ПЗ(Фінал_суббота)v3

Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця в основному повинна перерозподіляти напруги між армирующими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більше, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що у композиції при навантаженні, додають їй міцність і жорсткість у напрямку орієнтації волокон.

25003500 МПа, Е = 38420 ГПа) та вуглецеві ( = 14003500 МПа, Е = В

160450 ГПа) волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів і оксидів), що мають високі міцність і модуль пружності. Так, волокна карбіду кремнію діаметром 100 мкм мають = 2500 3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нерідко використовують як волокон дріт з високоміцних сталей.

Для армування титану і його сплавів застосовують молибденовую дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію і борида титану.

Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамової або молібденової дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність і електропровідність. Перспективними упрочнителями для високоміцних і високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду і нітриду алюмінію, карбіду і нітриду кремнію, карбіду бору та ін, що мають = 1500028000 МПа і Е = 400 600 ГПа. Характеристики деяких волокнистих композиційних матеріалів наведені в табл.1.1.

Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність (,) і жароміцних, в той же час вони малопластичних. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю зникає раптове крихке руйнування.

Таблиця 1.1. Механічні властивості композиційних матеріалів на металевій основі.

Відмінною особливістю волокнистих одноосних композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж і поперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги.

Розглянемо залежність і Е бороалюміневого композиційного матеріалу від вмісту борного волокна вздовж і поперек осі армування. Чим більше об'ємний вміст волокон, тим вище, і Е уздовж осі армування. Однак необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнам тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу армуюче волокно - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна повністю оточувати все волокна =, що досягається при вмісті її не менше 15-20 %.

Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (має бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні та експлуатації, так як це може привести до зниження міцності композиційного матеріалу.

Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору з полями напруги.

Армування алюмінієвих, магнієвих і титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, доборіда титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість знеміцнення в часі з підвищенням температури.

Основним недоліком композиційних матеріалів з одно і двовимірним армуванням є низький опір міжшарових зрушенню і поперечному обриву. Цього позбавлені матеріали з об'ємним армуванням.

1.4.2. Дисперсно - зміцнені композиційні матеріали.

На відміну від волокнистих композиційних матеріалів у дисперсно - зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух в ній дислокацій. Висока міцність досягається при розмірі частинок 10-500 нм при середній відстані між ними 100 - 500нм і рівномірному розподілі їх в матриці. Міцність і жароміцність залежно від об'ємного вмісту зміцнюючих фаз не підкоряються закону адитивності. Оптимальний вміст другої фази для різних металів неоднаково, але зазвичай не перевищує 5-10 об. %.

Використання як зміцнюючих фаз стабільних тугоплавких сполук (оксиди торію, гафнію, ітрію, складні з'єднання оксидів і рідкоземельних металів), нерастворяющіеся в матричному металі, дозволяє зберегти високу міцність

матеріалу до 0,9-0,95 Т. У зв'язку з цим такі матеріали частіше застосовують як жароміцні. Дисперсно - зміцнені композиційні матеріали можуть бути отримані на основі більшості застосовуваних в техніці металів і сплавів.

Найбільш широко використовують сплави на основі алюмінію - САП (спечений алюмінієвий порошок). САП складається з алюмінію і дисперсних лусочок Al O. Частинки Al O ефективно гальмують рух дислокацій і тим самим підвищують міцність сплаву. Зміст Al O в САП коливається від 6-9 % (САП- 1) і до 13-18 % (САП- 3) . Із збільшенням вмісту Al O підвищується від 300 для САП- 1 до 400 МПа для САП- 3, а відносне подовження відповідно знижується з 8 до 3%. Щільність цих матеріалів дорівнює щільності алюмінію, вони не поступаються йому за корозійної стійкості і навіть можуть заміняти титан і корозійно -стійкі сталі при роботі в інтервалі температур 250-500 ° С. За тривалої міцності вони перевершують деформуються алюмінієві сплави. Тривала міцність для сплавів САП- 1 і САП- 2 при 500 ° С становить 45-55 МПа.

Великі перспективи у нікелевих дисперсно - зміцнених матеріалів. Найбільш високу жароміцність мають сплави на основі нікелю з 2-3 об. % Двооксиду торію або двооксиду гафнію. Матриця цих сплавів зазвичай γ -

твердий розчин Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr і Mo. Широке застосування отримали сплави ВДУ- 1 (нікель, зміцнений двоокисом торію), ВДУ- 2 (нікель, зміцнений двоокисом гафнію) і ВД- 3 (матриця Ni +20 % Cr, зміцнена окисом торію). Ці сплави мають високу жароміцних. При температурі 1200 ° С сплав ВДУ- - 3 - Дисперсно - зміцнені композиційні матеріали, так само як волокнисті, стійки до знеміцнення з підвищенням температури і тривалості витримки при даній температурі.

