Uçak Endüstrisinde Kompozitler

Bu bir konu sayfasıdır . Daha fazlasını oku...Appropedia'nın odak noktası orijinal araştırmadır , ancak bu sayfa yararlı bir bağlam sunar ve sitede gezinmeye yardımcı olur. Bu sayfayı geliştirerek Appropedia'ya yardımcı olabilirsiniz .

Uçak Endüstrisinde kompozit malzemeler ^W ve mühendislerin malzemeleri tek tek kullanırken karşılaştıkları engelleri aşmalarına olanak sağlamıştır. Bileşen malzemeler kompozitlerde kimliklerini korur ve çözünmez veya başka bir şekilde tamamen birbirlerine karışmazlar. Malzemeler birlikte, yapısal özellikleri iyileştirilmiş bir 'hibrit' malzeme oluşturur.

Hafif, yüksek sıcaklığa dayanıklı kompozit malzemelerin geliştirilmesi, yeni nesil yüksek performanslı, ekonomik uçak tasarımlarının hayata geçirilmesine olanak tanıyacaktır. Bu tür malzemelerin kullanımı yakıt tüketimini azaltacak, verimliliği artıracak ve uçağın doğrudan işletme maliyetlerini düşürecektir.

Kompozit malzemeler çeşitli şekillerde oluşturulabilir ve istenirse, mukavemeti artırmak için lifler sıkıca sarılabilir. Kompozitlerin kullanışlı bir özelliği, her katmandaki liflerin farklı bir yönde uzanmasıyla katmanlandırılabilmeleridir. Bu, bir mühendisin benzersiz özelliklere sahip yapılar tasarlamasına olanak tanır. Örneğin, bir yapı bir yönde bükülecek şekilde tasarlanabilir, ancak diğer yönde bükülmez. ^{[ 2 ]}

Temel bileşiklerin sentezi

Temel bir kompozitte, bir malzeme destekleyici bir matris görevi görürken, başka bir malzeme bu temel iskele üzerine inşa edilir ve tüm malzemeyi güçlendirir. Malzemenin oluşturulması pahalı ve karmaşık bir süreç olabilir. Özünde, bir temel malzeme matrisi yüksek sıcaklık ve basınç altında bir kalıba yerleştirilir. Daha sonra temel malzemenin üzerine bir epoksi veya reçine dökülür ve kompozit malzeme soğutulduğunda güçlü bir malzeme oluşturulur. Kompozit ayrıca ikincil bir malzemenin liflerinin temel matrise gömülmesiyle de üretilebilir.

Kompozitler iyi çekme dayanımına ve sıkıştırmaya karşı dirence sahiptir ve bu da onları uçak parçası üretiminde kullanıma uygun hale getirir. Malzemenin çekme dayanımı lifli yapısından gelir. Bir çekme kuvveti uygulandığında, kompozit içindeki lifler uygulanan kuvvetin yönüyle hizalanır ve bu da ona çekme dayanımı kazandırır. Sıkıştırmaya karşı iyi direnç, taban matris sisteminin yapışkanlık ve sertlik özelliklerine atfedilebilir. Reçinenin görevi, lifleri düz sütunlar olarak tutmak ve burkulmasını önlemektir.

Havacılık ve kompozitler

Kompozit malzemeler, metalik alaşımlara benzer yapısal mukavemet sağladıkları ancak daha hafif oldukları için Havacılık Endüstrisi için önemlidir. Bu, bir uçaktan daha iyi yakıt verimliliği ve performans elde edilmesine yol açar. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Havacılık endüstrisinde kompozitlerin rolü

Fiberglas en yaygın kompozit malzemedir ve reçine matrisine gömülmüş cam elyaflarından oluşur. Fiberglas ilk olarak 1950'lerde tekneler ve otomobiller için yaygın olarak kullanıldı. Fiberglas ilk olarak 1950'lerde Boeing 707 yolcu jetinde kullanıldı ve yapının yaklaşık yüzde ikisini oluşturdu. Boeing tarafından inşa edilen her yeni uçak neslinde kompozit malzeme kullanım yüzdesi arttı; en yükseği 787 Dreamliner'da %50 kompozit kullanımıydı .

