Использование композитных материалов: Виды и применение композитных материалов

Содержание

Применение композитных материалов как драйвер отраслей ОПК

Автор: Вадим Зазимко, генеральный директор УК «Композитный кластер Санкт-Петербурга»  

Для справки: родина композитов – древний Египет. Именно там строители впервые стали добавлять солому в кирпичи, чтобы те были прочнее и не растрескивались при сушке на солнце. Тысячелетия спустя сложно представить себе отрасль, где в той или иной степени не используют композиционные материалы. 

 

Сегодня США и Европа применяют, соответственно, в 20 и 10 раз больше композитов, чем наша страна. При этом доля композитных материалов в нашей авиационной промышленности составляет около 15%, а в судостроении – пока только 2%. Естественно, России необходимо активнее развивать науку и собственные высокотехнологичные отрасли, а оборонно-промышленный комплекс является драйвером для модернизации и развития индустрии, в том числе и сектора новых материалов. Композиты используются практически во всех областях ОПК

– в обеспечении собственной безопасности (бронежилеты), танкостроении, военно-морском кораблестроении, ракетостроении, авиастроении и т. д.

Например, в дочерних компаниях корпорации «Ростех», специализирующихся на НИОКР и производстве инновационных полимерно-композитных материалов (ПКМ), серийно производятся агрегаты из ПКМ для ракетоносителей «Ангара», «Протон» (около 36% деталей удалось изготовить из композита, что позволило снизить вес на 12%). Также выпускаются элементы звукопоглощающих панелей для авиадвигателей. У воздушных судов ПАК ДА, ПАК ФА, ИЛ-112 в результате использования в конструкции ПКМ снизилась масса на 20–30%, уменьшилось количество деталей, сократились сроки производства и, как следствие, и цена самолета.

Также композиты – это основа проектов в области развития устройств с минимально заметным действием, в частности, беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Композитные материалы весьма активно используются в их конструкции, в результате чего обнаружить их можно лишь с близкого расстояния.

Использование композитов в судостроении помогает значительно снизить вес корабля. При этом увеличивается его скорость или количество полезного груза, который возможно взять на борт, что очень важно как для мобильных военных кораблей, так и для огромных авианосцев.

В России подобные материалы для ОПК (в том числе для средств индивидуальной защиты – бронежилетов) производят несколько компаний. Композитный материал благодаря наличию полимерных волокон с фибриллярными структурами демонстрирует наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с поражающим элементом, обеспечивая тем самым относительно высокие показатели противоударной и противоосколочной стойкости.

Появились и другие виды композитной бронигибридные межслоевые полимер-металлические и полимер-керамические материалы (так называемая комбинированная броня) и современные нанополимерные материалы на основе полимерных гелей и электроактивных полимеров. Благодаря их ударопрочным и весовым свойствам композитные материалы широко используют для производства внешней обшивки и надстроек боевых кораблей.

Например, надстройку из облегченного композита несут российские корветы типа «Стерегущий».

Еще советский Т-64А стал первым в мире серийным танком с комбинированной композитной броней. Она пришла на смену традиционной гомогенной стальной броне и обеспечивала защиту как от кумулятивных снарядов, так и от боеприпасов кинетического действия. С конца 1980-х годов композитная броня различных схем стала стандартом в мировом танкостроении.

Керамико-пластиковая броня используется для защиты кабины пилотов на военных вертолетах. Грудной щиток «протектор» совместно с бронированным сидением экипажа вертолета позволил обеспечить его круговую защиту в секторе обстрела 360 градусов. Сегодня уже и элементы корпусов вертолетов делают из композитов.

В России цельнокомпозитные лопасти из углепластика применяют на многоцелевых вертолетах Ми-38, Ми-35М и на модернизированном боевом вертолете МИ-28НМ. Такое решение привело, в частности, к увеличению их крейсерской и максимальной скорости.

Растет доля использования композитных материалов в авиастроении.

Если в 1980-х годах она составляла около 10% от общего веса, то сейчас на современных магистральных самолетах эта доля достигает 50%. Композиты используются в конструкции крыла, центроплана, флюзеляжа и хвостового оперения. Российский завод «АэроКомпозит-Ульяновск» начал серийное производство композитного крыла для новейшего отечественного лайнера МС-21. В военном самолетостроении Россия занимает одно из ведущих мест в мире, во многом благодаря успешному внедрению композитных материалов. К примеру, Т-50 (ПАК ФА) – российский многофункциональный истребитель пятого поколения имеет фюзеляж, изготовленный с использованием композитных радиопоглощающих материалов. Их доля в общей массе пустого самолета составляет 25%. Вследствие применения композитов удалось существенно снизить количество деталей.

На четверть из современных композитов состоит и фюзеляж истребителей МиГ-29К/КУБ и Миг-35. Для изготовления деталей из углеволокна корпорация «МИГ» развернула специальное производство в Тверской области в Луховицах. Все используемые материалы, включая углеволоконную нить, отечественные.

Россия идет в ногу со временем в производстве военных кораблей с композитными корпусами. Первый в мире композитный корабль сошел на воду в 1967 году в Ленинграде со стапелей

Средне-Невского судостроительного завода. А в 2016 году в состав ВМФ России был торжественно принят уникальный тральщик «Александр Обухов». Его корпус длиной 61 м, шириной 10 м и водоизмещением 890 т полностью сделан из монолитного стеклопластика и отличается более высокой прочностью по сравнению с корпусами из других материалов. Идет строительство серии из семи таких кораблей проекта 12700 «Александрит». Экспортные поставки кораблей и судов, изготовленных на СНСЗ, осуществлены для ВМС Казахстана и Туркмении.

Цитата

Генеральный директор Средне-Невского судостроительного завода Владимир Середохо:
«…по технологии вакуумной инфузии мы можем изготавливать изделия очень больших размеров.

Но у нее в настоящее время есть один минус – высокая стоимость вспомогательных материалов. Другой высокопроизводительный метод – RTM – имеет ограничение по габаритам конструкций, поэтому на его основе в настоящее время изготавливаются панели среднего слоя, из которых формируются конструкции. Сегодня создание конструкции из композиционных материалов – это несколько одновременных взаимосвязанных процессов. Это входящие «простые» материалы и конструкционные материалы, которые формируются одновременно с конструкцией и с применением той или иной технологии».

 

Ростовский завод «РиФ» с 2016 года исполняет договор с Суданом на поставку серии патрульных катеров, изготовленных из облегченного композита.

В последние годы, несмотря на урезание финансирования НИОКР, выделяются гранты на разработку полимер-композитных материалов, обладающих радиопоглощающими свойствами. Например, ФГУП «Крыловский государственный научный центр» разработал радиопоглощающие материалы для строительства корветов ближней морской зоны проектов 20380 и 20385.

Похожие исследования для военной авиации по получению новых легких радиопоглощающих материалов на основе наноуглеродных соединений были успешно проведены и в НТЦ Прикладных нанотехнологий в Санкт-Петербурге.

