חומרים מרוכבים W נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית המטוסים ואפשרו למהנדסים להתגבר על מכשולים שנתקלו בהם בעת שימוש בחומרים בנפרד. החומרים המרכיבים שומרים על זהותם בחומרים המרוכבים ואינם מתמוססים או מתמזגים לחלוטין זה בזה. יחד, החומרים יוצרים חומר 'היברידי' בעל תכונות מבניות משופרות.
הפיתוח של חומרים מרוכבים קלים ועמידים לטמפרטורות גבוהות יאפשר לדור הבא של עיצובי מטוסים חסכוניים בביצועים גבוהים להתממש. שימוש בחומרים כאלה יקטין את צריכת הדלק, ישפר את היעילות ויקטין את עלויות התפעול הישירות של מטוסים.
חומרים מרוכבים יכולים להיווצר בצורות שונות ואם רוצים, ניתן לכרוך את הסיבים בחוזקה כדי להגביר את החוזק. תכונה שימושית של חומרים מרוכבים היא שניתן לרבד אותם, כאשר הסיבים בכל שכבה פועלים בכיוון אחר. זה מאפשר למהנדס לתכנן מבנים בעלי תכונות ייחודיות. לדוגמה, ניתן לתכנן מבנה כך שיתכופף לכיוון אחד, אך לא אחר. [2]
תוכן
סינתזה של חומרים מרוכבים בסיסיים
בקומפוזיט בסיסי, חומר אחד משמש כמטריצה תומכת, בעוד שחומר אחר בונה על פיגום בסיס זה ומחזק את החומר כולו. היווצרות החומר עשויה להיות תהליך יקר ומורכב. למעשה, מטריצת חומר בסיס מונחת בתבנית תחת טמפרטורה ולחץ גבוהים. לאחר מכן יוצקים אפוקסי או שרף על חומר הבסיס, ויוצרים חומר חזק כאשר החומר המרוכב מתקרר. ניתן לייצר את המרוכב גם על ידי הטבעת סיבים של חומר משני במטריצת הבסיס.
לחומרים מרוכבים יש חוזק מתיחה טוב ועמידות בפני דחיסה, מה שהופך אותם מתאימים לשימוש בייצור חלקי מטוסים. חוזק המתיחה של החומר נובע מאופיו הסיבי. כאשר מופעל כוח מתיחה, הסיבים בתוך המרוכבים מתיישרים עם כיוון הכוח המופעל, ומעניקים את חוזק המתיחה שלו. את העמידות הטובה בפני דחיסה ניתן לייחס לתכונות ההדבקה והקשיחות של מערכת המטריצה הבסיסית. תפקידו של השרף לשמור על הסיבים כעמודים ישרים ולמנוע מהם להתכווץ.
תעופה וחומרים מרוכבים
חומרים מרוכבים חשובים לתעשיית התעופה מכיוון שהם מספקים חוזק מבני הדומה לסגסוגות מתכתיות, אך במשקל קל יותר. זה מוביל לשיפור יעילות הדלק והביצועים ממטוס. [3] [4]
תפקידם של חומרים מרוכבים בתעשיית התעופה
פיברגלס הוא החומר המרוכב הנפוץ ביותר, והוא מורכב מסיבי זכוכית המוטבעים במטריצת שרף. פיברגלס היה בשימוש נרחב לראשונה בשנות ה-50 עבור סירות וכלי רכב. פיברגלס שימש לראשונה במטוס הנוסעים בואינג 707 בשנות ה-50, שם הוא היוו כשני אחוזים מהמבנה. לכל דור של מטוסים חדשים שנבנה על ידי בואינג היה אחוז מוגבר של שימוש בחומרים מרוכבים; הגבוה ביותר הוא 50% שימוש מורכב ב -787 Dreamliner .
