Vật liệu tổng hợp trong ngành công nghiệp máy bay
Vật liệu composite W trong ngành 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 bản sắc của chúng trong vật liệu composite và không hòa tan hoặc không hợp nhất hoàn toàn vào nhau. Cùng nhau, các vật liệu tạo ra một 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 thiết kế máy bay hiệu suất cao, tiết kiệm tiếp theo được hiện thực hóa. Việc sử dụng các vật liệu như vậy sẽ làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, cải thiện hiệu quả 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 cường độ. Một đặc điểm hữu ích của vật liệu composite là chúng có thể được xếp lớp, với các sợi ở mỗi lớp chạy theo một hướng khác nhau. Điều này cho phép một kỹ sư thiết kế các cấu trúc có các đặc tính độc đáo. Ví dụ, một cấu trúc có thể được thiết kế sao cho nó sẽ uốn cong theo một hướng, nhưng không phải theo hướng khác. [ 2 ]
Tổng hợp các hợp chất cơ bản
Trong vật liệu composite cơ bản, một vật liệu đóng vai trò là ma trận hỗ trợ, trong khi vật liệu khác xây dựng trên nền tảng này và gia cố toàn bộ vật liệu. Việc hình thành vật liệu có thể là một quá trình tốn kém và phức tạp. Về bản chất, một ma trận vật liệu cơ bản được đặt trong khuôn dưới nhiệt độ và áp suất cao. Sau đó, một loại epoxy hoặc nhựa được đổ lên vật liệu cơ bản, tạo ra một vật liệu chắc chắn khi vật liệu composite được làm nguội. Vật liệu composite cũng có thể được sản xuất bằng cách nhúng các sợi của vật liệu thứ cấp vào ma trận cơ bản.
Vật liệu composite có độ bền kéo và khả năng chống nén tốt, khiến chúng phù hợp để sử dụng trong sản xuất các bộ phận máy bay. Độ bền kéo của vật liệu đến từ bản chất dạng sợi của nó. Khi lực kéo được tác dụng, các sợi bên trong vật liệu composite sẽ thẳng hàng với hướng của lực tác dụng, tạo ra độ bền kéo. Khả năng chống nén tốt có thể là do các đặc tính kết dính và độ cứng của hệ thống ma trận cơ sở. Vai trò của nhựa là duy trì các sợi như các cột thẳng và ngăn chúng bị cong vênh.
Hàng không và vật liệu tổng hợp
Vật liệu composite rất quan trọng đối với Ngành hàng không vì chúng cung cấp độ bền cấu trúc tương đương với hợp kim kim loại, nhưng nhẹ hơn. Điều này dẫn đến hiệu suất nhiên liệu và hiệu suất được cải thiện từ máy bay. [ 3 ] [ 4 ]
Vai trò của vật liệu composite trong ngành hàng không
Sợi thủy tinh là vật liệu composite phổ biến nhất, bao gồm các sợi thủy tinh được nhúng trong một ma trận nhựa. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 cho thuyền và ô tô. Sợi thủy tinh lần đầu tiên được sử dụng trong máy bay phản lực chở khách Boeing 707 vào những năm 1950, khi nó chiếm khoảng hai phần trăm 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 50% sử dụng composite trong 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner sẽ là máy bay thương mại đầu tiên có các thành phần cấu trúc chính được làm bằng vật liệu composite thay vì hợp kim nhôm. [ 1 ] Sẽ có sự thay đổi từ vật liệu composite sợi thủy tinh cổ xưa sang vật liệu composite nhiều lớp carbon và vật liệu composite bánh sandwich carbon tiên tiến hơn trong máy bay này. Các vấn đề đã gặp phải với hộp cánh của Dreamliner, được cho 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 ban đầu của máy bay. Để giải quyết những vấn đề này, Boeing đang gia cố hộp cánh bằng cách thêm các giá đỡ mới vào hộp cánh đã chế tạo, đồng thời sửa đổi các hộp cánh vẫn chưa được chế tạo. [ 1 ]
Kiểm tra vật liệu composite
Người ta thấy rằng rất khó để mô hình hóa chính xác hiệu suất của một bộ phận được chế tạo bằng vật liệu tổng hợp bằng mô phỏng máy tính do bản 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 việc dự đoán cách chúng sẽ hoạt động khi được thử nghiệm trở nên khó khăn. [ 1 ]
Các thử nghiệm ứng suất cơ học cũng có thể được thực hiện trên các bộ phận. Các thử nghiệm này bắt đầu với các mô hình quy mô nhỏ, sau đó chuyển sang các bộ phận lớn hơn dần dần của cấu trúc và cuối cùng là toàn bộ cấu trúc. Các bộ phận cấu trúc được đưa vào máy thủy lực uốn cong và xoắn chúng để mô phỏng các ứng suất vượt xa các điều kiện tồi tệ nhất dự kiến trong các chuyến bay thực tế.
Các yếu tố sử dụng vật liệu composite
Giảm trọng lượng là lợi thế lớn nhất của việc sử dụng vật liệu composite và là một trong những yếu tố chính trong các quyết định liên quan đến việc lựa chọn vật liệu này. Những lợi thế khác bao gồm khả năng chống ăn mòn cao và khả năng chống hư hỏng do mỏi. Những yếu tố này đóng vai trò trong việc giảm chi phí vận hành máy bay trong thời gian dài, cải thiện hiệu quả của máy bay hơn nữa. Vật liệu composite có lợi thế là chúng có thể được tạo thành hầu như bất kỳ hình dạng nào bằng quy trình đúc, nhưng điều này làm phức tạp thêm vấn đề mô hình hóa vốn đã khó khăn.
Một nhược điểm lớn khi sử dụng vật liệu composite là chúng là vật liệu tương đối mới và do đó có giá thành cao. Chi phí cao cũng là do quá trình chế tạo thường phức tạp và đòi hỏi nhiều nhân công. Vật liệu composite khó kiểm tra các khuyết tật, trong khi một số vật liệu hấp thụ độ ẩm.
Mặc dù nặng hơn, nhôm, ngược lại, dễ sản xuất và sửa chữa. Nó có thể bị móp hoặc thủng nhưng vẫn giữ được nguyên vẹn. Vật liệu composite thì không như vậy; nếu bị hỏng, chúng cần được sửa chữa ngay lập tức, điều này rất khó khăn và tốn kém.
Tiết kiệm nhiên liệu với trọng lượng giảm
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, trong số những yếu tố khác. Trọng lượng của các bộ phận máy bay làm bằng vật liệu composite giảm khoảng 20%, chẳng hạn như trong trường hợp của 787 Dreamliner. [ 4 ]
Dưới đây là một phép tính mẫu về tổng lượng nhiên liệu tiết kiệm được khi giảm 20% trọng lượng rỗng cho máy bay Airbus A340-300.
Các giá trị mẫu ban đầu cho nghiên cứu trường hợp này được lấy từ một nguồn bên ngoài. [ 5 ]
Được cho:
- Trọng lượng rỗng khi vận hành (OEW): 129.300kg
- Trọng lượng nhiên liệu tối đa (MZFW): 178.000kg
- Trọng lượng cất cánh tối đa (MTOW): 275.000kg
- Tầm bay tối đa @ Trọng lượng tối đa: 10.458km
Các số lượng khác có thể được tính toán từ các số liệu 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 toán thêm mức tiêu thụ nhiên liệu tính bằng kg/km dựa trên trọng lượng nhiên liệu tối đa và phạm vi tối đa = 97.000kg/10.458km = 9.275kg/km
Sau đây là phép tính về lượng nhiên liệu tiết kiệm dự kiến khi giảm trọng lượng 20%, điều này sẽ chỉ làm giảm giá trị OEW đi 20%:
- OEW(mới) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, tương đương với việc giảm được 25.860kg trọng lượng.
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 phải xử lý MTOW giảm và do đó sẽ có phạm vi hoạt động tăng lên vì trọng lượng tối đa và phạm vi hoạt động tối đa là những đại lượng tỉ lệ nghịch với nhau.
Sử dụng tỷ số đơn giản để tính phạm vi mới:
249,320tôig275,000tôig=10,458tôitôiXtôitôi
Giải tìm X sẽ cho ra một phạm vi mới:
- X = 11.535,18km
Điều này đưa ra giá trị mới cho mức tiêu thụ nhiên liệu với trọng lượng giảm = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km
Để bạn hiểu rõ hơn, trong hành trình dài 10.000 km , xe sẽ tiết kiệm được khoảng 8.660 kg nhiên liệu và giảm 20% trọng lượng rỗng.
Tác động môi trường
Có một sự thay đổi đang phát triển nổi bật hơn theo hướng Kỹ thuật xanh . Môi trường của chúng ta được xã hội ngày nay quan tâm và chú ý nhiều hơn. Điều này cũng đúng đối với sản xuất vật liệu composite.
Như đã đề cập trước đó, vật liệu composite 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 chuyển, tải trọng môi trường thấp hơn so với các vật liệu thay thế nặng hơn. Vật liệu composite cũng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn vật liệu gốc kim loại, nghĩa là các bộ phận sẽ bền hơn. [ 7 ] Các yếu tố này kết hợp lại với nhau để biến vật liệu composite thành vật liệu thay thế tốt theo quan điểm môi trường.
Vật liệu composite sản xuất theo phương pháp thông thường được làm từ sợi và nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ, và bản chất không phân hủy sinh học. [ 8 ] Điều này gây ra một vấn đề đáng kể vì hầu hết các vật liệu composite đều bị chôn lấp sau khi vòng đời của chúng kết thúc. [ 8 ] Có nhiều nghiên cứu đáng kể đang được tiến hành về vật liệu composite phân hủy sinh học được làm từ sợi tự nhiên. [ 9 ] Việc phát hiện ra vật liệu composite phân hủy sinh học có thể dễ dàng sản xuất trên quy mô lớn và có các đặc tính tương tự như vật liệu composite thông thường sẽ làm thay đổi 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 máy bay đã ngừng hoạt động. 'Phá hủy' một chiếc máy bay là một quá trình phức tạp và tốn kém, nhưng có thể giúp các công ty tiết kiệm tiền do chi phí mua các bộ phận đã qua sử dụng cao. [ 6 ]
Vật liệu composite trong tương lai
Vật liệu composite nền gốm
Những nỗ lực lớn đang được tiến hành để phát triển vật liệu composite nhẹ, chịu nhiệt độ cao tại Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) để sử dụng trong các bộ phận máy bay. Nhiệt độ lên tới 1650°C được dự đoán cho các cửa hút tuabin của động cơ khái niệm dựa trên các tính toán sơ bộ. [ 3 ] Để vật liệu chịu được nhiệt độ như vậy, cần phải sử dụng Vật liệu composite ma trận gốm (CMC). Việc sử dụng CMC trong động cơ tiên tiến cũng sẽ cho phép tăng nhiệt độ mà động cơ có thể hoạt động, dẫn đến tăng năng 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 quá trình xử lý, tuổi thọ và chi phí.
Sợi tơ nhện
Tơ nhện là một vật liệu đầy hứa hẹn khác để sử dụng làm vật liệu composite. Tơ nhện có độ dẻo cao, cho phép kéo dài sợi lên đến 140% chiều dài bình thường của nó. [ 11 ] Tơ nhện cũng giữ được độ bền ở nhiệt độ thấp tới -40°C. [ 11 ] Những đặc tính này làm cho tơ nhện trở nên lý tưởng để sử dụng làm vật liệu sợi trong quá trình sản xuất vật liệu composite dẻo có thể 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 ứng suất 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 vật liệu composite như vậy sẽ cho phép tác dụng ứng suất lớn hơn vào bộ phận hoặc mối nối trước khi xảy ra hỏng hóc thảm khốc. Vật liệu composite gốc tơ nhện tổng hợp cũng có ưu điểm là sợi của chúng có thể phân hủy sinh học.
Nhiều nỗ lực không thành công đã được thực hiện để tái tạo tơ nhện trong phòng thí nghiệm, nhưng vẫn chưa đạt được sự tổng hợp hoàn hảo. [ 12 ]
Tấm thép composite lai
Một vật liệu đầy hứa hẹn khác có thể là thép không gỉ được chế tạo lấy cảm hứng từ vật liệu composite và sợi nanotech và ván ép. Các tấm thép được làm từ cùng một vật liệu và có thể xử lý và gia công theo cùng một cách chính xác như thép thông thường. Nhưng nhẹ hơn một số phần trăm cho cùng độ bền. Điều này đặc biệt có giá trị đối với sản xuất xe cộ. Đang chờ cấp bằng sáng chế, công ty Lamera của Thụy Điển là một công ty con từ nghiên cứu trong Volvo Industries.
Kết luận
Do tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao hơn, vật liệu composite có lợi thế hơn so với vật liệu kim loại thông thường; mặc dù hiện nay việc chế tạo vật liệu composite rất tốn kém. Cho đến khi các kỹ thuật được đưa ra để giảm chi phí triển khai ban đầu và giải quyết vấn đề không phân hủy sinh học của vật liệu composite hiện tại, vật liệu tương đối mới này sẽ không thể thay thế hoàn toàn các hợp kim kim loại truyền thống.
Tài liệu tham khảo
- ↑Nhảy lên tới:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Mô hình bề mặt cho vật liệu tổng hợp - SIAG GD - Truy xuất tại http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ Từ A đến Z về Vật liệu - 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 tới:3.0 3.1 INI International - Chìa khóa cho kim loại - Truy cập tại http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Nhảy lên tới:4.0 4.1 Máy bay 787 Dreamliner của Boeing có vấn đề về vật liệu composite - Zimbio - Truy cập tại http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Hiệu suất 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 tới:6.0 6.1 Kênh National Geographic - Man Made: Plane - Truy xuất từ http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Một nghiên cứu về tác động môi trường của vật liệu composite - Truy cập tại http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Nhảy lên tới:8.0 8.1 Textile Insight - Vật liệu tổng hợp dệt xanh - Truy cập tại http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ Từ A đến Z về Vật liệu - Vật liệu tổng hợp hiệu suất cao được sản xuất từ Nhựa gia cường sợi tự nhiên có thể phân hủy sinh học - Truy cập tại http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite 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 tới:11.0 11.1 Khoa Hóa học - 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/
