"Влияние механических и технологических свойств композиционных материалов на область их применения"
проект

ВЛИЯНИЕ  МЕХАНИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

В.Коротаев

Научный руководитель-преподаватель

Н.И.Варфоломеева

ГБПОУ  

«Бурятский республиканский индустриальный техникум»

Применение композиционных материалов,  созданных искусственно, определяется свойствами   компонентов, входящих в состав материала. Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку и различие их свойств определяет область применения.

Цель моей работы познакомиться с использованием композиционных материалов в зависимости от их свойств в  промышленности, а особенно в авиации.

Интерес к данному виду материалов возник после посещения  производственных цехов Улан-Удэнского авиационного завод. Предприятие  входит в состав  холдинга «Вертолёты России» -это один из мировых лидеров вертолётостроительной отрасли, единственный разработчик и производитель вертолётов в России.

По  статистике в  100 странах мира используется свыше 8500 российских вертолётов, что составляет 14% мирового вертолётного парка. За многие годы созданы одни из самых успешных в мире вертолётов, включая рекордсменов:

Ми-8/17 — самый популярный вертолёт за всю историю отрасли;

Ми-26 (и его модификации) — уникальный по грузоподъемности вертолёт, способный перевозить груз весом до 20 тонн; и другие.

Новые модели вертолетов:

Ми-38 — новейший транспортный вертолёт, отвечающий самым современным требованиям;

Ка-62 — средний многоцелевой вертолёт, который разрабатывается с применением новейших композиционных материалов и технологий;

ПСВ — перспективный вертолёт в среднем весовом сегменте с высочайшими характеристиками, готовый в будущем стать сменой легендарным Ми-8/17.

             Для изготовления отдельных элементов конструкций названных вертолетов используют  композиционные полимерные материалы, большую группу из которых составляют   армированные пластики, где  в качестве полимерной матрицы применяются различные термореактивные и термопластичные полимеры, а для арматуры используются волокнистые и листовые материалы из стекла, полимеров, базальта, углерода и других материалов.

К достоинствам армированных пластиков относятся:

-     высокая прочность при низкой плотности, что позволяет заменять сталь в конструкциях машин и механизмов;

-     устойчивость к воздействию агрессивных сред, что обеспечивает изделиям из них длительные сроки эксплуатации без применения защитных покрытий;

-     низкая материалоемкость изготовленных из них изделий, что позволяет снизить массу и расходы на эксплуатацию мобильной техники;

-     высокая технологичность, заключающаяся в возможности изготовления крупногабаритных изделий сложной формы без дорогостоящей технологической оснастки и оборудования;

-     возможность регулирования в широких пределах тепло- и электропроводности, радио- и светопрозрачности в зависимости от типа применяемых армирующих волокон;

-     возможность ремонта в «полевых» условиях без применения специального оборудования;

-     низкие капитальные затраты на организацию производства изделий из армированных пластиков;

-     работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.

Широкому использованию армированных пластиков способствуют их высокие прочностные свойства.

Из табл. 1 видно, что по удельным прочностным свойствам армированные полимерные композиты намного превосходят металлические сплавы.

Современная наука позволяет конструировать армированные композиционные пластики, изменяя их состав и структуру, добиваясь максимально полного удовлетворения предъявляемых к ним требований.

Следует различать конструирование материалов и конструирование изделий, хотя применительно к армированным композитам, как правило, изготовление изделия и материала происходят одновременно. Но и в этом случае структура материала и структура изделия - различные понятия, хотя их формирование происходит одновременно.

Таблица 1.

Свойства материалов

*соотношение волокон вдоль и поперек

Химическая природа волокон, используемых для производства армированных пластиков, многообразна. Это могут быть полимерные материалы, стекло различного состава, углерод, базальт и др. Прочностные свойства некоторых видов волокон приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Свойства армирующих волокон

Содержание волокна оказывает решающее влияние на свойства стеклопластика.

На рис. 3 показано изменение характеристик материала в зависимости от содержания в немстекловолокна.

