Диссертация (1026120), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Полимерные композиционные материалы и их применение вавиационной промышленностиОсвоение новых неметаллических материалов [1-5] и технологий их производства [6-8], широкое их внедрение становится одним из важнейшихнаправлений развития материаловедения. Неметаллические материалы с каждым годом все больше используются в конструкциях самолетов (Рис. 1.1), вертолетов, космической техники и многих других изделий, замещая при этом металлические аналоги. К классу неметаллических материалов относятся полимерные композиционные материалы (ПКМ).Рис.
1.1. Применение ПКМ в конструкциях самолетов Airbus и BoeingПолимерные композиционные материалы (ПКМ) – это композиционныематериалы с полимерными матрицами, армированными высокопрочными и высокомодульными наполнителями на основе углеродных, борных, стеклянных и11органических волокон, а также гибридных наполнителей на их основе. В зависимости от наполнителя ПКМ классифицируют на углепластики, боропластики, стеклопластики и органопластики. В качестве матрицы в ПКМ используются отверженные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы, а также полимерные термопластичные материалы [9].ПКМ также классифицируют по способу армирования (Рис. 1.2). Как показано в [10], по способу армирования ПКМ делятся на:– образованные из слоев, армированных параллельными непрерывнымиволокнами (свойства их в основном определяются свойствами однонаправленного слоя);– армированные тканями;– с хаотическим и пространственным армированием.Рис.
1.2. Классификация композитов по способу армирования:а – хаотически армированные: 1 – короткие волокна; 2 – непрерывные волокна;б – одномерно армированные: 1 – однонаправленные непрерывные; 2 – однонаправленные короткие; в – двумерно армированные: 1 – непрерывные нити; 2 –ткани; г – пространственно-армированные: 1 – три семейства нитей; 2 – n семейств нитей12ПКМ обладают специфическими особенностями, основная из них – высокая анизотропия свойств, позволяющая создавать конструкции с заранее заданными оптимальными характеристиками. При этом применение композиционных материалов обеспечивает:– снижение массы конструкций на 25…40%;– повышение коэффициента использования материала в 2 раза;– повышение точности обводов и качества аэродинамических поверхностей;– уменьшение в 10…20 раз количества входящих деталей;– возможность создания цельных конструкций больших габаритов;– снижение трудоемкости изготовления деталей и агрегатов на 30…50%;– широкое использование энерго- материалосберегающих технологий.На основе анализа отечественного и зарубежного опыта ПКМ рекомендуют применять в большинстве конструкций планера и систем самолета, в томчисле монолитных [11, 12]:– створках шасси и грузолюков;– зализах фюзеляжа, крыла и оперения;– обтекателях шасси;– панелях носовых и хвостовых частей крыла и хвостового оперения;– интерцепторах, триммерах;– обтекателях механизмов закрылков, законцовках крыла и оперения;– обтекателях и вставках радиотехнического назначения;– воздухозаборниках и капотах двигателей;– внутренних перегородках и дверях;– панелях интерьера.В соответствии с имеющимся зарубежным опытом и отечественнымиразработками применения ПКМ целесообразно также при создании средненагруженных конструкций:13– элеронов и закрылков;– предкрылков;– лопастей винтов.Наиболее эффективно используют ПКМ в конструкциях высоконагруженных агрегатов – кессонах киля, стабилизатора и крыла, а также в силовыхотсеках фюзеляжа.На Рис.
1.3 показано применение ПКМ в зарубежных гражданских самолетах последнего поколения – А-380 (Рис.1.3 б), В-787 (Рис.1.3 в), а также планируемое применение ПКМ в отечественном ближне-среднемагистральномсамолете МС-21 (Рис.1.3 а).а)14б)в)Рис. 1.3. Материалы, применяемые в конструкциях современных иперспективных гражданских авиалайнерах15Как видно из Рис. 1.3 наибольшее применение в конструкциях самолетовиз класса ПКМ находят углепластики.Помимо авиационной промышленности ПКМ нашли широкое применение в судостроении, машиностроении, производстве строительных конструкций, в дорожно-транспортном строительстве, в частности при создании арочных опор быстровозводимых мостовых сооружений, и из года в год масштабприменения ПКМ только увеличивается.1.2.
