Kompozit materiallar W Təyyarə Sənayesində geniş istifadə olunur və mühəndislərə materiallardan fərdi istifadə zamanı qarşıya çıxan maneələri dəf etməyə imkan verib. Tərkibindəki materiallar kompozitlərdə öz şəxsiyyətlərini saxlayır və həll olunmur və ya tamamilə bir-birinə qarışmır. Materiallar birlikdə struktur xüsusiyyətlərini yaxşılaşdıran "hibrid" material yaradır.
Yüngül çəkiyə, yüksək temperatura davamlı kompozit materialların inkişafı yüksək məhsuldar, qənaətcil təyyarə dizaynlarının növbəti nəslini həyata keçirməyə imkan verəcək. Belə materialların istifadəsi yanacaq sərfiyyatını azaldacaq, səmərəliliyi artıracaq və təyyarələrin birbaşa istismar xərclərini azaldacaq.
Kompozit materiallar müxtəlif formalarda formalaşa bilər və arzu edilərsə, gücü artırmaq üçün liflər sıx şəkildə sarıla bilər. Kompozitlərin faydalı xüsusiyyəti, hər təbəqədəki liflərin fərqli istiqamətdə hərəkət etməsi ilə laylı ola bilməsidir. Bu, mühəndisə unikal xüsusiyyətlərə malik strukturları dizayn etməyə imkan verir. Məsələn, bir quruluş bir istiqamətə əyiləcək, başqa bir istiqamətə əyilməyəcək şəkildə dizayn edilə bilər. [2]
İçindəkilər
Əsas kompozitlərin sintezi
Əsas kompozitdə bir material dəstəkləyici matris kimi çıxış edir, digər material isə bu əsas iskele üzərində qurur və bütün materialı gücləndirir. Materialın formalaşması bahalı və mürəkkəb bir proses ola bilər. Əslində, əsas material matrisi yüksək temperatur və təzyiq altında bir qəlibə qoyulur. Sonra əsas materialın üzərinə epoksi və ya qatran tökülür , kompozit material soyuduqda güclü material yaranır. Kompozit həmçinin ikinci dərəcəli materialın liflərini əsas matrisə daxil etməklə də istehsal oluna bilər.
Kompozitlər yaxşı dartılma gücünə və sıxılma müqavimətinə malikdir, bu da onları təyyarə hissələrinin istehsalında istifadə üçün əlverişli edir. Materialın dartılma gücü onun lifli təbiətindən irəli gəlir. Dartma qüvvəsi tətbiq edildikdə, kompozitin içindəki liflər tətbiq olunan qüvvənin istiqaməti ilə düzülür və onun dartılma gücünü verir. Sıxılmaya qarşı yaxşı müqavimət əsas matris sisteminin yapışdırıcı və sərtlik xüsusiyyətlərinə aid edilə bilər. Lifləri düz sütunlar kimi saxlamaq və onların bükülməsinin qarşısını almaq qatranın roludur.
Aviasiya və kompozitlər
Kompozit materiallar Aviasiya Sənayesi üçün vacibdir, çünki onlar metal ərintilərlə müqayisə edilə bilən, lakin daha yüngül çəki ilə struktur möhkəmliyini təmin edir. Bu, yanacaq səmərəliliyinin və təyyarənin performansının yaxşılaşmasına səbəb olur. [3] [4]
Kompozitlərin aviasiya sənayesində rolu
Fiberglas ən çox yayılmış kompozit materialdır və qatran matrisinə daxil edilmiş şüşə liflərdən ibarətdir. Fiberglas ilk dəfə 1950-ci illərdə qayıqlar və avtomobillər üçün geniş şəkildə istifadə edilmişdir. Fiberglas ilk dəfə 1950-ci illərdə Boeing 707 sərnişin təyyarəsində istifadə edildi və burada strukturun təxminən iki faizini təşkil etdi. Boeing tərəfindən inşa edilən yeni təyyarələrin hər bir nəsli kompozit materialdan istifadənin faizinə malik idi; ən yüksək 787 Dreamliner -də 50% kompozit istifadədir .
