Применение металлических композиционных материалов при изготовлении тяг управления самолетом ТУ-154

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Управление самолетом ТУ-154

1.1 Общая техническая характеристика систем управления самолетом

1.2 Управление рулем высоты. Основные сведения о системе

1.3 Управление рулем направления. Основные сведения о системе

1.4 Управление элеронами и элеронами-интерцепторами. Основные сведения о системе

2. Компоненты, используемые при производстве композиционных материалов

2.1 Металлические матрицы

2.2 Армирующие элементы

2.3 Применение композиционного материала в мировом самолетостроении

3. Производство металлических композиционных материалов. Технологические схемы изготовления металлических волокон

4. Требование охраны труда и техники безопасности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Основным классом материалов, удовлетворяющих таким жестким, часто противоречащим друг другу требованиям, как обеспечение минимальной массы конструкций, максимальной прочности, жесткости, надежности и долговечности при работе в тяжелых условиях нагружения, в том числе при высоких температурах и в агрессивных средах, являются композиты.

Современная наука о композиционных материалах обязана своему динамичному развитию в течение последних десятилетий главным образом применению композитов в ракетной технике и самолетостроении. Условия эксплуатации тяжело нагруженных узлов и элементов конструкций разрабатываемых самолетов и ракет не позволяют использовать для их изготовления традиционные металлические материалы и композиты. Каждая новая конструкция, обеспечивающая рост технических характеристик, как правило, требует разработки новых композиционных материалов.

В качестве примера можно привести необходимость решения проблем, связанных с реализацией в США проекта разработки аэрокосмических аппаратов для заатмосферных полетов. Предполагается, что летательный аппарат, названный «Восточный экспресс» (рис. 1), сможет взлетать и садиться на обычных взлетных полосах современных аэродромов [4]. Перелет с западного побережья США в страны Азии займет менее двух часов. Во время полета некоторые элементы конструкции самолета будут нагреваться до 1800°С. Естественно, для изготовления конструкции аппарата подобного типа нельзя применять металлические материалы. Эффективное решение может быть достигнуто только при использовании новых высокопрочных, легких, жестких, высокотемпературных композиционных материалов. Такие материалы разрабатываются в передовых лабораториях развитых стран.

Потребность в разработке новых материалов лежит в основе постоянного усовершенствования технологических процессов их производства, создания принципиально новых технологий и оборудования для их реализации. В течение относительно короткого времени новые конструкторские и технологические решения, появившиеся при разработке уникальных материалов, распространяются в различных отраслях производства и становятся привычными для специалистов. В то же время разрабатываются новые конструкции, производство и эксплуатация которых невозможны без новых материалов. Таким образом, разработка новых материалов, в том числе и композитов, стимулирует развитие техники и технологии во многих развитых странах мира.

В последние десятилетия темпы роста производства композиционных материалов постоянно возрастают. Двадцать лет назад общая стоимость композитов, производимых только в США, превышала 6 млрд долларов в год, общий годовой объем производства композиционных материалов различного типа составлял 3,6 млн т [4].

Рис. 1. Заатмосферный пассажирский самолет «Восточный экспресс» (США): а - общий вид; б - температуры разогрева основных элементов самолета в полете

Как правило, стоимость композиционных материалов очень высока, что связано со сложностью технологических процессов их производства, высокой ценой используемых компонентов. Однако следует подчеркнуть возможность экономии при производстве сложных конструкций за счет уменьшения количества технологических разъемов, уменьшения количества деталей, сокращения числа сборочных операций. Трудоемкость производства изделий из композиционных материалов можно снизить в 1,5-2 раза по сравнению с металлическими аналогами.

Композиты эффективно конкурируют с такими конструкционными материалами, как алюминий, титан, сталь. К отраслям, активно использующим композиционные материалы и являющимся заказчиками для разработки и производства новых материалов и изделий из них, относятся авиация, космонавтика, наземный транспорт, химическое машиностроение, медицина, спорт, туризм, образование. Композиты используются для производства автомобилей, объектов железнодорожного транспорта, самолетов, ракет, судов, яхт, подводных лодок, емкостей для хранения различного рода жидкостей, трубопроводов, стволов артиллерийских орудий. Материалы, разработка которых первоначально осуществлялась по заказам военных ведомств, в первую очередь для применения в летательных аппаратах, внедрены во многих отраслях гражданской промышленности.

Специалистами отмечается особенность ситуации, в которой находится материаловедение, ориентированное на проблемы современных композиционных материалов [4]. Она заключается в том, что из-за высокой потребности в новых материалах, появления их в большом количестве при разработке современных конструкций темпы изучения свойств этих материалов практически не успевают за их созданием. Исследование свойств новых композиционных материалов -- дорогостоящая и трудоемкая задача. Не менее сложна задача конструирования изделий из композиционных материалов. Чтобы в совершенстве овладеть процессом конструирования изделий из композитов, специалистам требуется 15--20 лет [4].

Хорошо известно, что эффективность создаваемых конструкций определяется уровнем конструкторских решений, свойствами используемых материалов и особенностями технологических процессов изготовления элементов конструкций из выбранных материалов.