Boeing 787 Dreamliner, ana yapısal elemanlarının alüminyum alaşımları yerine kompozit malzemelerden yapıldığı ilk ticari uçak olacak. ^{[ 1 ]} Bu uçakta arkaik fiberglas kompozitlerden daha gelişmiş karbon laminat ve karbon sandviç kompozitlere doğru bir geçiş olacak. Dreamliner'ın kanat kutusunda, parçayı oluşturmak için kullanılan kompozit malzemelerdeki yetersiz sertliğe atfedilen sorunlar yaşandı. ^{[ 1 ]} Bu, uçağın ilk teslimat tarihlerinde gecikmelere yol açtı. Boeing, bu sorunları çözmek için, henüz inşa edilmemiş kanat kutularını değiştirirken, halihazırda inşa edilmiş kanat kutularına yeni braketler ekleyerek kanat kutularını sertleştiriyor. ^{[ 1 ]}

Kompozit malzemelerin test edilmesi

Malzemenin karmaşık yapısı nedeniyle, kompozitten yapılmış bir parçanın performansını bilgisayar simülasyonuyla doğru bir şekilde modellemenin zor olduğu görülmüştür. Kompozitler genellikle ek dayanıklılık için üst üste katmanlanır, ancak bu, katmanlar farklı yönlere yönlendirildiğinden ve test edildiğinde nasıl davranacaklarını tahmin etmeyi zorlaştırdığından, üretim öncesi test aşamasını karmaşıklaştırır. ^{[ 1 ]}

Parçalar üzerinde mekanik stres testleri de yapılabilir. Bu testler küçük ölçekli modellerle başlar, sonra yapının giderek daha büyük parçalarına ve son olarak tüm yapıya geçer. Yapısal parçalar, gerçek uçuşlarda en kötü beklenen koşulların çok ötesine geçen stresleri taklit etmek için bükülen ve kıvrılan hidrolik makinelere yerleştirilir.

Kompozit malzeme kullanım faktörleri

Ağırlık azaltma, kompozit malzeme kullanımının en büyük avantajıdır ve seçimiyle ilgili kararlarda anahtar faktörlerden biridir. Diğer avantajları arasında yüksek korozyon direnci ve yorulmadan kaynaklanan hasara karşı direnci yer alır. Bu faktörler, uçağın uzun vadede işletme maliyetlerini düşürmede rol oynar ve verimliliğini daha da artırır. Kompozitler, kalıplama işlemi kullanılarak hemen hemen her şekle dönüştürülebilme avantajına sahiptir, ancak bu, zaten zor olan modelleme sorununu daha da zorlaştırır.

Kompozitlerin kullanımıyla ilgili en büyük dezavantaj, nispeten yeni bir malzeme olmaları ve bu nedenle yüksek maliyetli olmalarıdır. Yüksek maliyet, aynı zamanda yoğun emek gerektiren ve genellikle karmaşık üretim sürecine de atfedilir. Kompozitlerin kusur açısından incelenmesi zordur, bazıları ise nemi emer.

Daha ağır olmasına rağmen alüminyumun üretimi ve onarımı kolaydır. Ezik veya delinebilir ve yine de bir arada kalabilir. Kompozitler böyle değildir; hasar görürlerse, hemen onarım gerektirirler ki bu da zor ve pahalıdır.

Azaltılmış ağırlıkla yakıt tasarrufu

Yakıt tüketimi, kuru uçak ağırlığı, yük ağırlığı, uçağın yaşı, yakıt kalitesi, hava hızı, hava durumu gibi çeşitli değişkenlere bağlıdır. Kompozit malzemelerden yapılmış uçak bileşenlerinin ağırlığı, 787 Dreamliner örneğinde olduğu gibi yaklaşık %20 oranında azaltılır. ^{[ 4 ]}

Aşağıda, Airbus A340-300 uçağı için %20 boş ağırlık azaltımı ile toplam yakıt tasarrufunun örnek hesaplaması yapılacaktır.

