CC BY
6
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В
АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ
О.О. Лиханов, студент Т.А. Зайцева, студент А.Д. Яндышев, студент
Иркутский национальный исследовательский технический университет (Россия, г. Иркутск)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-10-5-7-10
Аннотация. В статье анализируются возможности использования композитных материалов в авиационной технике. Выявляются преимущества применения композитных материалов в авиастроении. Рассматриваются особенности композитных материалов с металлической матрицей на основе алюминия, магния и титана, композитов с керамической и полимерной матрицей. Приводятся их характеристики, возможности и ограничения использования в авиационной технике.
Ключевые слова: авиационная техника, композитные материалы, композиты с металлической матрицей, композиты с керамической матрицей, композиты с полимерной матрицей.
Ускоренный рост современной авиационной промышленности привел к прогрессу в области авиационных материалов [1]. Основными мотивами исследований являются снижение стоимости, веса и продление срока службы компонентов в конструкциях самолетов. Использование легких материалов улучшает механические свойства и топливную эффективность, дальность полета и полезную нагрузку, в результате чего снижаются эксплуатационные расходы самолета. Современные исследователи работают над разработкой материалов с оптимизированными свойствами - сниженным весом, усталостной и коррозионной стойкостью, повышенной устойчивостью к повреждениям и высоким температурам. Правильный выбор материала имеет решающее значение при проектировании конструкции самолета.
Целью работы является изучение возможностей использования композитных материалов в авиационной технике. Для ее достижения были использованы структурно-функциональные и теоретические методы исследования: анализ, обобщение и синтез литературы в области композитных материалов и авиастроения.
Человеко-часы, необходимые для производства самолета из композитных материалов, на половину или три четверти меньше, чем для сопоставимой алюминиевой конструкции, но стоимость многих композитов не столь
конкурентоспособна, как у алюминия [2]. Первоначальная стоимость композитов является ограничивающим фактором в их широком использовании в качестве конструкционного материала для самолетов в ближайшем будущем, однако их потенциал для экономии веса настолько высок, что ожидается, что почти все конструкции разрабатываемых в настоящее время самолетов будут в той или иной степени включать композиты.
Можно выделить следующие преимущества композитов в авиастроении [3]:
- снижение веса конструкции;
- повышение топливной эффективности и сокращение вредных выбросов;
- долговечность и высокая прочность;
- коррозионная и усталостная стойкость;
- высокая гибкость и конструкционная адаптивность, позволяющая инженерам создавать аэродинамические и эффективные формы самолетов;
- устойчивость к климатическим факторам и химикатам;
- снижение расходов на обслуживание и сокращение простоев самолетов;
- звукопоглощающие свойства, позволяющие обеспечить комфорт пассажиров и соблюдение норм шумового загрязнения.
В настоящее время наибольшее распространение в авиационной технике имеют композиты с металлической матрицей на основе алюминия, магния и титана. Композиты с
алюминиевой матрицей представляют собой сложный класс композитных материалов, в которых сплавы алюминия армируются вторичным высокопрочным материалом, например керамикой или углеродными волокнами [4]. Они обладают более высокой прочностью и жесткостью, могут работать в более высоком температурном диапазоне, обладают превосходной устойчивостью к повреждениям, лучшей износостойкостью, большей ремонтопригодностью и могут быть легко переработаны по сравнению с неармированными металлами. Композиты с алюминиевой матрицей имеют равную со сталью прочность, но в три раза легче.
Добавление SiC и АЬОз в алюминиевую матрицу приводит к повышению твердости, предела прочности на растяжение и ударной вязкости композита [5]. Нанесение термического барьерного покрытия из оксида алюминия-титана, сплава Super-Z, PSZ, закаленного оксида циркония и оксида алюминия с помощью метода плазменного напыления значительно улучшает термическую и усталостную стойкость композитов с алюминиевой матрицей [6]. Таким образом, свойства композитов с алюминиевой матрицей могут быть изменены с помощью нескольких технологий вместе с соответствующим усилением в объемных долях, и они могут заменить более тяжелые традиционные материалы.