Как сообщил советник генерального директора ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ) Валерий Половинкин («Известия» от 17 марта 2016 г.), элементы нового 5-го поколения российских подводных лодок – многослойные композитные покрытия корпуса, носовые и кормовые рули, стабилизаторы, ограждение рубки, гребные винты и линии валов – решено делать из композитных материалов. Правда, производство будет запущено только после 2020 года, когда завершится строительство субмарин 4-го поколения.

Для производства композитов актуальна программа импортозамещения.

В некоторых областях доля импортных составляющих для композитных материалов доходила до 90%. Согласно данным портала flotprom.ru, в 2016 году программа импортозамещения была выполнена Средне-Невским судостроительным заводом на 50%.

Были внедрены стеклоткани производства уфимского «Стеклонита», металлические пенопласты, произведенные Дзержинским НИИ Полимеров. Поиск и замена импортных связующих винилэфирных смол – самая сложная и давняя проблема отечественной композитной отрасли – будет решена. Производителями станут «Волгоградпромпроект», ярославский «Дугалак» и подмосковный «Электроизолит». К концу 2017 года СНСЗ планирует полностью завершить программу импортозамещения и максимально возможно увеличить долю отечественных материалов при строительстве судов.

Петербургская фирма «Легар» освоила в производстве консоли из полимерных материалов для малых и средних судов (на фото). Консоли не только отвечают всем современным техническим требованиям, но и имеют отличный дизайн.

ООО«Композит-Проф» разработало и внедрило технологию изготовления панелей среднего слоя, которые используются в качестве среднего слоя трехслойного полимерного композиционного материала, предназначенного для изготовления плоских секций палуб, переборок, выгородок, надстроек надводных судов, кораблей, эксплуатирующихся в морской и пресной воде. Успешно принимает участие в ОКР в части разработки технологии изготовления элементов набора и обшивки корпусов кораблей из композиционных материалов.

При участии «Композитного кластера Санкт-Петербурга» формируется группа экспертов-судостроителей и специалистов в производстве современных композитных материалов при поддержке технической дирекции Объединенной судостроительной корпорации (ОСК). Задача группы – в течение 2017 года создать каталог судовых изделий, которые было бы целесообразно производить из композитных материалов, а затем силами участников кластера и ОСК внедрить первые опытные партии в реальное судостроение. Эта инициатива должна придать импульс развитию отечественного судостроения в сфере применения самых современных материалов. Будет освоен ряд технологий внедрения новейших разработок в серийное производство. При успешной реализации проекта можно будет масштабировать его и на другие отрасли промышленности.

В России все еще существуют негативные факторы, из-за которых производственный сектор не выходит на стабильный рост. В их числе недостаток финансирования научных исследований для получения новых материалов. Как следствие – сохраняется технологическая отсталость производителей исходного сырья для композитов. Подавляющее большинство компаний все еще покупают американские или финские смолы.

Влияет и тендерная система закупок, при которой все конструкционные материалы для закупки четко прописаны, нет гибкости для принятия альтернативных решений. Сказывается и отсутствие на предприятиях профильных специалистов, имеющих знания и опыт в работе с новыми материалами. Очевиден дефицит прямого диалога производителей композитов и крупных отечественных предприятий, который помог бы определить, где было бы целесообразно заменить традиционные материалы на композитные. Наконец, одна из самых больших проблем – отсутствие четкого и понятного механизма технического регулирования, отсутствие современных стандартов на материалы (например, ГОСТ на стеклопластик в России введен только в 2015 году!) и стандартов на методы их испытаний.

Тем не менее, позитивные предпосылки к развитию композитной отрасли, перечисленные выше, постепенно оздоровляют ситуацию. Тому способствуют научный задел в ОПК, острая потребность в импортозамещении и кооперация компаний-производителей в отраслевые кластеры, которые помогают наладить диалог с крупными потенциальными потребителями, в том числе с применением административных рычагов воздействия.

Согласно требованиям федеральной программы «Развитие оборонно-промышленного комплекса» на 2016–2020 годы, рост объемов производства продукции гражданского назначения в ОПК должен быть увеличен в 1,3 раза. Соответственно, вырастет и доля используемых композитных материалов, что позволяет с некоторым оптимизмом смотреть на отечественную отрасль.

Существует большое количество проектов, результатом которых станет дополнительный рост рынка и бизнеса поставщиков. Однако реализация этих планов зависит от последовательности государственной промышленной политики в сфере финансов, госзаказа и разумного протекционизма.

2017г., апрель  
“Новый оборонный заказ. Стратегии”

Использование композитных материалов в оборонной промышленности и аэрокосмической индустрии

5 Дек 2017

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 2014)
Скачать статью в формате PDF (175 КБ)


Композитные материалы, или, как их принято называть, композиты, произвели революцию во многих отраслях промышленности и стали популярными в высокотехнологичных изделиях, которые должны характеризоваться малым весом, но одновременно и высокой стойкостью к механическим нагрузкам. Ожидаемые экономические выгоды в таких высокотехнологичных проектах, как разработки в области космической техники, связаны, в первую очередь, с легкими, стойкими к воздействию высоких температур композитными материалами, позволяющими снизить вес конечных изделий, эксплуатационные расходы и расход горючего.

 

Современная гражданская авиация, была бы значительно менее эффективной без композитных материалов. Фактически требования именно этой отрасли промышленности для материалов (которые, с одной стороны, должны быть легкими, а с другой стороны – достаточно прочными) и были главной направляющей силой в их разработке и развитии. Сейчас является общепринятым, чтобы крылья самолетов, их хвостовое оперение, пропеллеры, лопатки турбин двигателей были выполнены из современных композитных материалов. Это же касается и большей части их внутренней структуры и частей фюзеляжа. Корпуса некоторых небольших летательных аппаратов уже полностью выполнены из композитных материалов. В больших коммерческих самолетах из таких материалов, как правило, выполнены крылья, хвостовое оперение и панели корпуса.

Композитные разъемы для внутренних подключений, поставляемые на рынок в соответствии с его запросами и требованиями потребителей, успешно заменяют собой прежние разъемы, которые изготавливали из латуни, никеля, алюминия, бронзы или нержавеющей стали. Разъемы из композитных материалов идеально подходят для использования в условиях окружающей среды, где требуется стойкость к высоким температурам и выполнение требований по электромагнитной совместимости. При их использовании практически не выделяются токсичные газообразные продукты и, в частности, что особенно важно, галогены. Композитные материалы более прочны, чем сталь, они обеспечивают высокую коррозионную стойкость, имеют более высокую надежность и долговечность и при этом обладают еще и существенно меньшим весом, чем их выполненные из стали аналоги.

 

Производство композитных материалов

Композиты состоят из нескольких отдельных материалов. Цель создания композитного материала – создать некую новую субстанцию, которая комбинирует свойства ее составляющих частей наиболее выгодным способом. В композитных материалах имеется две составляющие: матрица (связующее) и армирующие элементы (наполнители).

Для создания композитного материала требуется наличие, по крайней мере, одного составляющего каждого вида. Для матрицы большинство современных композиционных материалов используют термопластичные или термореактивные пластмассы (также называемые смолами). Пластмассы – это полимеры, которые скрепляют армирующие элементы, и именно они помогают задать нужные физические свойства конечного продукта.

