Використання різноманітних матеріалів у Boeing 787 Dreamliner. [1]Композитні матеріали W широко використовуються в авіаційній промисловості та дозволили інженерам подолати перешкоди, які виникли під час використання матеріалів окремо. Складові матеріали зберігають свою ідентичність у композитах і не розчиняються або іншим чином повністю зливаються один з одним. Разом ці матеріали створюють «гібридний» матеріал із покращеними структурними властивостями.
Розробка легких, стійких до високих температур композитних матеріалів дозволить матеріалізувати наступне покоління високоефективних, економічних конструкцій літаків. Використання таких матеріалів зменшить споживання палива, підвищить економічність та зменшить прямі витрати на експлуатацію літаків.
Композитним матеріалам можна формувати різні форми, і, за бажанням, волокна можна щільно намотувати для підвищення міцності. Корисна особливість композитів полягає в тому, що вони можуть бути шаруватими, причому волокна в кожному шарі рухаються в іншому напрямку. Це дозволяє інженеру проектувати конструкції з унікальними властивостями. Наприклад, конструкцію можна спроектувати так, що вона буде згинатися в одному напрямку, але не в іншому. [2]
Contents
Синтез основних композитів
Приклад базового композиційного матеріалу.У базовому композиті один матеріал діє як опорна матриця, тоді як інший матеріал будує на цьому базовому риштуванні та зміцнює весь матеріал. Формування матеріалу може бути дорогим і складним процесом. По суті, матриця основного матеріалу викладається у форму під високою температурою та тиском. Потім поверх основного матеріалу наливається епоксидна смола або смола , утворюючи міцний матеріал, коли композитний матеріал охолоджується. Композит також може бути виготовлений шляхом вбудовування волокон вторинного матеріалу в базову матрицю.
Композитні матеріали мають гарну міцність на розрив і стійкість до стиснення, що робить їх придатними для використання у виробництві деталей літаків. Міцність на розрив матеріалу пояснюється його волокнистою природою. Коли прикладається сила розтягування, волокна всередині композиту вирівнюються з напрямком прикладеної сили, що забезпечує міцність на розрив. Хороший опір стиску можна пояснити властивостями адгезії та жорсткості базової матричної системи. Це роль смоли, щоб підтримувати волокна як прямі колони та запобігати їх викривленню.
Авіація та композити
Композитні матеріали важливі для авіаційної промисловості, оскільки вони забезпечують структурну міцність, порівнянну з металевими сплавами, але при меншій вазі. Це призводить до покращення паливної ефективності та продуктивності літака. [3] [4]
Роль композитів в авіаційній промисловості
Використання різноманітних матеріалів у Boeing 787 Dreamliner. [1]Скловолокно є найпоширенішим композитним матеріалом і складається зі скляних волокон, вбудованих у смоляну матрицю. Скловолокно вперше широко використовувалося в 1950-х роках для човнів і автомобілів. Скловолокно вперше було використано в пасажирському літаку Boeing 707 у 1950-х роках, де воно становило близько двох відсотків конструкції. Кожне покоління нових літаків, побудованих компанією Boeing, мало підвищений відсоток використання композитних матеріалів; найвищим є 50% композитного використання в 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner стане першим комерційним літаком, основні елементи конструкції якого виготовлені з композитних матеріалів, а не з алюмінієвих сплавів. [1] У цьому літаку відбудеться перехід від архаїчних скловолоконних композитів до більш просунутих вуглецевих ламінатів і вуглецевих сендвіч-композитів. З коробкою крила Dreamliner виникли проблеми, які пояснювалися недостатньою жорсткістю композитних матеріалів, використаних для виготовлення частини. [1] Це призвело до затримок початкових термінів доставки літака. Щоб вирішити ці проблеми, Boeing посилює короби крил, додаючи нові кронштейни до вже виготовлених коробів крил, одночасно модифікуючи короби крил, які ще належить створити. [1]
Випробування композиційних матеріалів
Було виявлено, що важко точно змоделювати характеристики композитної деталі за допомогою комп’ютерного моделювання через складну природу матеріалу. Композитні матеріали часто накладаються один на одного для додаткової міцності, але це ускладнює етап тестування перед виробництвом, оскільки шари орієнтовані в різних напрямках, що ускладнює передбачити, як вони поводитимуться під час тестування. [1]
На деталях також можна проводити випробування на механічне навантаження. Ці випробування починаються з невеликих моделей, потім переходять до все більших частин конструкції і, нарешті, до повної конструкції. Конструктивні частини поміщаються в гідравлічні машини, які згинають і скручують їх, щоб імітувати навантаження, які виходять далеко за межі найгірших умов реальних польотів.