הבואינג 787 דרימליינר יהיה המטוס המסחרי הראשון שבו אלמנטים מבניים עיקריים עשויים מחומרים מרוכבים ולא מסגסוגות אלומיניום. [1] יהיה מעבר מחומרי פיברגלס ארכאיים לרכיבים מתקדמים יותר של פחמן לרבד וכריך פחמן במטוס זה. נתקלו בבעיות בקופסת הכנפיים של הדרימליינר, אשר יוחסו לקשיחות לא מספקת בחומרים המרוכבים המשמשים לבניית החלק. [1] הדבר הוביל לעיכובים במועדי המסירה הראשוניים של המטוס. על מנת לפתור את הבעיות הללו, בואינג מקשיחה את תיבות הכנף על ידי הוספת סוגריים חדשים לקופסאות כנף שכבר נבנו, תוך שינוי תיבות כנף שטרם נבנו. [1]
בדיקת חומרים מרוכבים
התגלה שקשה להדגים במדויק את הביצועים של חלק עשוי מרוכב על ידי הדמיית מחשב בשל האופי המורכב של החומר. לעתים קרובות מרוכבים מרוכבים זה על גבי זה לתוספת חוזק, אך הדבר מסבך את שלב הבדיקה שלפני הייצור, שכן השכבות מכוונות לכיוונים שונים, מה שמקשה לחזות כיצד הן יתנהגו בעת הבדיקה. [1]
ניתן לבצע גם בדיקות מאמץ מכניות בחלקים. בדיקות אלו מתחילות במודלים בקנה מידה קטן, ואז עוברות לחלקים גדולים יותר של המבנה, ולבסוף למבנה המלא. החלקים המבניים מוכנסים למכונות הידראוליות שמתכופפות ומפותלות אותן כדי לחקות מתחים החורגים הרבה מעבר לתנאים הצפויים ביותר בטיסות אמיתיות.
גורמים של שימוש בחומרים מרוכבים
הפחתת משקל היא היתרון הגדול ביותר של שימוש בחומרים מרוכבים והיא אחד הגורמים המרכזיים בהחלטות לגבי בחירתו. יתרונות נוספים כוללים עמידות גבוהה בפני קורוזיה ועמידותו בפני נזקים מעייפות. גורמים אלו ממלאים תפקיד בהפחתת עלויות התפעול של המטוס בטווח הארוך, ומשפרים עוד יותר את יעילותו. לרכיבים מרוכבים יש את היתרון שהם יכולים להיווצר כמעט לכל צורה באמצעות תהליך היציקה, אבל זה מחמיר את בעיית הדוגמנות הקשה ממילא.
החיסרון העיקרי בשימוש בחומרים מרוכבים הוא שהם חומר חדש יחסית, וככזה יש להם עלות גבוהה. העלות הגבוהה מיוחסת גם לתהליך הייצור עתיר העבודה ולעתים קרובות מורכב. קשה לבדוק פגמים של חומרים מרוכבים, בעוד שחלקם סופגים לחות.
למרות שהוא כבד יותר, אלומיניום, לעומת זאת, קל לייצור ולתיקון. זה יכול להיות שקע או ניקוב ועדיין להחזיק יחד. חומרים מרוכבים אינם כאלה; אם הם פגומים, הם דורשים תיקון מיידי, וזה קשה ויקר.
חיסכון בדלק עם משקל מופחת
צריכת הדלק תלויה במספר משתנים, ביניהם: משקל מטוס יבש, משקל מטען, גיל המטוס, איכות הדלק, מהירות אוויר, מזג אוויר, בין היתר. משקלם של רכיבי מטוס העשויים מחומרים מרוכבים מופחת בכ-20%, כמו במקרה של ה-787 Dreamliner. [4]
חישוב לדוגמה של החיסכון הכולל בדלק עם הפחתת משקל ריק של 20% יעשה להלן עבור מטוס איירבוס A340-300.
ערכי מדגם ראשוניים למחקר מקרה זה התקבלו ממקור חיצוני. [5]
נָתוּן:
- משקל ריק הפעלה (OEW): 129,300 ק"ג
- משקל דלק מרבי אפס (MZFW): 178,000 ק"ג
- משקל המראה מקסימלי (MTOW): 275,000 ק"ג
- מקסימום טווח @ מקסימום. משקל: 10,458 ק"מ
ניתן לחשב כמויות אחרות מהנתונים המפורטים לעיל:
- משקל מטען מרבי = MZFW - OEW = 48,700 ק"ג
- משקל דלק מקסימלי = MTOW - MZFW = 97,000 ק"ג
אז נוכל לחשב עוד את צריכת הדלק בק"ג/ק"מ בהתבסס על משקל דלק מרבי וטווח מקסימלי = 97,000 ק"ג/10,458 ק"מ = 9.275 ק"ג/ק"מ
להלן החישוב לחיסכון הצפוי בדלק עם הפחתת משקל של 20%, שתפחית רק את ערך ה-OEW ב-20%:
- OEW (חדש) = 129,300 ק"ג * 0.8 = 103,440 ק"ג, מה שמשתווה לחיסכון של 25,860 ק"ג במשקל.
