CC BY
82
Использование композиционных материалов в системе кондиционирования
воздуха на транспорте
Нагайцев Р.Ю., д.т.н. проф. Меркулов В.И.
Университет машиностроения (495) 223-05-23, доб. 1054
Аннотация. В статье содержится обзор современных высокоэффективных композитных материалов. Проведён обзор предприятий, уже начавших использование композитных материалов в системах воздухообмена на транспорте, и даны рекомендации по использованию данных материалов в конструкциях.
Ключевые слова: композиционные материалы, снижение веса, увеличение прочности
В настоящее время применение композиционных материалов постоянно растёт, особенно последние десять лет. Современные композиционные материалы могут существенно снизить вес и увеличить прочность, но в то же время они сложнее для "предсказания" поведения их по сравнению, например, с алюминием, также представляется более трудной проверка на различные трещины и прочие скрытые дефекты. Это накладывает особые требования в области применения данных материалов на турбоустановках и других силовых агрегатах. В стадии разработки сейчас находятся так называемые самовосстанавливающиеся композиты, которые смогут "затягивать" небольшие трещины в структуре.
Примерно 15% от структурной массы современного гражданского самолёта составляют различные пластиковые композиты, преимущественно изготовленные из углеволокна. В настоящее время проектируется новый российский самолёт МС-21\Як-242, где доля используемых композитов должна превысить 30%.
В основном в авиации использование современных материалов ограничивается обшивкой и элементами фюзеляжа. Заметна тенденция использования углеволокна в силовых деталях, типа шпангоутов, кессонов.
Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельные компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополнительными друг от друга свойствами.
Использование новых материалов позволяет иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств композитов невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение даёт возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции.
Благодаря композиционным материалам стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы агрегатов и конструкций и повышении весовой эффективности наземных транспортных средств и авиакосмических аппаратов.
Рассматривая современные работы по данному направлению, можно выделить несколько перспективных тем по металлическим композиционным материалам:
• высоконаполненные карбидом кремния (с содержанием армирующих частиц 60-70% по объёму) алюминиевые композиты - для получения высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения;
• антифрикционные композитные материалы на основе меди, алюминия или свинца, армированные микронными частицами квазикристалла системы Л1-Си-Бе;
• композиты системы алюминий - рубленое углеродное волокно, полученные особым способом, - для использования в качестве специальных датчиков или образцов свидетелей, способных накапливать информацию о внешнем воздействии на изделие, конструкцию, установку.
Армирование алюминия частицами бора (карбида бора) приводит к усилению защитных свойств композитов и к появлению у него возможности использования в качестве конструкционного материала, непосредственно интегрированного в конструкцию. Фирма Talon Composites, LLC рекламирует материал для защиты от нейтронного излучения Talbor®, представляющий металлический композиционный материал на алюминиевой матрице (сплавы 6ХХХ, 7ХХХ, 2ХХХ, 11ХХ и 5ХХХ серии), армированной карбидом бора (объёмная доля от 1 до 40%).
Кроме алюминия, хорошие перспективы есть и у армированного борсодержащими частицами свинца. Эксперименты показали, что материал после армирования приобретает механическую прочность, повышенный модуль упругости, механическую и деформационную обрабатываемость на стандартном оборудовании на уровне, близком к обычным материалам. В областях применения, не требующих высокой весовой эффективности, этот материал может стать незаменимым элементом конструкции, принимающим на себя часть эксплуатационных нагрузок.
Наполнение алюминиевой матрицы частицами карбида кремния, с содержанием 6070% по объёму, позволяет достичь в композите высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения, обеспечивая эффективное применение в качестве теплоотводящих элементов конструкции. Эти материалы уже используются в качестве теп-лоотводящих подложек для приборов силовой электроники на Западе такие фирмы, как MC-21, AMETEK, CPS. Производство таких материалов освоено и в Китае.
Работа по освоению промышленного производства высоконаполненных металлических композиционных материалов ведётся в настоящее время и в России (ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск; ОАО «СКЛ», г. Ульяновск).