Термопластичные пластмассы характеризуются тем, что они тверды при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используется реже, чем термореактивные пластмассы, они в действительности имеют некоторые преимущества, например, большую вязкость разрушения, продолжительный срок годности в виде сырья, возможность повторной переработки. Использование термопластичных пластмасс более безопасно и менее загрязняет рабочее место, потому что при подготовке их к непосредственному использованию нет надобности в органических растворителях для их затвердевания.


Серия Deutsch ACT представляет собой высокопроизводительные композитные разъемы, выполненные в соответствии со стандартом MIL-DTL-38999.

Производительность любого разъема складывается из производительности его составных частей. Использование композитных материалов в серии ACT увеличило прочность корпуса разъема и фиксирующего резьбового механизма, в результате чего количество возможных циклов сочленений достигло 1500. Также применение композитных материалов повысило стойкость разъемов к коррозии (2000 часов в условиях солевого тумана). Кроме того, в конструкции данной серии разъемов предусмотрены фиксаторы, которые благоприятно влияют на производительность и продолжительность жизненного цикла соединителя.

  • Максимальное количество контактов: 128.

    Серия Deutsch ACT

  • Максимальный ток на контакт: 46 А.
  • Диапазон рабочих температур: –65…+200 °С.
  • Сопротивление коррозии: 2000 часов в условиях солевого тумана.
  • Сопротивление изоляции: 5000 МОм при 25 °С.
  • Механическая прочность: 1500 циклов сочленения.
  • Соответствие стандарту MIL-DTL-38999.

 

Композитные разъемы Sabritec относятся к круглым фильтрующим разъемам и выпускаются по стандарту MIL-DTL-38999. Применение композитных материалов позволяет соединителям этой серии иметь высокую коррозионную стойкость до 2000 часов в условиях солевого тумана и иметь количество возможных циклов сочленения 1500 циклов. Эти разъемы идеально подходят для систем управления питанием, оборудования обработки видеосигнала.

По вопросам применения, заказов образцов и приобретения обращайтесь в компанию PT Electronics, [email protected]


Реактопласты, или термореактивные пластмассы, в исходном виде находятся в жидком состоянии, но затвердевают и становятся твердыми (вулканизируются) после их нагревания. Процесс затвердевания необратим, таким образом, эти материалы уже не становятся мягкими под воздействием высоких температур. Когда пластмассовая матрица усилена, например, стекловолокнами, реактопласты успешно противостоят износу и воздействию агрессивных химикатов, они являются весьма долговечными даже в условиях крайне неблагоприятной окружающей среды. Такие материалы обеспечивают как гибкость конструкции, так и высокую электрическую прочность.

Если классифицировать композиты по материалу матрицы, то различают: композиты-реактопласты, композиты с использованием коротких (рубленых) волокон и реактопласты с длинными волокнами или усиленные волокнами. Наиболее известные материалы для таких матриц: полиэфиры (полиэстер), эпоксидные смолы, фенолформальдегиды, полиимиды, полиамиды и полипропилен. Керамика, углерод и металлы также используются как матрицы для некоторых очень специфических применений. Например, керамика используется в случае, когда материал подвергается воздействию очень высоких температур, а углерод используется для изделий, которые подвержены трению и износу.

Полимеры используются не только в качестве материала для матрицы, они также используются и в качестве хорошо зарекомендовавших себя армирующих материалов для усиления композитов. Например, кевлар – полимерное волокно, которое является очень прочным и добавляет в композитный материал жесткость в сочетании с вязкостью. Хотя стекловолокна – наиболее часто употребляемый вариант армирования, в композитах может также быть использовано армирование элементами из металла в виде арматуры, усиливающее другие металлы, как, например, в металло-матричных композитных материалах (MMC). По сравнению с композитами на основе полимерных матриц, MMC являются более стойкими к воспламенению и могут работать в более широком диапазоне температур, не гигроскопичны, имеют более высокую электропроводность и удельную теплопроводность, они стойки к воздействию радиационного облучения и не выделяют токсичные газы. Однако они, как правило, более дороги, чем заменяемые ими аналоги, и используются там, где их более высокие технические характеристики и свойства могут оправдать увеличение стоимости.

На сегодня эти материалы наиболее часто находят применение в узлах самолетов и космических системах.

Прочность и устойчивость к повышенным температурам – наиболее важные характеристики в полимерах, используемых для высокотехнологических приложений. Изделия, предназначенные для коммерческих приложений, должны быть изготовлены с использованием так называемых специальных конструкционных пластмасс (в англоязычной технической литературе – «engineering plastics») или других специализированных высокотемпературных полимеров. Конструкционные пластмассы типа полиэфиримида (PEI), полифталамида (PPA), полифениленсульфида (PPS) и полиэстеримида (Polyamide-imide – PAI) разработаны и предназначены именно для использования в условиях повышенной рабочей температуры. Смолы типа полиэфирэфиркетона (PEEK) и различные жидкокристаллические полимеры (LCP) также способны противостоять чрезвычайно высоким температурам. Эти современные высокотехнологичные пластики также удовлетворяют требованиям по выделению токсичных газов и устойчивы к воспламенению.

 

Преимущества использования композиционных материалов

Мы зависим от композиционных материалов в целом ряде моментов нашей повседневной жизни. Композитные материалы на основе стекловолокна были разработаны еще в конце 40-х годов прошлого столетия, они являются первыми современными композитными материалами и до сих пор находят широкое применение. В общем объеме выпускаемых на текущее время композитных материалов материалы на основе стекловолокна занимают примерно 65%. Вы можете использовать изделия, сделанные из стекловолоконного композитного материала, даже не подозревая этого.


Все увеличивающееся количество производителей композитных материалов и рост их предложений на рынке позволяет потребителям выбирать нужный материал с учетом целого ряда их преимуществ, таких как:

  • Композиты невероятно легки и поэтому находят все большее применение в системах внутренних подключений (разъемы), для которых малый вес является определяющим. Для большинства таких приложений типичное снижение веса при использовании композитов по сравнению с алюминием составляет приблизительно 40 %, и 80 % по сравнению с деталями из латуни и нержавеющей стали.
  • Композитные материалы чрезвычайно прочны. Как пример, высокопрочные композиты, структурированные волокном, широко используются в бронежилетах. Благодаря высокой прочности таких композитных материалов солдаты хорошо защищены от осколков и пуль.
  • Композиты являются очень стойкими к агрессивным химическим реагентам, они никогда не будут ржаветь или разъедаться. Это как раз то, почему морская индустрия была одной из первых, которая приняла их для использования.
  • Полимерные пластики менее подвержены механическому резонансу, поэтому детали с резьбовыми соединениями, выполненные из таких материалов, с меньшей долей вероятности ослабятся и отвинтятся при воздействии ударов и сильной вибрации.
  • Некоторые композиты не электропроводны. Это важно, потому что часто композитные материалы необходимы там, где нужна прочность и высокие электроизоляционные свойства.
  • Композиты могут ослаблять магнитные поля, уменьшать влияние магнитных полей на коррозию и заглушать так называемую «акустическую подпись», то есть характерное для каждого устройства акустическое излучение, что является весьма важным свойством при разработке изделий, для которых важна малая вероятность их обнаружения.