בהנחה שמשקל המטען והדלק נשארים קבועים:
- MZFW (חדש) = MZFW - 25,680 ק"ג = 152,320 ק"ג
- MTOW (חדש) = MTOW - 25,680 ק"ג = 249,320 ק"ג
למסת הדלק של 97,000 ק"ג יש MTOW מופחת להתמודד איתו, ולכן יהיה לו טווח מוגדל מכיוון שהמשקל המרבי והטווח המרבי הם כמויות ביחס הפוך.
שימוש ביחסים פשוטים כדי לחשב את הטווח החדש:
249,320קז275,000קז=10,458קMאיקסקM{\displaystyle {\frac {249,320kg}{275,000kg}}={\frac {10,458km}{Xkm}}}
פתרון עבור X נותן מגוון חדש של:
- X = 11,535.18 ק"מ
זה נותן ערך חדש לצריכת דלק עם משקל מופחת = 97,000 ק"ג/11,535.18 ק"מ = 8.409 ק"ג/ק"מ
כדי לשים את זה בפרספקטיבה, במהלך נסיעה של 10,000 ק"מ , יהיה חיסכון בדלק משוער של 8,660 ק"ג עם הפחתה של 20% במשקל הריק.
השפעה על הסביבה
יש שינוי שמתפתח בצורה בולטת יותר לעבר הנדסה ירוקה . הסביבה שלנו זוכה למחשבה ותשומת לב מוגברת על ידי החברה של היום. זה נכון גם לייצור חומרים מרוכבים.
כפי שהוזכר קודם, לחומרים מרוכבים יש משקל קל יותר וערכי חוזק דומים לחומרים כבדים יותר. כאשר המרוכבים הקלים יותר מובלים, או משתמשים בו ביישום הובלה, קיים עומס סביבתי נמוך יותר בהשוואה לחלופות הכבדות יותר. חומרים מרוכבים הם גם עמידים יותר בפני קורוזיה מחומרים מבוססי מתכת, מה שאומר שחלקים יחזיקו מעמד זמן רב יותר. [7] גורמים אלה משתלבים כדי להפוך חומרים מרוכבים לחומרים חלופיים טובים מנקודת מבט סביבתית.
חומרים מרוכבים המיוצרים באופן קונבנציונלי עשויים מסיבים ושרף מבוססי נפט, ואינם מתכלים מטבעם. [8] זה מהווה בעיה משמעותית שכן רוב החומרים המרוכבים מגיעים למזבלה ברגע שמחזור החיים של חומר מרוכב מסתיים. [8] קיים מחקר משמעותי שנערך בחומרים מרוכבים מתכלים אשר עשויים מסיבים טבעיים. [9] הגילוי של חומרים מרוכבים מתכלים שניתן לייצר בקלות בקנה מידה גדול ובעלי תכונות דומות לחומרים מרוכבים קונבנציונליים יחולל מהפכה במספר תעשיות, כולל תעשיית התעופה.
אפשרות חלופית לסיוע למאמצים סביבתיים תהיה מיחזור חלקים משומשים ממטוסים שהושבתו. 'אי-הנדסה' של מטוס הוא תהליך מורכב ויקר, אך עשוי לחסוך כסף לחברות בשל העלות הגבוהה של רכישת חלקים יד ראשונה. [6]
חומרים מרוכבים עתידיים
חומרים מרוכבים מטריצות קרמיות
מאמצים גדולים נערכים לפיתוח חומרים מרוכבים קלים ובטמפרטורה גבוהה במינהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי (NASA) לשימוש בחלקי מטוסים. טמפרטורות גבוהות עד 1650 מעלות צלזיוס צפויות עבור כניסות הטורבינה של מנוע קונספטואלי על סמך חישובים ראשוניים. [3] על מנת שחומרים יעמדו בטמפרטורות כאלה, נדרש שימוש ב-Ceramic Matrix Composites (CMCs). השימוש ב-CMC במנועים מתקדמים יאפשר גם עלייה בטמפרטורה בה ניתן להפעיל את המנוע, מה שיוביל להגדלת התפוקה. [10] למרות ש-CMCs הם חומרים מבניים מבטיחים, היישומים שלהם מוגבלים עקב מחסור בחומרי חיזוק מתאימים, קשיי עיבוד, משך חיים ועלות.