1.4.3. Скловолокніти

Скловолокніти - це композиція, що складається із синтетичної смоли, яка є сполучною, і скловолокнистого наповнювача. Як наповнювач застосовують безперервне або коротке скловолокно. Міцність скловолокна різко зростає із зменшенням його діаметра (внаслідок впливу неоднорідностей і тріщин, що виникають в товстих перетинах). Для практичних цілей використовують волокно діаметром 5-20 мкм з = 600 ÷ 3800 МПа і ε = 2 ÷ 3,5 %.

Властивості скловолокна залежать також від вмісту в його складі лугу; кращі показники у бесщелочного стекол алюмоборосилікатного складу.

Неорієнтовані стекловолокніти містять в якості наповнювача коротке волокно. Це дозволяє пресувати деталі складної форми, з металевою арматурою. Матеріал виходить з ізотопними характеристиками міцності, набагато вищими, ніж у преспорошків і навіть волокніту. Представниками

такого матеріалу є стекловолокніти АГ4В, а також ДСВ (дозують стекловолокніти), які застосовують для виготовлення силових електротехнічних деталей, деталей машинобудування (золотники, ущільнення насосів і т. д.). При використанні в якості сполучного неграничних поліефірів отримують премікси ПСК (пастоподібні) і препреги АП та ППМ (на основі скляного матюків). Препреги можна застосовувати для великогабаритних виробів простих форм (кузова автомашин, човни, корпуси приладів і т. п.).

Орієнтовані стекловолокніти мають наповнювач у вигляді довгих волокон, розташованих орієнтоване окремими пасмами і ретельно склеювали сполучною. Це забезпечує більш високу міцність склопластику.

Стекловолокніти можуть працювати при температурах від -60 до +200 ° С, а також в тропічних умовах, витримувати великі інерційні перевантаження. При старінні протягом двох років коефіцієнт старіння К = 0,5 ÷ 0,7. Іонізуючі випромінювання мало впливають на їх механічні та електричні властивості. З них виготовляють деталі високої міцності, з арматурою і різьбленням.

1.4.4. Карбоволокніти.

Карбоволокніти (углепласти) представляють собою композиції, що складаються з полімерного сполучного (матриці) і упрочнителей у вигляді вуглецевих волокон (карбоволокон) (рис.1.10 - 1.11.).

Висока енергія зв'язку С -С вуглецевих волокон дозволяє їм зберегти міцність при дуже високих температурах (в нейтральній і відновної середовищах до 2200 ° С), а також при низьких температурах. Від окислення поверхні волокна захищають захисними покриттями (піролітичних). На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються сполучною (низька поверхнева енергія), тому їх піддають травленню. При цьому збільшується ступінь активування вуглецевих волокон за змістом карбоксильної групи на їх поверхні. Міжшарова міцність при зсуві углепластиков збільшується в 1,6-2,5 рази. Застосовується віскерізація ниткоподібних кристалів TiO, AlN і Si N, що дає збільшення межслойной жорсткості в 2 рази і міцності в 2,8 рази. Застосовуються просторово армовані структури.

Рис1.10 Приклад карбоволокніту

Єднальними служать синтетичні полімери (полімерні карбоволокніти); синтетичні полімери, піддані піролізу (коксованого карбоволокніти); пиролитический вуглець (піроуглеродних карбоволокніти).

Епоксіфенольнимі карбоволокніти КМУ - 1л, зміцнені вуглецевої стрічкою, і КМУ -1У на джгуті, вісскерізованном ниткоподібними кристалами, можуть тривало працювати при температурі до 200 ° С.

Карбоволокніти КМУ -3 і КМУ - 2л отримують на эпоксианилиноформальдегидном сполучному, їх можна експлуатувати при температурі до 100 ° С, вони найбільш технологічні. Карбоволокніти КМУ -2 і КМУ - 2л на основі поліімідного сполучного можна застосовувати при температурі до 300 ° С.

Карбоволокніти відрізняються високим статистичними і динамічним опором втоми, зберігають цю властивість при нормальній і дуже низькій температурі (висока теплопровідність волокна запобігає саморозігрів матеріалу за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо- і хімічно стійкі. Після впливу на повітрі рентгенівського випромінювання і Е майже не змінюються.

Рис.1.1. Тканина на основы карбонових волокон

Теплопровідність углепластиков в 1,5-2 рази вище, ніж теплопровідність склопластиків. Вони мають наступні електричні властивості: = 0,0024 ÷ 0,0034 Ом • см (вздовж волокон); ε = 10 і tg = 0,001 (при частоті струму 10 Гц).