Фактори використання композиційних матеріалів
Зменшення ваги є найбільшою перевагою використання композитного матеріалу і є одним з ключових факторів при прийнятті рішень щодо його вибору. Інші переваги включають його високу стійкість до корозії та стійкість до пошкоджень від втоми. Ці фактори відіграють роль у зниженні експлуатаційних витрат літака в довгостроковій перспективі, подальшому підвищенні його ефективності. Композитні матеріали мають перевагу в тому, що з них можна формувати майже будь-яку форму за допомогою процесу формування, але це ускладнює і без того складну проблему моделювання.
Основним недоліком використання композитів є те, що вони є відносно новим матеріалом, і як такі мають високу вартість. Висока вартість також пояснюється трудомістким і часто складним процесом виготовлення. Композит важко перевірити на наявність дефектів, а деякі з них вбирають вологу.
Незважаючи на те, що алюміній важчий, він, навпаки, простий у виготовленні та ремонті. Його можна пом'яти або проколоти, але все ще триматися разом. Композити не такі; якщо вони пошкоджені, то вимагають негайного ремонту, що складно і дорого.
Економія палива завдяки зменшеній вазі
Споживання палива залежить від кількох змінних, зокрема: сухої ваги літака, ваги корисного вантажу, віку літака, якості палива, швидкості повітря, погоди тощо. Вага компонентів літака з композитних матеріалів зменшена приблизно на 20%, як у випадку з 787 Dreamliner. [4]
Зразок розрахунку загальної економії палива зі зменшенням ваги порожнього літака на 20% буде виконано нижче для літака Airbus A340-300.
Початкові значення вибірки для цього прикладу було отримано із зовнішнього джерела. [5]
Дано:
- Експлуатаційна порожня вага (OEW): 129 300 кг
- Максимальна вага без палива (MZFW): 178 000 кг
- Максимальна злітна маса (MTOW): 275 000 кг
- Макс. Діапазон @ Макс. Вага: 10 458 км
Інші величини можна розрахувати за наведеними вище цифрами:
- Максимальна вага вантажу = MZFW - OEW = 48 700 кг
- Максимальна вага палива = MTOW - MZFW = 97 000 кг
Таким чином, ми можемо додатково обчислити споживання палива в кг/км на основі максимальної ваги пального та максимального діапазону = 97 000 кг/10 458 км = 9,275 кг/км
Нижче наведено розрахунок для очікуваної економії палива зі зменшенням ваги на 20%, що призведе до зменшення значення OEW лише на 20%:
- OEW (новий) = 129 300 кг * 0,8 = 103 440 кг, що дорівнює економії ваги на 25 860 кг.
Припускаючи, що вага вантажу та палива залишаються незмінними:
- MZFW (новий) = MZFW - 25 680 кг = 152 320 кг
- MTOW (новий) = MTOW - 25 680 кг = 249 320 кг
Маса палива вагою 97 000 кг має зменшену MTOW, і, таким чином, матиме збільшений діапазон, оскільки максимальна вага та максимальний діапазон є обернено пропорційними величинами.
Використання простих коефіцієнтів для обчислення нового діапазону:
249,320kg275,000kg=10,458kмXkм{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}
Розв’язування для X дає новий діапазон:
- X = 11 535,18 км
Це дає нове значення споживання палива зі зниженою вагою = 97 000 кг/11 535,18 км = 8,409 кг/км
У перспективі можна сказати, що протягом подорожі довжиною 10 000 км буде досягнуто приблизно 8660 кг економії пального зі зменшенням ваги порожнього автомобіля на 20%.
Вплив на навколишнє середовище
Можлива переробка деталей зі списаних літаків. [6]Існує більш помітний зсув у бік зеленої техніки . Сучасне суспільство приділяє підвищену увагу нашому довкіллю. Це також стосується виробництва композитних матеріалів.
Як згадувалося раніше, композити мають меншу вагу та такі ж показники міцності, як і більш важкі матеріали. Коли легший композит транспортується або використовується для транспортування, навантаження на навколишнє середовище є меншим порівняно з важчими альтернативами. Композитні матеріали також більш стійкі до корозії, ніж матеріали на металевій основі, що означає, що деталі прослужать довше. [7] Поєднання цих факторів робить композити хорошими альтернативними матеріалами з екологічної точки зору.
