Применение композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 656.6

Ю. С. Кустарев, д. от. н., профессор.

В. И. Меркулов, д. т. н., профессор.

А. Г. Валеев, студент.

А. Н. Пелевин, студент, МГТУ “МАМИ". 105839, Москва, ул. Б. Семеновская, 38.

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

И статье рассматривается применение композиционных материалов на транспорте (судостроение, авиационно-космическая промышленность, автомобилестроение). Делается заключение о преимуществе применения композиционных материапов при проектирование новых транспортных средств.

Одним из основных факторов, обусловливающих выбор композиционных материалов (КМ) в качестве конструкционных материалов в машиностроении, является большая усталостная долговечность по сравнению с традиционными материалами (рис. 1). Немаловажную роль в выборе в пользу КМ играет также то, что они имеют большее отношение прочности к массе, чем традиционные материалы. Также, вследствие повышенной демпфирующей способности перспективных композитов (рис. 2), будут уменьшаться знакопеременные моменты сил, возникающие в деталях, подвергнутых динамическим нагрузкам. Эти факторы обусловливают основные преимущества, достигаемые конструктором при использовании КМ:

- уменьшение массогабаритных характеристик;

- снижение расхода топлива, либо увеличение полезной нагрузки.

НА ТРАНСПОРТЕ

Посвящается 40-летию кафедры '‘Транспортные газотурбинные двигатели” МГТУ “МАМИ”.

30

75

А 6/, °/о

60

О

7.0

Частотный еректор

Рис. 1. Пределы выносливости КМ из эпоксидной смолы с различными армирующими материалами (!05-107 циклов)

Рис. 2 Характеристики демпфирующей способности алюминия (1), стекла (2), бора (3), углерода (4).

Одной из последних разработок, нашедших применение в авиации, ракетостроении, судостроении и автомобилестроении, являются пластики, армированные стекловолокном. Композиционные материалы на основе бора, углерода и кевлара используются как конструкционные материалы, имеющие огромный потенциал (рис. 3,4).

Е.ГПахЮ3

Рис. 3. Сравнение жесткости волокон

Рис. 4. Сравнение прочности волокон

Уже в настоящее время реальной может стать конструкция самолета, в которой композиционные материалы будут занимать более 50 % (по массе) деталей, и этот факт должен стимулировать использование подобных материалов в других областях.

Таблица 1

Свойства волокон эпоксидной смолы

Показатель Эпоксидная смола Стекло Е Углеродное волокно торнель-753 а о 10 (7) чГ О, « Ч Л V X

Диаметр элемента волокна,

— 10 7-8 100 (140) 25,51 10

Удельный вес, Н/дм3 .... 11,18— 24,53 17,85 14,22

Предел прочности, МПа . . . 11 ,77 80—90 1800 2500 3200 2600

Модуль Юнга, ГПа:

в продольном направлении 3,5 74,5 570 420 133

в поперечном » — 74,5 5,7 420 7

Жесткость, ГПа — 29,8 17,8 17,3 12

Коэффициент Пуассона . . . 0,35 0,25 0,39 0,27 0,3

Удлинение до разрушения, % 3-5 1,5 0,5 0,5— 0,8 1.5 2

Температурный коэффициент линейного расширения, 10-в (1/°С): в продольном направлении 65 4,8 -0,5 —6,0

в поперечном направлении 66 4,8 5 1,5 75

Широко применяемым КМ, технология получения которого наиболее отработана, является стеклопластик. Стеклопластики характеризуются исключительными соотношениями прочности при растяжении с плотностью и стоимостью. Однако у этого материала есть три основных недостатка, ограничивающих его использование:

1) относительно малый модуль упругости; модуль упругости стеклопластика с ориентированным расположением волокон того же порядка, что и алюминия, титана, магния и стали;

2) низкое сопротивление сдвигу в области между слоями по сравнению с прочностью при растяжении;

3) низкие свойства при сжатии по сравнению со свойствами при растяжении.

Малый модуль упругости стеклопластиков ограничивает их использование в деталях с повышенной стойкостью к короблению и вибрациям /1/.

Причина, по которой развитие композитов протекает довольно медленно, заключается в необходимости освоения новых волокнистых КМ (Табл.1).