סיבי משי עכביש
משי עכביש הוא חומר מבטיח נוסף לשימוש בחומרים מרוכבים. משי עכביש מפגין גמישות גבוהה, המאפשר מתיחה של סיב עד 140% מאורכו הרגיל. [11] משי עכביש מחזיק את חוזקו גם בטמפרטורות נמוכות כמו -40 מעלות צלזיוס. [11]תכונות אלו הופכות את משי העכביש לאידיאלי לשימוש כחומר סיבים בייצור חומרים מרוכבים רקיעים שישמרו על חוזקם גם בטמפרטורות חריגות. חומרים מרוכבים רקיעים יועילו למטוס בחלקים שיהיו נתונים ללחצים משתנים, כגון חיבור של כנף עם גוף המטוס הראשי. החוזק, הקשיחות והגמישות המוגברים של חומר מרוכב כזה יאפשרו להפעיל מתחים גדולים יותר על החלק או ההצטרפות לפני שמתרחש כשל קטסטרופלי. לחומרים מרוכבים על בסיס משי עכביש סינטטי יהיה גם יתרון שהסיבים שלהם יהיו מתכלים.
ניסיונות רבים לא מוצלחים נעשו לשחזר משי עכביש במעבדה, אך עדיין לא הושגה סינתזה מחדש מושלמת. [12]
יריעות פלדה מרוכבות היברידיות
חומר מבטיח נוסף יכול להיות נירוסטה הבנויה בהשראת חומרים מרוכבים וסיבים ננו-טק ודיקט. יריעות הפלדה עשויות מאותו חומר ומסוגלות להתמודד ולעבד בדיוק באותו אופן כמו פלדה רגילה. אבל הוא קל יותר באחוזים לאותם נקודות חוזק. זה חשוב במיוחד לייצור כלי רכב. חברת Lamera השוודית ממתינה לפטנט, היא ספין-אוף ממחקר בתוך וולוו תעשיות.
סיכום
בשל יחסי חוזק-משקל גבוהים יותר, לחומרים מרוכבים יש יתרון על פני חומרים מתכתיים קונבנציונליים; למרות שכרגע זה יקר לייצר חומרים מרוכבים. עד שיוצגו טכניקות להפחתת עלויות היישום הראשוניות וטיפול בסוגיית אי-ההתכלות הביולוגית של חומרים מרוכבים קיימים, חומר חדש יחסית זה לא יוכל להחליף לחלוטין סגסוגות מתכתיות מסורתיות.
הפניות
- ↑קפוץ עד:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 דוגמנות פני השטח לחומרים מרוכבים - SIAG GD - אוחזר בכתובת http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ A עד Z של חומרים - Composites: A Basic Introduction - אוחזר בכתובת http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑קפוץ עד:3.0 3.1 INI International - מפתח למתכות - אוחזר בכתובת http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑קפוץ עד:4.0 4.1 למטוס הדרימליינר 787 של בואינג יש בעיה מורכבת - Zimbio - אוחזר בכתובת http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ בואינג+787+בעיית דרימליינר+מורכבת
- ↑ Peeters, PM et al. - יעילות דלק של מטוסים מסחריים (עמוד 16) - אוחזר בכתובת http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑קפוץ עד:6.0 6.1 ערוץ נשיונל ג'יאוגרפיק - מעשה ידי אדם: מטוס - אוחזר מ- http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ מחקר על ההשפעה הסביבתית של חומרים מרוכבים - אוחזר בכתובת http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑קפוץ עד:8.0 8.1 Textile Insight - חומרי טקסטיל ירוקים - אוחזר בכתובת http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ א' עד ת' של חומרים - חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים המופקים מפלסטיק מחוזק בסיבים טבעיים מתכלים - אוחזר בכתובת http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - אוחזר בכתובת http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑קפוץ עד:11.0 11.1 המחלקה לכימיה - אוניברסיטת בריסטול - מאוחזר בכתובת http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Spiders Make Golden Silk - אוחזר בכתובת http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/