Традиційно вироблені композитні матеріали виготовлені з волокон і смол на основі нафти та не піддаються біологічному розкладанню. [8] Це становить серйозну проблему, оскільки більшість композитів потрапляють на звалище, коли життєвий цикл композиту добігає кінця. [8] Проводяться значні дослідження біорозкладаних композитів, виготовлених із натуральних волокон. [9] Відкриття біорозкладаних композитних матеріалів, які можна легко виготовляти у великому масштабі та мають властивості, подібні до звичайних композитів, зробить революцію в кількох галузях промисловості, включаючи авіаційну.
Альтернативним варіантом допомоги в захисті навколишнього середовища є переробка використаних частин зі списаних літаків. «Скасування проектування» літака є складним і дорогим процесом, але може заощадити компанії гроші через високу вартість придбання запчастин з перших рук. [6]
Композитні матеріали майбутнього
Керамічні матричні композити
Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA) докладає значних зусиль для розробки легких, високотемпературних композитних матеріалів для використання в частинах літаків. На основі попередніх розрахунків очікується, що температура на вході турбіни концептуального двигуна досягає 1650 °C. [3] Для того, щоб матеріали витримували такі температури, необхідно використовувати композити з керамічною матрицею (CMC). Використання КМЦ у вдосконалених двигунах також дозволить підвищити температуру, при якій двигун може працювати, що призведе до збільшення виходу. [10] Незважаючи на те, що CMC є перспективними конструкційними матеріалами, їх застосування обмежене через відсутність відповідних армуючих матеріалів, труднощі обробки, термін служби та вартість.
Волокна павутинного шовку
Вченим поки що не вдалося досконало повторно синтезувати шовк павука.Павутинний шовк – ще один перспективний матеріал для використання композитних матеріалів. Павутинний шовк має високу пластичність, дозволяючи розтягнути волокно до 140% його нормальної довжини. [11] Павутинний шовк також зберігає свою міцність за низьких температур до -40°C. [11] Ці властивості роблять павутинний шовк ідеальним для використання в якості волокнистого матеріалу у виробництві пластичних композитних матеріалів, які зберігають свою міцність навіть за аномальних температур. Пластичні композитні матеріали будуть корисними для частин літака, які будуть піддаватися змінним навантаженням, наприклад, з’єднання крила з основним фюзеляжем. Підвищена міцність, в'язкість і пластичність такого композиту дозволить застосовувати більші напруги до частини або з'єднання до того, як станеться катастрофічний збій. Синтетичні композити на основі павутинного шовку також матимуть ту перевагу, що їхні волокна будуть біологічно розкладаними.
Було зроблено багато невдалих спроб відтворити шовк павука в лабораторії, але досконалого повторного синтезу ще не вдалося досягти. [12]
Гібридні композитні сталеві листи
Ще одним багатообіцяючим матеріалом може бути нержавіюча сталь, створена за мотивами композитів, нанотехнологічних волокон і фанери. Листи сталі виготовлені з того самого матеріалу, їх можна обробляти та обробляти точно так само, як і звичайну сталь. Але на кілька відсотків легше за ті ж сили. Це особливо цінно для виробництва автомобілів. Шведська компанія Lamera, яка очікує на отримання патенту, є результатом досліджень Volvo Industries.
Висновок
Завдяки більш високому відношенню міцності до ваги композитні матеріали мають перевагу перед звичайними металевими матеріалами; хоча в даний час виготовляти композити дорого. До тих пір, поки не буде впроваджено технології для зниження початкових витрат на впровадження та вирішення проблеми небіологічного розкладання поточних композитів, цей відносно новий матеріал не зможе повністю замінити традиційні металеві сплави.
Список літератури
- ↑Перейти до:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Моделювання поверхні для композитних матеріалів - SIAG GD - Отримано на http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Матеріали від А до Я - Композити: Основний вступ - Отримано за адресою http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Перейти до:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Отримано на http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Перейти до:4.0 4.1 Boeing 787 Dreamliner має загальну проблему - Zimbio - Отримано за адресою http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM та ін. - Паливна ефективність комерційних літаків (стор. 16) - Отримано на http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Перейти до:6.0 6.1 National Geographic Channel - Man Made: Plane - Отримано з http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Дослідження впливу композитів на навколишнє середовище - Отримано за адресою http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Перейти до:8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - Отримано на http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Матеріали від А до Я - Високоефективні композитні матеріали, виготовлені з біологічно розкладаного пластику, армованого натуральним волокном - Отримано на http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Університет Бордо - Ceramic Matrix Composites - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Перейти до:11.0 11.1 Департамент хімії - Брістольський університет - Отримано на http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Отримано на http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
