3.4.3. Гибридные композиционные материалы

Используемые на практике композиционные материалы не обязательно являются двухкомпонентными. В композитах од­новременно могут присутствовать разнородные матрицы и во­локна. В том случае, если композиты состоят из трех и больше­го количества компонентов, их называют гибридными. Компо­зиционные материалы, состоящие из двух или более матричных компонентов, отделенных друг от друга поверхностями раздела, называют полиматричными, или гетероматричными. Если в композите с матрицей одного типа присутствуют разнородные по составу армирующие компоненты, тогда гибридный матери­ал называют полиармированным, или поливолокнистым.

Одним из вариантов сочетания различных волокон являет­ся создание гетероволокнистых материалов по принципу одно­родных смесей, в соответствии с которым волокна различных типов равномерно распределяются в первичной нити, ленте или жгуте.

Гибридные композиционные материалы необходимы для устранения недостатков волокон одного типа за счет включения в состав материала волокон другого типа, снижения цены ком­позиционного материала за счет включения в состав некото­рой доли более дешевых компонентов. Отмечается, что гиб­ридный материал, содержащий 20 % углеродных и 80 % стек­лянных волокон, имеет предел прочности на уровне 75 % от прочности углепластика. При этом стоимость гибридного композита составляет только 30 % от стоимости углепластика. Следовательно, подбирая материал компонентов, можно целе­направленно управлять свойствами композитов. Путем измене­ния содержания волокон различного типа можно эффективно влиять на модуль упругости, прочностные свойства, вязкость, тепловые характеристики гибридных композиционных мате­риалов.

3.5. Применение композиционных материалов

Композиционные материалы относятся к группе высоко­технологичных материалов. Как правило, своим появлением они обязаны развитию таких высокоразвитых отраслей про­мышленного производства, как авиа- и ракетостроение, судо­строение. В то же время после отработки технологий изготов­ления, снижения стоимости до приемлемого уровня компози­ционные материалы постепенно используют и другие отрасли. В частности, они широко применяются для изготовления това­ров народного потребления. Анализ условий работы современ­ных проектируемых конструкций и темпов внедрения в производство композиционных материалов, достигнутых в послед­ние десятилетия, позволяет обоснованно считать, что компози­ты можно называть материалами XXI в.

3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении

Аэрокосмическая промышленность является одним из основных заказчиков и потребителей композиционных мате­риалов. На рис. 7 представлена относительная доля компози­ционных материалов в массе таких конструкций, как космиче­ские аппараты, стратегические ракеты с твердотопливными двигателями (РДТТ), крупногабаритные твердотопливные ра­кетные двигатели, стратегические ракеты с жидкостными дви­гателями (ЖРД), боевые самолеты и вертолеты, транспортные и пассажирские самолеты. Ярким примером являются крупно­габаритные твердотопливные ракетные двигатели. Доля ком­позиционных материалов от массы этих конструкций состав­ляет 85...90 %. Применение композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов позволяет уменьшить их массу, увеличить массу полезного груза, скорость в дальность полета.

Аэрокосмическая промышленность широко использует ком позиционные материалы различного типа, в том числе по­лимерные, металлические, керамические, углерод-углеродные, гибридные. В 1958г. фирма «Боинг» использовала стеклопла­стик для изготовления самолета типа ДС-8.

Материалы этого типа находят применение для изготовления элементов спортивных самолетов. Из стеклопластика была вы­полнена тепловая защита спускаемого корабля-спутника «Вос­ток».

.

Рис. 7. Композиты в ракетной и аэрокосмической техни­ке

Порядок (11 % в 2000 г.). При этом доля углепластиков увели­чилась с 3 % до 65 %.

Из углепластиков серии КМУ-3 изготавливается 200 различных деталей общей массой 2,2 т. Экономия алюминиевых сплавов за счет применения уг­лепластиков составляет 6 т, экономия топлива— 1,2 10⁴ т.