Bu vaka çalışması için ilk örnek değerleri harici bir kaynaktan elde edildi. ^{[ 5 ]}

Verilen:

• Boş Çalışma Ağırlığı (OEW): 129.300kg
• Maksimum Sıfır Yakıt Ağırlığı (MZFW): 178.000kg
• Maksimum Kalkış Ağırlığı (MTOW): 275.000kg
• Maksimum Menzil @ Maksimum Ağırlık: 10,458km

Yukarıda verilen rakamlardan başka nicelikler de hesaplanabilir:

• Maksimum Kargo Ağırlığı = MZFW - OEW = 48.700kg
• Maksimum Yakıt Ağırlığı = MTOW - MZFW = 97.000kg

Yani, maksimum yakıt ağırlığı ve maksimum menzili baz alarak yakıt tüketimini kg/km cinsinden hesaplayabiliriz = 97.000kg/10.458km = 9.275kg/km

Aşağıda, OEW değerini yalnızca %20 oranında azaltacak olan %20'lik bir ağırlık azaltımıyla beklenen yakıt tasarrufunun hesaplanması yer almaktadır:

• OEW(yeni) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, bu da 25.860kg ağırlık tasarrufuna eşdeğerdir.

Yük ve yakıt ağırlığının sabit kaldığını varsayarak:

• MZFW(yeni) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
• MTOW(yeni) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg

97.000 kg'lık yakıt kütlesinin başa çıkması gereken daha düşük bir MTOW'u vardır ve dolayısıyla menzili artacaktır çünkü maksimum ağırlık ve maksimum menzil ters orantılı niceliklerdir.

Yeni aralığı hesaplamak için basit oranları kullanalım:

249,320kG275,000kG=10,458kMXkM

X'i çözmek yeni bir aralık verir:

• X = 11.535,18 km

Bu, azaltılmış ağırlıkla yakıt tüketimi için yeni bir değer verir = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km

Bunu bir perspektife oturtmak gerekirse, 10.000 km'lik bir yolculukta, boş ağırlıkta %20'lik bir azalmaylayaklaşık 8.660 kg yakıt tasarrufu sağlanacak .

Çevresel etki

Yeşil Mühendisliğe doğru daha belirgin bir şekilde gelişen bir değişim var . Günümüz toplumu çevremize daha fazla düşünce ve dikkat veriyor. Bu, kompozit malzeme üretimi için de geçerlidir.

Daha önce de belirtildiği gibi, kompozitler daha hafiftir ve daha ağır malzemelerle benzer mukavemet değerlerine sahiptir. Daha hafif kompozit taşındığında veya bir taşıma uygulamasında kullanıldığında, daha ağır alternatiflere kıyasla daha düşük bir çevresel yük vardır. Kompozitler ayrıca metalik bazlı malzemelerden daha fazla korozyona dayanıklıdır, bu da parçaların daha uzun süre dayanacağı anlamına gelir. ^{[ 7 ]} Bu faktörler, kompozitleri çevresel bir bakış açısından iyi alternatif malzemeler haline getirmek için bir araya gelir.

Geleneksel olarak üretilen kompozit malzemeler petrol bazlı elyaf ve reçinelerden yapılır ve doğası gereği biyolojik olarak parçalanmaz. ^{[ 8 ]} Bu, kompozitlerin çoğunun bir kompozitin yaşam döngüsü sona erdiğinde bir çöp sahasında sonlanması nedeniyle önemli bir sorun teşkil eder. ^{[ 8 ]} Doğal elyaflardan yapılan biyolojik olarak parçalanabilir kompozitler konusunda önemli araştırmalar yürütülmektedir. ^{[ 9 ]} Büyük ölçekte kolayca üretilebilen ve geleneksel kompozitlere benzer özelliklere sahip biyolojik olarak parçalanabilir kompozit malzemelerin keşfi, havacılık endüstrisi de dahil olmak üzere birçok endüstride devrim yaratacaktır.

Çevresel çabalara yardımcı olmak için alternatif bir seçenek, hizmet dışı bırakılmış uçaklardan kullanılmış parçaları geri dönüştürmek olabilir. Bir uçağın 'mühendisliğini bozmak' karmaşık ve pahalı bir işlemdir, ancak birinci elden parça satın almanın yüksek maliyeti nedeniyle şirketlere para kazandırabilir. ^{[ 6 ]}

Geleceğin kompozit malzemeleri

Seramik matris kompozitler

Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi'nde (NASA) uçak parçalarında kullanılmak üzere hafif, yüksek sıcaklığa dayanıklı kompozit malzemeler geliştirmek için büyük çabalar sarf edilmektedir . Ön hesaplamalara göre kavramsal bir motorun türbin girişleri için 1650°C kadar yüksek sıcaklıklar öngörülmektedir. ^{[ 3 ]} Malzemelerin bu sıcaklıklara dayanabilmesi için Seramik Matris Kompozitlerinin (CMC'ler) kullanılması gerekmektedir. CMC'lerin gelişmiş motorlarda kullanılması, motorun çalıştırılabileceği sıcaklığın artmasına da olanak tanıyarak verimin artmasına yol açacaktır. ^{[ 10 ]} CMC'ler gelecek vaat eden yapısal malzemeler olmasına rağmen, uygun takviye malzemelerinin eksikliği, işleme zorlukları, ömür ve maliyet nedeniyle uygulamaları sınırlıdır.