Детали из композитов будут разрушаться под напряжением со значительно меньшей степенью вероятности, чем детали из металла. Небольшая трещина в металлической детали может развиться в катастрофическую, причем очень быстро и с очень серьезными последствиями. Волокнистые материалы в своей сложной композитной структуре могут распределить внутреннее напряжение и блокировать расширение небольших трещин.

Нагрузка в любом композите распределяется по его волокнам, именно волокна несут всю нагрузку, поэтому их тип, количество, ориентация и линейность определяют их эффективность. Стекловолоконные композиты используются для приложений, в которых одновременно требуются жесткость, высокие электроизоляционные свойства и абразивная стойкость. Углеродные волокна в композиционных материалах используются для приложений, требующих высокой прочности и жесткости. Матрица из смолы в композите, распределенная между волокнами, предохраняет их и удерживает волокна в их правильной локализации и ориентации. Тип смолы матрицы определяет ее абсорбционные свойства, как к воде (гигроскопичность), так и к химическим соединениям, механические свойства при высоких температурах, прочность на сжатие и механическую жесткость.

Кроме того, тип смолы определяет метод изготовления конечного изделия и его стоимость относительно альтернативных типов смол и методов изготовления.

 

Использование композитов в оборонной и авиационной промышленности

Самое главное из всех преимуществ композитных материалов – их прочность и жесткость, объединенные с малым удельным весом. Наиболее трудно конструировать сложные детали из композитов, которые используют в своих целях перечисленные свойства, но при этом должны выполнять необходимые требования по геометрическим размерам, установке и функциональному использованию. Но, выбирая соответствующую комбинацию армирующего материала и материала матрицы, производители могут обеспечить все необходимые характеристики изделия, которые будут соответствовать требованиям как для его конкретной конструкции, так и для специфической цели его использования.

Электрические соединители, которые применяются для подачи питания и передачи данных в изделиях, предназначенных для использования в вооруженных силах и космической технике, постоянно уменьшаются в размерах и весе. Многие заказчики ищут меньшие по габаритам, более легкие и более гибкие решения, которые соответствуют жестким индустриальным требованиям по прочности и долговечности. Недавние разработки в области конструктивных решений и материалов позволили совершить скачок в технологии производства и исполнения соединителей, которые обеспечивают как их высокие технические характеристики, так и необходимые требования по защите окружающей среды.

Композиты – это основа многих современных проектов в области развития устройств с минимально заметным действием. Одним из них являются беспилотные летательные аппараты (БЛА). Композитные материалы весьма активно использовались в их конструкции, результатом чего стала возможность их обнаружения только лишь с близкого расстояния.

Композиты обеспечивают высокую долговечность и жесткость, благодаря чему они являются подходящими материалами для систем, которые используются в авионике.

Эти материалы дают уменьшение веса, высокую прочность и эксплуатационную устойчивость, что значительно превышает аналогичные характеристики многих металлов и не-композитных термореактивных материалов.

Особое состояние окружающей среды в космосе требует и особых узлов, которые могут использоваться в условиях космического пространства, кроме того, они должны отвечать требованиям по отсутствию выделения токсичных газов и быть изготовленными из немагнитных материалов. Композиты на основе углерода – основной материал в современных ракетоносителях и тепловых экранах многоразовых космических кораблей. Они также широко используются в отражателях антенн, траверсах космического корабля, в переходниках к отсеку полезного груза, межблочных конструкциях и тепловых экранах многоразовых космических кораблей.

Несомненный факт, что композитные материалы все чаще разрабатываются под специфические требования к системам внутренних подключений, несмотря на усложнение как их конструкции, так и производственного процесса их изготовления, эти материалы благодаря своим свойствам стоят того, чтобы их использовать. Камень преткновения при использовании композитов – обычно их стоимость. Хотя сами производственные процессы изготовления, когда используются композитные материалы, часто более эффективны, однако само сырье – дорого. Конечно, композиты никогда не смогут полностью заменить традиционные материалы, такие, например, как сталь, однако существенные преимущества композитов дают реальную экономию средств, уменьшая расход горючего и экономя на обслуживании системы в целом, увеличивают срок службы для большого количества изделий оборонного и космического назначения. Без сомнения, мы должны знать обо всех возможностях, которые композиты могут нам дать.

По материалам сайта www.connectorsupplier.com

  • 0

Литература

    Применение композитных материалов в авиастроении на примере самолета МС-21

    Автор: Попов Михаил Владимирович

    Рубрика: Технические науки

    Опубликовано в Молодой учёный №31 (373) июль 2021 г.

    Дата публикации: 26.07.2021 2021-07-26

    Статья просмотрена: 108 раз

    Скачать электронную версию

    Скачать Часть 1 (pdf)

    Библиографическое описание:

    Попов, М. В. Применение композитных материалов в авиастроении на примере самолета МС-21 / М. В. Попов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 31 (373). — С. 22-23. — URL: https://moluch.ru/archive/373/83400/ (дата обращения: 16.09.2022).

    

    В статье рассмотрено применение композитных материалов в авиастроении. Проведен анализ крыла самолета МС-21 из композитных материалов и процесс его создания.

    Ключевые слова: композитные материалы, композит, самолет МС-21, крыло, инфузионная технология, авиастроение.

    В настоящее время авиастроительные компании активно используют композитные материалы. Данная технология позволяет снизить общую массу конструкции и существенно сократить расходы при эксплуатации [1].

    Композитные материалы (композиты) — многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого отличаются от свойств каждого из его составляющих.

    Использование композитных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30–40 % по сравнению с весом планера из традиционных металлических материалов [2, с. 59].

    Рассмотрим использование композитных материалов при создании крыла российского самолета МС-21.

    МС-21 — совместный проект корпорации «Иркут» и конструкторского бюро Яковлева. Новый лайнер создается с применением самых современных технологий, которые следуют тенденциям в мировом авиастроении.

    Чтобы получить более экономные самолеты, меньшие удельные расходы по топливу, требуется создание новой геометрии крыла, и как раз к этому времени подошла технология изготовления основных силовых элементов пассажирских лайнеров из композитных материалов.

    МС-21 стал первым отечественным пассажирским самолетом, в котором широко применяются углеродные композиты. Использование этих материалов дает серьезные преимущества перед цельнометаллическими лайнерами. Такие самолеты получаются легче и обладают лучшей аэродинамикой, а, значит, они более экономичны и экологичны, и, что еще немаловажно, их эксплуатационные расходы заметно ниже.

    Мировыми лидерами в создании композитных самолетов являются Boeing и Airbus. Их лайнеры уже вышли на регулярные авиалинии, а МС-21 пока находится в роли догоняющего, но это дало возможность оценить чужой опыт и в некоторых показателях даже обойти конкурентов.

    Для нового самолета было создано крыло уникального профиля, которое за счет большего удлинения и меньшей толщины позволяет на 5 % увеличить аэродинамическое качество самолета и, соответственно, повысить его экономичность.

