A W kompozit anyagokat széles körben használják a repülőgépiparban, és lehetővé tették a mérnökök számára, hogy leküzdjék azokat az akadályokat, amelyekkel az anyagok egyedi felhasználása során szembesültek. Az alkotó anyagok a kompozitokban megőrzik azonosságukat, és nem oldódnak vagy más módon nem olvadnak bele teljesen egymásba. Az anyagok együtt egy „hibrid” anyagot hoznak létre, amely javított szerkezeti tulajdonságokkal rendelkezik.
A könnyű súlyú, magas hőmérsékletnek ellenálló kompozit anyagok fejlesztése lehetővé teszi a nagy teljesítményű, gazdaságos repülőgép-tervek következő generációjának megvalósulását. Az ilyen anyagok használata csökkenti az üzemanyag-fogyasztást, javítja a hatékonyságot és csökkenti a repülőgépek közvetlen üzemeltetési költségeit.
A kompozit anyagokat különféle formákra lehet formálni, és kívánt esetben a szálak szorosan feltekerhetők az erő növelése érdekében. A kompozitok hasznos tulajdonsága, hogy rétegezhetők, a szálak minden rétegben más-más irányba futnak. Ez lehetővé teszi a mérnök számára, hogy egyedi tulajdonságokkal rendelkező szerkezeteket tervezzen. Például egy szerkezet megtervezhető úgy, hogy az egyik irányba hajlik, de egy másik irányba nem. [2]
Tartalom
Alapvető kompozitok szintézise
Egy alapkompozitban az egyik anyag tartómátrixként működik, míg egy másik anyag erre az alapállványra épít, és megerősíti az egész anyagot. Az anyag előállítása költséges és összetett folyamat lehet. Lényegében az alapanyag mátrixot magas hőmérsékleten és nyomáson egy formába rakják. Ezután epoxigyantát vagy gyantát öntenek az alapanyagra, és a kompozit anyag lehűtésekor erős anyagot hoznak létre . A kompozit előállítható úgy is, hogy másodlagos anyagból készült szálakat ágyaznak be az alapmátrixba.
A kompozitok jó szakítószilárdsággal és nyomásállósággal rendelkeznek, így alkalmasak repülőgép-alkatrészek gyártására. Az anyag szakítószilárdsága szálas jellegéből adódik. Ha húzóerőt alkalmazunk, a kompoziton belüli szálak egy vonalba esnek a kifejtett erő irányával, megadva a szakítószilárdságát. A jó nyomásállóság az alapmátrix rendszer tapadási és merevségi tulajdonságainak tudható be. A gyanta feladata, hogy a szálakat egyenes oszlopként tartsa fenn, és megakadályozza a kihajlásukat.
Repülés és kompozitok
A kompozit anyagok fontosak a légiközlekedési ipar számára, mert a fémötvözetekéhez hasonló szerkezeti szilárdságot biztosítanak, de kisebb tömeggel. Ez javítja az üzemanyag-hatékonyságot és a repülőgép teljesítményét. [3] [4]
A kompozitok szerepe a repülési iparban
Az üvegszál a leggyakoribb kompozit anyag, és gyantamátrixba ágyazott üvegszálakból áll. Az üvegszálat először az 1950-es években használták széles körben csónakokhoz és autókhoz. Az üvegszálat először a Boeing 707-es utasszállító repülőgépben használták az 1950-es években, ahol a szerkezet körülbelül két százalékát tette ki. A Boeing által épített új repülőgépek minden generációja megnövekedett kompozit anyagok felhasználásával; a legmagasabb az 50%-os kompozit használat a 787 Dreamlinerben .