Технологии изготовления деталей и конструкций из полимерныхкомпозиционных материалов, применяемых в авиационной техникеОдной из наиболее применяемых технологий изготовления монолитныхдеталей и конструкций из ПКМ, в том числе интегральных конструкций, на сегодняшний день является технология автоклавного формования [10;13].
Данная технология широко используются при изготовлении крупногабаритныхконструкций.Еще одной наиболее распространенной технологией изготовления деталей и конструкций из ПКМ является технология намотки (плетение). Эта технология заключается в том, что нити или лента армирующего наполнителя,пропитанные полимерным связующим, укладываются под натяжением поопределённой траектории на технологическую оправку, конфигурация которойсоответствует внутренней поверхности изготавливаемой детали [14, 15].Уплотнение материала происходит за счёт нормальной к поверхности оправкисоставляющей усилия натяжения.
Слои материала образуются за счёт последовательного смещения каждого витка относительно предыдущего на ширинуэтого витка, при этом укладываемые витки должны удерживаться на заданномместе без скольжения.Для изготовления крупногабаритных деталей несложной формы, такихкак панели крыльев самолётов Boeing 787 и Airbus A350XWB, используют тех-16нологию автоматизированной укладки ленты препрега, известную за рубежомпод названием ATL (Automated Tape Laying) [16-20].За счёт высокой степени автоматизации процесса удаётся существенноповысить производительность производства деталей, добиться требуемой точности при выкладке слоёв, а также снизить влияние человеческого фактора.Гибридом технологий намотки и автоматизированной выкладки лентпрепрега явилась технология автоматизированной укладки волокна (AutomatedFiber Placement – AFP).
Основным назначением данной технологии является изготовление деталей сложной пространственной формы, имеющих ось вращения. Технология автоматизированной укладки волокна предполагает выкладкуслоёв препрега на вращающуюся оправку, однако, в отличие от технологиинамотки укладка препрега осуществляется не раскладчиком вертлюга, а выкладочной головкой, имеющей несколько степеней свободы, аналогично технологии ATL [17-21].
Применение технологии автоматизированной укладки волокназа счёт выкладки узкими лентами препрегов позволяет изготавливать деталисложной пространственной формы, такие как хвостовые секции фюзеляжа,лонжероны лопастей и др., а также сократить число отходов препрега [22-24].Альтернативой препрегово-автоклавной технологии изготовления деталейизПКМсталитакназываемые«прямые»процессы(Directprocesses) [25, 26]. Суть «прямых» процессов заключается в совмещении операций пропитки наполнителя связующим и формования пластика, что приводитк сокращению временного цикла изготовления детали, энерго- и трудозатрат и,как следствие, удешевлению технологии.
В настоящее время существуют триосновных технологии получения деталей из ПКМ таким способом:– пропитка под давлением (Resin Transfer Molding – RTM);– пропитка под вакуумом (Vacuum Infusion или VaRTM);– пропитка плёночным связующим (Resin Film Infusion – RFI).Схемы способов RTM, VaRTM и RFI изображены на Рис. 1.4-1.6.17Рис. 1.4. Схема процесса пропитки подавлениемСпособ пропитки под давлением широко применяется в авиакосмическойтехнике для изготовления таких деталей, как лопасти винто-вентиляторныхдвигателей, лопатки турбореактивных двигателей, монолитные обтекатели,элементы механизации крыла, различные детали сложной формы и т.д. [28-31]Рис.
1.5. Схема пропитки методом вакуумной инфузии18В настоящее время технология вакуумной инфузии активно развивается вавиационной отрасли. Так, компания Airbus разработала технологию изготовления методом инфузии грузовой двери транспортного самолёта A-400M (длина 6,2 м, ширина 5,5 м, высота 1,6 м) [33]. Ведущие мировые авиастроительныекомпании ведут научно-исследовательские работы, направленные на изучениевозможности изготовления по технологии вакуумной инфузии силовых и особоответственных конструкций самолётов (таких как крыло, детали хвостовогооперения и т.д.).Рис. 1.6. Схема пропитки пленочным связующимЗа последние годы технология RFI получила широкое развитие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