Boeing 787 Dreamliner əsas konstruksiya elementlərinin alüminium ərintilərindən deyil, kompozit materiallardan hazırlandığı ilk kommersiya təyyarəsi olacaq. [1] Bu təyyarədə arxaik fiberglas kompozitlərdən daha təkmil karbon laminatına və karbon sendviç kompozitlərinə keçid olacaq. Dreamliner-in qanad qutusunda problemlərlə üzləşib, bu problem hissənin qurulması üçün istifadə olunan kompozit materiallarda kifayət qədər sərtlik olmaması ilə əlaqələndirilir. [1] Bu, təyyarənin ilkin çatdırılma tarixlərində gecikmələrə səbəb olub. Bu problemləri həll etmək üçün Boeing artıq tikilmiş qanad qutularına yeni mötərizələr əlavə etməklə, hələ tikilməmiş qanad qutularını dəyişdirərək qanad qutularını sərtləşdirir. [1]
Kompozit materialların sınaqdan keçirilməsi
Materialın mürəkkəb təbiətinə görə kompüter simulyasiyası ilə kompozit hissənin performansını dəqiq modelləşdirmək çətin tapıldı. Kompozitlər əlavə güc üçün çox vaxt bir-birinin üstünə qatlanır, lakin bu, istehsaldan əvvəl sınaq mərhələsini çətinləşdirir, çünki təbəqələr müxtəlif istiqamətlərə yönəldilir və sınaq zamanı onların necə davranacağını proqnozlaşdırmaq çətinləşir. [1]
Parçalar üzərində mexaniki gərginlik testləri də aparıla bilər. Bu testlər kiçik miqyaslı modellərlə başlayır, sonra strukturun tədricən daha böyük hissələrinə və nəhayət, tam struktura keçir. Struktur hissələri real uçuşlarda ən pis gözlənilən şərtlərdən çox kənara çıxan gərginlikləri təqlid etmək üçün onları əyən və burudan hidravlik maşınlara yerləşdirilir.
Kompozit materialdan istifadə amilləri
Çəkinin azaldılması kompozit materialdan istifadənin ən böyük üstünlüyüdür və onun seçimi ilə bağlı qərarların verilməsində əsas amillərdən biridir. Digər üstünlüklərə onun yüksək korroziyaya davamlılığı və yorğunluqdan yaranan zədələrə qarşı müqavimət daxildir. Bu amillər uzunmüddətli perspektivdə təyyarənin istismar xərclərinin azaldılmasında, səmərəliliyinin daha da yüksəlməsində rol oynayır. Kompozitlərin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, onları qəlibləmə prosesindən istifadə etməklə demək olar ki, istənilən formaya salmaq olar, lakin bu, onsuz da çətin olan modelləşdirmə problemini birləşdirir.
Kompozitlərin istifadəsinin əsas çatışmazlığı onların nisbətən yeni material olması və buna görə də yüksək qiymətə malik olmasıdır. Yüksək qiymət həm də çox əmək tələb edən və çox vaxt mürəkkəb istehsal prosesi ilə əlaqələndirilir. Kompozitləri qüsurlara görə yoxlamaq çətindir, bəziləri isə nəm udur.
Daha ağır olmasına baxmayaraq, alüminium, əksinə, istehsalı və təmiri asandır. O, əyilmiş və ya deşilmiş ola bilər və hələ də birlikdə qala bilər. Kompozitlər belə deyil; zədələnmişlərsə, təcili təmir tələb olunur, bu da çətin və bahalıdır.
Azaldılmış çəki ilə yanacağa qənaət
Yanacaq sərfiyyatı bir neçə dəyişəndən asılıdır, o cümlədən: quru təyyarənin çəkisi, faydalı yükün çəkisi, təyyarənin yaşı, yanacağın keyfiyyəti, hava sürəti, hava və s. Kompozit materiallardan hazırlanmış təyyarə komponentlərinin çəkisi, məsələn, 787 Dreamliner-də olduğu kimi, təxminən 20% azaldılır. [4]
Aşağıda Airbus A340-300 təyyarəsi üçün boş çəkidə 20% azalma ilə ümumi yanacaq qənaətinin nümunə hesablanması aparılacaq.
Bu nümunə tədqiqatı üçün ilkin nümunə dəyərləri xarici mənbədən əldə edilmişdir. [5]
Verildi:
- Əməliyyat Boş Çəkisi (OEW): 129,300 kq
- Maksimum Sıfır Yanacaq Çəkisi (MZFW): 178,000 kq
- Maksimum uçuş çəkisi (MTOW): 275.000 kq
- Maks. Aralıq @ Maks. Çəkisi: 10,458 km
Digər miqdarları yuxarıda verilmiş rəqəmlərdən hesablamaq olar:
- Maksimum Yük Çəkisi = MZFW - OEW = 48,700 kq
- Maksimum Yanacağın Çəki = MTOW - MZFW = 97.000kg
Beləliklə, maksimum yanacaq çəkisi və maksimum diapazon = 97,000kq/10,458km = 9,275kq/km əsasında yanacaq sərfiyyatını kq/km ilə əlavə hesablaya bilərik.
