Требования, предъявляемые к КМ

К КМ в основном предъявляются требования по физико-механическим свойствам, а в ряде случаев - по физико-химической стабильности и коррозионной стойкости. КМ должны выдерживать определенный уровень механических нагрузок: это растяжение, сжатие, изгиб и характер нагружения (статический, динамический). КМ должны быть устойчивы к действию окружающей среды (температура, влажность, давление, агрессивная среда). Эти факторы определяют комплекс конструктивно-эксплуатационных требований, предъявляемых к КМ.

К показателям конструкционной прочности материалов относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежность материала в изделии (вязкость разрушения, живучесть при циклическом нагружении). Количественные характеристики перечисленных свойств определятся при статических и динамических испытаниях образцов, приближенным к реальным условиям эксплуатации.

К КМ предъявляются требования по технологичности. Технологичность – это способность материала приобретать заданную форму при действии различных факторов (температура, давление, влажность), подвергаясь механической обработке, и иметь способность устойчиво соединяться различными методами (сваркой, склеиванием).

Специальные требования к КМ – это магнитные, изоляционные свойства, качество поверхности: цвет, шероховатость.

Недостатки композиционных материалов

Композиционные материалы имеют достаточно большое количество недостатков, которые сдерживают их распространение.

Высокая стоимость КМ обусловлена высокой наукоёмкостью производства, необходимостью применения специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

Анизотропия - непостоянство свойств КМ от образца к образцу. Для компенсации анизотропии увеличивают коэффициент запаса прочности, что может нивелировать преимущество КМ в удельной прочности. Таким примером может служить опыт применения КМ при изготовлении вертикального оперения истребителя МиГ-29. Из-за анизотропии применявшегося КМ вертикальное оперение было спроектировано с коэффициентом запаса прочности кратно превосходящим стандартный в авиации коэффициент 1,5, что в итоге привело к тому, что композитное вертикальное оперение МиГ-29 оказалось равным по весу конструкции классического вертикального оперения, сделанного из дюралюминия.

Низкая ударная вязкость также является причиной повышения коэффициента запаса прочности. Кроме этого, низкая ударная вязкость обуславливает высокую повреждаемость изделий из КМ, высокую вероятность возникновения скрытых дефектов, которые могут быть выявлены только инструментальными методами контроля.

Высокий удельный объем является существенным недостатком при применении КМ в областях с жесткими ограничениями по занимаемому объему. Это относится, например, к сверхзвуковым самолётам, у которых даже незначительное увеличение объема самолёта приводит к существенному росту волнового аэродинамического сопротивления.

Гигроскопичность КМ, т.е. склонны впитывать влагу, что обусловлено несплошностью внутренней структуры КМ. При длительной эксплуатации и многократном переходе температуры через 0 по Цельсию вода, проникающая в структуру КМ, разрушает изделие из КМ изнутри (эффект по природе аналогичен разрушению автомобильных дорог в межсезонье). Так одной из возможных причин авиакатастрофы American Airlines Flight 587, в которой от фюзеляжа оторвался композитный киль, названо разрушение структуры композитного киля от периодически замерзавшей в ней воды. КМ могут впитывать также другие жидкости, обладающие высокой проникающей способностью, например, авиационный керосин.

Токсичность. При эксплуатации КМ могут выделять пары, которые часто являются токсичными. Если из КМ изготавливают изделия, которые будут располагаться в непосредственной близости от человека, например мебель, окна, двери, линолиум, спортивный инвентарь, композитный фюзеляж самолета Boeing 787 Dreamliner, то для одобрения применяемых при изготовлении КМ материалов требуются дополнительные исследования воздействия компонентов КМ на человека.

Низкая эксплуатационная технологичность. Композиционные материалы обладают низкой эксплуатационной технологичностью, низкой ремонтопригодностью и высокой стоимостью эксплуатации. Это связано с необходимостью применения специальных трудоемких методов, специальных инструментов для доработки и ремонта объектов из КМ. Часто объекты из КМ вообще не подлежат какой-либо доработке и ремонту.

Знание закономерностей, определяющих в материале наличие тех или иных свойств, позволяет рационально использовать существующие и создавать новые КМ.