Возможности использования композитных материалов в авиационной технике

Ускоренный рост современной авиационной промышленности привел к прогрессу в области авиационных материалов [1]. Основными мотивами исследований являются снижение стоимости, веса и продление срока службы компонентов в конструкциях самолетов. Использование легких материалов улучшает механические свойства и топливную эффективность, дальность полета и полезную нагрузку, в результате чего снижаются эксплуатационные расходы самолета. Современные исследователи работают над разработкой материалов с оптимизированными свойствами - сниженным весом, усталостной и коррозионной стойкостью, повышенной устойчивостью к повреждениям и высоким температурам. Правильный выбор материала имеет решающее значение при проектировании конструкции самолета.

Целью работы является изучение возможностей использования композитных материалов в авиационной технике. Для ее достижения были использованы структурнофункциональные и теоретические методы исследования: анализ, обобщение и синтез литературы в области композитных материалов и авиастроения.

Человеко-часы, необходимые для производства самолета из композитных материалов, на половину или три четверти меньше, чем для сопоставимой алюминиевой конструкции, но стоимость многих композитов не столь конкурентоспособна, как у алюминия [2]. Первоначальная стоимость композитов является ограничивающим фактором в их широком использовании в качестве конструкционного материала для самолетов в ближайшем будущем, однако их потенциал для экономии веса настолько высок, что ожидается, что почти все конструкции разрабатываемых в настоящее время самолетов будут в той или иной степени включать композиты.

Можно выделить следующие преимущества композитов в авиастроении [3]:

• -    снижение веса конструкции;

• -    повышение топливной эффективности и сокращение вредных выбросов;

• -    долговечность и высокая прочность;

• -    коррозионная и усталостная стойкость;

• -    высокая гибкость и конструкционная адаптивность, позволяющая инженерам создавать аэродинамические и эффективные формы самолетов;

• -    устойчивость к климатическим факторам и химикатам;

• -    снижение расходов на обслуживание и сокращение простоев самолетов;

• -    звукопоглощающие свойства, позволяющие обеспечить комфорт пассажиров и соблюдение норм шумового загрязнения.

В настоящее время наибольшее распространение в авиационной технике имеют композиты с металлической матрицей на основе алюминия, магния и титана. Композиты с алюминиевой матрицей представляют собой сложный класс композитных материалов, в которых сплавы алюминия армируются вторичным высокопрочным материалом, например керамикой или углеродными волокнами [4]. Они обладают более высокой прочностью и жесткостью, могут работать в более высоком температурном диапазоне, обладают превосходной устойчивостью к повреждениям, лучшей износостойкостью, большей ремонтопригодностью и могут быть легко переработаны по сравнению с неармированными металлами. Композиты с алюминиевой матрицей имеют равную со сталью прочность, но в три раза легче.

Добавление SiC и Al 2 O 3 в алюминиевую матрицу приводит к повышению твердости, предела прочности на растяжение и ударной вязкости композита [5]. Нанесение термического барьерного покрытия из оксида алюминия-титана, сплава Super-Z, PSZ, закаленного оксида циркония и оксида алюминия с помощью метода плазменного напыления значительно улучшает термическую и усталостную стойкость композитов с алюминиевой матрицей [6]. Таким образом, свойства композитов с алюминиевой матрицей могут быть изменены с помощью нескольких технологий вместе с соответствующим усилением в объемных долях, и они могут заменить более тяжелые традиционные материалы.

Композиты с металлической матрицей на основе магния отличаются низкой плотностью и малым весом. Они являются отличными материалами для проектирования легких конструкций самолетов военного и коммерческого назначения [7]. Для улучшения трибологических и механических свойств магниевых сплавов в матрицу добавляются армирующие элементы – B 4 C, Al 2 O 3 , SiC, обладающие высокой прочностью, твердостью, модулем упругости, термической стабильностью и более низкой плотностью. Армирование частицами диборида титана приводит к увеличению твердости и прочности на сжатие. Такие композиты можно считать наиболее подходящими для аэрокосмической техники [8]. Недостаток композитов с магниевой матрицей – высокая себестоимость из-за сложных технологий производства.