В традиционном машиностроении довольно редки примеры тесного взаимодействия конструкторов, производителей материалов и технолого при создании какого-либо оборудование. При создании современных композиционных материалов такой подход неприемлем. Принцип, сформулированный в начале 80-х годов ХХ в, предусматривает комплексное решение вопросов выбора композиционных материалов, проектирование из них конструкций и разработки технологических процессов. Это три стороны единой проблемы [3]. Таким образом, во многих случаях одновременно разрабатываются новая конструкция, композиционный материал для ее изготовления и технологический процесс получения детали.

Тема дипломного проекта: Уменьшение массы и повышение прочностных свойств тяг управления самолетом Ту-154 их изготовлением из металлических композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов позволяет уменьшить их массу, увеличить массу полезного груза, скорость и дальность полета.

1.1 Общая техническая характеристика систем управления самолетом

На самолете ТУ-154 установлен электро гидромеханический комплекс систем управления, включающий в себя.

· Систему продольного управления.

· Систему управлении рулем направления.

· Систему поперечного управления.

· Автоматическую бортовую систему управления АБСУ-154.

· Систему управления воздушными тормозами (интерцепторами).

· Систему управления закрылками.

· Система управления предкрылками.

Управление самолетом относительно его продольной оси осуществляется элеронами и элерон - интерцепторами.

Управление самолетом относительно его поперечной оси осуществляется рулем высоты и управляемым стабилизатором. Механизация крыла самолета состоит из механизации передней кромки крыла- предкрылков и механизации задней кромки крыла-закрылков. Управление органами осуществляется с помощью постоянно включенных необратимых бустеров - рулевых приводов, выходные звенья (штоки) которых соединены с соответствующими управляемыми поверхностями и при своем поступательном движении непосредственно отклоняют их в заданное положение. Входные звенья указанных рулевых приводов кинематически связаны одинарной жесткой проводкой соответственно с колонками, педалями и штурвалами, установленными на пультах первого и второго пилотов перед сиденьем каждого из них. В цепи жестких связей входных звеньев рулевых приводов основных органов управления с командными рычагами (колонками, педалями, штурвалами) первого и второго пилотов через дифференциальную качалку включены электрогидравлические рулевые агрегаты РА-56В-1 входящие в состав электрогидравлических сервоприводов СП-1Б - испольнительных механизмов автоматической бортовой системы управления АБСУ-154, работающих по сигналам последней (по одному сервоприводу в каналах тангажа, курса и крена).

При описании систем управления самолетом в данной книге приняты следующие определения режимов управления:

а) Режим ручного (ножного) управления - режим, при котором управление самолетом производится первым или вторым пилотом обычным перемещением командных рычагов (колонок, педалей, штурвалов), установленных на пультах. При этом работает комплекс автоматов АБСУ-154, обеспечивающий улучшение характеристик устойчивости и управляемости самолета относительно его поперечной, вертикальной и продольной осей.

б) Режим, полуавтоматического управления - режим, при котором пилот управляет самолетом (посредством тех же рычагов) по положению командных стрелок пилотажно-командного прибора или по другим навигационно-пилотажным приборам при одновременной работе комплекса автоматов АБСУ-154.

в) Режим автоматического управления - режим, при котором самолетом управляет автоматическая бортовая система управления АБСУ-154 совместно с пилотажно-навигационным комплексом.

Установленные в системах управления рулевые приводы, отклоняя руль (элерон, элерон-интерцептор), воспринимают на себя полностью всю нагрузку от аэродинамических шарнирных моментов, возникающих при скоростном напоре на управляемых элементах по мере их отклонения от нейтрального положения. Эта нагрузка в необратимых рулевых приводах не передается на входное звено привода и, следовательно, на колонку, педали и штурвалы, кинематические связанные с ним жесткой проводкой. Поэтому нагрузка на колонках, педалях и штурвалах, пропорциональная отклонению руля высоты, руля направления и элеронов соответственно, создается искусственно пружинными загружателями.

Для уменьшения (при необходимости) усилий на колонках, педалях и штурвалах от пружинных загружателей, для каждого из них имеется электромеханизм триммерного эффекта (триммирующий механизм).

Рулевые приводы рулей и элеронов трехкамерные, поступательного действия с плоскими золотниками распределительных устройств. Камеры приводов полностью разделены между собой и каждая из трех камер питается от одной из трех независимых гидросистем. Распределительные устройства камер приводов связаны между собой торсионными звеньями, обеспечивающими работоспособность привода при заклинивании одного или двух золотников золотников распределительных устройств.

Управление каждым (левым и правым) элерон-интерцептором осуществляется с помощью трех однокамерных рулевых приводов поступательного действия, каждый из которых питается от отдельной независимой гидросистемы. На самолете применено совмещенное управление механизацией крыла и стабилизатором от рукоятки ЖВ-43 управления закрылками, а также обеспечен переход на раздельное управление механизацией крыла и стабилизатором,

Комплекс систем управления обеспечивает:

а) простое и легкое ручное (ножное) пилотирование самолета за счет автоматизации системы управления, обеспечивающей высокое качество и стабильность характеристик устойчивости и управляемости самолета на всех режимах полета и ограничивающей предельные режимы полета самолета;

При описании систем управления самолетом в данной книге приняты следующие определения режимов управления:

а) Режим ручного (ножного) управления - режим , при котором управление самолетом производится первым или вторым пилотом обычным перемещением командных рычагов (колонок, педалей, штурвалов) установленных на пультах 0.7).

При этом работает комплекс автоматов АБСУ-154, обеспечивающий улучшение характеристик устойчивости и управляемости самолета относительно его поперечной, вертикальной и продольной осей.

б) автоматическое управление самолетом по сигналам системы ДБСУ-154, исключав автоматический взлет до высоты 400 посадку с высоты 30 м до приземления» с обеспечением высокой безопасности полета на этих режимах;

в) высокую надежность систем управления за счет резервирования входящих в нее элементов.

При этом система обеспечивает:

- сохранение всех характеристик в случае возникновения в системе практически любого отказа;

— управление самолетом с некоторыми ограничениями режимов полета с обеспечением высокой степени безопасности в случае возникновения в системе управления практически любых двух отказов.

Характерными особенностями системы управления ТУ-154 являются :

а) бустерное управление всеми рулями (элеронами) без перехода на безбустерное ручное (ножное) управление;

б) применение трехканального электрогидравлического сервопривода как единого исполнительного механизма системы автоматического управления на всех режимах полета при ручном и автоматическом пилотировании;

в) резервирование каналов управления с постоянной работой всех резервированных каналов, внутренней детекцией отказов и контролем работы каналов на последнем звене по принципу "голосования большинством";

г) использование в системах продольного и поперечного управления пружинных тяг, каждая из которое обеспечивает отклонение одной половины управляемой поверхности в случае заклинивания другой поверхности;

д) установка необратимых рулевых приводов непосредственно у рулей, чем обеспечиваются их противофлаттерные характеристики;

е) отсутствие весовой балансировки рулей;

ж) использование элерон-интерцепторов в поперечном управлении на всех режимах полета ;

з) применение средних интерцепторов для торможения при нормальном и экстренном снижении и пробежках.

Бустерное управление рулями без перехода на безбустерное ручное (ножное) управление позволяет:

а) использовать автоматические системы для улучшения характеристик устойчивости и управляемости и облегчения ручного (ножного) пилотирования самолета;

б) уменьшить усилия на штурвале, колонках и педалях и стабилизировать указанные усилия в полете на различных режимах.

1.2 Управление рулем высоты. Основные сведения о системе

Основные сведения о системе

Управление рулем высоты осуществляется с помощью двух колонок, установленных впереди сиденья каждого пилота. Управление может производиться одновременно двумя пилотами и раздельно - первым или вторым пилотом.

Связь между колонками осуществлена карданным валом, расположенным по оси их вращения и присоединенным при помощи универсальных шарниров к втулкам колонок. Шарнир рычага левой колонки соединен тягой с шарниром нижнего плеча коромысловой качалки, вращающейся в кронштейне, закрепленном на левом борту шпангоута № 8. Шарнир верхнего плеча коромысловой качалки соединен тягой с проводкой управления в фюзеляже.

Проводка управления в фюзеляже

Проводка управления проложена под полом пассажирского салона по левому борту фюзеляжа. На участках проводки между шпангоутами тяги проложены в роликовых направляющих общих с тягами проводок управления рулем направления, элеронами и элеронами- интерцепторами. На участках проводки между шпангоутами и тяги проложены в общих с тягами проводки управления рулем направления роликовых направляющих.

На участках проводки между шпангоутами тяги проложены на поводке, установленном между шпангоутами, и коромысловой качалке, закрепленной в литом кронштейне на шпангоуте. Эта качалка обеспечивает нейтральность проводки управления при изменении температурного режима самолета.

В зоне шпангоута тяги присоединяются к штоку гермовывода, закрепленного на задней стенке герметического шпангоута. Второй конец штока соединен тягой с шарниром вертикального плеча качалки установленной на задней стенке шпангоута в литом кронштейне. На средней части шпангоута, на его передней стенке, в литом кронштейне вращается двухушковый доводок, нижний шарнир которого соединен тягой с горизонтальным плечом качалки, а верхний - с поводком, расположенным:

1.3 Управление рулем направления. Основные сведения о системе

Основные сведения о системе

Управление рулем направления осуществляется с помощью педалей, установленных на пультах управления против сиденья каждого пилота. Управление может производиться одновременно обоими пилотами раздельно первым или вторым пилотом.

При помощи педалей выполняется также управление тормозами колес шасси.

В кабине экипажа при помощи дюралевой тяги осуществлена кинематическая связь педалей левого и правого пультов управления. Шарнир нижней качалки левого пульта соединен тягой с шарниром плеча коромысловой качалки, вращающейся в кронштейне на шпангоуте. Шарнир верхнего плеча коромысловой качалки связан тягой с проводкой управления в фюзеляже.

Проводка управления в фюзеляже

Проводка системы управления рулем направления в центральной и хвостовой части фюзеляжа выполнена аналогично проводке системы управления рулем высоты, при этом тяги проводки руля направления проложены в общих роликовых направляющих с тягами руля высоты, но ближе к оси симметрии самолета.

Установка узлов управления на первом лонжероне киля и в киле до выхода на третий лонжерон выполнена так же как в проводке управления рулем высоты.

На третьем лонжероне киля расположены:

- рядом с нервюрой № 5 угловая качалка смонтированная в общем кронштейне с качалкой руля высоты;

- рядом с нервюрой № 7 - двуплечий литой поводок и двуплечая качалка;

- по оси, нервюры № 9 -- рулевой привод РП-56 входной шток которого соединен с двуплечей качалкой, а ушко штока с рычагом руля.

Качалки н поводок соединены между собой двумя регулируемыми тягами.

При перемещении правой педали вперед на 120 + 5 мм руль направления отклонится вправо на 25° + 1° или соответственно на 558 + 22 мм; при перемещении левой педали вперед на 120 ± 5 мм руль отклонится влево на тот же угол.

1.4 Управления элеронами и элеронами-интерцепторами. Основные сведения о системе

Основные сведение о системе.

Управление элеронами и элеронами-интерцепторами осуществляется с помощью штурвалов установленных на колонках управления.

Управление может производится одновременно двумя пилотами и раздельно- первым или вторым пилотом.

Связь между штурвалами выполнена при помощи тяги, соединяющей шарниры секторных качалок, находящихся внутри оснований колонок. Шарнир левой секторной качалки дополнительно соединен также дюралевой тягой с трехплечей качалкой (II), вращающейся в литом кронштейне на раме левого пульта управления. Большов нижнее плечо качалки связано тягой с одноушковым поводком, подвешенным в кронштейне на шпангоуте.

Проводка управления в фюзеляже

Проводка управления проложена под полом пассажирского салона, по левому борту фюзеляжа рядом с проводками управления рулями, но ближе к оси самолета. На участках проводки между шпангоутами и тяги проложены в роликовых направляющих. На участке проводки между шпангоутами тяги проложены на коромысловой качалке и поводках. На шпангоуте проводка управления присоединяется к вертикальному плечу двухплачей качалки, горизонтальное плечо которой соединено тягой с качалкой, расположенной на нижней части шпангоута.

Вертикальный рычаг нижней двухплечей качалки соединен тягой со средним шарниром дифференциальной качалки, вращающейся в литом кронштейне. Нижний шарнир дифференциальной качалки соединен тягой с входным звеном рулевого агрегата РА-56В-1, к верхнему шарниру подсоединены пружинные тяги. Левая пружинная тяга пристыкована к входному рычагу левого гермоузла, правая - к вертикальному рычагу коромысловой качалки.

На правой половине лонжерона на литом кронштейне консольно закреплен двухушковый поводок, связанный тягой с коромысловой качалкой. и тягой о правым гермоузлом.

Пружинные тяги обеспечивают возможность отклонения элерона правого.

2. Компоненты, используемые при производстве композиционных материалов

2.1 Металлические матрицы

При изготовлении металлических композиционных материалов в качестве матрицы применяют алюминий» титан, магний, медь, никель, кобальт и другие материалы.

Алюминий, а также деформируемые и литейные сплавы на его основе наиболее часто применяются при изготовлении композитов. Алюминий используется при получении композитов как жидко-, так и твердофазными методами [3]. При изготовлении композиционных материалов твердофазными способами широко применяют деформируемые алюминиевые сплавы. Примерами таких сплавов являются АМг2, АМгЗ, АМг5, Д1, Д16, АК4, В94 и др. Достоинства деформируемых алюминиевых сплавов: малая плотность, высокий уровень механических свойств, высокая технологическая пластичность.

Для получения композитов жидкофазными методами (литье, пропитка) применяют литейные алюминиевые сплавы. Эти сплавы отличаются повышенной жидкотекучестью, малой линейной усадкой, пониженной склонностью к образованию трещин при повышенных температурах.

Композиционные материалы на основе алюминия могут быть получены методами порошковой металлургии и газотермического напыления [3]. Для реализации этих методов используют алюминиевые порошки и порошки из алюминиевых сплавов, например АПП (порошок из первичного алюминия), АПВ (из вторичного алюминия), АСД-1 (дисперсный порошок), АСД-Т (дисперсный порошок с добавкой титана).

К твердофазным методам получения композитов относят диффузионную сварку. Этот метод основан на использовании в качестве матричного материала технической фольги алюминия или его сплавов.

Таблица 2.1 Химический Состав матричных литейных алюминиевых сплавов

Марка материала	Химический состав, %
	А1	Мg	Si	Мn	Сu
АЛ1	93,25...93,50	1,25... 1,75	0	0	3.75...4.5
АЛ2	87...90	0	10,0... 13,0	0	0
АЛЗ	91. .93,05	0,35.„О,6	4,5...5,5	0,6...0,9	1,5...3,0
АЛ9	91,6...93,8	0,2...0,4	6-8	0	0
АЛ 13	92,8...94,6	4,5...5,5	0,8... 1,3	0,1...0,4	0
АЛ 19	93,35...94,75	0	0	0,6... 1,0	4.5...5.3

Техническая алюминиевая фольга в соответствии с ГОСТ 618-73 выпускается в рулонах шириной до 960 мм. Толщина фольги составляет 5...200 мкм. Для ее изготовления используется алюминий марок АД1, А99, А97, А95 и др. Возможно применение алюминиевой пищевой фольги, выпускаемой по ГОСТ 745-79. Для производства композитов используют и высокопрочные сложнолегированные деформируемые алюминиевые сплавы.

Для реализации технологии сварки взрывом применяют листы из алюминия (АО, АДО, АД 1) и его сплавов (АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5, Д12 и др.) толщиной до 2,5 мм. Возможно применение неплакированных и плакированных листов в отожженном (обозначение М), полунагартованном (1/2Н), нагартованном (Н), закаленном и естественно состаренном (Т), естественно состаренном после закалки и дополнительно нагартованном (ТН) состоянии.

Высокой удельной прочностью, малой плотностью и другими важными достоинствами обладают магниевые сплавы. Эти достоинства объясняют интерес специалистов к магнию как к материалу, применение которого эффективно в качестве матрицы металлических композитов [3]. Важен тот факт, что магний практически не вступает в реакцию со многими материалами, используемыми для изготовления упрочняющих волокон. Для изготовления композитов применяют технический магний и сплавы на его основе МЛ 12, ИМВ2, А231В и др.

Для производства композиционных материалов перспективно применение титана и его сплавов в качестве металлической матрицы. Высокая удельная прочность таких сплавов позволяет широко использовать их в самолетостроении и космической технике. Армируя титан и его сплавы высокомодульными волокнами, можно обеспечить высокую жесткость композиционных материалов. Для производства композитов применяют технический титан марок ВТ1-0, ВТ1-00, сплавы типа ВТ6С, ВТ22 и др. Эти материалы используются в виде фольги и порошка.

Существенным недостатком меди, ограничивающим ее применение, является низкий уровень прочностных свойств при повышенных температурах. При производстве композиционных материалов возможно устранение этого недостатка за счет армирования меди волокнами вольфрама, железа, графита.

Широкое применение в качестве матричного материала при производстве композитов нашли сплавы на основе никеля [3]. Недостатком композиционных материалов на основе технически чистого никеля является их низкая жаростойкость. Для устранения этого недостатка применяют окалиностойкие жаропрочные никелевые сплавы. Это окалиностойкие сплавы системы Ni-Сr, жаропрочные деформируемые и литейные сплавы. Высокий уровень длительной прочности, сопротивления ползучести и усталости деформируемых сплавов достигается введением титана и алюминия, образующих дисперсные частицы интерметаллидов типа и а также легированием тугоплавкими элементами (W, Мо, Nb), упрочняющими твердый никелевый раствор. Особенность литейных жаропрочных сплавов на основе никеля - большее содержание тугоплавких элементов. Благодаря этому их применение эффективно вплоть до 1100 С. Существенным недостатком является низкий уровень пластичности литейных сплавов. В качестве упрочнителя сплавов на основе никеля могут служить вольфрамовые волокна. Композиционные сплавы на основе никелевых сплавов получают с помощью жидкофазных и твердофазных методов, а также методами порошковой металлургии.

При производстве композитов в качестве матричного материала возможно применение сплавов на основе кобальта. Кобальт и его сплавы применяют в виде порошков, ленты, расплава или частиц, наносимых газофазными методами. От никелевых кобальтовые сплавы отличает меньшая прочность при повышенных температурах, что объясняется отсутствием интерметаллидного упрочнения. Различают литейные и деформируемые сплавы на основе кобальта. При получении композитов Методы пластической деформации применимы к деформируемым сплавам. Жидкофазные методы получения композиционных материалов пригодны как для литейных, так и для деформируемых сплавов [3].

2.2 Армирующие элементы

Армирующие элементы - важнейшие компоненты композиционных материалов. Для армирования композитов используются тысячи материалов в различном структурном состоянии. Химический состав, структурное состояние и геометрические параметры армирующих элементов определяются требованиями, предъявляемыми к материалу. Большое значение имеет тип матрицы, выбранной для изготовления композиционного матери. Для упрочнения композиционных материалов часто используется проволока из высокоуглеродистых и низколегированных сталей, нержавеющих, мартенситно-стареющих сталей, вольфрама, молибдена, титана, ниобия, других металлов и сплавов. Химический состав, механические свойства и особенности применения проволоки различного типа при производстве композитов описаны.

Высоким уровнем механических свойств обладает стальная проволока. Чаще всего используется проволока диаметром ~ 20.. .1500 мкм. Наиболее экономична проволока, изготовленная из углеродистых сталей. При температуре эксплуатации композитов в диапазоне 77...623 К эффективно применение высокопрочной проволоки из нержавеющих сталей. Благодаря относительно высокой теплостойкости и наличию пассивной поверхности проволоки из нержавеющих сталей слабо взаимодействуют с матричными материалами.

Применение проволоки из мартенситно-стареющих сталей эффективно в качестве упрочнителя при производстве композиционных материалов на основе легких металлов и сплавов. Упрочнение мартенситно-стареющих сталей происходит в результате процесса старения при температурах ~ 480...500 С. Если процесс формирования композиционного материала проводить при этих темпатурах или близких к ним, механические свойства мартенситно-стареющей проволоки будут наиболее высокими. Проволока из углеродистой стали при температурах формирования композиционных материалов на основе алюминия и других легких металлов разупрочняется.

В соответствии с ГОСТ 9389-75 и ГОСТ 14959-79 проволоки из высокоуглеродистых и малолегированных сталей по показателям прочности делятся на четыре класса: класс 1 (максимальной прочности), классы II и ПА (повышенной прочности) и класс III (нормальной прочности). В табл. 3.5 в качестве примеров приведены прочностные свойства проволок диаметром 200,500,1000 и 1400 мм.

Таблица 2.2 Предел прочности при растяжении проволок из углеродистых и легированных сталей (ГОСТ 9389-75, ГОСТ 14959-79)

1), мкм	Предел прочности, о„ МПа
	Класс I	Класс 2	Класс 2A	Класс 3
200	2750...3100	2300...2750	2250...2700	1800...2300
500	2650...3000	2200...2650	2200;..2б50	1700...2200
1000	2500...2800	2100...2500	2050...2500	1600...2100
1400	2350...2600	1950...2300	1900...2300	1500... 1950

Одним из наиболее экономичных типов упрочняющих элементов в композиционных материалах является металлическая проволоки. Производство металлической проволоки представляет собой хорошо отлаженный технологический процесс. Получают ее мегомом волочения. Свойства металлической проволоки разных сортов позволяют эффективно использовать ее при производстве композитов, Механические свойств некоторых типов металлических волокон приведены в табл. 2.3 [5]. По сравнению с другими видами волокон металлическая проволока более технологична.С помощью текстильных методов проволока малых диаметров может быть переработана а сетки» используемые для упрочнения композиционных материалов |3|.

Таблица 2.3

Материал	Плотность р х103, кг/м3	Диаметр D, мкм	Средняя прочность о1+,ГПа	Модуль упругости Е1+, ГПа
Алюминий	2,7	--	0,29	70
Бериллий	1,85	130	1,1	310
Титан	4,5	--	0,55	120
Кремний	2,5	--	1,0	72
Сталь ВНС-9	7,8 1	100...300	3,5...3,8	200
Молибден и ванадий (+ 5%)	-----	250	1,8...2,0	334
Вольфрам	19,3	50	3,3	410

При малых значениях диаметра прочность проволоки зависит от его величины. Чем меньше диаметр, тем выше прочностные свойства проволоки. Например, предел прочности проволоки из стали У8 диаметром 80 мкм составляет около 4400 МПа, а диаметром 260 мкм - примерно 3600 МПа [3]. С увеличением диаметра проволоки чувствительность предела прочности к этому фактору снижается. Высокопрочная стальная проволока чувствительна к дефектам внутреннего строения и поверхностным дефектам. Поэтому с увеличением длины проволоки средний уровень ее прочности снижается.

При производстве композиционных материалов металлическая проволока используется в виде отдельных волокон или сеток. Тканые сетки можно изготавливать только из высокопластичных материалов, обладающих, как правило, низкими прочностными свойствами. Другой их недостаток заключается в образовании пережимов в местах контакта проволоки основы и проволоки утка.

Недостатков, присущих тканым металлическим сеткам, лишены вязаные сетки трикотажного плетения. Различают сетки типа «кулирная гладь», «ластик», «фанг», «полуфанг» [3]. Для изготовления сеток трикотажного плетения пригодны высокопрочные проволоки с малыми значениями относительного удлинения (2...3%) диаметром 20...200 мкм. Объемная структура сеток обеспечивает малый уровень контактных напряжений, в результате чего разрушение сеток происходит не в местах контакта проволочек, а по их длине.

При получении композитов на основе меди, никеля, кобальта, титана и их сплавов в качестве упрочняющих волокон используют вольфрамовую и молибденовую проволоки, характеризующиеся высокой прочностью и жесткостью. По величине модуля упругости вольфрам уступает только осмию, иридию и рению. Высокие прочностные свойства вольфрама и молибдена проявляются как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Вольфрамовая и молибденовая проволока диаметром 20...80 мкм используется для изготовления тканых и трикотажных сеток.

При создании металлических композиционных материалов наиболее важно достичь термодинамической совместимости компонентов, т. е. отсутствия диффузионного и химического взаимодействия между волокном и матрицей [1]. Количество систем с термодинамической совместимостью компонентов ограниченно. Наиболее активное взаимодействие между волокном и матрицей происходит при реализации жидкофазных способов получения металлических композиционных материалов. Кроме того, активное взаимодействие компонентов имеет место при эксплуатации композиционных материалов при высоких температурах.

Металлические композиты на основе никелевой матрицы, упрочненной вольфрамовыми и молибденовыми волокнами, предназначены для работы при 1000...1200 'С. При этих температурах термодинамическая стабильность системы отсутствует, происходит нежелательное взаимодействие между компонентами композиционных материалов. Повысить стабильность межфазных границ (между волокном и матрицей) можно нанесением на волокна противодиффузионных покрытий. Для вольфрамовых и молибденовых волокон в качестве такого рода защитных покрытий рекомендуют использовать нитрид титана, оксиды тория, алюминия и циркония.

Для упрочнения композиционных материалов бериллиевая проволока применяется в виде дискретных и непрерывных волокон. Ее характерные особенности - высокий модуль упругости и высокая удельная прочность. Предел прочности проволоки диаметром 51 мкм составляет 1455 МПа. Высокая жесткость не позволяет перерабатывать бериллиевую проволоку в сетки.

Высокими значениями удельной прочности и высокой коррозионной стойкостью обладает титановая проволока. Предел прочности проволоки диаметром 800 мкм, изготовленной из сплава ВТ9, составляет 1820 МПа [3]. В композиционных материалах титановая проволока применяется в виде непрерывных и дискретных волокон.

В композиционных материалах может быть использована также биметаллическая проволока. Объемная доля плакирующего слоя в ней может достигать 20...40%. Технология изготовления проволоки такого типа заключается в получении (литьем, сваркой, пайкой, металлизацией, гальваническим осаждением) биметаллической заготовки и последующем ее волочении. Механические свойства биметаллической проволоки определяются типом используемых материалов и их соотношением. При изготовлении композитов такая проволока используется в виде волокон, сеток и как полуфабрикат для получения композиционных материалов укладкой с последующим уплотнением взрывом, сваркой, прессованием.

Таблица 2.4 Химический состав матричных литейных алюминиевых сплавов

Марка материала	Химический состав, %
	А1	Мg	Si	Мn	Сu
АЛ1	93,25...93,50	1,25... 1,75	0	0	3.75...4.5
АЛ2	87...90	0	10,0... 13,0	0	0
АЛЗ	91. .93,05	0,35.„О,6	4,5...5,5	0,6...0,9	1,5...3,0
АЛ9	91,6...93,8	0,2...0,4	6-8	0	0
АЛ 13	92,8...94,6	4,5...5,5	0,8... 1,3	0,1...0,4	0
АЛ 19	93,35...94,75	0	0	0,6... 1,0	4.5...5.3

Рис. 2 Классификация композиционных материалов

Таблица 2.5 Механическая характеристика некоторых металлических волокон

Материал	Плотность р х103, кг/м3	Диаметр D, мкм	Средняя прочность о1+,ГПа	Модуль упругости Е1+, ГПа
Алюминий	2,7	--	0,29	70
Бериллий	1,85	130	1,1	310
Титан	4,5	--	0,55	120
Кремний	2,5	--	1,0	72
Сталь ВНС-9	7,8 1	100...300	3,5...3,8	200
Молибден и ванадий (+ 5%)	-----	250	1,8...2,0	334
Вольфрам	19,3	50	3,3	410

Таблица 2.6 Предел прочности при растяжении проволок из углеродистых и легированных сталей (ГОСТ 9389-75, ГОСТ 14959-79)

D, мкм	Предел прочности, оВ Мпа
	Класс I	Класс П	Класс ПА	Класс Ш
200	2750...3100	2300...2750	2250...2700	1800...2300
500	2650...3000	2200...2650	2200;..2б50	1700...2200
1000	2500...2800	2100...2500	2050...2500	1600...2100
1400	2350...2600	1950...2300	1900...2300	1500... 1950

2.3 Применение композиционного материала в мировом самолетостроении

Появление композитных материалов на основе углеродного волокна в авиастроении совершило революцию. Еще в 60-е годы авиаконструкторы искали материалы альтернативные тяжеловесным металлам. Предпочтение было отдано легким и прочным композитам. Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они, естественно, могут не бояться коррозии. Стоит отметить также, что, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные -- не содержат формальдегида, ядовитых газов, вроде метанола. Как следствие в готовом виде детали из композитов весьма экологичны в использовании, не требуют особенного ухода. При регулярной очистке композитные детали годами выглядят как новые.

Область применения композиционных материалов в авиастроении весьма обширна. Они применяются для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопатки вентиляторов и компрессоры.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов и другое.

Ранние модели А310 и В767 содержали всего 5-6% стекловолоконных композиционных материалов. Но уже в 1986 году конструкция А310-200 была модернизирована, что помогло повысить топливную эффективность. Среди изменений было внедрение вертикального оперения из углепластиков, также тормоза колёс стали делать из композитов на основе углеродных волокон.

Рис 3 Содержание композиционных материалов в самолётах компаний Airbus и Boeing

В самолётах А320, А340 и В777 было использовано 10-15% композиционных материалов по весу. На этом этапе минимальное количество материала использовалось на силовых деталях, в основном КМ применялся для отделочных работ в салонах, в обтекателях, зализах и оперениях.

В современных самолётах этих двух корпораций А350 (Рис.1.4) и В787 Dreamliner (Рис.1.5) доля композиционных материалов по массе превышает 50%. В конструкции A350 52 % от веса самолёты будут составлять композиционные материалы, 20 % - алюминий, 14 % - титан, 7 % - сталь, 7 % - остальные. В самолёте В787 схожее соотношение: 50% - композиционные материалы, 20% - алюминий, 15% - титан, 10% - сталь, 5% - остальные.

Рис 4. Airbus A-350 в ливрее ETIHAD AIRWAYS

Рис 5 Вoeing 787 Dreamliner

На этих рисунках наглядно виден изгиб крыла, обусловленный гибкостью деталей, произведенных из композитов. В отличие от металлического крыла, гибкое композитное обладает значительно лучшими аэродинамическими свойствами.

Для летательных аппаратов малой авиации доля композитных материалов в весе самолета достигает 65%, из металла для них производятся только стойки шасси и двигатели (самолеты Diamond, Grob и т.п).



Рис 6. Самолет Diamond DA-42MNG (Австрия)

Рис 7. Самолет GROB 120 (Германия)

Применение композиционного материала в самолетостроении

Сейчас в России разрабатывается новый проект Иркут МС-21 («Магистральный Самолёт XXI века») -- проект ближне-среднемагистрального пассажирского самолёта, который в будущем должен прийти на смену Ту-154 и семейству Ту-204 на российском рынке пассажирских самолётов и выйти на «тесный» международный рынок, где доминируют гиганты Airbus и Boeing с самолётами-бестселлерами Airbus A320 и Boeing 737.

Рис 8 Самолет Иркут МС-21

МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако это стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.

