Vật liệu composite W được sử dụng rộng rãi trong Công nghiệp Máy bay và cho phép các kỹ sư vượt qua những trở ngại gặp phải khi sử dụng từng vật liệu riêng lẻ. Các vật liệu cấu thành giữ nguyên đặc tính của chúng trong vật liệu tổng hợp và không hòa tan hoặc hợp nhất hoàn toàn với nhau. Cùng với nhau, các vật liệu này tạo ra một loại vật liệu 'lai' có đặc tính cấu trúc được cải thiện.
Sự phát triển của vật liệu composite nhẹ, chịu nhiệt độ cao sẽ cho phép thế hệ tiếp theo của các thiết kế máy bay tiết kiệm, hiệu suất cao trở thành hiện thực. Việc sử dụng những vật liệu này sẽ làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí vận hành trực tiếp của máy bay.
Vật liệu composite có thể được tạo thành nhiều hình dạng khác nhau và nếu muốn, các sợi có thể được quấn chặt để tăng độ bền. Một tính năng hữu ích của vật liệu tổng hợp là chúng có thể được xếp lớp, với các sợi trong mỗi lớp chạy theo các hướng khác nhau. Điều này cho phép một kỹ sư thiết kế các cấu trúc với các đặc tính độc đáo. Ví dụ, một cấu trúc có thể được thiết kế sao cho nó sẽ uốn cong theo một hướng chứ không phải theo hướng khác. [2]
Nội dung
Tổng hợp các vật liệu tổng hợp cơ bản
Trong hỗn hợp cơ bản, một vật liệu đóng vai trò như một ma trận hỗ trợ, trong khi một vật liệu khác được xây dựng trên giàn giáo cơ bản này và gia cố toàn bộ vật liệu. Sự hình thành vật liệu có thể là một quá trình tốn kém và phức tạp. Về bản chất, nền vật liệu cơ bản được đặt trong khuôn dưới nhiệt độ và áp suất cao. Sau đó, nhựa epoxy hoặc nhựa được đổ lên vật liệu cơ bản, tạo ra vật liệu bền khi vật liệu composite được làm lạnh. Hỗn hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách nhúng các sợi của vật liệu thứ cấp vào nền cơ bản.
Vật liệu composite có độ bền kéo và khả năng chống nén tốt nên thích hợp sử dụng trong sản xuất linh kiện máy bay. Độ bền kéo của vật liệu đến từ bản chất dạng sợi của nó. Khi tác dụng lực kéo, các sợi trong vật liệu composite sẽ thẳng hàng với hướng của lực tác dụng, tạo ra độ bền kéo của nó. Khả năng chịu nén tốt có thể là do đặc tính kết dính và độ cứng của hệ ma trận nền. Vai trò của nhựa là duy trì các sợi ở dạng cột thẳng và ngăn chúng khỏi bị vênh.
Hàng không và vật liệu tổng hợp
Vật liệu composite rất quan trọng đối với ngành Hàng không vì chúng mang lại độ bền kết cấu tương đương với hợp kim kim loại nhưng có trọng lượng nhẹ hơn. Điều này giúp cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và hiệu suất của máy bay. [3] [4]
Vai trò của vật liệu composite trong ngành hàng không
Sợi thủy tinh là vật liệu composite phổ biến nhất và bao gồm các sợi thủy tinh được nhúng trong ma trận nhựa. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 cho tàu thuyền và ô tô. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng trong máy bay chở khách Boeing 707 vào những năm 1950, nơi nó chiếm khoảng 2% cấu trúc. Mỗi thế hệ máy bay mới do Boeing chế tạo đều có tỷ lệ sử dụng vật liệu composite tăng lên; cao nhất là mức sử dụng hỗn hợp 50% trên 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner sẽ là máy bay thương mại đầu tiên có các bộ phận cấu trúc chính được làm bằng vật liệu composite thay vì hợp kim nhôm. [1] Sẽ có sự chuyển đổi từ vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh cổ xưa sang vật liệu tổng hợp carbon laminate và sandwich carbon tiên tiến hơn trên chiếc máy bay này. Đã xảy ra vấn đề với hộp cánh của Dreamliner, nguyên nhân là do vật liệu composite được sử dụng để chế tạo bộ phận này không đủ độ cứng. [1] Điều này đã dẫn đến sự chậm trễ trong ngày giao hàng đầu tiên của máy bay. Để giải quyết những vấn đề này, Boeing đang gia cố các hộp cánh bằng cách thêm các giá đỡ mới vào các hộp cánh đã được chế tạo, đồng thời sửa đổi các hộp cánh vẫn chưa được chế tạo. [1]