Карбостекловолокніти містять поряд з вугільними скляні волокна, що здешевлює матеріал.

1.4.5. Карбоволокніти з вуглецевою матріццей.

Коксованого матеріали отримують із звичайних полімерних Карбоволокніти, підданих піролізу в інертною або відновної атмосфері. При температурі 800-1500 ° С утворюються карбонизовані, при 2500-3000 ° С графітірованниє карбоволокніти. Для отримання піроуглеродних матеріалів упрочнитель викладається за формою вироби і поміщається в піч, в яку пропускається газоподібний вуглеводень (метан). При певному режимі (температурі 1100 ° С і залишковому тиску 2660 Па) метан розкладається і

утворюється пиролитический вуглець осідає на волокнах упрочнителя, пов'язуючи їх.

Утворений при піролізі сполучного кокс має високу міцність зчеплення з вуглецевим волокном. У зв'язку з цим композиційний матеріал володіє високими механічними та абляціонная властивостями, стійкістю до термічного удару.

Карбоволокна з вуглецевої матрицею типу КУП -ВМ за значеннями міцності і ударної в'язкості в 5-10 разів перевершує спеціальні графіти; при нагріванні в інертному атмосфері і вакуумі він зберігає міцність до 2200 ° С, на повітрі окислюється при 450 ° С і вимагає захисного покриття. Коефіцієнт тертя одного Карбоволокніти з вуглецевої матрицею по іншому високий (0,35- 0,45), а знос малий (0,7-1 мкм на тормаженіі). Фізико -механічні властивості Карбоволокніти наведено в табл. 1.2-1.3.

Таблиця 1.2. Фізико -механічні властивості односпрямованих композиційних матеріалів з полімерною матрицею.

1.4.6. Бороволокніти.

Бороволокніти являють собою композиції з полімерного пов'язує і упрочнителя - борних волокон. Бороволокніти відрізняються високою міцністю при стисненні, зсуві і зрізі, низькою повзучістю, високими твердістю і модулем пружності, теплопровідністю і електропровідністю. Комірчана мікроструктура борних волокон забезпечує високу міцність при зсуві на межі розділу з матрицею.

Таблиця 1.3. Фізико-механічні властивості односпрямованих композиційних матеріалів з полімерною матрицею

Крім безперервного борного волокна застосовують комплексні боростеклоніти, в яких кілька паралельних борних волокон обплітаються стеклонітей, зраджує формоустойчивость. Застосування боростеклонітей полегшує технологічний процес виготовлення матеріалу.

В якості матриць для отримання боровлокнітов використовують модифіковані епоксидні і поліїмидні сполучні. Бороволокніти КМБ- 1 і КМБ - 1к призначені для тривалої роботи при температурі 200 ° С; КМБ- 3 і КМБ3к не вимагають високого тиску при переробці і можуть працювати при температурі не понад 100 ° С; КМБ2к працездатний при 300 ° С.

Бороволокніти володіють високими опорами втоми, вони стійкі до дії радіації, води, органічних розчинників і ПММ.

Оскільки борні волокна є напівпровідниками, то Бороволокніти володіють підвищеною теплопровідністю і електропровідністю: λ = 45 кДж / (м ∙ К); α = 4 ∙ 10 С (вздовж волокон); = 1,94 ∙ 10 Ом ∙ см; ε = 12,6 ÷ 20,5 (при частоті струму 10 Гц); tg δ = 0,02 ÷ 0,051 (при частоті струму 10 Гц). Для бороволокнітов міцність при стисненні в 2-2,5 рази більше, ніж для Карбоволокніти. Фізико - механічні властивості бороволокнітов наведені табл.3.

1.4.7. Органоволокніти.

Органоволокніти являють собою композиційні матеріали, що складаються з полімерного сполучного і упрочнителей (наповнювачів) у вигляді синтетичних волокон. Такі матеріали мають малою масою, порівняно високими питомою міцністю і жорсткістю, стабільні при дії знакозмінних навантажень і різкій зміні температури. Для синтетичних волокон втрати міцності при текстильної переробки невеликі; вони малочутливі до пошкоджень.

До органоволокнітах значення модуля пружності і температурних коефіцієнтів лінійного розширення упрочнителя і сполучного близькі. Відбувається дифузія компонентів сполучного в волокно і хімічну взаємодію між ними. Структура матеріалу бездефектний. Пориста не перевищує 1-3% (в інших матеріалах 10-20 %). Звідси стабільність механічних властивостей Органоволокніти при різкому перепаді температур, дії ударних і циклічних навантажень. Ударна в'язкість висока (400-700 кДж / м ²). Недоліком цих матеріалів є порівняно низька міцність при стисненні і висока повзучість (особливо для еластичних волокон).