Применение углеродных волокон для получения полимерных композиционных материалов позволило решить ряд новых технических задач, что связано с уникальностью свойств армирующих материалов на основе углерода. Так, углеродные волокна обладают высокими прочностными характеристиками, низкой плотностью, тепло- и электропроводностью, химической стойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения, высокой устойчивостью к ионизирующему излучению, низким коэффициентом трения и др.

Углеродное волокно состоит из тончайших фибрилл, диаметр которых составляет 1-2 нанометра. Волокно имеет полую замкнутую структуру, поры занимают до 30 % объема волокна.

Отличительной  особенностью  углепластиковявляется высокая анизотропия всех механических и электрофизических свойств, которая в 2-3 раза выше анизотропии свойств стеклопластиков (табл. 3).

Таблица 3.

Анизотропия свойств углепластиков

Анализируя свойства армированных полимерных материалов,мы увидели, что они зависят от их состава, структуры и технологии. Знание этих зависимостей позволяет конструировать материалы и изделия с требуемым уровнем свойств. Возможность встраивания в структуру такого композита элементов, способных реагировать на изменение окружающей среды, позволяет пойти дальше и создать «интеллектуальные» материалы.

«Интеллектуальные» материалы способны адекватно новым нагрузкам изменять свои характеристики и форму и самостоятельно регулировать степень своей реакции на новые условия в соответствии с уровнем их изменения.

В результате создания «интеллектуальных» материалов в материаловедении появились понятия «обучаемости» материалов и «ощущения» ими предельных ситуаций.

Для «интеллектуального» поведения материал должен иметь нелинейно изменяющиеся свойства. «Интеллектуальность» материалов основывается на:

-контроле основных функций;

-     оптимизации свойств путем обучения;

-     наличии в них датчиков, контролирующих изменение факторов окружающей среды;

-     способности материалов анализировать ситуацию, возникшую в результате изменения окружающей среды;

-     способности реагировать на результаты собственного анализа окружающей среды.

«Интеллектуальные» способности композиционным материалам обеспечивают входящие в состав компоненты с памятью формы, сплавы с магнитными свойствами, волоконно-оптические датчики, пьезоэлектрические датчики,  и другие элементы, обладающие несколькими нелинейно изменяющимися характеристиками.

Современные «интеллектуальные» материалы не только способны анализировать уровень воздействия окружающей среды, но и адаптироваться к ее изменению. Реакцией таких сплавов на изменение температуры является изменение формы при нагревании: криволинейное волокно может выпрямляться, а при охлаждении вновь принимать первоначальную форму. Кроме металлов «с памятью» формы, применяются и полимеры, способные «запоминать» свою конфигурацию и изменять объем при изменении напряженного состояния.

Использование в структуре «интеллектуального» материала керамических волокон с пьезоэлектрическими свойствами позволяет создавать материалы с виброгасящими свойствами.

            Итак, в настоящее время «интеллектуальные» армированные полимерные композиты используются, главным образом, в конструкциях летательных аппаратов и другой техники, от жизнеспособности которой зависят возможности выполнения стратегических задач.

Так, использование обшивки боевых самолетов СУ-27М, СУ-47, СУ-35, выполненной из «интеллектуальных» полимерных композитов, делает их менее уязвимыми, т.к. снижает уровень радиолокационного обнаружения противником. Применение «интеллектуальных» материалов позволяет создать самолеты с аэроактивными крыльями, способными изменять свою форму согласно условиям полета. Первые образцы таких летательных аппаратов уже существуют.

При снижении стоимости этих материалов станет возможным их использование и для создания других конструкций. Это направление весьма перспективно, несмотря на высокую стоимость «интеллектуальных» полимерных композитов, т.к. пока не имеет достойной конкуренции при разработке принципиально новой техники.

7.10. Применение армированных пластиков

Изготовление из углепластиков крупногабаритных панелей летательных аппаратов позволяет снизить их массу на 20-40 %, повысить жесткость на 50 %, в несколько раз увеличить выносливость и т.п. Это дает возможность повысить топливную экономичность и уменьшить загрязнение окружающей среды, т.к. более легкий самолет при полете сжигает меньше топлива.