Thử nghiệm vật liệu composite
Người ta thấy khó có thể mô hình hóa chính xác hiệu suất của một bộ phận được chế tạo bằng hỗn hợp bằng mô phỏng máy tính do tính chất phức tạp của vật liệu. Vật liệu tổng hợp thường được xếp chồng lên nhau để tăng thêm độ bền, nhưng điều này làm phức tạp giai đoạn thử nghiệm trước khi sản xuất vì các lớp được định hướng theo các hướng khác nhau, khiến khó dự đoán chúng sẽ hoạt động như thế nào khi thử nghiệm. [1]
Kiểm tra ứng suất cơ học cũng có thể được thực hiện trên các bộ phận. Những thử nghiệm này bắt đầu với các mô hình quy mô nhỏ, sau đó chuyển sang các phần lớn dần của cấu trúc và cuối cùng là cấu trúc đầy đủ. Các bộ phận cấu trúc được đưa vào máy thủy lực để uốn cong và xoắn chúng để mô phỏng ứng suất vượt xa những điều kiện tồi tệ nhất được mong đợi trong các chuyến bay thực tế.
Các yếu tố sử dụng vật liệu composite
Giảm trọng lượng là ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng vật liệu composite và là một trong những yếu tố quan trọng trong các quyết định lựa chọn vật liệu composite. Các ưu điểm khác bao gồm khả năng chống ăn mòn cao và khả năng chống hư hỏng do mỏi. Những yếu tố này đóng vai trò giảm chi phí vận hành máy bay về lâu dài, nâng cao hơn nữa hiệu quả của nó. Vật liệu tổng hợp có ưu điểm là chúng có thể được tạo thành hầu hết mọi hình dạng bằng quá trình đúc khuôn, nhưng điều này làm phức tạp thêm vấn đề tạo mô hình vốn đã khó khăn.
Một bất lợi lớn khi sử dụng vật liệu tổng hợp là chúng là một vật liệu tương đối mới và do đó có giá thành cao. Chi phí cao cũng là do quá trình chế tạo tốn nhiều công sức và thường phức tạp. Vật liệu tổng hợp khó kiểm tra các sai sót, trong khi một số trong chúng hấp thụ độ ẩm.
Ngược lại, mặc dù nặng hơn nhưng nhôm lại dễ sản xuất và sửa chữa. Nó có thể bị móp hoặc thủng và vẫn giữ được với nhau. Vật liệu tổng hợp không như thế này; nếu chúng bị hư hỏng thì phải sửa chữa ngay, việc này rất khó khăn và tốn kém.
Tiết kiệm nhiên liệu nhờ giảm trọng lượng
Mức tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào một số biến số, bao gồm: trọng lượng máy bay khô, trọng lượng tải trọng, tuổi máy bay, chất lượng nhiên liệu, tốc độ không khí, thời tiết, cùng nhiều yếu tố khác. Trọng lượng của các bộ phận máy bay làm bằng vật liệu composite giảm khoảng 20%, chẳng hạn như trường hợp của 787 Dreamliner. [4]
Một tính toán mẫu về tổng mức tiết kiệm nhiên liệu với việc giảm 20% trọng lượng rỗng sẽ được thực hiện dưới đây đối với máy bay Airbus A340-300.
Các giá trị mẫu ban đầu cho nghiên cứu điển hình này được lấy từ nguồn bên ngoài. [5]
Được cho:
- Trọng lượng rỗng khi vận hành (OEW): 129.300kg
- Trọng lượng nhiên liệu bằng không tối đa (MZFW): 178.000kg
- Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): 275.000kg
- Tối đa. Phạm vi @ Tối đa. Trọng lượng: 10,458 km
Các đại lượng khác có thể được tính từ các số liệu đã cho ở trên:
- Trọng lượng hàng hóa tối đa = MZFW - OEW = 48.700kg
- Trọng lượng nhiên liệu tối đa = MTOW - MZFW = 97.000kg
Vì vậy, chúng ta có thể tính thêm mức tiêu hao nhiên liệu tính bằng kg/km dựa trên trọng lượng nhiên liệu tối đa và quãng đường tối đa = 97.000kg/10.458km = 9,275kg/km
Sau đây là cách tính mức tiết kiệm nhiên liệu dự kiến khi giảm trọng lượng 20%, điều này sẽ chỉ làm giảm giá trị OEW 20%:
- OEW(mới) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, tương đương với việc giảm trọng lượng 25.860kg.