    По алюминию, стали, титану есть многолетняя статистика, подтверждающая свойства и работу этих материалов в конструкции. Но этих данных нет для композитных материалов. Главное — это обеспечение безопасности полета, поэтому перед этим проводили исследования на образцах, на натурных конструкциях, проводили прочностные испытания, испытания на жесткость. Были проведены достаточно большие испытания конструкции и исследования материала для того, чтобы убедиться, что самолет с подобным крылом будет безопасным.

    Уже больше 60 лет алюминий является главным материалом для строительства самолетов. Он достаточно легкий, хорошо обрабатывается, а главное досконально изучен. Но эра металлических самолетов подходит к концу. Для создания качественно новых аэродинамических профилей возможностей алюминия оказалось недостаточно. После изучения этой геометрии в аэродинамических трубах поняли, что создать подобную геометрию из классических металлических материалов будет достаточно затруднительно.

    Крыло МС-21 более совершенное, чем у подобных самолетов. При его создании применили более современную и совершенную технологию — инфузионную.

    Главное отличие инфузионной технологии в том, что композит изначально не пропитан связующей смолой, то есть это сухой углерод — тончайшие нити, которые сформированы в ленты [3]. Инфузионная технология дешевле автоклавной, которую используют другие авиастроители. Ее принципиальное отличие в том, что связующий компонент, склеивающий сухое углеродное волокно, попадает в сформированную деталь под вакуумом в инфузионной камере. В автоклавной технологии работают с препрегом — он уже пропитан смолой, поэтому его жизнеспособность имеет четкие временные рамки.

    При создании каждой композитной детали изготавливается так называемая панель-спутник. Она делается из того же самого углеродного волокна, с тем же самым наполнителем. Мало того, и процесс инфузирования проходит одновременно с основной деталью. Получается своего рода клон, который далее нарезают на образцы-свидетели и проводят десятки исследований в лаборатории, чтобы подтвердить, что основная деталь полностью соответствует всем характеристикам, заявленным конструкторами. Эти образцы показывают, что процесс полимеризации произошел так, как требуется, и что там требуемое количество угля относительно связующего, не больше не меньше, — это физические и химические испытания. Прочностные испытания — подтверждение заложенных характеристик. Каждая деталь и каждый элемент конструкции работает в своих условиях нагружения, поэтому испытания разные. Около пяти видов механических испытаний для деталей.

    Площадь крыла среднемагистральных лайнеров примерно одинакова и равна 180 м 2 . Выложить углеродные слои такой площади вручную невозможно, именно поэтому на заводах, где делают композитные крылья, широко применяется робототехника.

    Принцип создания тот же, что и при создании деталей. Вместо широких полотен углеродного материала используется 6-мм углеродная лента, которую робот постепенно, слой за слоем, выкладывает на оснастке. Когда все слои готовы, их укрывают вакуумной пленкой и помещают в инфузионную камеру. Внутрь заготовки подается связующий состав и происходит процесс формирования будущей конструкции.

    Придать алюминию подобную сложную форму достаточно тяжело, так как требуется много переходов для ее формирования. А в случае композитов готовую панель получают за один технологический цикл.

    Самое главное в применении композитов как нового материала, который применяется в основных силовых элементах планера — обеспечить безопасность. Нет данных многолетнего опыта эксплуатации, приходится закладывать большие коэффициенты запаса, искать резервы и расчетные методики, которые подтверждают экспериментами, и новые конструктивные решения для композита.

    Литература:

    1. Электронный ресурс [http://www/ft-publishing.ru/upload/file/books/article_06.pdf] (дата обращения: 21.07.2021).
    2. Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА / Н. С. Сенюшкин, Р. Р. Ямалиев, Л. Р. Ялчибаева // Молодой ученый: ежемесячный науч. журнал. 2011. № 4 (27) — 140 с.
    3. Электронный ресурс [https://www.aex.ru/docs/5/2015/3/19/2205/] (дата обращения: 21.07.2021).

    Основные термины (генерируются автоматически): материал, инфузионная технология, самолет, инфузионная камера, испытание, композит, лайнер, основная деталь.

    Ключевые слова

    композитные материалы, композит, авиастроение, самолет МС-21, крыло, инфузионная технология

    композитные материалы, композит, самолет МС-21, крыло, инфузионная технология, авиастроение

    Похожие статьи

    Применение композиционных

    материалов в конструкции БПЛА

    Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др

    Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице1.

    Исследование электрических свойств

    композитного углеродного…

    2. Применение современных полимерных композитных материалов в конструкции планера самолетов

    6. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии: уч

    8. Современные технологии получения и переработки полимерных и композиционных…

    ILS и MLS — различия, преимущества и недостатки

    — Более высокие возможности и наведение в отношении погодных условий — самолету может быть оказана более активная помощь в неблагоприятных погодных условиях — могут быть

    — Дальнейшая дальность — MLS может приниматься самолетами на высоте до 20 000 футов.

    Роль кальция в синаптической передаче | Статья в журнале…

    Основные термины (генерируются автоматически): белок, мембрана, канал, везикула, кальциевый канал, медиатор, мембрана везикулы, NFS, SNAP, SNARE.

    Методы защиты авиационных ГТД от вредных воздействий…

    Концентрация и фракционный состав частиц естественной пыли в атмосфере зависят от характера почвы и скорости ветра. Мелкодисперсная пыль распределяется в приземном слое воздуха равномерно; количество крупных частиц, составляющих основную массу пыли в…

    Шпангоут фюзеляжа вертолета из композиционного

    материала

    Композиционные материалы — искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу. Композиты обладают ярко выраженной разделяющей границей. Данный материал изготавливается из высокопрочного наполнителя и…

    Стандартные операционные процедуры в трансфузиологии: что…

    При перевозках биологических материалов, температура которых варьирует от 0 до 8

    Закрыть крышку термоконтейнера. При перевозках биологических материалов, температура которых

    Основные термины (генерируются автоматически): стандартная операционная процедура…

    Системы встроенного контроля для интегрированного комплекса…

    Термин «контроль технического состояния» применяют, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния (ТС). Целью прогнозирования ТС может быть определение с заданной вероятностью интервала времени…

    Похожие статьи

    Применение композиционных

    материалов в конструкции БПЛА

    Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др

    Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице1.

    Исследование электрических свойств

    композитного углеродного…

    2. Применение современных полимерных композитных материалов в конструкции планера самолетов

    6. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технологии: уч

    8. Современные технологии получения и переработки полимерных и композиционных…

    ILS и MLS — различия, преимущества и недостатки

    — Более высокие возможности и наведение в отношении погодных условий — самолету может быть оказана более активная помощь в неблагоприятных погодных условиях — могут быть

    — Дальнейшая дальность — MLS может приниматься самолетами на высоте до 20 000 футов.

    Роль кальция в синаптической передаче | Статья в журнале…

    Основные термины (генерируются автоматически): белок, мембрана, канал, везикула, кальциевый канал, медиатор, мембрана везикулы, NFS, SNAP, SNARE.

    Методы защиты авиационных ГТД от вредных воздействий…

    Концентрация и фракционный состав частиц естественной пыли в атмосфере зависят от характера почвы и скорости ветра. Мелкодисперсная пыль распределяется в приземном слое воздуха равномерно; количество крупных частиц, составляющих основную массу пыли в…

    Шпангоут фюзеляжа вертолета из композиционного

    материала

    Композиционные материалы — искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу. Композиты обладают ярко выраженной разделяющей границей. Данный материал изготавливается из высокопрочного наполнителя и…

    Стандартные операционные процедуры в трансфузиологии: что…

    При перевозках биологических материалов, температура которых варьирует от 0 до 8

    Закрыть крышку термоконтейнера. При перевозках биологических материалов, температура которых

    Основные термины (генерируются автоматически): стандартная операционная процедура…

    Системы встроенного контроля для интегрированного комплекса…

    Термин «контроль технического состояния» применяют, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния (ТС). Целью прогнозирования ТС может быть определение с заданной вероятностью интервала времени…

    КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (обзор)

     

    • 2022
    • 2021
    • 2020
    • 2019
    • 2018
    • 2017
    • 2016
    • 2015
    • 2014
    • 2013

    №1 | №2 | №3 | №4 | №5 | №6 | №7 | №8 | №9 | №10 | №11 | №12

    dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-6-7-7

    УДК 678. 8:629.331

    Timoshkov P.N., Khrulkov A.V., Yazvenko L.N.

    КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (обзор)

    Применение композиционных материалов осуществляется во все более широких масштабах. В автомобилестроении композиционные материалы используются уже много лет, и с каждым годом объем их применения растет. Если раньше ПКМ использовались в основном в качестве отделки салона и в деталях, не несущих значительных нагрузок, то в настоящее время полимеры стали применяться в крупногабаритных корпусных деталях, а зарубежные компании, такие как BMW, Ford, Mercedes, Audi, и вовсе изготавливают автомобили, кузов которых полностью состоит из композитов.

    Ключевые слова: полимерные композиционные материалы (ПКМ), препреги, углепластики, стеклопластики, автомобильная промышленность, автомобили, polymer composite materials (PCM), prepreg, carbon plastic, fiberglass, automotive industry, cars.

    Введение

    В последние годы функции полимерных материалов в любой отрасли промышленности несколько изменились. Еще в 60-х годах прошлого столетия, благодаря предложению начальника ВИАМ, члена-корреспондента Академии наук СССР Алексея Тихоновича Туманова, в Советском Союзе началось создание полноценного производства композиционных материалов [1]. Полимеры стали применять для все более и более ответственных деталей. Так, из них изготавливают все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, в то же время все чаще полимеры применяются для изготовления крупногабаритных корпусных деталей, несущих значительные нагрузки. В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) стали одними из основных конструкционных материалов [2] – перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях изготавливают из полимеров, занял бы не одну страницу: кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей.

    Композиционные материалы можно без сомнения отнести к наиболее перспективным продуктам как современного, так и будущего промышленного производства. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», аналитический обзор выполнен в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы», раздел 13.2. «Конструкционные ПКМ» [3].

     

    Материалы и методы в автомобилестроении

    Композиционные материалы – это в первую очередь продукция из углеродного волокна, которая используется, например, в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем применения таких материалов растет. Наиболее важное преимущество углеволокна – небольшая плотность и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20–25%, за счет этого заметно повышается эффективность работы двигателя и снижается расход горючего.

    Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров. В зависимости от режима обработки и исходного сырья получают материалы разной структуры и с разными свойствами. В этом заключается главное преимущество композиционных материалов, которые можно создавать с изначально заданными свойствами под определенные цели [4–12].

    Признанными лидерами в промышленном освоении композиционных материалов в автомобилестроении стали Япония и США.

    Первое, что позаимствовали конструкторы и разработчики у легкомоторной авиации – это возможность формировать кузовные панели из композитов практически любой формы и размеров. Неудивительно, что стеклопластики и углепластики моментально нашли свое применение в строительстве болидов «Формулы-1».

    Значительное снижение массы кузова (почти вдвое) давало немалые преимущества, но за рекордные показатели пришлось платить значительным удорожанием и усложнением технологии изготовления. Кузов из стеклопластика или углепластика приходилось формовать практически вручную, с постоянным и непрерывным контролем всех технологических операций. Брак не допускался, каждая из панелей была штучным товаром, что-либо восстановить или исправить после формовки уже невозможно. Конвейерная сборка, даже самых элитных моделей, была основой любого автомобильного завода, иначе затраты на производство не покрывались доходами от реализации автомобилей. Даже такие неоспоримые преимущества, как экономия топлива, улучшение динамических свойств машин, гарантия на отсутствие коррозии на 50 лет, не были настолько привлекательными в глазах покупателей, чтобы платить за новинку двойную цену.

    Анализ и испытания армированных стекловолокном композиционных силовых элементов неожиданно показали, что в роли несущих элементов конструкции, призванных поглотить основную энергию удара, композиты значительно уступают металлу – как минимум в 2 раза. Можно было бы подвести итог – внедрение пластиков и пластмасс в конструкцию автомобиля не принесло желаемого эффекта и оставило основные доминирующие позиции за высококачественной сталью и легкими сплавами.

    Возвращение разработчиков к применению композиционных материалов отмечено экспертами совсем недавно и совпало с появлением на рынке гибридных автомобилей и «чистых» электромобилей. Электрический привод в большинстве перспективных моделей подразумевает наличие значительной дополнительной массы электробатарей или топливных элементов. Ресурс, пробег и динамические качества электромобилей жестко зависят от массы машины. При этом модели, рассчитанные на эксплуатацию в городских условиях, выполнены с высоко поднятым центром тяжести и маленьким расстоянием между осями. Небольшие габариты машины позволяют легко находить место для парковки и протискиваться в автомобильных пробках. Высокий центр тяжести приводит к склонности автомобиля к повышенной опрокидываемости. Композиционные материалы снижают массу конструкции практически до 30%, а тяжелые батареи, расположенные в максимально низком положении, смещают положение центра тяжести машины до гарантированно безопасного. В этом случае применение композиционных материалов дает ощутимый экономический эффект.

    Изменились также технологии производства деталей из композитов. В настоящее время они изготавливаются (как и металлические узлы) на роботизированных линиях. Для упрощения монтажа в точках сопряжения с другими деталями при формовке узла запрессовываются металлические элементы крепежа. Такой способ позволяет применять сварку, болтовое и клепаное соединения. Любые колебания и знакопеременные нагрузки воспринимаются такими изделиями (так же как металлическими) без риска развития усталостных трещин и расслоения панелей [13].

    Наблюдая технический прогресс в области развития и применения композиционных материалов, можно уверенно констатировать, что в ближайшем будущем появятся серийные автомобили с полностью композитным кузовом и многими узлами и агрегатами.

    Рассмотрим каков прогноз развития применения ПКМ в автомобильной промышленности. Специалисты компании IHS (штат Колорадо, США) прогнозируют, что применение полимеров в автомобилестроении будет расти (рис. 1).

     

     

    Рис. 1. Прогноз применения углеродных композитов до 2030 г.

     

    В настоящее время в среднестатистическом автомобиле содержится ~200 кг того или иного вида пластических масс, но уже к 2020 г. этот показатель превысит отметку в 350 кг. Такие данные приводит аналитическая компания IHS. Но еще больший прогресс ожидается в сегменте углепластиков – их применение к 2030 г. вырастет в 3 раза – с 3,4 до 9,8 тыс. тонн.