Именно поэтому армированные полимеры и, прежде всего, углепластики заняли преобладающее место в конструкциях современных вертолетов (табл. 4).

Таблица 4.

Применение различных материалов в ПСВ

            В конструкции вертолета МИ-26 применение композитов несколько меньше, однако, и в нем оно составляет около 35 % по массе.

Такое высокое содержание армированных пластиков в новейших вертолетах  явилось следствием их использования для изготовления фюзеляжа, хвостового оперения, рулей управления, наконечников крыльев, горизонтального стабилизатора и других крупногабаритных и чрезвычайно ответственных узлов и деталей.

Использование армированных пластиков позволило разработчикам лайнеров при их проектировании одновременно конструировать и материал. Учитывая неравномерность нагрузок в различных узлах вертолета, они спроектировали их с дифференцированной толщиной. Так, толщина стенок фюзеляжа из углепластика в разных его сечениях составляет от 25 мм в области дверных проемов до 12 мм в местах стыковки топливных отсеков и до 2,5 мм в верхней его части.

Использование армированных пластиков благодаря технологической простоте позволяет изготавливать летательные аппараты удивительной формы с поверхностью, поражающей своим эстетическим и техническим совершенством.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, современная наука о полимерах позволяет конструировать на их основе материалы с заданными свойствами, отличающимися на несколько порядков. Достигается это путем создания композиционных материалов с использованием различных ингредиентов

Высокие прочностные свойства, долговечность, технологичность и широкий ассортимент позволяют выбрать материал практически для любых областей, удовлетворяющий современным техническим требованиям. Объемы потребления армированных пластиков постоянно растут в связи с расширением областей их применения и разработкой новых сырьевых материалов - связующих и армирующих волокнистых наполнителей. Конструирование и исследование таких материалов во всем мире является приоритетной задачей науки.

Дальнейшим развитием композитов является создание «интеллектуальных» полимерных композитов, т.е. материалов, адекватно реагирующих на воздействия извне. Такие материалы способны не только противостоять внешним воздействиям, но и исправлять возникшие повреждения.

ЛИТЕРАТУРА

1.            Аскадский А.А. Компьютерное материаловедение полимеров / А.А. Аскадский, В.И. Кондращенко. - М.: Научный мир, 1999. - 544 с.

2.            Батаев А.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. - 384 с.

3.            Берлин А.А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопов. - М.: Химия, 1990. - 238 с.

4.            Бунаков В.А. Армированные пластики / В.А. Бунаков, Г.С. Головкин, Г.П. Машинская и др.; под ред. Г.С. Головкина, В.С. Семенова. - М.: изд-во МАИ, 1997. - 404 с.

5.            Власов С.В. Основы технологии переработки пластмасс: учебник для вузов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. - Чебоксары: ГУП ИПК Чувашия, 2004.-596 с.

6.            Кулезнев В.Н. Химия и физика полимеров / В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: КолосС, 2007. - 367 с.

7.            Машков Ю.К. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Ю.К. Машков, З.Н. Овчар, М.Ю. Байбарицкая, О.А. Мамаев. - М.: ООО «Недра»-Бизнесцентр», 2004. - 262 с.

8.            Наполнители для полимерных композиционных материалов: справочное пособие / Пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1981. - 736 с.

9.            Пинчук Л.С. Материаловедение и конструкционные материалы: учебное пособие для машиностроит. спец. вузов / Л.С. Пинчук, В.А. Струк, Н.К. Мышкин, А.И. Свириденок; под ред. В.А. Белого. - Минск: Вышэйш. шк., 1989. - 460 с.

10.        Полимерные смеси: В 2 т./ Под ред. Д. Пола и С. Ньюмена. - М.: Мир, 1981. Т. 1 - 550 с.; т. 2 - 453 с.

11.        Промышленные полимерные композиционные материалы / Пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Химия, 1986. - 472 с.

12.        Тарнопольский Ю.М. Пространственно-армированные композиционные материалы: справочник / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков. - М.: Машиностроение, 1987. - 223 с.