Композиционные материалы– материалы будущего

 Таким  образом, полученные результаты  показывают на перспективность  применения комбинированного подхода  к контролю, сочетающего возможности оперативного контроля значительных площадей объекта термографическим методом, с последующим уточнением параметров выявленных дефектов (размера, глубины залегания и формы) ультразвуковым эхо-импульсным методом.         

 Тепловизоры серии ТН-9100 и ультразуковые импульсные дефектоскопы типа Masterscan 380 по своим техническим характеристикам позволяют обеспечить возможность достоверного обнаружение непроклеев и расслоений, при относительно низкой трудоемкости контроля крупногабаритных композиционных изделий, подобных лопастям вертолетных винтов и др. 
 

ВЫВОДЫ             

 Предложенный  в работе подход, основанный на  использовании нескольких методов  диагностики, эффективен для дефектоскопии  изделий непосредственно в ходе  технологической цепи их производства, где требуется оперативная локализация  наличия дефектных участков (непроклеев, расслоений). Определение основных характеристик дефектов (размера и глубины залегания) может быть произведено ультразвуковым методом локации. Необходимость решения указанных задач подобной постановки возникает как на этапе отработки технологии изготовления изделий, так и проведении стендовых испытаний конструкций. Близкие по характеру задачи связаны с обнаружением образовавшихся дефектов и увлажнений композиционных и сотовых конструкций в процессе эксплуатации авиационной техники. 
            

 Предварительная  проработка методических аспектов  контроля, с учетом технологических  особенностей изготовления изделий,  является необходимым атрибутом успешного использования применяемых средств дефектоскопии.   

МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ  
«ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ГРАЖДАНСКОМ И ВОЕННОМ АВИАСТРОЕНИИ»

21 августа 2009 года «Союз производителей композитов» совместно с выставочной компанией «Мир-Экспо» в рамках IX Международного авиационно-космического салона МАКС-2009 в г. Жуковском на территории выставочного комплекса МАКС-2009проводят международную научно-практическую конференцию «Применение композиционных материалов в гражданском и военном авиастроении».

Конкурентоспособность российского авиапрома, тем более  в условиях экономического кризиса, во многом определяется применением  инновационных, конкурентных по цене, качеству и сроку службы материалов. Комплектующие авиационных аппаратов  из композиционных материалов отличает высокая прочность, легкость, термостойкость, работоспособность при высокой  влажности, способность поглощать  радиоизлучения. Однако, одной из главных проблем широкого применения композиционных материалов в России является отсутствие грамотного и активного диалога между производителями и потребителями современных материалов.

В рамках конференции  будут представлены последние достижения ведущих предприятий композиционной отрасли для авиационной промышленности. На конференции прозвучат доклады  НПО «Стеклопластик», ФГУП "ВИАМ", ФГУП «ЦСКБ-Прогресс», ФГУП Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Бийский завод стеклопластиков, DuPont Science and Technologies, Airtech Europe S.A и другие.

Основные  темы Конференции:

• Свойства композиционных материалов (упруго-прочностные характеристики, радиопрозрачность, ультралегкость, срок службы).
• Композиционные материалы в конструкциях, деталях и узлах летательных аппаратов.
• Новые технологии применения.

    Композиционные  материалы  

    Композиционные  материалы – материалы  будущего  

    После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины  их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая  разработка новых материалов. Это  приведет, вероятно, уже в вообразимом  будущем к созданию материалов с  прочностью, во много раз превышающей  ее значения у обычных сегодня  сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным  механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.

    Композиционный  материал – конструкционный (металлический  или неметаллический) материал, в  котором имеются усиливающие  его элементы ввиде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. 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.  

Типы  композиционных материалов  

Композиционные  материалы с металлической  матрицей  

    Композиционные  материалы состоят из металлической  матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.   

    Композиционные  материалы с неметаллической  матрицей  

    Композиционные  материалы с неметаллической  матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и  керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.

    Угольные  матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

    Свойства  композиционных материалов зависят  от состава компонентов,их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. 
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

    Содержание  упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

    По  виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

    В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы, как с изотропными, так и с анизотропными свойствами.

    Можно укладывать волокна под разными  углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев  по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

    Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. 
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

    Трехмерные  материалы могут быть любой толщины  в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность  на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. 
Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех направленных.   

Классификация композиционных материалов  

Волокнистые композиционные материалы

    Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно  армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму,по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

    Композиционные  материалы отличаются от обычных  сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела  выносливости (на 50 – 100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции  при одновременном снижении ее металлоемкости.

    Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица  в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости  волокон должны быть значительно  больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. 
Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

    Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют  борные, а также волокна из тугоплавких  соединений (карбидов, нитридов, боридов  и оксидов), имеющих высокие прочность  и модуль упругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку  из высокопрочных сталей.

    Для армирования  титана и его сплавов применяют  молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

    Повышение жаропрочности никелевых сплавов  достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические  волокна используют и в тех  случаях, когда требуются высокие  теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбидабора и др.

    Композиционные  материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность кконцентраторам напряжения.

    Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании  деталей для оптимизации свойств  путем согласования поля сопротивления  с полями напряжения.

    Армирование алюминиевых, магниевых и титановых  сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

    Основным  недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному  сдвигу и поперечному обрыву. Этого  лишены материалы с объемным армированием.   

    Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы  

    В отличие  от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом,несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. 
Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице. 
Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %.