 |
1.2.2 Сравнение композитных материалов со сталями
|
|
|
|
1. 2. 2 Сравнение композитных материалов со сталями
Для оценки прочностных и физико-химических свойств композитного материала предлагаю провести сравнение стеклопластика, как самого доступного композитного материала со сталью, пластиком и дюралюминием. Характеристики материаллов представлены в таблице 1. 1.
Таблица 1. 1 - Сравнительная характеристика материалов
| Критерий | Сталь | Пластик | Стеклопластик | Дюралюминий |
| Удельный вес, г/см3 | 7, 8 | 1, 3-1, 4 | 1, 1 | 2, 8 |
| Коррозийная стойкость | низкая | абсолютная | абсолютная | высокая |
| Предел прочности при растяжении, МПа | 200-226 |
Окончание таблицы 1. 1
| Модуль упругости, ГПа | 2, 0-2, 7 | 21-41 | ||
| Коэффициент теплопроводности, Вт/К*м | 17, 5-58 | 0, 13-1, 6 | 0, 3-0, 5 | 140-190 |
| Электропроводность | да | нет | нет | да |
| Диапазон рабочих температур, °C | от –60 до +300 | от -50 до +80 | от -18 до +600 | от -70 до +210 |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 6-100 | 2, 2 | ||
| Экологичность | экологичен | токсичен | малоопасен | экологичен |
| Долговечность, лет | около 50 | около 15 | более 80 | около 50 |
| Разрушающее напряжение при сжатии (растяжении), МПа | 410-480 | 41-48 | 410-1180 | 80-430 |
| Разрушающее напряжение на изгибе, МПа | 80-110 | 690-1240 | ||
| Коэффициент линейного расширения, 10-6/°С | 11-14 | 75-80 | 9-12 | 21-24 |
Как мы можем наблюдать из сравнительной таблицы, даже самый простой стеклопластик способен соперничать, а в некоторых случаях и превосходить авиационные сплавы дюралюминия. При грамотном подборе слоев и связующих компонентов, можно получить материал, который будет
Также преимуществом композита являются коррозионная стойкость, устойчивость к усталостным деформациям и росту трещин (за счет структуры композита трещина упирается в границу раздела 2 сред и перестает развиваться).
|
|
|
При умелом подборе армирующих волокон, матриц, грамотном проектировании и соблюдении технологии производства и эксплуатации композитные материалы по своим характеристикам будут превосходить лучшие сплавы металлов, хотя они и обладают рядом недостатков, таких как диэлектричность, а корпус самолета должен проводить электричество, это создает дополнительные трудности с прокладыванием металлизации, и трудность эксплуатации и ремонта.
Хотя композитные материалы и не подвержены коррозии, они обладают рядом несвойственных металлам возможными дефектами. Так, в композитах могут возникать следующие дефекты:
- трещины;
- поры;
- включения;
- расслоения;
- несплошности;
- нарушение ориентации волокон;
- обрывы армирующих элементов.
Также композиты хуже воспринимают перерезывающие напряжения и удар перпендикулярно плоскости может послужить причиной возникновения расслоения композитного материала, хотя внешне дефект может не проявляться.
1. 2. 3 Композитные материалы в авиации
Основными преимуществами КМ над металлами в авиастроении являются:
- снижение массы с сохранением заданных запасов прочности, что является основным преимуществом для любого изделия авиапромышленности, так как это приводит к существенной экономии топлива;
- коррозионная стойкость. Коррозия является одной из самой больших проблем для элементов конструкции самолета, так как она способна
существенно снижать прочностные характеристики;
- устойчивость к образованию усталостных повреждений. КМ имеют слоистую структуру, усталостные трещины, доходя до границы 2 слоев, не способны продолжать дальнейшее развитие;
В связи с этим, в настоящий момент КМ получают все большее распространение в авиационной промышленности. В современных самолётах Airbus А350 и Boeing 787 Dreamliner 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 Boeing 787 схожее соотношение: 50 % - композиционные материалы, 20 % - алюминий, 15 % - титан, 10 % - сталь, 5 % - остальные. Элементы и материалы, из них изготовленные приведены на рисунке 1. 15.
|
|
|
Рисунок 1. 15 - Материалы, используемые в Boeing 787 Dreamliner
Все чаще планер самолета и силовые элементы изготавливаются из КМ. Однако помимо ряда очевидных и существенных преимуществ есть и существенные недостатки, такие как:
- анизотропия упруго-прочностных характеристик. Неодинаковость свойств КМ от выбора направления измерения, это значительно усложняет расчеты, и показывает, что самолет будет хуже переносить нагрузки, которые не были приняты во внимание во время расчетов
- низкая ударная вязкость, как следствие из анизотропности. КМ плохо воспринимают сдвиговые деформации и касательные напряжения.
- низкая эксплуатационная технологичность. Изделия из КМ обладают низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов (ручного труда), специальных инструментов для диагностики, доработки и ремонта.
Исходя из того, что обшивка фюзеляжа все чаще изготавливается из композитных материалов, полагается, что фюзеляж Boeing 737 тоже будет изготовлен из него.
1. 3Анализ существующей технологии ремонта изделий из ПКМ
Несмотря на то, что причиной большинства неисправностей структуры ЛА является коррозия, для обшивок (фюзеляж, крыло, механизация, оперение) поводом для ремонта, чаще всего, являются механические повреждения. Такие как сколы и вмятины от попадания камней, песка и т. д. с поверхности ВПП при разбеге и пробеге, столкновения с наземной техникой, неаккуратном техническом обслуживании.
Если говорить о семействе Boeing 737-400/500/800, то на данном этапе обшивки летательных аппаратов состоят из алюминиевых сплавов, композитными являются только отклоняемые поверхности механизации, , мотогондолы (поколение classic), обтекатели и некоторые части фюзеляжа (носовая и хвостовая).
|
|
|
Большая часть из композитных элементов являются сэндвич-панелями. То есть состоят из лицевых панелей, изготовленной из одного или нескольких слоев металла или стеклопластика, адгезива и сотового наполнителя (рисунок 1. 17).
Ремонт сэндвич композитов зависит от повреждений. Перед проведением ремонта необходимо оценить характер и размеры повреждений, в соответствии с ними определить по какой технологии производить ремонт (рисунок 1. 16), ознакомиться с технологией и примечаниями и лишь после приступать к ремонту (так как документация часто обновляется и теряет свою актуальность).
Рисунок 1. 16 - Выбор технологии ремонта в зависимости от характера и размеров повреждения
В случае невозможности проведения ремонта (например, нет такого размера нагревательного элемента, чтобы отвердить такое большое повреждения) или нецелесообразности ремонта (проще и дешевле приобрести новый), объект считается неремонтопригодным.
В случае, если размеры повреждений (их локализация) не прописана в технической документации, обращаются к производителю авиационной техники и он выдает инструкции по ремонту.
Если опустить подробности, то в общем случае, при незначительных повреждениях, достаточно удалить поврежденные слои (либо ступенчато, либо воронкой), вклеить заплатки, соблюдая направления волокон и степень пропитки, после чего наложить 1-2 слоя с перекрытием пол дюйма на неповрежденные участки и произвести полимеризацию с соблюдением условий (давления и температуры).
Рисунок 1. 17 - Ремонт сэндвич-композита, при неповрежденном сотовом наполнителе
В случае, если сотовый наполнитель был поврежден или отклеился, он подлежит замене. В этом случае так же выполняется удаление слоев, вырезание поврежденных сот, вклеивание ремонтных сот, накладывание слоев сверху, включая слои поверх первоначального верхнего слоя и отверждение.
Тонкостенные конструкции, целиком изготовленные из слоев ПКМ на данных типах техники, не применяются. Проанализировав материалы, используемые в обшивке фюзеляжа Boeing 787 Dreamliner, выяснили, что он состоит именно из слоистого композита. Поэтому я предлагаю технологию ремонта слоистого композиционного материала, в которой имеется возможность проведения ремонта при наличии только одностороннего доступа (для ремонта обшивки в тех местах, где за фюзеляжем находятся отсеки с оборудованием и недостаточно свободного места).
|
|
|
1. 4 Патентное исследование способов ремонта изделий из ПКМ
|
|
|