Aşağıda 20% çəki azalması ilə gözlənilən yanacağa qənaət üçün hesablama verilmişdir ki, bu da OEW dəyərini yalnız 20% azaldır:
- OEW(yeni) = 129,300 kq * 0,8 = 103,440 kq, bu da 25,860 kq çəki qənaətinə bərabərdir.
Yükün və yanacağın çəkisinin sabit qaldığını fərz edək:
- MZFW(yeni) = MZFW - 25,680kq = 152,320kq
- MTOW(yeni) = MTOW - 25,680kq = 249,320kq
97.000 kq yanacağın kütləsi azaldılmış MTOW-a malikdir və beləliklə, maksimum çəki və maksimum diapazon tərs mütənasib kəmiyyətlər olduğu üçün artan diapazona malik olacaq.
Yeni aralığı hesablamaq üçün sadə nisbətlərdən istifadə edin:
249,320kg275,000kg=10,458kmXkm{\ displaystyle {\ frac {249,320 kq} {275 000 kq}} = {\ frac {10.458 km} {Xkm}}}
X üçün həll yeni bir sıra verir:
- X = 11,535,18 km
Bu, azaldılmış çəki = 97.000kq/11.535.18km = 8.409kq/km olan yanacaq sərfiyyatı üçün yeni dəyər verir.
Bunu perspektivə qoymaq üçün, 10.000 km- dən çox məsafədə boş çəkidə 20% azalma ilətəxminən 8.660 kq yanacaq qənaəti olacaq .
Ətraf mühitə təsir
Yaşıl Mühəndisliyə doğru daha çox inkişaf edən bir dəyişiklik var . Ətrafımıza bugünkü cəmiyyət tərəfindən daha çox fikir və diqqət verilir. Bu, kompozit material istehsalına da aiddir.
Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, kompozitlər daha yüngül çəkiyə və daha ağır materiallara bənzər güc dəyərlərinə malikdir. Yüngül kompozit daşındıqda və ya nəqliyyatda istifadə edildikdə, daha ağır alternativlərlə müqayisədə daha az ekoloji yük olur. Kompozitlər, həmçinin metal əsaslı materiallardan daha çox korroziyaya davamlıdır, bu da hissələrin daha uzun sürəcəyi deməkdir. [7] Bu amillər ətraf mühit baxımından kompozitləri yaxşı alternativ materiallar etmək üçün birləşir.
Ənənəvi olaraq istehsal olunan kompozit materiallar neft əsaslı liflərdən və qatranlardan hazırlanır və təbiətcə bioloji parçalanmır. [8] Bu, əhəmiyyətli bir problem yaradır, çünki kompozitlərin həyat dövrü başa çatdıqdan sonra əksər kompozitlər poliqonda başa çatır. [8] Təbii liflərdən hazırlanmış bioloji parçalana bilən kompozitlər üzərində əhəmiyyətli tədqiqatlar aparılır. [9] Böyük miqyasda asanlıqla istehsal oluna bilən və adi kompozitlərə bənzər xüsusiyyətlərə malik olan bioloji parçalana bilən kompozit materialların kəşfi aviasiya sənayesi də daxil olmaqla bir neçə sənayedə inqilab edəcək.
Ətraf mühitin mühafizəsi səylərinə kömək etmək üçün alternativ variant istismardan çıxarılan təyyarələrdən istifadə edilmiş hissələri təkrar emal etmək olardı. Təyyarənin “mühəndissizliyi” mürəkkəb və bahalı bir prosesdir, lakin birinci əldən hissələrin alınması yüksək qiymətə görə şirkətlərə pula qənaət edə bilər. [6]
Gələcək kompozit materiallar
Keramika matrisli kompozitlər
Milli Aeronavtika və Kosmik Tədqiqatlar İdarəsində (NASA) təyyarə hissələrində istifadə üçün yüngül çəkili, yüksək temperatura malik kompozit materialların hazırlanması istiqamətində böyük səylər davam etdirilir . İlkin hesablamalara əsasən konseptual mühərrikin turbin girişləri üçün 1650°C-ə qədər yüksək temperaturlar gözlənilir. [3] Materialların belə temperaturlara tab gətirə bilməsi üçün Seramik Matris Kompozitlərinin (CMCs) istifadəsi tələb olunur. Qabaqcıl mühərriklərdə CMC-lərin istifadəsi həm də mühərrikin işlənə biləcəyi temperaturun artmasına imkan verəcək və məhsuldarlığın artmasına səbəb olacaqdır. [10] CMC-lərin perspektivli struktur materialları olmasına baxmayaraq, uyğun möhkəmləndirici materialların olmaması, emal çətinlikləri, istifadə müddəti və dəyəri səbəbindən onların tətbiqi məhduddur.