    Специалисты компании IHS также отмечают, что индустрия автомобилестроения является быстрорастущей и очень привлекательной отраслью для химической промышленности. Если в 2003 г. производство автомобилей составляло 56,9 млн автомобилей в год, то к 2020 г. этот показатель вырастет до 104,1 млн. Как и во многих других отраслях, рост данного рынка в основной своей массе будет обеспечен Китаем [14].

    Применение в автомобилестроении деталей и узлов, производимых на основе полимерных и композиционных материалов, с каждым годом расширяется. В настоящее время в структуре сырья для автокомпонентов доля полимеров (в % от стоимости среднестатистического автомобиля) находится на третьем месте после металлов (рис. 2).

    Применение пластиков при производстве технических изделий обеспечивает: снижение массы конструкции при ее высокой прочности; высокий уровень безопасности по электрической прочности – трекингостойкости и дугостойкости; высокий уровень стойкости к УФ излучению; возможность использования красителей для создания цветовой гаммы изделий.

     

    Рис. 2. Материалы, используемые в автомобилестроении

     

    Использование ПКМ в автомобиле позволяет снизить его массу на 15–30%, а снижение массы на 100 кг приводит к снижению расхода топлива на 0,5 л на каждые 100 км. Конечно, высокотехнологичные конструкционные полимеры не экономичнее стали или алюминиевого сплава и процесс формования деталей из полимеров длительнее, чем штамповка стального листа, однако им не требуется защита от коррозии.

    По сравнению с американскими производителями автомобилей, у которых доля полимеров в общей массе среднего легкового автомобиля составляет 11–13%, в легковых автомобилях российского производства эта цифра всего 4–9% (рис. 3).

     

    Рис. 3. Весовое содержание полимеров в различных моделях автомобилей

    Как утверждают эксперты, это обстоятельство обусловлено двумя основными факторами. С одной стороны, низкую долю полимерных комплектующих в условно современных моделях отечественных марок (Lada Kalina, Lada Priora) можно объяснить достаточно консервативным подходом при разработке этих моделей. При разработке новых отечественных автомобилей дизайнеры и инженеры вынуждены учитывать как реальное состояние локального рынка автокомпонентов, так и технические возможности существующих автозаводов: не рекомендуется закладывать в проект нового крупносерийного автомобиля использование деталей и материалов, которые невозможно изготовить даже в будущем. Так, на небольшую долю полимеров в отечественных моделях косвенно влияет низкий технологический уровень развития индустрии пластиковых автокомпонентов. С другой стороны, производителям автокомпонентов невыгодно брать в серийное производство те или иные полимерные детали, если партия таких деталей будет ниже некоего экономически оправданного минимума, т. е. индустрия локальных автокомпонентов не получает должного стимула для развития в том числе и потому, что отечественный автопром не производит достаточно много автомобилей [15].

    По сравнению с работниками отечественного автопрома зарубежные коллеги чувствуют себя более уверенно в этой области.

    Компания BMW инвестировала 533 млн долл. в освоение промышленного производства модели электромобиля i3. Кузов нового электромобиля BMW i3 в значительной степени выполнен из углепластика, что дало возможность увеличить массу электрической батареи на 250–350 кг. Фактически кузов сделан из синтетического материала, усиленного углеволокном. Кузов из такого материала на 50% легче стального и на 30% – алюминиевого. Структурные элементы из нового материала могут легко комбинироваться с алюминиевыми кузовными панелями или металлизироваться (рис. 4) [16].

     

     

     

    Рис. 4. Автомобиль марки BMW

     

    В 2013 г. компания Ford представила легковую модель Fusion, которая оказалась на 25% легче своего серийного предшественника за счет применения углеволокна для силовых конструкций сидений, панели приборов и картера. В настоящее время концерн Ford совместно с химической компанией DowAksa и американским центром инноваций реализует крупный проект по созданию принципиально нового средства передвижения с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Идея основана на широком использовании в автомобиле углеродных волоконных композитов.

    Первые позитивные результаты уже нашли отражение в модели Ford GT. Эксперты отмечают улучшенную управляемость и быстрый разгон машины, чего трудно добиться без придания отдельным компонентам повышенной гибкости и жесткости. Из углепластика изготовлен кузов. Колесные диски представлены специальными алюминиевыми сплавами. Это дало возможность снизить массу болида на 12%. Всего же концерн предполагает уменьшить массу крупногабаритных кроссоверов на 300 кг. Наноматериалы использованы в автомобильной краске, что предотвращает порчу поверхности от царапин и мелких сколов.

    Углеродное волокно также применяет концерн Mercedes, детали из которого внедряются для замены стальных компонентов. Из них изготавливают корпуса моторов и несущей системы балочной конструкции. В обновленной серии модели SL65 Black Series благодаря нововведениям масса кара снизилась на ~170 кг, что позволило повысить эффективность автомобиля в целом.

    Специалисты автомобильного гиганта Audi также много внимания уделяют расширенному применению в своей продукции ПКМ. Так, в концерне намерены все пружины выполнять из особо прочных стекловолоконных полимеров. Новые разработки только этих компонентов приведут к снижению массы пружин на 40%, а машины – на 5 кг, соответственно уменьшится расход топлива. Помимо стекловолокна в изделиях будут применяться углеродные пластики и алюминиевые сплавы. В настоящее время новые конструкционные материалы проходят апробацию в деталях для средних седанов, но в скором времени из них предполагается изготавливать пружины для тяжелых грузовиков, работающих в условиях повышенных нагрузок. Такие материалы нуждаются в особой прочности, эластичности и жесткости. С этой задачей можно справиться с помощью скрученных стекловолокон, усиленных эпоксидной смолой и другими компонентами. Пружины из сложных высокотехнологичных ПКМ в отличие от стальных не подвержены коррозии, нейтральны к реагентам и химикатам, используемым на автомойках. Помимо этого, такие пружины экономичнее при изготовлении, так как процесс менее энергетически затратный. Для их выпуска не нужны большие мощности со сталеплавильными печами, а достаточно небольших цехов [17].

    Научно-производственное объединение «Урал» (г. Челябинск, Россия) для завода «КамАЗ» поставляет 20 наименований деталей, выполненных из углепластика (рис. 5). Например, одной такой деталью является баллон высокого давления для автомобилей, работающий на газовом топливе. Таких баллонов на каждой машине шесть штук, они используются в системе торможения. В настоящее время основной проблемой при применении стальных экземпляров является то, что они ржавеют, а детали, изготовленные из композитов, будут по сути «вечными» [18].

     

    Рис. 5. Композиционные материалы в автомобилестроении

     

    В России выпускаются многоосные колесные машины высокой проходимости, такие как ЗИЛ-БАЗ-135 с кабиной, мотоотсеком и облицовкой из композиционных материалов и плавающая колесная машина ЗИЛ-1Э5П с несущим (безрамным) корпусом из композитов. Опыт создания из ПКМ многочисленных деталей: корпусов, кузовов, рам, кабин, рессор, топливных баков, ободьев колес и т. д. – доказывает широкие возможности применения композитов в колесных машинах [19].

