CC BY
5
УДК 678
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В АВИАТЕХНИКЕ
1* 12 А. О. Мосов1 , А. А. Снежко1'2
1 Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России Российская Федерация, 662972, Красноярский край, г. Железногорск, ул. Северная, 1 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*Е-шай: mosov2016@mail.ru
В работе рассмотрены основные направления композитов для проектирования
летательных аппаратов. Композиционные материалы при малом удельном весе
обнаруживают неоднозначное поведение механических свойств при экстремальных нагрузках, что ограничивает область их применения.
Ключевые слова: композиционные материалы, волокна, сплавы.
COMPOSITE MATERIALS IN AIRCRAFT ENGINEERING
A. O. Mosov1*, A. A. Snezhko1,2
1 Siberian Fire and Rescue Academy 1, North st., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk Territory, 662972, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: mosov2016@mail.ru
The paper considers the main directions of composites for the design of aircraft. Composite materials with a low specific gravity exhibit ambiguous behavior of mechanical properties under extreme loads, which limits the scope of their application.
Keywords: composite materials, fibers, alloys.
С развитием современных технологий и мира в целом исследуется широкий спектр модификации материалов с целью получения материалов с улучшенными механическими физическими, триботехническими и иными свойствами для усовершенствования летательных аппаратов как в гражданской, так и в военной промышленности.
Применение композиционных материалов (КМ) актуально везде, где важны легкость и прочность, в первую очередь в авиации: от веса самолета напрямую зависит расход топлива. При проектировании композиционных материалов учитываются все технологические и физико-механические свойства связующего, все виды взаимодействия между составляющими композита, которые могут изменить характеристики материала [1].
Из современных КМ в авиационной промышленности себя зарекомендовали стекло-, угле-и органоволокниты. Из анализа диаграмм (рис. 1, 2) очевидно, что сплавы обнаруживают повышенные значения плотности, термонагружености и усталостной прочности (кроме алюминиевых сплавов) по сравнению с неметаллическими материалами, при этом уступая по удельной прочности и удельному модулю упругости угле- и органоволокнитам. В рамках конструкторской деятельности достаточно сложно остановиться на одной группе
Секция «Концепции современного естествознания»
материалов, которая смогла бы сочетать оптимальный комплекс характеристик, что приводит к индивидуальному подходу при моделировании каждой детали.
Рис. 1. Свойства композиционных материалов (плотность, удельная прочность, термонагруженность)
1000
в Устал остчая прочность ■ Вибропрочность ■ Удельный модуль упругости
Рис. 2. Свойства композиционных материалов (усталостная прочность, вибропрочность, удельный
модуль упругости)
Стеклоткань представляет собой КМ, выполненный из стекловолокна (коротких или длинных волокон), пропитанного компонентами для связи друг с другом. Некоторые виды стеклоткани производят благодаря вытягивания стеклянных нитей из расплавленной массы (битого стекла). Стекловолокниты обладают исключительно высокими удельной прочностью и жесткостью, хорошо противостоят вибрационным и знакопеременным нагрузкам.
Стеклоткань предназначена в авиации для остекления кабин самолетов и вертолетов с целью повысить прочность летательных аппаратов и снизить их вес. Для этого используют многослойные гетерогенные или силикатное органическое стекло.
Металлизированные многослойные стекла служат защитными экранами от различных видов излучений (радиоволн, ультрафиолета и инфракрасного излучения). А из материалов, армированных стекловолокнами, изготавливают лёгкие и высокопрочные фюзеляжи авиалайнеров [2].
Органоволокниты представляют собой КМ. Состоящие из полимерного связующего и упрочнителя (наполнителя) в виде синтетических волокон. Отличительной чертой данного композиционного материала является: малая масса, сравнительно высокая удельная прочность и жесткость. К их недостаткам можно отнести низкую прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).
В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами используют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Данные материалы выделяются на
фоне других КМ благодаря большей прочности и жесткости. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей) и двигателей (лопаток, компрессора и турбины) [3].
В настоящее время наибольшее распространение за рубежом получили углеволокниты с углеродными волокнами на основе эпоксидных матриц (углепластики) и материалы на основе углеродных графитизированных матриц, армированных волокнами углерода («углерод-углерод»).
Углеродные волокнистые КМ выделяются на фоне остальных материалов благодаря высокой плотности и исключительной долговечностью, однако углеродное волокно очень хрупкое при сжатом состоянии или высоком воздействии со стороны.
Еще одним преимуществом применения углеволокнитов с углеродными волокнами в авиастроении состоит в возможности одностадийного формования крупных элементов конструкций. При этом уменьшается количество деталей и сокращаются затраты на сборку, что ведет к снижению стоимости самолетов [4].
На отечественном производстве уже сконструирован самолет с добавлением КМ (МС-21). Общий объём композитов, используемых в этом самолете, является самым высоким среди всех существующих самолётов этого класса. Основными элементами, для которых используются КМ: центроплан и консоль крыла, горизонтальная и вертикальная хвостовая часть. В целом в данном летательном аппарате доля композитов составляет от 30 % до 40%
[5].
Таким образом, внедрение и использование композиционных материалов разных направлений дает преимущества, но добавляет множество сложных задач. Тем не менее, разрабатываются и внедряются новые виды композитов, благодаря которым создаются новые образцы авиационной техники.
Библиографические ссылки
1. Зимбицкий А., Стасюк Ю Применение композиционных материалов в современном авиастроении, контроль за их состоянием в эксплуатации. Журнал «Научный вестник МГТУ ГА», выпуск № 208, 2014 г. С. 99-103.
2. Стеклопластики конструкционного назначения для авиастроения. А. О. Курносов, Д. А. Мельников, И. И. Соколов// Труды ВИАМ. 2015. №8. С. 8.
3. Железина Г. Конструкционные и функциональные органопластики нового поколения. Труды ВИАМ. 2013. 6 с.
4. Углеродные ткани для изделий авиационной техники. А. И. Сидорина, А. М. Сафронов, К. Е. Куцевич, О. Н. Клименко// Труды ВИАМ. 2020. №12(94). С. 47-58.
5. Комплектующие и материалы МС-21 [Электронный ресурс]. URL: http://newsruss.ru/doc/index.php/ Комплектующие и материалы МС-21. (дата обращения: 02.04.2022).
© Мосов А. О., Снежко А. А., 2022