Giả sử trọng lượng hàng hóa và nhiên liệu không đổi:
- MZFW(mới) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
- MTOW(mới) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg
Khối lượng nhiên liệu 97.000kg cần xử lý MTOW giảm và do đó sẽ tăng phạm vi hoạt động vì trọng lượng tối đa và phạm vi tối đa tỷ lệ nghịch với nhau.
Sử dụng tỷ lệ đơn giản để tính toán phạm vi mới:
249,320kg275,000kg=10,458ktôiXktôi{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Việc giải X sẽ đưa ra một phạm vi mới của:
- X = 11.535,18km
Điều này mang lại một giá trị mới về mức tiêu thụ nhiên liệu với trọng lượng giảm = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km
Để so sánh điều này, trên hành trình 10.000km , sẽ tiết kiệm được khoảng 8.660kg nhiên liệu và giảm 20% trọng lượng rỗng.
Tác động môi trường
Có một sự chuyển dịch đang phát triển rõ nét hơn theo hướng Kỹ thuật Xanh . Môi trường của chúng ta ngày càng được xã hội ngày nay quan tâm và chú ý nhiều hơn. Điều này cũng đúng đối với việc sản xuất vật liệu composite.
Như đã đề cập trước đây, vật liệu tổng hợp có trọng lượng nhẹ hơn và giá trị độ bền tương tự như vật liệu nặng hơn. Khi vật liệu composite nhẹ hơn được vận chuyển hoặc được sử dụng trong ứng dụng vận tải, tải trọng môi trường sẽ thấp hơn so với các vật liệu thay thế nặng hơn. Vật liệu tổng hợp cũng có khả năng chống ăn mòn cao hơn vật liệu gốc kim loại, điều đó có nghĩa là các bộ phận sẽ tồn tại lâu hơn. [7] Những yếu tố này kết hợp lại để tạo ra vật liệu tổng hợp thay thế tốt từ góc độ môi trường.
Vật liệu composite được sản xuất thông thường được làm từ sợi và nhựa gốc dầu mỏ và về bản chất là không thể phân hủy sinh học. [8] Điều này gây ra một vấn đề nghiêm trọng vì hầu hết các vật liệu tổng hợp đều được đưa vào bãi rác sau khi vòng đời của vật liệu tổng hợp kết thúc. [8] Có nghiên cứu quan trọng đang được tiến hành về vật liệu tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học được làm từ sợi tự nhiên. [9] Việc phát hiện ra vật liệu composite có khả năng phân hủy sinh học có thể dễ dàng sản xuất trên quy mô lớn và có các đặc tính tương tự như vật liệu tổng hợp thông thường sẽ cách mạng hóa một số ngành công nghiệp, bao gồm cả ngành hàng không.
Một lựa chọn thay thế để hỗ trợ các nỗ lực bảo vệ môi trường là tái chế các bộ phận đã qua sử dụng từ những chiếc máy bay ngừng hoạt động. Việc 'không chế tạo' máy bay là một quá trình phức tạp và tốn kém, nhưng có thể tiết kiệm tiền cho các công ty do chi phí mua các bộ phận trực tiếp cao. [6]
Vật liệu composite trong tương lai
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm
Những nỗ lực lớn đang được tiến hành để phát triển vật liệu composite nhẹ, nhiệt độ cao tại Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) để sử dụng trong các bộ phận của máy bay. Nhiệt độ cao tới 1650°C được dự đoán cho các đầu vào tuabin của động cơ ý tưởng dựa trên các tính toán sơ bộ. [3] Để vật liệu chịu được nhiệt độ như vậy, cần phải sử dụng Vật liệu tổng hợp ma trận gốm (CMC). Việc sử dụng CMC trong các động cơ tiên tiến cũng sẽ cho phép tăng nhiệt độ mà động cơ có thể hoạt động, dẫn đến tăng hiệu suất. [10] Mặc dù CMC là vật liệu kết cấu đầy hứa hẹn nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế do thiếu vật liệu gia cố phù hợp, khó khăn trong xử lý, tuổi thọ và chi phí.