Композиты с металлической матрицей на основе магния отличаются низкой плотностью и малым весом. Они являются отличными материалами для проектирования легких конструкций самолетов военного и коммерческого назначения [7]. Для улучшения трибо-логических и механических свойств магниевых сплавов в матрицу добавляются армирующие элементы - В4С, АЬОз, SiC, обладающие высокой прочностью, твердостью, модулем упругости, термической стабильностью и более низкой плотностью. Армирование частицами диборида титана приводит к увеличению твердости и прочности на сжатие. Такие композиты можно считать наиболее подходящими для аэрокосмической техники [8]. Недостаток композитов с магниевой матрицей - высокая себестоимость из-за сложных технологий производства.
Композиты с металлической матрицей на основе титана обладают высокой коррозион-
ной стойкостью и прочностью при повышенных температурах, поэтому широко используются в аэрокосмической промышленности [9]. Титановые сплавы сохраняют свою прочность даже при повышенных температурах по сравнению с алюминием, что выгодно для производства конструкций самолетов и ракет с более высокими рабочими температурами и скоростями. Титановые композиты, подходящие для аэрокосмического применения, армированы непрерывными массивами 30-40% SiC и другими волокнами. Удельные характеристики материала могут быть улучшены путем систематического контроля микроструктуры и объемной доли армирования.
Керамические матричные композиты используются для конструкций самолетов, которые требуют высокой прочности и вязкости разрушения [10]. Они характеризуются малым весом, низким тепловым расширением, высокой твердостью, химической стабильностью, низкой плотностью, стойкостью к окислению, катастрофическим отказам, агрессивным средам и высоким температурам. Такие композиты имеют матрицу из керамики, которая изготавливается относительно сложным процессом из сырья с малым размером частиц, высокой чистотой, хорошим механическим, термическим и электрическим сопротивлением. Армирующая фаза может быть представлена волокнами, нитевидными кристаллами и непрерывными частицами. Характеристики полученных композитов определяются объемной долей, частотой распределения, размером, ориентацией и геометрией армирующей фазы.
Однонаправленно армированные углерод-углеродные композиты с различной ориентацией волокон обладают высокими высокотемпературными, механическими и термическими характеристиками, значительно снижают вес самолета, что напрямую способствует снижению расхода топлива. К примеру, тормозная система на Boeing 737 NG изготовлена из углерода и на 300 кг легче стального аналога. Тормозные материалы C/SiC оказались в центре внимания как четвертое поколение авиационных тормозных материалов [11]. Они демонстрируют такие фрикционные свойства, как высокий коэффициент трения покоя, меньшая чувствительность к влажным условиям, низкая скорость износа и
степень окисления, длительный срок службы, высокая эффективность торможения.
Композиты на основе полимерной матрицы являются одними из самых легких композитных материалов [12]. Они обладают высокой прочностью, однако их можно использовать только при низких рабочих температурах. В таких композитах в качестве матрицы используется эпоксидная смола, которая передает любую нагрузку, приложенную к волокнам, удерживает их в выбранном положении и направлении, придает материалу устойчивость к воздействию окружающей среды и определяет максимальную температуру использования. Для решения задач проектирования сложных деталей конструкции современных самолетов предпочтение отдается углеродному волокну в качестве прочного армированного материала [13]. Композиты из полимеров, армированных углеродным волокном, используются в конструкциях самолетов благодаря их малому весу, высокой прочности, хорошей термической стойкости, механическим, трибологическим и электрическим свойствам. Также в авиационной технике используются другие волокна - графитовые, волокна кенафа, стекловолокна, волокна рами.
Относительно низкая температура стеклования и ограниченная термоокислительная стабильность ограничивают использование
волоконно-эпоксидных композитов, однако их низкая стоимость и простота производства делают их привлекательными для дальнейших исследований.
Таким образом, в настоящее время наблюдается значительный рост в разработке новых авиационных материалов. Технические требования к конструкции авиационных конструкционных материалов требуют, чтобы они были устойчивы к повреждениям и обладали улучшенными механическими свойствами в различных условиях эксплуатации. В течение нескольких лет сплавы на основе алюминия использовались в качестве основных материалов из-за их механического поведения, однако их использование при высоких температурах ограничено. Быстро растет использование полимерных матричных композитов, что связано с их выдающимися механическими характеристиками. Сочетая различные типы и объемы используемого наполнителя и матрицы можно получать композиты с необходимыми для авиации свойствами, такими как низкая плотность, улучшенные механические свойства, коррозионная стойкость при высоких температурах, высокая жесткость и прочность. Будущее авиационной техники видится в исследовании и открытии новых композитов для конструкций путем комбинирования различных вариантов компонентов и использования новых производственных технологий.