Судостроение

Использование упрочнённых волокнами пластиков при строительстве крупных морских судов не ново, надёжность этих материалов была подтверждена эксплуатацией ряда судов - минных тральщиков, сейнеров длиной до 30 м, яхт и т.д., а также изготовлением из КМ специальных узлов боевых рубок подводных лодок и гидролокаторов. Но при существующей технологии использование КМ вместо стали в больших морских суднах ограничено по экономическим соображениям, поэтому их применяют там, где технические характеристики являются определяющими.

Рис. 5. Основное сечение и узел, противостоящий продольному изгибу

Одним из удачных примеров применения КМ в судостроении является 27 - метровое сторожевое судно береговой охраны «Нголо», которое было построено в Италии фирмой «1Шегтаппе» по заказу Национального военно-морского ведомства (рис. 5). Ввиду ударного воздействия волн в первую очередь необходимо предотвратить расслаивание корпуса из композиционного материала при изгибе.

Слоистую обшивку корпуса судна изготавливали, используя полуавтоматическую установку для пропитки и систему для изготовления слоистых материалов. В качестве слоистого композиционного материала был выбран ударопрочный изофталевый сложный полиэфир, упрочненный волокном. Главные стрингеры образовывали пирамидальную форму корпуса, а поперечные элементы прикрепляли к главным стрингерам, используя специальные связки. Эта система оказалась стойкой к воздействию больших ударных нагрузок, причем вначале разрушались вторичные связи.

Важными преимуществами использования упрочненных волокнами пластиков в конструкциях корпусов по сравнению с алюминием или сталью являются стойкость к коррозии, малая стоимость обслуживания, сложность радиолокационного обнаружения, отсутствие деформации нижних обшивочных панелей корпуса и, следовательно, улучшение эксплуатационных характеристик корабля [1].

Также из КМ фирмой ‘ТШепгалпе” был изготовлен минный тральщик, имеющий следующие характеристики: общая длина 49,90 м, максимальная ширина 9,44 м, высота корпуса 7,30 м, осадка 2,50 м, водоизмещение 470 т, скорость 15 узлов, запас хода 2500 морских миль.

Обычный изофталевый сложный полиэфир оказался слишком хрупок для минного тральщика. Поэтому был разработан КМ, состоящий из ударопрочного изофтале-вого сложного полиэфира, упрочнённого пучками стекловолокон. Ударопрочная смола не проявляла хрупкий характер разрушения при сильных надводных или подводных ударных нагрузках, а волокна локализовали возникающие расслоения.

Также следует отметить, что поведение КМ в . условиях усталостного нагружения весьма важно для военных кораблей из пластиков, армированных волокнами, так как срок их эксплуатации составляет 20 лет. Ударопрочные пластики, упрочнённые волокнами, расслаиваются при 106 циклах в процессе усталостных испытаний на растяжение, что на 22 % выше, чем в случае с использованием обычных изофталевых слоистых материалов.

В настоящее время ведутся исследования анизотропии свойств волокнистых КМ, используемых в кораблестроении [1,4].

Авиационно-космическая промышленность

Авиационно-космическая отрасль промышленности всегда являлась источником движущих сил разработки прогрессивных материалов. Основными критериями, которые в значительной степени стимулировали разработку таких материалов, как алюминиевые и титановые сплавы, являются уменьшение массы и одновременное снижение стоимости. Композиционные материалы благодаря их высокой удельной прочности (о/у) и удельной жесткости (Е/у) имеют большие потенциальные возможности для облегчения конструкций.

Таблица 2

Примеры использования композитов (бор-эпоксидная смола)

Самолет, узел Фирма-производитель Метал л - заменится ь Снижение массы. % Примечание

Истребнтель-штурмовнк: F-111A, горизонтальный стабили- Дженерал Алюминий 27 Опытно-промышленное

затор F-111B. камера крыла Дайнэмикс Грумман Титан 20 опробование Разработка

F-100, обшивка крыла Норт Эиерикэн Алюминий 22 »

F-4, руль направления Мак Доннел » 36 Опытно-промышленное

F-14, горизонтальный стабилиэа- Дуглас Груммап Титан 1‘9 опробование Производство

£Тб. горизонтальный стабилиза- Мак Доннел » 22 >

тор F-15, вертикальный стабилизатор Дуглас > 25 »

F-I11, дублирующая поворотная Дженерал Повышающий >

опора крыла В-1, лонжероны Дайнзмикс НорТ Эмернкэн усталостную долговечность Сталь 28-44 Производство (прототип)

Транспортный:

С-5, передний край предкрылка Локхид Алюминий 21 Опытно-промышленное

С-130, центральная камера крыла > » 13 опробование То же

СН-54В, хвостовое конусное сопло Сикорски » 70 > »

Как говорилось выше, КМ на основе бора, углерода, кевлара имеют большой потенциал. Эти материалы используются, например, для изготовления винтов вертолётов фирмами “Boeing” и “Bell Company”.