A Boeing 787 Dreamliner lesz az első olyan kereskedelmi repülőgép, amelyben a fő szerkezeti elemek alumíniumötvözet helyett kompozit anyagokból készülnek. [1] Ezen a repülőgépen az archaikus üvegszálas kompozitok helyett a fejlettebb szén-laminátum és szénszendvics-kompozitok felé kell elmozdulni. Problémák merültek fel a Dreamliner szárnydobozával kapcsolatban, ami az alkatrész megépítéséhez használt kompozit anyagok elégtelen merevségének tulajdonítható. [1] Ez a repülőgépek kezdeti szállítási dátumainak késéséhez vezetett. E problémák megoldása érdekében a Boeing merevíti a szárnydobozokat azáltal, hogy új konzolokat ad a már megépített szárnydobozokhoz, miközben módosítja a még megépítendő szárnydobozokat. [1]
Kompozit anyagok vizsgálata
Nehéz volt számítógépes szimulációval pontosan modellezni egy kompozitból készült alkatrész teljesítményét az anyag összetettsége miatt. A kompozitokat gyakran egymásra rétegezik a nagyobb szilárdság érdekében, de ez megnehezíti a gyártás előtti tesztelési fázist, mivel a rétegek különböző irányokba vannak orientálva, így nehéz megjósolni, hogyan viselkednek majd a tesztelés során. [1]
Az alkatrészeken mechanikai igénybevételtesztek is elvégezhetők. Ezek a tesztek kis léptékű modellekkel kezdődnek, majd a szerkezet fokozatosan nagyobb részeire, végül a teljes szerkezetre lépnek. A szerkezeti részeket hidraulikus gépekbe helyezik, amelyek hajlítják és csavarják azokat, hogy utánozzák azokat a feszültségeket, amelyek messze túlmutatnak a valós repülések legrosszabb körülményekén.
A kompozit anyaghasználat tényezői
A súlycsökkentés a kompozit anyaghasználat legnagyobb előnye, és ez az egyik kulcsfontosságú tényező a kiválasztásával kapcsolatos döntésekben. További előnyök közé tartozik a nagy korrózióállósága és a fáradtság okozta károsodásokkal szembeni ellenállása. Ezek a tényezők hosszú távon szerepet játszanak a repülőgép üzemeltetési költségeinek csökkentésében, tovább javítva a hatékonyságot. A kompozitoknak megvan az az előnyük, hogy a fröccsöntési eljárással szinte tetszőleges formára formázhatók, ez azonban tovább bonyolítja az amúgy is nehéz modellezési problémát.
A kompozitok használatának egyik fő hátránya, hogy viszonylag új anyagról van szó, és mint ilyenek, magas költségük van. A magas költségek a munkaigényes és gyakran összetett gyártási folyamatnak is tulajdoníthatók. A kompozitokat nehéz ellenőrizni, hogy vannak-e hibák, míg néhányuk felszívja a nedvességet.
Annak ellenére, hogy nehezebb, az alumínium ezzel szemben könnyen gyártható és javítható. Lehet horpadt vagy kilyukadhat, és továbbra is összetart. A kompozitok nem ilyenek; ha megsérülnek, azonnali javítást igényelnek, ami nehéz és költséges.
Üzemanyag-megtakarítás csökkentett tömeggel
Az üzemanyag-fogyasztás számos változótól függ, többek között: a repülőgép száraz tömegétől, a rakomány tömegétől, a repülőgép korától, az üzemanyag minőségétől, a levegő sebességétől, az időjárástól, többek között. A kompozit anyagokból készült repülőgép-alkatrészek tömege körülbelül 20%-kal csökken, mint például a 787 Dreamliner esetében. [4]
Az alábbiakban egy Airbus A340-300 típusú repülőgép esetében a teljes üzemanyag-megtakarítás mintaszámítása történik 20%-os üres tömegcsökkentés mellett.
Az esettanulmány kezdeti mintaértékeit külső forrásból szereztük be. [5]
Adott:
- Üres üzemi tömeg (OEW): 129 300 kg
- Maximális nulla üzemanyag tömeg (MZFW): 178 000 kg
- Maximális felszálló tömeg (MTOW): 275 000 kg
- Max. Tartomány @ max. Súly: 10 458 km
Egyéb mennyiségek a fent megadott számokból számíthatók ki:
- Maximális rakománytömeg = MZFW - OEW = 48 700 kg
- Maximális üzemanyag tömeg = MTOW - MZFW = 97 000 kg
Így tovább számolhatjuk az üzemanyag-fogyasztást kg/km-ben a maximális üzemanyagtömeg és a maximális hatótáv = 97 000 kg/10 458 km = 9,275 kg/km alapján.
