Конструкционные и технологические достоинства ПКМ

Качества, делающие ПКМ привлекательными для конструктора, можно сгруппировать по трем категориям:

- высокие механические характеристики;

- широкие возможности создания конструкций, рационально воспринимающих нагружение;

- электро- и теплофизические свойства.

Композиционным материалам присущи следующие механические показатели:

а) Высокие прочность и жесткость при малой плотности. Основные характеристики однонаправленных композитов (т.е. материалов, в которых армирующие волокна расположены в одном направлении) и наиболее применяемых металлических сплавов [39] приведены в табл.1.7.

Таблица 1.7

	Свойства
Материал	плотность r , г/см3	предел прочности на растяжение , ГПа	модуль упругости Е, ГПа	, м2/с2
Стеклопластик Углепластик Органопластик Боропластик Алюминиевый сплав Титановый сплав Высокопрочная сталь	2,1 1,5 1,35 2,2 2,8 4,4 7,9	1,3...1,6 1,3...1,5 2,4...2,9 1,9...2,2 0,5 1,2 1,9		64...76 87...100 180...215 90...101 17,6 25,5 24,6

Как следует из таблицы, удельная прочность стеклопластиков в направлении армирования в четыре раза выше, чем у алюминиевого сплава и в два с половиной раза выше, чем у стали. Еще большие преимущества в прочности имеют угле- и боропластики. В то же время сравнительную оценку прочности ПКМ с металлическими сплавами следует проводить осмотрительно, так как свойства композитов существенно зависят от многих факторов и, в первую очередь, от расположения в них арматуры. Если, например, армирующие волокна расположить в матрице в ортогональных направлениях в равных количествах, то, очевидно, прочность такого материала будет минимум в два раза ниже, чем при однонаправленной укладке арматуры. Из этого примера следует, что не во всех конструкциях могут быть реализованы прочностные преимущества ПКМ. Для сравнения механических свойств композитов с другими конструкционными материалами целесообразнее всего оценивать их характеристики в готовом изделии (детали или узле).

Практика показывает, что применение КМ позволяет в ряде случаев повысить весовую отдачу конструкции по прочности в 1,5-2 раза по сравнению с металлами и по жесткости до 3 раз. Иллюстрацией возможностей, которые определяются высокой жесткостью композитов, является создание таких конструкций как створки грузолюка воздушно-космического аппарата, створки заднего люка самолета Ан-124, носовых обтекателей ракет, выводящих крупногабаритные объекты (рис.1.6). Из-за больших размеров и высоких требований к жесткости все эти изделия воплотить в металле было бы затруднительно.

Рис.1.6. Применение ПКМ при изготовлении жестких крупногабаритных узлов

в летательных аппаратах: а, б – створки грузолюков; в – обтекатель

б) Высокая усталостная прочность ПКМ. Этот параметр особенно важен для летательных аппаратов, так как многие элементы конструкции работают в условиях циклического нагружения. Примером реализации данного преимущества является повсеместный переход в вертолетостроении от металлических лопастей к композитным.

в) Невысокая чувствительность к концентрации напряжений и живучесть при повреждениях. Например, лопасть винта вертолета из ПКМ, поврежденная в результате попадания снаряда или осколка, остается работоспособной значительно дольше, чем ее металлический аналог.

г) Бронезащитные свойства и разрушение без осколков используются при создании бронированных конструкций, защищающих экипаж летательных аппаратов и наиболее важные узлы.

Возможность создания конструкций, материал которых имел бы отличающиеся характеристики в разных направлениях – важнейшее достоинство ПКМ.

Как правило, высокое весовое совершенство имеют конструкции, во всех точках объема которых примерно одинаковый уровень напряжений. В конструкциях из металлов равнонапряженность достигается перераспределением материала из зон с малым уровнем нагружения в более нагруженные зоны. Такое перераспределение приводит к усложнению конструктивной схемы изделия из-за введения дополнительных элементов – ребер жесткости, подкреплений, утолщений и т.п.

В отличие от металлов композиты по своей природе анизотропны. При этом параметры анизотропии могут быть заложены конструктором на этапе проектирования изделия. Варьируя этими параметрами за счет ориентации волокон арматуры в нужном направлении, можно приблизиться к равнонапряженному состоянию материала во всех направлениях и по объему изделия.

Рассмотрим реализацию этого свойства композитов на некоторых примерах. На рис.1.7,а изображен цилиндрический бак, находящийся под внутренним давлением. Если бак выполнить из металла, то напряжения в оболочке в кольцевом направлении будут приблизительно в два раза превышать осевые напряжения. Таким образом, механические возможности материала в осевом направлении будут реализованы не в полной мере.

При использовании композитов проблема равнопрочности оболочки в осевом и кольцевом направлениях довольно просто решается путем более частой укладки арматуры по окружности бака в сравнении с осевым направлением.

Специфика нагружения лопасти несущего винта вертолета (рис.1.7,б) такова, что превалирующими являются напряжения, действующие вдоль ее оси. В связи с этим наиболее подходящим для ее изготовления будет материал с высокой прочностью именно в этом направлении. В композитах это реализуется путем более частой укладки волокон в осевом направлении. Для восприятия крутящего момента осуществляется спиральная намотка или укладка волокон под 45 градусов к оси.

В качестве следующего примера можно привести проблему создания самолета с крылом обратной стреловидности (рис.1.7,в). В отличие от традиционных крыльев, такая схема характеризуется большими крутящими моментами и соответственно высоким уровнем касательных напряжений, возникающих в обшивке. В варианте металлической конструкции жесткость крыла на кручение можно повысить только за счет увеличения толщины обшивки, что приведет к увеличению веса. В варианте композиционной конструкции эта проблема решается перераспределением количества волокон, направленных под углом к оси крыла.

Рис.1.7. Примеры повышения весовой эффективности конструкций за счет задания

рациональной анизотропии материала: а – бак под давлением; б – лопасть несущего

винта; в – крыло обратной стреловидности; г – ферменная конструкция

Очень высокую весовую эффективность можно достигнуть с помощью композитов в ферменных конструкциях. Поскольку стержни в фермах (рис.1.7,г) воспринимают только осевую нагрузку, то в них удается в полной мере реализовать достоинства ПКМ, ориентируя волокна арматуры вдоль оси элементов фермы.

Электро- и теплофизические свойства композитов существенно отличаются от характеристик металла.

- Большинство композиционных материалов являются диэлектриками. Поэтому на летательных аппаратах радиопрозрачные детали, включая обтекатели радиолокационных станций и радиоантенн, изготавливаются из ПКМ.

- Композиты отличаются низкой теплопроводностью, поэтому широко используются в теплоизолирующих конструкциях. КМ керамического типа и асботекстолиты применяются в качестве теплозащитных покрытий в ракетной и космической технике.

- ПКМ выгодно отличаются от металлов своей стойкостью против коррозии. Они выдерживают длительное воздействие кислот и щелочей, органических растворителей, масла, морской воды, не гниют, не ржавеют, не разъедаются насекомыми и грибками.