Основная проблема, возникающая перед конструкторами, занимающимися созданием деталей из композиционных материалов, правильный выбор волокон, матрицы и ориентации волокон. В отношении матрицы опыт последних лет показал, что для использования в авиационно-космической технике наилучшими свойствами обладает эпоксидная смола (табл. 2), но она является и наиболее дорогой. Чаще всего в качестве упрочнителя матрицы используют стекловолокно [1].

В нашей стране также имеется опыт использования КМ в авиации. В конструкции самолёта Ту-204 фирмы А.А. Туполева объём применения КМ равен 3900 кг, что составляет 14 % от его массы. При этом экономия массы составляет 1247 кг. В конструкции самолёта применялись органопластики. Ещё одним примером использования КМ является самолёт ИЛ-96-300 конструкции фирмы Г. В. Новожилова (рис. 6, табл. 3). При изготовлении его агрегатов из угле- и органопластиков использовано эпоксидное связующее ЭДТ-69Н с рабочей температурой 120-130°С. Здесь также нашло своё применение большое количество КМ (1650 кг), что позволило уменьшить массу самолёта на 520 кг. В деталях обтекателей радиорелейных станций применён высокотехнологичный материал - сферотекстолит, разработанный ВИАМ и НПО “Технология” [2].

Рис. 6. Планер самолета ИЛ-96-300

Таблица З

Области, объёмы применения и виды КМ в элементах конструкций самолёта ИЛ-96-300

пп Наименование агрегатов Вид КМ Площа дь поверх- ности мг КМ(М* масса части конст- рукции из КМ (кг)

ПЛАНЕР

1. Агрегаты механизации крыла (элероны, иеттерцегггоры, тормозные щетки, носовые и хвостовые части закрылков, углеорганопл ас-тики 100 690

2. Пилон (внугр. внешн.. углепластики 48 230

Мотогондола (носовая часть. углепластики 82 355

4, взк стеклопласта 28 55

5 Служебные ЛЮКИ стеклопласт 15 3

6. Створки шасси углепластики 23 120

7 Зализ крыла, бортовой щиток стеклопласта 68 165

ИТ01 'О в планере 364 1650

ИНТЕРЬЕР

8. Сотовые панели и монослойные вы-клейки органопласти ки. 450 1145

ПОЛЫ

9. (Сотовые панели органопласти 260 440

ИТОГО в салоне 710 1585

ПЕРСПЕКТИВА

10. Панели хвостовой части крыла углепластики на жгутовых на- 70 150

Автомобилестроение Композиционные материалы имеют широкий спектр применения в автомобильной промышленности. Они используются в производстве внешних панелей дверей, элементов отделки, частей радиатора и системы зажигания легковых автомобилей, а также боковых панелей лёгких и тяжёлых грузовых машин. Использование КМ помогает не только снизить расход топлива, но и делает изготавливаемые детали лёгкими, чрезвычайно прочными, устойчивыми к коррозии.

В настоящее время известна технология производства точных заготовок поршней для ДВС с керамической волокнистой вставкой и нирезистовым кольцом (рис. 7). Материал поршня (матричный сплав) - литейный алюминиевый сплав. Метод производства - жидкая штамповка со сквозной пропиткой керамической вставки. В качестве материала керамической вставки применяется алюминий-кремнеземистые волокна диаметром 2...4 мкм, модулем упругости 150 ГПа, пределом прочности 1700 МПа. Результаты сравнительных испытаний композиционного и стандартного поршня, %

Предел прочности при 350°С + 50

Сопротивление износу +700

Сопротивление термоусталости +100

Г орячая твёрдость + 30

Коэффициент термического расширения - 15 Теплопроводность - 25

Также из КМ изготавливают шатуны ДВС, которые находят применение в высокооборотных ДВС для авто- и авиастроения (рис. 8). Материал шатуна (матричный сплав) - высокомодульный алюминиевый сплав, армирующее волокно - 8ІС.

