Композиционный материал на основе волокон бора в конструкции воздушного судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Оренбургский государственный университет»

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ВОЛОКОН БОРА В КОНСТРУКЦИИ ВОЗДУШНОГО СУДНА

Припадчев А.Д., д-р техн. наук, профессор,

Ермолаева Т.А.,

Припадчева Л.В.,

Псянчина Р.Р.

Проявляемый интерес к волокнам бора, как армирующему элементу композиционных -- материалов, обусловлен их высокими механическими характеристиками при небольшой плотности (2,6 г/см³). Волокна бора были разработаны в 1959 г, [2, 3] и представляют собой непрерывное волокно диаметром 100-140 мкм, получаемое методом осаждения из газовой фазы ВСl₃-Н₂ -- на вольфрамовую подложку в виде нити диаметром 12-13 мкм.

В волокне бор представляет аморфное тело и характеризуется упругим поведением до разрушения. Физико-механические характеристики бороволокна в сравнении с другими материалами приведены в таблице 1, в которой также даны удельная прочность и удельная жесткость.

Таблица 1 - Физико-механические характеристики бороволокна

Хрупкость и малый диаметр бороволокон требуют использование их в матрице (полимерной или металлической), основное назначение которой является передача волокнам действующей нагрузки, обеспечение равномерного распределения волокна в композиционном материале и защита волокон от воздействия внешней среды.

В настоящее время стоимость бороволокна превышает стоимость других высокопрочных и высокомодульных волокон (например, стеклянных, органических типа Kevlar 49 н графитовых), что обусловлено сложностью производства. Этот фактор лимитирует использование бороволокна в композиционных материалах и, следовательно, сдерживает рывок сбыта и расширение объема производства.

Положительным качеством композиционных материалов на основе бороволокна являются высокие механические характеристики, превышающие соответствующие показатели других материалов, например, по пределу прочности при сжатии, по усталостным характеристикам и т.п. [1, 4]. Это обстоятельство побуждает использовать бороволокло в композиционных материалах совместно с другими волокнами, имеющими более низкие характеристики, но менее дорогими.

Успешное применение композиционных материалов на основе бороволокна с полномерными матрицами (боропластиков) в ряде экспериментальных самолетных конструкций, в особенности B США, а также проектные оценки, проведенные в ряде стран, дают все основания предположить, что объем применения композиционных материалов на основе бороволокна в ближайшем будущем будет значительно расширен.

Бороволокно с защитным покрытием (B₄C или SiC) хорошо химически сочетается с легкими металлами (магнием, алюминием, титаном и их сплавами) при температуре от 300 до 600°С. Бороволокно отличается высокими характеристиками свариваемости с текучими металлами, имеющими низкую температуру плавления (например, с алюминием).

Композиционные материалы на основе бороволокна с металлической матрицей имеют более хорошие характеристики электропроводности, прочности в поперечном направлении, прочности при сдвиге, стойкости к старению и т.п. по сравнению с боропластиками и, следовательно, это второе поколение материалов в дальнейшем начнет выпускаться в промышленном масштабе вслед за материалами с полимерной матрицей.

Основные причины высокой стоимости производстве методом осаждения: а) большая сложность для условий промышленного производства; 6) процесс осаждения бора на газообразные фазы ВСl₃-Н₂ при температуре, соответствующей аморфному состоянию, очень медленный (при температуре выше 1200°С бор переходит в кристаллическое состояние); в) низкая производительность процесса перехода ВСl₃/В‚ что делает необходимым переработку и повторное использование реактивов, г) высокая стоимость исходных продуктов (особенно вольфрамовой подложки в ВСl₃).

Основные работы, направленные на снижение стоимости бороволокна, связываются с модификацией процесса изготовления (осажденная) и заменой вольфрамовой подложки. Модификация процесса осаждения бора не даст значительного снижения стоимости. Условия, которым должна удовлетворять подложка: материал должен быть жаропрочным, т.е. сохранять высокие механические характеристики при температуре ю1200°С‚ быть при этой температуре совместимым с бором и его соединениями в газообразной фазе и быть по возможности дешевым.

Систематические исследования, проводимые в лаборатории химии твердых тел CNRS (университет г, Бордо, Франция), направлены на изучение химической совместимости с бором и смесью ВСl₃-Н₂ различных материалов, которые могут быть использованы в качестве подложки.

Применяемый термодинамический метод основан на минимизации свободной энергии системы и учете равновесного состояния материалов. Это позволяет при заданных начальных параметрах (составе газовой смеси, давление, температуре и виде подложки) определять равновесное состояние системы в камере осаждения. Этот метод может быть использован, например, для качественного и количественного анализа восприимчивости подложки к газообразным составляющим.

Как показывают теоретические исследования и имеющийся опыт изготовления бороволокна, практически очень трудно найти лучший материал для подложки из металлов, чем вольфрам. Однако помимо многочисленных преимуществ вольфрам имеет и ряд существенных недостатков, таких как большая плотность, высокая стоимость, быстрый переход в соединения с бором, что вызывает интенсивную эмиссию из подложки в процессе получения волокна, и т.п. С точки зрения указанных недостатков перспективным представляется подложка из углеродного волокна. Вполне возможно, что в этом случае скорость протяжки подложки при осаждении бора будет увеличена приблизительно на 40%, а, следовательно, будет и уменьшена стоимость получаемых волокон, как это показано в таблице 2, где дан прогноз стоимости бороэпоксидных композиционных материалов в зависимости от объема производства бороволокна.

Таблица 2 - Прогноз производства бороволокна

Возможности производства бороволокна на углеродной подложке составляют в настоящее время приблизительно 500 кг в год.

Основное применение бороволокна в настоящее время связано с использованием боропластика. Основные физико-механические характеристики боропластика приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные физико-механические характеристики боропластика

Боропластик обладает рядом высоких характеристик, таких как прочность при растяжении и сжатии, усталостная прочность и т.д. при небольшой плотности (около 2 г/см³ по сравнению с 2,7 г/см³ у алюминия), что делает эти материалы более эффективными по сравнению с традиционными металлическими сплавами при использовании в конструкциях летательных аппаратов.

армирующий элемент бор метталлическая матрица

Список литературы

1. Егер, С. М. Основы автоматизированного проектирования самолётов: учеб. пособие для студентов авиационных специальностей вузов / С.М. Егер, Н.К. Лисейцев, О.С. Самойлович. М.: Машиностроение, 1986. 232 с., ил.

2. Курганова, Ю.А. Конструкционные металломатричные композиционные материалы: учебное пособие / Ю.А. Курганова, А.Г. Колмаков. -- Москва: МГТУ им. Баумана, 2015. -- 141 с. -- ISBN 978-5-7038-4082-5. -- Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. -- URL: https://e.lanbook.com/book/106298 (дата обращения: 13.12.2019). -- Режим доступа: для авториз. пользователей.

3. Мамедов, Г.В. Моделирование полимерных композиционных материалов / Г.В. Мамедов // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. №1. 2014. С. 39-42

4. Припадчев, А.Д. Сборочные процессы элементов летательных аппаратов: учебное пособие / А.Д. Припадчев, А.А. Горбунов; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2017.

Размещено на Allbest.ru