированный материал) и разработаны первые научные основы получения стеклопластиков.

 

2 Композиционный материал в авиационной промышленности

2.1 Начало применения

Композиционные материалы привносят в авиацию много полезного - они увеличивают прочность деталей, снижают их вес и подверженность коррозии, а также позволяют сократить количество деталей. В авиационных двигателях композиты тоже снижают вес, что влечет за собой экономию топлива.

Появившиеся в тридцатых годах прошлого века стеклопластики сразу привлекли внимание самолётостроителей, причём вначале они применялись для изготовления формообразующей оснастки. Компания Douglas Aircraft первой использовала стеклопластики на фенольном связующем для производства штампов, на которых быстро и дешево получала опытные образцы металлических деталей методом гидропрессования.

Стеклопластик успешно применялся для стапелей, пространственных кондукторов и других технологических приспособлений, необходимых для точной сборки сложных крупногабаритных деталей самолётов. Вскоре начали широко внедряться ненасыщенные полиэфиры, а перед Второй мировой войной появились и первые эпоксидные смолы, проторившие композитам дорогу в облака. Начало войны подтолкнуло разработки по применению композитов в самолётостроении. Например, стеклопластиковые обтекатели позволили снизить вес лёгкого бомбардировщика Douglas А-20, а бумажно-слоистый композит значительно упростил изготовление коробчатого шпангоута крыла тренировочного моноплана PT-19. В 1942 году по решению правительства США на авиабазе Wright Patterson началось широкое изучение композиционных материалов для применения в авиации. В 1944 г. там прошел аэродинамические испытания стеклопластиковый фюзеляж, а позже были изготовлены шесть пар композитных крыльев для тренировочных самолётов AT-6 и BT-15, которые показали отличные лётные качества. Именно в годы войны были разработаны такие прогрессивные технологии формования, как намотка и напыление, появились препреги и сотовые наполнители. Спрос на эти работы формировался государственным заказом, который стимулировал частные компании к проведению инновационных разработок в области новейших технологий и материалов, что оказалось весьма эффективным для становления отрасли композитов и самолётостроения. 

С начала пятидесятых стеклопластики всё шире применяются для изготовления рулей, закрылков и различных обтекателей. Но композиты пригодились не только для деталей планера: оказалось, что из стеклопластиков получаются превосходные каналы и трубопроводы самой сложной конфигурации. После войны тысячи небольших фирм стали активно заниматься конверсией авиационных технологий в гражданском секторе: в 1947 году появился первый стеклопластиковый автомобиль, а к 1948 году количество композитных катеров и яхт исчислялось многими тысячами. Энтузиасты композитов порой создавали настоящие технические шедевры. Компания  Convair Aircraft построила первый летающий автомобиль (см. рисунок 2.1.1),  корпус и съёмное оперение которого были изготовлены из стеклопластика.  

 

 

Рис. 2.1.1  Летающий автомобиль компании  Convair Aircraft.  

 

Опытный образец поднялся в воздух 1 ноября 1947 года, но смелым планам дать тысячам отставных военных пилотов возможность летать на собственной машине не суждено оказалось сбыться. 

В конце сороковых были разработаны новые технологии формования – вакуумный мешок, пултрузия, а также отлажена намотка крупногабаритных изделий, сыгравшая значительную роль в гонке ракетных вооружений. В 1961 году было получено первое углеродное волокно, и спустя десятилетие стоимость килограмма волокна снизилась в десятки раз. 

В середине 50-х годов ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов — армированные композиционные материалы. Предстояло изучить возможности их изготовления на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками. Практическое производство борных и углеродных волокон обусловило возможность создания композиционных материалов на их основе. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС США явились кураторами исследовательской и технологических программ. Реализация этих разработок позволила с начала 70-х годов начать широкое применение композитов для производства летательных аппаратов.

В 1967 году взлетел первый самолёт с целиком изготовленным из композитов планером – четырехместный Windecker Eagle (см. рисунок. 2.1.2), который сразу превзошёл в скорости машины своего класса – Cessna 210 и  Bonanza V-35.

 

 

Рис. 2.1.2  Самолет Windecker Eagle с полностью композитным планером

 

Через двадцать лет беспосадочный кругосветный перелёт совершил построенный энтузиастами в единственном экземпляре Voyager, углепластиковый планер которого весил всего 450 кг. В семидесятых начался промышленный выпуск кевлара и появились авиационные органопластики, а перехватчик Grumman F-14. A положил начало применению боропластиков в самолётостроении. Так и росло композитное древо – могучие корпорации выпускали новые материалы, государство поддерживало развитие инновационных технологий, а тысячи энергичных частных компаний быстро находили возможности применения и того, и другого.

Таким образом, мы видим, как мало прошло времени от лабораторного поиска до решения практических задач производства и применении композитов. Применение новых композиционных материалов в летательных аппаратах подняло на новую качественную ступень самолетостроение, способствовало созданию новой ракетной и космической техники. Есть все основания полагать, что роль композитов в создании новых летательных аппаратов будет ведущей. 

2.2 Применение композиционного материала в мировом самолётостроении

Появление композитных материалов на основе углеродного волокна в авиастроении совершило революцию. Еще в 60-е годы авиаконструкторы искали материалы альтернативные тяжеловесным металлам. Предпочтение было отдано легким и прочным композитам. Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно, могут не бояться коррозии. Стоит отметить также, что, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные — не содержат формальдегида, ядовитых газов, вроде метанола. Как следствие в готовом виде детали из композитов весьма экологичны в использовании, не требуют особенного ухода. При регулярной очистке композитные детали годами выглядят как новые.

Область применения композиционных материалов в авиастроении весьма обширна.  Они применяются для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоры.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в  увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов и другое.

Рис.2.2.1 Содержание композиционных материалов в самолётах компаний Airbus и Boeing

 

Ранние модели А310 и В767 содержали всего 5-6% стекловолоконных композиционных материалов. Но уже в 1986 году конструкция А310-200 была модернизирована, что помогло повысить топливную эффективность. Среди изменений было внедрение вертикального оперения из углепластиков, также тормоза колёс стали делать из композитов на основе углеродных волокон.