Шатуны из КМ обладают малым удельным весом, высокой прочностью, высоким модулем упругости, что позволяет создавать высокооборотные двигатели, повысить единичную мощность двигателей, увеличить долговечность двигателей, снизить нагрузки на коленвал и подшипники [4].

Такие фирмы, как Ford и General Motors, прорабатывают вопросы применения КМ в конструкции автомобилей. Так, например, изучена конструкция ведущего вала двигателя из углепластиковой трубки, охватывающей стальной сердечник. Двухлетние испытания новой конструкции подтвердили её высокую надёжность и эффективность в эксплуатации (в частности, высокую коррозионную стойкость) при снижении массы на 2 кг.

Рис. 8. Отштампованная заготовка шатуна с крышкой

Особенно большое снижение массы можно обеспечить при использовании углепластиков и углестеклопластиков в конструкции рессор, масса которых в этом случае составит всего около 13 кг, т. е. примерно на 40 кг меньше массы стальных, при сохранении прежних значений скорости и грузоподъёмности автомобиля. Также из КМ изготавливают крылья, панели и другие поверхности корпуса, которые также дают значительное снижение массы.

Для конструкторов автомобилей притягательным в КМ является сочетание высокой циклической прочности и вибропрочности с высокой коррозионной стойкостью. Вместе с тем стоимость КМ ограничивает возможности их применения [3].

Заключение

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что при использовании КМ можно получить такие преимущества, как:

- снижение расхода топлива транспортного средства за счёт снижения массы конструкций;

- увеличение срока службы и надёжности агрегатов и узлов за счёт повышения износостойкости и прочности деталей;

- улучшение ходовых качеств, снижение шумности транспортного средства за счёт повышенной демпфирующей способности, вибропрочности и шумопоглощающей способности некоторых КМ;

- более рациональная компоновка за счёт улучшения массогабаритных характеристик. Также надо отметить, что, проектируя что-либо из КМ. конструктор получает возможность проектировать не только изделие, но и сам материал с целью получения необходимых характеристик. Поэтому КМ, безусловно, являются наиболее перспективными материалами в машиностроении, и их применение должно стать более широким в будущем.

Список литературы

[1] “Перспективы применения композиционных материалов”. Сборник статей под ред. Пиатти, перевод Матвеева. Москва, Машиностроение, 1992 г.

[2] Гуняев Г.М., Железина Г.Ф., Кривонос В В., Румянцев А.Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов. - В сб.: “Полимерные композиционные материалы”. Москва, ВИАМ, 2002 г.

[3] Заболоцкий А.А. “Производство и применение композиционных материалов”. Гл. ред. Агеев Н.В. ВИНИТИ, ИССН (итоги науки й техники), 1993 г.

[4] Материалы из т1ете1:.

APPLICATION OF COMPOSITE MATERIALS ON TRANSPORT

Yu. S. Kustapev, V. I. Merkulov, A. G. Valeev, A. N. Pelevin

In article application of composite materials on transport (shipbuilding, the aerospace industry, motor industry) is considered. It is concluded advantage of application of composite materials at designing new vehicles.

УДК 621.396.96

А. Г. Чичурин, к. т. н. ВГАВТ.

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ПОКАЗАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Установлена связь показателя электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств с частотно-временными параметрами их сигналов. Сформулированы условия обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

Одной из важнейших проблем при применении радиоэлектронных средств (РЭС) является обеспечение их одновременного функционирования с требуемым качеством и без создания недопустимых радиопомех другим РЭС, которое получило название электромагнитной совместимости (ЭМС) [1-5]. Для решения данной проблемы необходимо установить связь между показателем ЭМС и параметрами электромагнитной обстановки (ЭМО). ЭМО в задачах ЭМС характеризуется уровнем непреднамеренных помех (НП) в точке приема в широкой полосе частот и определяется параметрами сигналов РЭС, находящимся в зоне взаимного влияния [6, 7]. В данной работе в качестве РЭС рассматриваются средства радиолокации (РЛ), работающие в одном территориальном районе и находящиеся в зоне взаимного влияния. Несмотря на большое количество работ по вопросам определения характеристик НП, применительно к решаемой задаче