A következő számítás a várható üzemanyag-megtakarításra 20%-os tömegcsökkentés mellett, ami csak 20%-kal csökkenti az OEW értéket:
- OEW (új) = 129 300 kg * 0,8 = 103 440 kg, ami 25 860 kg súlymegtakarításnak felel meg.
Feltéve, hogy a rakomány és az üzemanyag tömege állandó marad:
- MZFW (új) = MZFW - 25 680 kg = 152 320 kg
- MTOW (új) = MTOW - 25 680 kg = 249 320 kg
A 97 000 kg-os üzemanyag tömegének csökkentett MTOW-ja van, és így nagyobb lesz a hatótávolsága, mivel a maximális tömeg és a maximális hatótáv fordítottan arányos mennyiségek.
Egyszerű arányok használata az új tartomány kiszámításához:
249,320kg275,000kg=10,458kmxkm{\displaystyle {\frac {249 320 kg}{275 000 kg}}={\frac {10 458 km}{Xkm}}}
Az X megoldása új tartományt ad:
- X = 11 535,18 km
Ez új értéket ad a csökkentett tömegű üzemanyag-fogyasztásnak = 97 000 kg/11 535,18 km = 8,409 kg/km
Ezt szem előtt tartva, 10 000 km-es utazás során hozzávetőlegesen 8 660 kg üzemanyag-megtakarítás érhető el, az üres tömeg 20%-os csökkenésével.
Környezeti hatás
Egyre hangsúlyosabb elmozdulás van a Green Engineering irányába . Környezetünkre a mai társadalom fokozottan gondol és figyel. Ez igaz a kompozit anyagok gyártására is.
Amint azt korábban említettük, a kompozitok könnyebb súlyúak és hasonló szilárdságúak, mint a nehezebb anyagok. Amikor a könnyebb kompozitot szállítják, vagy szállítási alkalmazásban használják, kisebb a környezetterhelés a nehezebb alternatívákhoz képest. A kompozitok korrózióállóbbak is, mint a fémalapú anyagok, ami azt jelenti, hogy az alkatrészek hosszabb élettartamúak. [7] Ezek a tényezők együttesen teszik a kompozitokat jó alternatív anyagokká környezetvédelmi szempontból.
A hagyományosan előállított kompozit anyagok kőolaj alapú szálakból és gyantákból készülnek, és természetüknél fogva biológiailag nem lebomlanak. [8] Ez jelentős problémát jelent, mivel a legtöbb kompozit hulladéklerakóba kerül, amint egy kompozit életciklusa véget ér. [8] Jelentős kutatások folynak a természetes szálakból készült, biológiailag lebomló kompozitokkal kapcsolatban. [9] Az olyan biológiailag lebomló kompozit anyagok felfedezése, amelyek nagy léptékben könnyen előállíthatók és a hagyományos kompozitokhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, számos iparágat, köztük a repülésipart is forradalmasítanak.
Alternatív lehetőség a környezetvédelmi erőfeszítések támogatására a leszerelt repülőgépek használt alkatrészeinek újrahasznosítása. A repülőgépek „tervezetlensége” bonyolult és költséges folyamat, de a cégek pénzt takaríthatnak meg az első kézből származó alkatrészek beszerzésének magas költsége miatt. [6]
Jövő kompozit anyagok
Kerámia mátrix kompozitok
A National Aeronautics and Space Administration (NASA) komoly erőfeszítéseket tesz a könnyű súlyú, magas hőmérsékletű kompozit anyagok fejlesztésére repülőgépalkatrészekben való felhasználásra. Előzetes számítások alapján 1650°C-os hőmérséklet várható egy koncepcionális motor turbina beömlőnyílásainál. [3] Annak érdekében, hogy az anyagok ellenálljanak az ilyen hőmérsékleteknek, kerámia mátrix kompozitok (CMC) használata szükséges. A CMC-k használata a fejlett motorokban lehetővé teszi a motor működési hőmérsékletének növelését is, ami megnövekedett hozamhoz vezet. [10] Bár a CMC-k ígéretes szerkezeti anyagok, alkalmazásuk korlátozott a megfelelő erősítőanyagok hiánya, a feldolgozási nehézségek, az élettartam és a költségek miatt.