Örümcek ipeği lifleri

Örümcek ipeği kompozit malzeme kullanımı için bir diğer umut vadeden malzemedir. Örümcek ipeği yüksek süneklik sergiler ve bir elyafın normal uzunluğunun %140'ına kadar esnemesine izin verir. ^{[ 11 ]} Örümcek ipeği ayrıca -40°C kadar düşük sıcaklıklarda bile mukavemetini korur. ^{[ 11 ]} Bu özellikler örümcek ipeğini anormal sıcaklıklarda bile mukavemetini koruyacak sünek kompozit malzemelerin üretiminde bir elyaf malzemesi olarak kullanım için ideal hale getirir. Sünek kompozit malzemeler, bir uçağın ana gövdeye birleştirilmesi gibi değişken gerilimlere maruz kalacak parçalarda faydalı olacaktır. Böyle bir kompozitin artan mukavemeti, tokluğu ve sünekliği, felaket niteliğinde bir arıza meydana gelmeden önce parçaya veya birleştirmeye daha fazla gerilim uygulanmasına izin verecektir. Sentetik örümcek ipeği bazlı kompozitler ayrıca liflerinin biyolojik olarak parçalanabilir olması avantajına da sahip olacaktır.

Örümcek ipeğinin laboratuvarda yeniden üretilmesi için birçok başarısız girişimde bulunuldu, ancak henüz mükemmel bir yeniden sentez elde edilemedi. ^{[ 12 ]}

Hibrit kompozit çelik saclar

Bir diğer umut vadeden malzeme, kompozitlerden ve nanoteknoloji elyaflarından ve kontrplaktan ilham alınarak inşa edilen paslanmaz çelik olabilir. Çelik levhalar aynı malzemeden yapılır ve geleneksel çelikle aynı şekilde işlenebilir ve işlenebilir. Ancak aynı mukavemetler için yüzde birkaç daha hafiftir. Bu, araç üretimi için özellikle değerlidir. Patent bekleyen İsveçli şirket Lamera, Volvo Industries'deki araştırmanın bir yan kuruluşudur.

Sonuç

Daha yüksek mukavemet-ağırlık oranları nedeniyle kompozit malzemeler geleneksel metalik malzemelere göre bir avantaja sahiptir; ancak şu anda kompozit üretmek pahalıdır. İlk uygulama maliyetlerini düşürmek ve mevcut kompozitlerin biyolojik olarak parçalanmama sorununu ele almak için teknikler sunulana kadar, bu nispeten yeni malzeme geleneksel metalik alaşımların yerini tamamen alamayacaktır.

Referanslar

Sayfa verileri

Bir parçası	MECH370
Anahtar kelimeler	uçak , malzemeler , malzeme işleme
Yazarlar	BSKüreka , Johan Löfström
Lisans	CC-BY-SA-3.0
Kuruluşlar	Kraliçe Üniversitesi
Dil	İngilizce (tr)
Çeviriler	Fransızca , İspanyolca , Portekizce , İtalyanca , Endonezyaca , Korece , Macarca , Yunanca , Lehçe , Vietnamca
İlgili	22 alt sayfa , 31 sayfa buraya bağlanıyor
Takma adlar	Uçak Endüstrisinde Kompozitlerin Kullanımı
Darbe	80.344 sayfa görüntüleme ( daha fazla )
Oluşturuldu	29 Ekim 2009 BSKukreja tarafından
Son değiştirilme tarihi	31 Ağustos 2024 StandardWikitext bot tarafından
Atıfta bulun	BSKukreja , Johan Löfström (2009–2024). "Uçak Endüstrisinde Kompozitler" . Appropedia . Erişim tarihi: 30 Aralık 2024 .
API sorguları	temel , semantik , html , dosyalar , daha fazlası