Кроме того, ведутся работы по использованию неметаллических композиционных материалов в качестве конструкционных материалов. Например, ОАО НПО «Наука» совместно с ВИАМ работают над изготовлением корпусных деталей на базе полиамидного композита, наполненного углеродом. Проблемой данной работы является возможность изготавливать отливки небольшого объёма (до 80 дм ).
Развиваются и технологии изготовления деталей и узлов из композитов. Кроме традиционного литья, в данный момент идёт освоение современной «3D печати» и плазменного напыления, а также технологий, включающих жидкофазные технологии замешивания в расплав, принудительную и реакционную пропитку, твердофазные технологии механического легирования.
Однако в настоящее время в России практически отсутствует промышленное производство металлических композиционных материалов в целом. Это связанно со стереотипом о высокой стоимости и сложности технологии металлических композитов. Но уже появились российские компании, проявляющие интерес к данной тематике, появились государственные программы софинансирования подобных технологий.
С учётом анализа физико-химических свойств композиционных материалов рассмотрена номенклатура деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на авиационном транспорте, которые могут быть изготовлены из композитов. Первый опыт в этом направлении был получен при замене в подшипниковых опорах турбокомпрессора металлических шариков на шарики из композитного материала. Эксплуатация подобных гибридных шарикоподшипников - как радиальных, так и радиально-упорных - показала их надежность и долговечность. Перспективным направлением является перевод следующих деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте:
• корпусные детали пластинчатых теплообменников;
• вентиляторы;
• лопатки компрессора и воздушной турбины;
• запорные устройства в выпускных клапанах;
• корпуса выпускных клапанов.
Для реализации расширенного применения композитных материалов необходимо ре-
шить следующие задачи:
1) разработка конструкторской документации с учётом технологии изготовления деталей и узлов из композиционных материалов;
2) разработка методов расчёта температурных и прочностных характеристик деталей и узлов из композиционных материалов.
Перевод ряда деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте позволяет существенно улучшить такие эксплуатационные свойства конструкций, как снижение массы, улучшение вибрационных и шумовых параметров, увеличение ресурса.
Свойства металлических матриц
Матрица у, г/см3 а „, МПа Е, ГПа а, 10-5К-'
А1 2,63-2,80 250-573 69-73 11-13
Мё 1,74-1,83 200-280 43-45 14-15
N1 4,5 500- 1200 113 9-10
Си 8,94 220 - 400 132 17- 18
Свойства волокон для армирования металлических КМ
Тип волокна Основа у, г/см3 а в, МПа Е, ГПа а, 10"5К"'
С ПАН 1,7-2,0 1,7-3,2 170-517 -1,0...-1,5
Вискоза 1,6-1,8 0,6-3,2 400-525 -
Пек 2,0 1,1-2,1 380-700 -1,3
На 3,15 3,1-3,4 420-450 3,8-5,0
На УВ 3,05 3,45 400-420 -
В На V/ 2,49 3,52 400 4,8-5,0
На УВ 2,25 3,32 380 -
В-БЮ На 2,50 2,90 400 4,9
А1203 — 2,90 3,9-4,3 380-500 8,5
Литература
1. Меркулов В.И., Кустарёв Ю.С. , Валеев А.Г., Пелевин А.Н. Применение композиционных материалов на транспорте // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта, вып. 20, изд. ФГОУ ВПО ВГАВТ, Нижний Новгород. 2006.
2. Абузин Ю.А. Функциональные металлические композиционные материалы и технологии в машиностроении // Материалы в машиностроении, 2009 № 6(69) с. 52-54.
3. Абузин Ю.А. Неравновесные структуры в металлических композиционных материалах // Металургия машиностроения, 2009 № 6 с. 32-35.
4. Юдин А.С., Абузин Ю.А. Использование особенностей квазикристаллов при создании материалов для космоса, авиации, моторостроения и других отраслей народного хозяйства // Апрель 2003 с. 82-87.
5. Рогов В.А., Соловьёв В.В., Копылов В.В. Новые материалы в машиностроении // РУДН , Москва, 2008.
6. Тялина Л.Н., Минаев А.М., Пручкин В.А. Новые композиционные материалы // ГОУ ВПО ТГТУ, Тамбов, 2011.