Pók selyem szálak
A pók selyem egy másik ígéretes anyag a kompozit anyagok felhasználásához. A pókselyem nagy rugalmasságot mutat, lehetővé téve a szálak normál hosszának 140%-áig történő nyújtását. [11] A pókselyem -40°C-os hőmérsékleten is megtartja erejét. [11] Ezek a tulajdonságok teszik a pókselymet ideálissá rostanyagként történő felhasználásra képlékeny kompozit anyagok gyártásában, amelyek még abnormális hőmérsékleten is megőrzik szilárdságukat. A képlékeny kompozit anyagok előnyösek lesznek a repülőgép számára olyan részeken, amelyek változó igénybevételnek vannak kitéve, például egy szárny összekapcsolása a fő törzsgel. Az ilyen kompozitok megnövekedett szilárdsága, szívóssága és hajlékonysága lehetővé teszi, hogy nagyobb feszültségeket fejtsenek ki az alkatrészre vagy az összekapcsolásra, mielőtt katasztrofális meghibásodás következik be. A szintetikus pókselyem alapú kompozitoknak megvan az az előnye is, hogy szálaik biológiailag lebomlanak.
Sok sikertelen kísérlet történt a pókselyem laboratóriumi reprodukálására, de a tökéletes újraszintézist még nem sikerült elérni. [12]
Hibrid kompozit acéllemezek
Egy másik ígéretes anyag lehet a kompozitokból, nanotechnológiás szálakból és rétegelt lemezből ihletett rozsdamentes acél. Az acéllemezek ugyanabból az anyagból készülnek, és pontosan ugyanúgy kezelhetők és szerszámozhatók, mint a hagyományos acél. De néhány százalékkal könnyebb ugyanazon erősségek mellett. Ez különösen értékes a járműgyártásban. A svéd Lamera, szabadalom alatt álló vállalat a Volvo Industries kutatásának mellékterméke.
Következtetés
Magasabb szilárdság-tömeg arányuk miatt a kompozit anyagok előnyt élveznek a hagyományos fémes anyagokkal szemben; bár jelenleg drága a kompozitok gyártása. Amíg nem vezetnek be technikákat a kezdeti megvalósítási költségek csökkentésére és a jelenlegi kompozitok biológiai le nem bonthatóságának kérdésére, ez a viszonylag új anyag nem lesz képes teljesen helyettesíteni a hagyományos fémötvözeteket.
Hivatkozások
- ↑Ugrás ide:1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Felületmodellezés kompozit anyagokhoz – SIAG GD – Letöltve : http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Anyagok A-tól Z-ig – Kompozitok: Alapvető bevezető – Letöltve: http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Ugrás ide:3.0 3.1 INI International – Key to Metals – Letöltve: http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Ugrás ide:4.0 4.1 A Boeing 787 Dreamlinernek összetett problémája van – Zimbio – Letöltve: http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/ Boeing+787+Dreamliner+kompozit+probléma
- ↑ Peeters, PM et al. - Kereskedelmi repülőgépek üzemanyag-hatékonysága (16. oldal) - Letöltve: http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Ugrás ide:6.0 6.1 National Geographic Channel – Man Made: Plane – Letöltve: http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Tanulmány a kompozitok környezeti hatásáról - Letöltve: http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Ugrás ide:8.0 8.1 Textile Insight – Green Textile Composites – Letöltve: http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Anyagok A-tól Z-ig – Biológiailag lebomló, természetes szálerősítésű műanyagokból előállított nagy teljesítményű kompozit anyagok – Letöltve: http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Kerámia mátrix kompozitok - Letöltve: http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Ugrás ide:11.0 11.1 Kémiai Tanszék – Bristoli Egyetem – Letöltve: http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Vezetékes tudomány – A pókok aranyselymet készítenek – letöltve: http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
Oldaladatok