1.5. Доля композиційних конструкцій в літаках

Застосовувані в конструкціях матеріали можна розділити на три групи. Перша група включає металеві сплави на основі алюмінію та титану. З

матеріалів цієї групи виготовляються фюзеляж, крило, оперення, агрегати механізації крила, а також посадочні пристрою.

Залежно від призначення ЛА і його льотно -технічних даних складу цих матеріалів і їх маса в конструкції ЛА можуть змінюватися в досить широких межах. Так, в широкофюзеляжних літаках з М = 0,9... 0,95 в якості основного конструкційного матеріалу використовуються алюмінієві сплави, а в літаках з М = 2 теплостійкі стали та титанові сплави. До цієї групи конструкційних матеріалів також відносяться металеві композиційні матеріали.

До другої групи належать ПКМ. Ці матеріали в порівнянні з матеріалами першої групи, мають ряд переваг, що дозволяють значно підвищити ефективність конструкцій. Найбільш перспективні з точки зору зниження маси конструкції і вартості є ПКМ на основі полімерних органічних і вуглецевих волокон, т. Е. органопластікі і вуглепластики. Впровадження в конструкцію модифікації вертольота SН - 5ЗD ПКМ дозволило на 507 кг. (на 18,5 %) знизити масу манера в порівнянні з масою манера первинного варіанту цього вертольота, на 80 % виконаного з алюмінієвих сплавів. На вертольоті SH47 цієї ж фірми використання ПКМ забезпечило зниження маси планера на 10 %, що дозволило підвищити eгo вантажопідйомність на 30 % і на 40 % збільшити дальність польоту. Зниження маси дозволило використовувати отриманий резерв дня вдосконалення характеристик ЛА, для збільшення дальності польоту при збереженні початкової злітної маси, дня збільшення корисного навантаження при збереженні тієї ж дальності польоту, дня зменшення лінійних розмірів, матеріаломісткості, відносини маси конструкції до корисної маси і потужності і т.д.

Застосування в конструкції літака 40... 50 % ПКМ дозволяють знизити масу порожнього літака на 30 % і домогтися найбільшої економії при мінімальних експлуатаційних витратах. Наприклад, заміна в конструкціях планера пасажирського літака масою 160 т 20 % маси матеріалів першої групи на ПКМ дозволяє знизити масу літака на 17 % і підвищити корисне навантаження на 20 %.

Для отримання економічного ефекту від використання ПКМ слeдyeт враховувати не тільки їх вартість, але й переваги, які можна отримати при їхньому раціональному застосуванні. Використання ПКМ дозволяє знизити витрату енергії, трудомісткість виготовлення ЛА, підвищити eгo комфортабельність, надійність і довговічність.

На рис. 1.12. приведена маса агрегатів важкого транспортного літака, виготовлених з алюмінієвих сплавів і ПКМ. Використання ПКМ дозволяє зменшити число деталей. Так, елерон (рис.1.13.) клепаноъ конструкції,

виготовлений з алюмінієвого сплаву для літака Локхід L- 1011 складається з 227 деталей, а елерон з ПКМ складається з 45 деталей.

Рис. 1.12. Розподіл маси транспортного літака по агрегатів.

Заміна елерона з алюмінієвого сплаву на елерон з ПКМ дозволила отримати економію в масі в межах 28 %. Кіль літака Локхід L- 1011, виготовлений з ПКМ, має масу на 27 % менше маси кіля, виготовленого з алюмінієвих сплавів.

Ефективність елементів з ПКМ залежить від методів проектування, дослідження, проведене фірмою « Грумман », показує, що при прямій заміні металу в конструкціях літака на ПКМ зниження маси становить 13 %, при цьому максимальна злітна маса зменшується вceгo на 6 %. При заміні металу на ПКМ вдається зменшити також розміри виробів.

Рис. 1.13. Варіанти виконання елерона літака L-1011:

а - клепана конструкція зі стільниковим заповнювачем з алюмінієвого сплаву; б - конструкція з ПКМ; 1 - обшивка з ПКМ; 2 - стільники з номексу; 3 - лонжерон з ПКМ; 4 - нервюра з ПКМ.

До третин групі матеріалів можна віднести різні неметалеві конструктивно -декоративні матеріали: поліаміди, пінопласти, пресматеріали, полістироли, гуми та ін Склад матеріалу третьої групи визначається типом літака, вертольота.

Маса деталей з неметалічних матеріалів другої і третьої груп залежно від типу літака може бути в межах 13... 20 % від маси літака. Основа ПКМ, що