Библиографический список
1. Parveez B., Kittur M.I., Badruddin I.A., Kamangar S., Hussien M., Umarfarooq M.A. Scientific Advancements in Composite Materials for Aircraft Applications: A Review // Polymers (Basel). - 2022.
- Vol. 18, № 14 (22). - P. 5007. DOI: 10.3390/polym14225007.
2. Brodowicz M. The Advantages and Disadvantages of Using Composite Materials in the Aerospace Industry (2024). - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://aithor.com/essay-examples/the-advantages-and-disadvantages-of-using-composite-materials-in-the-aerospace-industry (accessed 17.10.2024).
3. The Impact of Composites in the Aviation Industry (2023). - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sensxpert.com/blog/impact-composites-aviation-industry/ (accessed 17.10.2024).
4. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials & Design (1980-2015). - 2014. - Vol. 56. - Pp. 862-871. - DOI: 10.1016/j.matdes.2013.12.002.
5. Koli D.K., Agnihotri G., Purohit R. Advanced aluminium matrix composites: the critical need of automotive and aerospace engineering fields //Materials Today: Proceedings. - 2015. - Vol. 2, № 4-5.
- Pp. 3032-3041. - DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.290.
6. Rahman J.F., Yunus M., Yezdani T.T. Charting of a strategy for the application of aluminium metal matrix composites for different engineering service requirements // Int J Mod Eng. - 2012. -Vol. 2. - Pp. 1408-1413.
7. Kurzynowski T., Pawlak A., Smolina I. The potential of SLM technology for processing magnesium alloys in aerospace industry // Archives of Civil and Mechanical Engineering. - 2020. - Vol. 20, № 23. - DOI: 10.1007/s43452-020-00033-1.
- TexnuHecKue nayHU -
8. Anbarasan A., Alvin P.A., Kannan K., Lokesh M. Mechanical characterisation of magnesium matrix composite for aerospace application // International Journal of Modern Engineering and Research Technology. - 2020. - Vol. 7, Iss. 2. - Pp. 5-11.
9. Hayat M.D., Singh H., He Z., Cao P. Titanium metal matrix composites: An overview. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2019. - Vol. 121. - Pp. 418-438. -DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.04.005.
10. Low I.M. Advances in ceramic matrix composites // Woodhead publishing. - 2018. - 825 p.
11. Chen M.W., Qiu H.P., Jiao J., Wang Y., Xie W.J. High temperature oxidation behavior of silicon carbide ceramic // Key Engineering Materials. - 2016. - Vol. 680. - Pp. 89-92. -DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.680.89.
12. Sharma A.K., Bhandari R., Sharma C., Dhakad S.K., Pinca-Bretotean C. Polymer matrix composites: A state of art review // Materials Today: Proceedings. - 2022. - Vol. 57. - Pp. 2330-2333. -DOI: 10.1016/j.matpr.2021.12.592.
13. Wu Y. Application of carbon fiber composite materials in aircraft // Applied and Computational Engineering. - 2024, Vol. 61, № 1. - Pp. 245-248. - DOI: 10.54254/2755-2721/61/20240969.
THE POSSIBILITIES OF USING COMPOSITE MATERIALS IN AVIATION TECHNOLOGY
O.O. Likhanov, Student T.A. Zaitseva, Student A.D. Yandyshev, Student
Irkutsk National Research Technical University (Russia, Irkutsk)
Abstract. The article analyzes the possibilities of using composite materials in aviation technology. The advantages of using composite materials in the aircraft industry are revealed. The features of composite materials with a metal matrix based on aluminum, magnesium and titanium, composites with ceramic and polymer matrices are considered. Their characteristics, possibilities and limitations of use in aviation technology are given.
Keywords: aviation technology, composite materials, metal matrix composites, ceramic matrix composites, polymer matrix composites.