Рис. 9 Композиционные материалы в самолёте МС-21

Исследования подтвердили, что композитная конструкция позволяет заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями, -- что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения около 8-9, в современных самолетах -- 10-10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое качество -- а это основной параметр, характеризующий совершенство самолета, -- на больших скоростях полета у МС-21 выше, чем у лучших современных аналогов, на 5-6%. По нынешним меркам это большое преимущество. Отсюда существенная экономия топлива, увеличенная крейсерская скорость и высота полета. Таким образом, главная особенность данного самолета заключается в так называемом «черном» (композитном) крыле лайнера. Из композитов у МС-21будут сделаны также отдельные элементы фюзеляжа, центроплан и оперение (см. рис.9). По сравнению, например, с российским самолетом Ту-204, у которого доля углеродных композитов в массе планера составляет 14%, у нового лайнера это число увеличено почти до 40%.

На данный момент производство и использование «крылатых композитов» на территории России не такое обширное, как за рубежом. Однако, наша страна стремительно набирает обороты в этой отрасли самолетостроения. Совместно с компаниями «Объединенная авиастроительная корпорация» и «Авиационная холдинговая компания «Сухой» была создана компания «Аэрокомпозит», которая будет вести производство деталей на заводах Казани (совместно с КАПО им. С.П. Горбунова) и Ульяновска уже не только для российского, но для зарубежного рынка. На заводах будут выпускаться элементы кессона крыла, лонжероны, интегральные панели крыла, и элементы механизации для российских самолетов МС-21 и Superjet 100. В Казани также будет организовано производство деталей для самолетов компаний Boeing и Airbus, которые будут выпускаться под маркой партнера предприятия, австрийской компании FACC. Первое композиционное крыло для самолета МС-21 будет произведено в конце 2013 года. Компания планирует выпускать детали для 60-80 самолетов в год, на каждый из которых приходится около 3 тонн композитных материалов.

В производстве спортивных и военных самолетов компания «ОКБ Сухого» впервые применила композиционные материалы в самолетах третьего и начала четвертого поколения - обтекатели радаров производились из фенолформальдегидных композиционных материалов. Сейчас компания производит детали из углеволокна, а препрег (композиционный материал-полуфабрикат) изготавливается на специализированных предприятиях. Данный материал используется для производства носовых обтекателей истребителей пятого поколения и почти всего планера спортивных самолетов. Авиация предъявляет специальные требования к материалу. Он должен быть радиопрозрачным и обладать высокой стабильностью свойств. Одним из важных свойств препрега для компании является возможность его хранения длительный период без потери свойств. Показатель для нового препрега составляет 2 месяца.

Структура композиционных материалов

В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит -- и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами - кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

Волокнистые. В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов - нового класса композиционных материалов - еще меньше и составляют 10-100 нм

Волокнистые композиционные материалы - это композиты, где в качестве наполнителя используются различные волокна. По объёму использования, волокнистые наполнители для композиционных материалов занимают второе место после дисперсионных. Впервые волокнистые композиционные материалы были получены в начале двадцатого века и представляли собой фенопласты с хлопковыми волокнами. Обычно распространённое название полимерных композитов соответствует природе волокон - стекло-, угле-, органо-, боропластики или для гибридных вариантов - стеклоуглепластики, органоборопластики и т.д.

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон В волокнистых композиционных материалах волокна воспринимают основные напряжения, возникающие в композите при действии внешних нагрузок, и обеспечивают прочность и жесткость композиции в направлении ориентации волокон. Матрица, заполняющая межволокнистое пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела матрица - волокно. Механические свойства волокнистого композиционного материала определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно.

К волокнистым композиционным материалам, наиболее широко применяемым в технике, можно отнести: полимерные композиционные материалы на основе термореактивных (эпоксидных, полиэфирных, феноло-формальдегидных, полиамидных и др.) и термопластичных связующих, армированных стеклянными (стеклопластики), углеродными (углепластики), органическими (органопластики), борными (боропластики) и др. волокнами; металлические композиционные материалы на основе сплавов Al, Mg, Cu, Ti, Ni, Сг, армированных борными, углеродными или карбидкремниевыми волокнами, а также стальной, молибденовой или вольфрамовой проволокой; композиционные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод-углеродные материалы); композиционные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и др. жаростойкими волокнами.

Стекловолокно

Стеклопластики - полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, стекловолокно получают вытяжкой из однородной стекловидной массы, которая представляет собой сплав диоксида кремния с оксидами различных металлов которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн.

Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей - куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5 - 20 мкм с d = 600 ч 3800 МПа и d = 2 ч 3,5 %.

Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава.

Стеклопластики - достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Для стеклопластиков характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо, водостойкости и химстойкости. Механические свойства стеклопластиков определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации стеклопластика - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластки, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластки подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у стеклопластика первого типа волокна расположены взаимно параллельно, у стеклопластика второго типа - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.

Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластки с неориентированным расположением волокон: гранулированные и спутанно-волокнистые пресс-материалы; материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). Стеклопластки на основе полиэфирных смол можно эксплуатировать до 60-150 С, эпоксидных - до 80-200 C, феноло-формальдегидных - до 150-250 С, полиимидов - до 200-400 С. Диэлектрическая проницаемость стеклопластиков 4-14, тангенс угла диэлектрических потерь 0,01-0,05, причём при нагревании до 350-400 С показатели более стабильны для стеклопластиков на основе кремнийорганических и полиимидных связующих.

...