Использование современных композиционных материа­лов можно проанализировать на примере авиационных двига­телей. Детали узлов двигателя работают в очень жестких усло­виях при воздействии высокой температуры, вибрации, меха­нических напряжений высокого уровня. Детали должны хоро­шо сопротивляться ползучести, выдерживать частые тепло- смены, быть легкими, жаростойкими, жаропрочными.

1300. Ключевым фактором, определяющим коэффициент по­лезного действия газотурбинного двигателя, является его рабо­чая температура. С увеличением рабочей температуры техни­ческие характеристики двигателя существенно возрастают. В камерах сгорания современных двигателей температура достигает 1300…1500 0 °С. Предпола-гается, что в будущем она может достигнуть 1800. . .2000 °С. Температура -2000 °С считается оптимальной для двигателя, поскольку она представляет собой стехиометрический предел для идеального процесса горения всех видов топлива. Ни один металл или используемый сего­дня сплав не сможет быть успешно применен для изготовления тяжело нагруженных деталей, работающих в зоне камеры сго­рания при таких высоких температурах. Есть сомнения, что даже новые материалы смогут эксплуатироваться и выдержи­вать огромные механические нагрузки при этих температурах.

Важнейшей деталью газотурбинного авиационного дви­гателя, работающей при высоких температурах и высоком уровне механических напряжений, является турбинная лопат­ка. Ранее турбинные лопатки изготавливались методом ковки.

Следующим шагом явилась разработка технологии производ­ства направленно кристаллизованных лопаток со столбчатой кристаллической структурой. Дальнейшее повышение рабочей температуры и технических характеристик двигателя стало возможным при использовании монокристаллических лопаток с внутренними каналами охлаждения. По сравнению с направ­ленно кристаллизованными лопатками срок службы монокри­сталлических лопаток в 2.. .3 раза больше.

При проектировании современных двигателей эффектив­ное решение данной проблемы связывают с разработкой и применением композиционных материалов с керамической матрицей повышение максимальной рабочей темпе­ратуры двигателя до 1500 °С позволит увеличить его эконо­мичность, применять дешевые виды топлива. Недостатком материалов с керамической матрицей является низкий у роист, надежности. Критический размер дефекта в керамических материалах < 100 мкм, в металлических материалах возможно присутствие подобных дефектов длиной до миллиметров

Дальнейшее повышение рабочей температуры возможно лишь при разработке новых, более совершенных материалов. Пред­полагается, что это также будут композиционные материалы.

В течение последних двух десятилетий при изготовлении высокотемпературных трактов авиационных двигателей при­менение композиционных материалов неуклонно возрастало (рис. 8). Нет сомнений, что в ближайшей перспективе эта тен­денция сохранится. При этом относительная доля титана и его сплавов, сталей, жаропрочных сплавов при производстве вы­сокотемпературных трактов авиационных двигателей посте­пенно снижается.

Рис. 8. Прогноз применения материалов повышенной жаропрочности в самолетостроении

Авиационная и аэрокосмическая промышленность явля­ется основным потребителем боропластиков. В наибольшей степени эффективность композитов этого типа проявляется при изготовлении конструкций, работающих в условиях действия сжимающих напряжении, и конструкции, к жесткости которых предъявляются высокие требования.

Боропластики могут использоваться в сочетании с м иг пластиками. Та часть конструкции, которая испытывает движение сжимающих, напряжений, изготавливается из баропластиков, а часть, находящаяся под действием напряжении растягивающего типа, — из углепластиков. При одинаковом иссушен способности масса балок га ко го типа на .’О... И) ниже, чем масса балок, изготовленных из алюминиевых еннапои. Перспективным считается применение боропластиков при изготовлении стоек шасси, отсеков фюзеляжа самолета, обшивки крыльев, дисков компрессоров газотурбинных двигателей. Не высокая стоимость боропластиков сдерживает их распространение в других отраслях промышленного производства.