Композиты с металлической матрицей на основе титана обладают высокой коррозион- ной стойкостью и прочностью при повышенных температурах, поэтому широко используются в аэрокосмической промышленности [9]. Титановые сплавы сохраняют свою прочность даже при повышенных температурах по сравнению с алюминием, что выгодно для производства конструкций самолетов и ракет с более высокими рабочими температурами и скоростями. Титановые композиты, подходящие для аэрокосмического применения, армированы непрерывными массивами 30-40% SiC и другими волокнами. Удельные характеристики материала могут быть улучшены путем систематического контроля микроструктуры и объемной доли армирования.

Керамические матричные композиты используются для конструкций самолетов, которые требуют высокой прочности и вязкости разрушения [10]. Они характеризуются малым весом, низким тепловым расширением, высокой твердостью, химической стабильностью, низкой плотностью, стойкостью к окислению, катастрофическим отказам, агрессивным средам и высоким температурам. Такие композиты имеют матрицу из керамики, которая изготавливается относительно сложным процессом из сырья с малым размером частиц, высокой чистотой, хорошим механическим, термическим и электрическим сопротивлением. Армирующая фаза может быть представлена волокнами, нитевидными кристаллами и непрерывными частицами. Характеристики полученных композитов определяются объемной долей, частотой распределения, размером, ориентацией и геометрией армирующей фазы.

Однонаправленно армированные углеродуглеродные композиты с различной ориентацией волокон обладают высокими высокотемпературными, механическими и термическими характеристиками, значительно снижают вес самолета, что напрямую способствует снижению расхода топлива. К примеру, тормозная система на Boeing 737 NG изготовлена из углерода и на 300 кг легче стального аналога. Тормозные материалы C/SiC оказались в центре внимания как четвертое поколение авиационных тормозных материалов [11]. Они демонстрируют такие фрикционные свойства, как высокий коэффициент трения покоя, меньшая чувствительность к влажным условиям, низкая скорость износа и степень окисления, длительный срок службы, высокая эффективность торможения.

Композиты на основе полимерной матрицы являются одними из самых легких композитных материалов [12]. Они обладают высокой прочностью, однако их можно использовать только при низких рабочих температурах. В таких композитах в качестве матрицы используется эпоксидная смола, которая передает любую нагрузку, приложенную к волокнам, удерживает их в выбранном положении и направлении, придает материалу устойчивость к воздействию окружающей среды и определяет максимальную температуру использования. Для решения задач проектирования сложных деталей конструкции современных самолетов предпочтение отдается уг- леродному волокну в качестве прочного армированного материала [13]. Композиты из полимеров, армированных углеродным волокном, используются в конструкциях самолетов благодаря их малому весу, высокой прочности, хорошей термической стойкости, механическим, трибологическим и электрическим свойствам. Также в авиационной технике используются другие волокна – графитовые, волокна кенафа, стекловолокна, волокна рами.

Относительно низкая температура стекло- вания и ограниченная термоокислительная стабильность ограничивают использование волоконно-эпоксидных композитов, однако их низкая стоимость и простота производства делают их привлекательными для дальнейших исследований.

Таким образом, в настоящее время наблюдается значительный рост в разработке новых авиационных материалов. Технические требо- вания к конструкции авиационных конструкционных материалов требуют, чтобы они были устойчивы к повреждениям и обладали улучшенными механическими свойствами в различных условиях эксплуатации. В течение нескольких лет сплавы на основе алюминия использовались в качестве основных материалов из-за их механического поведения, однако их использование при высоких температурах ограничено. Быстро растет использование по- лимерных матричных композитов, что связано с их выдающимися механическими характеристиками. Сочетая различные типы и объемы используемого наполнителя и матрицы можно получать композиты с необходимыми для авиации свойствами, такими как низкая плотность, улучшенные механические свойства, коррозионная стойкость при высоких температурах, высокая жесткость и прочность. Будущее авиационной техники видится в исследовании и открытии новых композитов для конструкций путем комбинирования раз- личных вариантов компонентов и использования новых производственных технологий.