Hörümçək ipək lifləri
Hörümçək ipək kompozit materialdan istifadə üçün başqa bir perspektivli materialdır. Hörümçək ipəyi yüksək çeviklik nümayiş etdirir, lifin normal uzunluğunun 140%-nə qədər uzanmasına imkan verir. [11] Hörümçək ipəyi -40°C kimi aşağı temperaturlarda da öz gücünü saxlayır. [11] Bu xüsusiyyətlər hörümçək ipəyini anormal temperaturlarda belə öz gücünü saxlayacaq elastik kompozit materialların istehsalında lif materialı kimi istifadə etmək üçün ideal hala gətirir. Çevik kompozit materiallar, qanadın əsas gövdə ilə birləşməsi kimi dəyişkən gərginliyə məruz qalacaq hissələrdə təyyarə üçün faydalı olacaq. Belə bir kompozitin artan gücü, möhkəmliyi və çevikliyi, fəlakətli uğursuzluq baş verməzdən əvvəl hissəyə və ya birləşməyə daha böyük gərginliklər tətbiq etməyə imkan verəcəkdir. Sintetik hörümçək ipək əsaslı kompozitlər də onların liflərinin bioloji parçalana bilməsi üstünlüyünə malik olacaqlar.
Hörümçək ipəyinin laboratoriyada çoxaldılması üçün bir çox uğursuz cəhdlər edildi, lakin mükəmməl yenidən sintez hələ əldə edilməyib. [12]
Hibrid kompozit polad təbəqələr
Digər perspektivli material kompozitlərdən, nanontexniki liflərdən və kontrplakdan ilham alaraq tikilmiş paslanmayan polad ola bilər. Polad təbəqələr eyni materialdan hazırlanır və adi poladla eyni şəkildə idarə edə və alət edə bilir. Ancaq eyni güclü tərəflər üçün bir neçə faiz daha yüngüldür. Bu, avtomobil istehsalı üçün xüsusilə qiymətlidir. Patent gözlənilən isveç şirkəti Lamera Volvo Industries-in tədqiqatının bir hissəsidir.
Nəticə
Daha yüksək möhkəmlik-çəki nisbətlərinə görə, kompozit materiallar adi metal materiallardan üstünlüyə malikdir; baxmayaraq, hazırda kompozitlərin istehsalı baha başa gəlir. İlkin icra xərclərini azaltmaq və hazırkı kompozitlərin bioloji parçalanmaması məsələsini həll etmək üçün üsullar tətbiq edilməyincə, bu nisbətən yeni material ənənəvi metal ərintilərini tamamilə əvəz edə bilməyəcək.
İstinadlar
- ↑Yuxarı atlayın:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Kompozit Materiallar üçün Səthin Modelləşdirilməsi - SIAG GD - http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/ saytından əldə edilib
- ↑ Materialların A-dan Z-yə qədər - Kompozitlər: Əsas Giriş - http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962 ünvanından əldə edilib.
- ↑Yuxarı atlayın:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - http://www.keytometals.com/Article103.htm saytından əldə edilib
- ↑Yuxarı atlayın:4.0 4.1 Boeing-in 787 Dreamliner-də Kompozit Problemi Var - Zimbio - http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18 ünvanından əldə edilib. Boeing+787+Dreamliner+kompozit+problemi
- ↑ Peeters, PM et al. - Ticarət təyyarələrinin yanacaq səmərəliliyi (səh. 16) - http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf ünvanından əldə edilmişdir.
- ↑Yuxarı atlayın:6.0 6.1 National Geographic Channel - İnsan istehsalı: Təyyarə - http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00saytından alındı
- ↑ Kompozitlərin ətraf mühitə təsirinin tədqiqi - http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pf ünvanından əldə edilib.
- ↑Yuxarı atlayın:8.0 8.1 Textile Insight - Green Textile Composites - http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453 ünvanından əldə edilib
- ↑ Materialların A-dan Z-yə qədər - Bioloji parçalana bilən təbii liflə gücləndirilmiş plastiklərdən istehsal olunan yüksək performanslı kompozit materiallar - http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735 ünvanından əldə edilmişdir.
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_1.213d ünvanından əldə edilib.
- ↑Yuxarı atlayın:11.0 11.1 Kimya Departamenti - Bristol Universiteti - http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm ünvanından əldə edilib
- ↑ Wired Science - Hörümçəklər Qızıl İpək düzəldirlər - http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/ saytından əldə edilmişdir