книга (Буланов И.М., Воробей В.В., 1998 - Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов), страница 2

нс иадозревзя. что соиают новый ктасс материвдпв Древние егин.пгнс строили речные суда нз тростника, пропитанного битумом изпз горной смелой. При нзгопвюнинн саманного кирпича в глнзгу лаблкччллз непа.тнитель сс.юму, чтп п1мЛСС- прлшвло растрвскньэние гчины ирн сушке. 1йссмптря ив то, что холгппзитьг очень древний материал. паука а ннх в тоы внле. в каким пив сучисствует. появилась н сазмн с применением хомпозигав в ракетной технике.

й настоящее вреМя кампизн.гнив мвтвриляы широко асппльтуюг н прпизволстас аэрокосмической техники, внтамибиззсй, бытовых н спортивных .з.пвлрпп, пссвозможного оборлгловвния. Ввеленкс Объем производства композитов в промышленна развитых странах увеличивается с каждым годом и многие ученые считают, что ХХ1 в. станет веком композитных материалов.

Создание новых материалов, наряду с достижениями в технологии изготовления деталей, будет играть ключевую роль в авиационных, космических и ракетных системах будушега для уменьшения массы и стоимости конструкции. Например, в США разработана программа развития аэрокосмической техники на ближайшее десятилетие с широким применением прогрессивных КМ, Одна иэ задач эгай программы касается со- ЗДаНИЯ аЭРОКОСЛ1ИЧЕСКИХ аниаРатаВ ДЛЯ ЗаатМОСфЕРНЫХ ПОЛЕ- тов, способных взлетать и приземляться на обычных взлетных полосах. Общий вид будущега летательного аппарата, названного "Восточный экспресс", который даст возможность перевозить пассажиров с западного побережья США в страны Азии менее чем за два часа, показан на рис. В 1.

Развитие заатмосферной авиации в основном обусловлено решением следующих задач: экономия топлива за счет снижения массы аппарата; Феае Рафевее вет1вееи е в иул~АюФФ Фнок ивР1 I пзбг влей етв 'с ивг7 Рве. В 1. Оашяа вил зввтиосфериото пвссвжирското свмолетв еносточиый экспресс~ (США) зашита корпуса от высоких телгператур (1600 оС), которые могут нагревать его поверхность и др. Рещение этих задач возможна только с появлением новых КМ н технологии их переработки. При изготовлении конструкций из КМ совершенства технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов НК композиционных конструкций и полуфабрикатов для их производства. В настоящее время технология производства элементов ЛА из компоэитов развивается опережающими темпами практически во всех промышленно развитых странах.

Примеров успешного применения Кйл в элементах ПА сейчас насчитывается достаточно много. Приведем некоторые из них. Использование конструкций из стеклопластика в США фирма "Боинг" начала уже в 1958 г. Салголет ДС-8 имел тогда площадь трсхслойных сотовых конструкций 370 м2, на что расходовалось 160 кт стеклопластика В нашей стране аналогичные изделия появились в середине 60-х годов. К этому времени у нас имелся опыт использования стеклопластиковых конструкций для спортивных планеров.

Появление таких материалов как углепластики, арганапластики и борапластики существенно расширило объемы применения компазитов в элементах ЛА. Конструкция американского спортивного самолета "Воя- джер", совершившего в 1937 облет земного и~эра, масса которого составляла 450 кг„была выполнена целиком из углеплас- тика. На самолете-гиганте "Руслан" были установлены детали и сборочные единицы иэ комгюзитов общей массой 5,510 кг, что позволило снизить массу конструкции до 1,5.10 кг и сэкономить в течение периода эксплуатации не менее 18.10~кг горючего.

Еще шире представлены композиты в самолетах "ИЛ-96", "ТУ-204". В силовых конструкциях современных вер- толетов па долю компазитов приходится 45. 55 % ат общей массы, благодаря чему массу конструкции удается снизить па 25.. ЗО %. Ресурс работы при этом увеличивается в 2 — 3 раза, а трудоемкость изготовления снижается в 1,5 — 2 раза. Тепловая защита спускаемого аппарата пилотируемого ко- рабля-спутника "Восток" и лестница космического корабля 11 Введение 40в4 1000ть 1990г 1992г.

1994г. 1996г. 13 'Аполло", по которой человек впервые сошел на поверхность Луны, были выполнены из стеклопластика. Створки отсека полезной нагрузки и 17-метровые штанги "рук" манипулятора челночного корабля "Спейс-Шатл" изготавливались из угле- пластика. рис. В.2. Композиты в ракетной и азрпкосмичеекоя технике В отечественной аэрокосмической промышленности широка применяют все виды новых материалов — металлы, пластмассы, композиты (рис. В.2). В современных твердотопливных ракетах даля КМ составляет 75...аО % ат общей массы конструкции без учета топлива, в крупногабаритных РДТТ— о5-..90 %, в носителях с ЖРД вЂ” 25...30 %, в космических аппаратах — 15...20 %.

Многие элементы конструкций отечественных космических аппаратов и станций выполняют из композитав К ним относятся высакапрочные, высокожесткие штанги ферм, пинали, отсеки, рефлекторы и т.п. Значительно увеличилась доля кампозитов в тяжелом и транспортном машиностроении, энергетике, химической и нефтяной промышленности, строительстве и т.п. (рис. В.З~, Вопрос о перспективности КМ ни у кота не вызывает сомнения.

Безусловно. этим материалам принадлежит будущее. Во всех этих достижениях в области применения компознтов ведущее место занимает технология. Совершенствование техники зависит от темпов освоения самых передовых технологий производства элементов конструкций из композитов ЗАЯВЛЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КМ Энергетика Некртепром Газпром Химпром Цветмвт Строительства Агропром Возможное применение Скрубберы. градирни, газоходы.

трубопроводы, химводоочистки. гидроаопоудаление, колодцы Обсадные трубы, хранилища агрессивных продуктов Баллоны, емкости, цистерны Контейнеры длв транспортировки взрывчатых и ядовитых веществ Дымовыв трубы, вакуумислврительныв установки Контуры у парки, пуп ьсацио ни ые колонны Тюбинги. опоры, балки, каркасы Силосные башни Г1ервгородки для нвмвгнитных строительных конструкций Рве. ВЗ. Композиты, используемые в различных о6ластих промышленности 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ В копилку знаний Прочитав эту главу, читатель узнает: в что таксе КМ н чем ани отличаются ат других материалов; ° асновныс тицы армирующих наполнитслсй и способы их производства; ° типы матричных ма.гериалав и механизм их взаимодействия с армируюшими наполнителями; еспособы получения полуфабрикатов ПКМ, мсталлакомполитов и УУКМ; в механические, физические, термические свойства КМ' Ф некоторые области применения КМ.

1.1. Общие понятия и определения В связи с нетрадиционностью технологий производства изделий из кампозитов приведем наиболее общие терминологические определения, нспальзусиыс в современной технической литературе вампазицианный мавериал — многофазный однородный анизатрапный материал регулярной структуры с четка выраженной границей раздела фаз. Напалкшлель, арлпруищий элемент — составная часть компазитл нитяной, жгугавой, проволочной, ленточной иди тканевай структуры с известными физико-механическими характеристиками материалов. 1 1.

Обабке поияткн и определения Матрииа — составная часть кампозита, обеспечивающая сга монолитность и совместную работу всех монавалакан напалнителя. Салзулащее — смола, раствор, газ, порошок, расплав, образующие матрицу в процессе изготовления кампазита. Прелрее — полуфабрикат, представляющий собой волокнистый напалнитсль, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении. Олеерлсделае — процесс затвердсвания связуюшега при изготовлении композита в результате реакции палимсризацни, пали конденсации, перехода иэ жидкой фазы в твердую, а также кристаллизации. Реакиаиласл — комгюзит, имеющий полимерную матрицу с пространственна сшитой молекулярной структурой, который отвсрждается при нагреве 7ериалласщ — композит, имеющий наибочес простую линейную малекутярную структуру, который отвержлается при охлаждении.

Получение КМ с заданными физико-механическими характеристиками имеет ряд особенностей. 1. Свойства КМ формируются в процессе производства конкретной конструкции 2. Процесс проектирования изделия начинается с конструирования самого материала — выбора сга компонентов и назначения оптимальных режимов производства. 3.

Без учета особенностей технологии производства нельзя правильно назначить требования к КМ 1как к конструкцианнаму материалу) и тем балсс к самой конструкции. 4. Главная особенность создания конструкций из КМ, в отличие от традиционных конструкций, заключается в там что конструированию материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции— эта единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая нз составляющих не исключа~т, а дополняет и определяет другую.

Триада материал — конструкция — технология неразделима Комп азит представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов. среди которых можно выделить армируюшне элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала. и 14 П КОМПОЗИЦИОННЫЕ МЬТЕРИЛПЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ матрицу (или связуюшее), обеспечивающую совместную рабату армирующих элементов Поведение компазита под действием различных нагрузок определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. В камцозитах высокопрачные волокна вагя1ринимают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и прочность в направлении ориентации волокон.

Армируюшие волокна, применяемые в конструкционных КМ, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требования, обусловливающие прочность, жесткость, плотность, стабильность в определенном температурном интервале, химическую стойкость и т.п. Ко вторым — технологичность волокон, определяющая вазможность создания высокопроизводительных процессов изготовления силовых каркасов и изделий на их основе. Армирующие компоненты используют в виде манавалокаи. нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Свойства КМ при этом зависят не толька от свойств волокон и матрицы, но и от способа армирования, в соответствии с которым можно выделить следутошие основные группы: композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (несмотря на большое многообразие структур, которые определяются числом слоев, их толщиной и взаимной ориентацией, свойства таких материалов оцениваются свойствами одца1гаправ- ЛЕННОГО СЛОЯ); КамнознтЫ, аРМИРаааи11ЫЕ тКаНЯМИ (тКаНЫЕ материалы); композиты с хаотическим и пространственным армираванием.