Sợi tơ nhện
Tơ nhện là một loại vật liệu đầy hứa hẹn khác để sử dụng vật liệu composite. Tơ nhện có độ dẻo cao, cho phép kéo dãn sợi lên tới 140% chiều dài thông thường. [11] Tơ nhện cũng giữ được độ bền ở nhiệt độ thấp tới -40°C. [11]Những đặc tính này khiến tơ nhện trở nên lý tưởng để sử dụng làm vật liệu sợi trong sản xuất vật liệu composite dẻo có khả năng giữ được độ bền ngay cả ở nhiệt độ bất thường. Vật liệu composite dẻo sẽ có lợi cho máy bay ở những bộ phận chịu áp lực thay đổi, chẳng hạn như phần nối của cánh với thân máy bay chính. Độ bền, độ dẻo dai và độ dẻo tăng lên của hỗn hợp như vậy sẽ cho phép tác dụng ứng suất lớn hơn lên bộ phận hoặc mối nối trước khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng. Vật liệu tổng hợp dựa trên tơ nhện tổng hợp cũng sẽ có ưu điểm là sợi của chúng có khả năng phân hủy sinh học.
Nhiều nỗ lực tái tạo tơ nhện trong phòng thí nghiệm đã không thành công nhưng vẫn chưa đạt được sự tái tổng hợp hoàn hảo. [12]
Tấm thép tổ hợp lai
Một loại vật liệu hứa hẹn khác có thể là thép không gỉ được chế tạo với cảm hứng từ vật liệu tổng hợp, sợi công nghệ nano và ván ép. Các tấm thép được làm từ cùng một vật liệu và có thể xử lý và sử dụng công cụ chính xác giống như thép thông thường. Nhưng nhẹ hơn vài phần trăm cho cùng một điểm mạnh. Điều này đặc biệt có giá trị đối với việc sản xuất ô tô. Công ty Lamera của Thụy Điển đang chờ cấp bằng sáng chế là một sản phẩm phụ từ nghiên cứu của Volvo Industries.
Phần kết luận
Do tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn, vật liệu composite có lợi thế hơn vật liệu kim loại thông thường; mặc dù hiện nay việc chế tạo vật liệu tổng hợp rất tốn kém. Cho đến khi các kỹ thuật được giới thiệu để giảm chi phí thực hiện ban đầu và giải quyết được vấn đề không phân hủy sinh học của vật liệu tổng hợp hiện tại, vật liệu tương đối mới này sẽ không thể thay thế hoàn toàn các hợp kim kim loại truyền thống.
Người giới thiệu
- ↑Nhảy lên:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Mô hình hóa bề mặt cho vật liệu composite - SIAG GD - Truy xuất tại http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Vật liệu từ A đến Z - Vật liệu tổng hợp: Giới thiệu cơ bản - Truy cập tại http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Nhảy lên:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Truy xuất tại http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Nhảy lên:4.0 4.1 Máy bay Dreamliner 787 của Boeing gặp sự cố tổng hợp - Zimbio - Truy xuất tại http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Vấn đề về Boeing+787+Dreamliner+composite+
- ↑ Peeters, PM và cộng sự. - Tiết kiệm nhiên liệu của máy bay thương mại (trang 16) - Truy cập tại http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Nhảy lên:6.0 6.1 Kênh Địa lý Quốc gia - Nhân tạo: Máy bay - Lấy từ http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Nghiên cứu về tác động môi trường của vật liệu tổng hợp - Truy cập tại http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Nhảy lên:8.0 8.1 Dệt may Insight - Vật liệu tổng hợp dệt xanh - Được truy xuất tại http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Vật liệu từ A đến Z - Vật liệu composite hiệu suất cao được sản xuất từ nhựa gia cố sợi tự nhiên có thể phân hủy sinh học - Được lấy tại http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Đại học Bordeaux - Vật liệu tổng hợp ma trận gốm - Truy cập tại http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Nhảy lên:11.0 11.1 Khoa Hóa - Đại học Bristol - Truy cập tại http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Nhện tạo ra tơ vàng - Truy cập tại http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/