    В автомобиле нового поколения «Урал NEXT», производство которого началось в 2015 г., применены современные литьевые полимеры, имеющие высокие механические свойства и обеспечивающие технологичность производства, – полиамид (PA) и полидициклопентадиен (PDCPD) – см. таблицу. Применены пластики в основном российского производства. На организованном автозаводом «Урал» летом 2016 г. тест-драйве в условиях, максимально приближенных к реальным, его участники, помимо прочего, испытывали полимерный капот грузовика на прочность – ударяли по нему тяжелыми молотками несколько десятков раз, при этом ни малейшего следа деформации на капоте не возникло [20].

     

    Доля ПКМ в отечественных автомобилях

    Марка автомобиля

    Доля композитов в автомобилях, кг

    Lada

    94–98

    Кировец К-744Р

    150–160

    КаМаЗ

    40

    Урал

    40

     

    Во ФГУП «ВИАМ» разработан углепластик ВКУ-45/3692 на основе равнопрочной углеродной ткани (арт. 3692) и стеклопластик ВПС-53/Т-25 на основе ткани типа Т-25 и эпоксидного связующего ВСЭ-34. Материалы предназначены для применения в конструкциях скоростной несущей системы вертолетов, а также могут использоваться для изготовления нагруженных частей автомобиля (корпус, кузов, рамы, рессоры).

     

    Заключение

    Композиционные материалы – самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малая плотность – эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы – дерево, металлы, камень. Композиты интенсивно входят в привычный мир каждого человека, их применение в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики с каждым годом увеличивается.

    Таким образом, можно сделать вывод, что для продолжения дальнейшего успешного внедрения композиционных материалов в автомобилестроении необходимо решить несколько задач. Во-первых, сократить цикл изготовления деталей до нескольких минут, что позволит осуществлять их массовое производство и снизить количество необходимого оборудования. Во-вторых обеспечить их приемлемую рыночную стоимость, что связано как с решением первой задачи, так и со снижением стоимости исходных материалов. И наконец, необходимо создать современные автоматизированные производства, на которых будут работать специалисты по проектированию и разработке современных технологических процессов, а также по сопровождению конструкций из полимерных композитов на протяжении всего жизненного цикла – вплоть до утилизации.

    ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

    1. Каблов Е.Н. В истории ВИАМ Петр Дементьев занимает особое место // Крылья Родины. 2017. №1. С.1–2.
    2. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
    3. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
    4. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения – основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №4. С. 41–46.
    5. Каблов Е.Н. Материалы и технологии ВИАМ для «Авиадвигатель» // Пермские авиационные двигатели: информ. бюл. 2014. №31. С. 43–47.
    6. Каблов Е.Н. О настоящем и будущем ВИАМ и отечественного материаловедения: интервью // Российская академия наук. 2015. 19 янв.
    7. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36–39.
    8. Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Бабин А.Н., Мухаметов Р.Р., Панина Н.Н. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. №2. С. 37–42.
    9. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20–26.
    10. Чурсова Л.В., Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Особенности технологии изготовления деталей из композиционных материалов методом пропитки под давлением // Композиционные материалы в авиакосмическом материаловедении: сб. тез. докл. межотрас. науч.-технич. конф. М.: ВИАМ, 2009. С. 17.
    11. Хрульков А.В., Душин М.И., Попов Ю.О., Коган Д.И. Исследования и разработка автоклавных и безавтоклавных технологий формования ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 292–301.
    12. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 7. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 03.04.2017).
    13. Vicari A. Will Carbon Fiber Find Widespread Use in the Automotive Industry? // Composites today. 2015. №3. Р. 3–10.
    14. Мирный М.М. Автомобили будущего будут на 75% из пластика // Композитный мир. 2015. №3. С. 5–10.
    15. Мирный М.М. Автомобилестроение как драйвер спроса на полимерную продукцию // Информационно-аналитический справочник. 2014. С. 15–18.
    16. BMW оригинальным образом оказались впереди по конструкции новой 7-серии. Хитрый ход Баварии // 1gai.ru: информационное издание [Электронный ресурс]. URL: http://www.1gai.ru/techno-cars/514689-bmw-originalnym-obrazom-okazalis-vperedi-po-konstrukcii-novoy-7-serii.html (дата обращения: 17.04.2017).
    17. Новые композитные материалы в автомобиле – применение конструкции // Ремонт Пежо: ремонт Пежо своими руками [Электронный ресурс]. URL: http://remontpeugeot.ru/avtozhizn/ novye-kompozitnye-materialy-v-avtomobile-primenenie-konstrukcii.html (дата обращения: 18.04.2017).
    18. Кичигин А.С. Пластмассовая эволюция // Нефтехимия РФ. 2016. №2. С. 1–4.
    19. Сабитов А.А. Применение в автомобилестроении композиционных материалов. Иркутск: Иркутский техникум машиностроения, 2016. С. 5–6.
    20. Фурсова И. Кувалдой по капоту //Российская газета: офиц. сайт [Электронный ресурс]. URL: https://rg.ru/2016/05/26/avtoprom-budushchee-rynka-za-avtomobiliami-iz-polimerov.html (дата обращения: 18.04.2017).

    1. Kablov E.N. V istorii VIAM Petr Dementev zanimaet osoboe mesto [In the history of VIAM Peter Dementyev takes special place] // Krylya Rodiny. 2017. №1. S. 1–2.
    2. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
    3. Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period to 2030] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
    4. Kablov E.N. Materialy novogo pokoleniya – osnova innovacij, tehnologicheskogo liderstva i nacionalnoj bezopasnosti Rossii [Materials of new generation are the base of innovations, technological leadership and national security of Russia] // Intellekt & Tehnologii. 2016. №4. S. 41–46.
    5. Kablov E.N. Materialy i tehnologii VIAM dlya «Aviadvigatel» [Materials and VIAM technologies for «Aircraft engine»] // Permskie aviacionnye dvigateli: inform. byul. 2014. №31. S. 43–47.
    6. Kablov E.N. O nastoyashhem i budushhem VIAM i otechestvennogo materialovedeniya: intervyu [About the real and future VIAM and domestic materials science: interview] // Rossijskaya akademiya nauk. 2015. 19 yanvarya.
    7. Kablov E.N. Kompozity: segodnya i zavtra [Composites: today and tomorrow] // Metally Evrazii. 2015. №1. S. 36–39.
    8. Kablov E.N., Chursova L.V., Babin A.N., Muhametov R.R., Panina N.N. Razrabotki FGUP «VIAM» v oblasti rasplavnyh svyazuyushhih dlya polimernyh kompozicionnyh materialov [Development of FSUE «VIAM» in the field of molten binding for polymeric composite materials] // Polimernye materialy i tehnologii. 2016. T. 2. №2. S. 37–42.
    9. Dushin M.I., Hrulkov A.V., Muhametov R.R. Vybor tehnologicheskih parametrov avtoklavnogo formovaniya detalej iz polimernyh kompozicionnyh materialov [A choice of technological parameters of autoclave formation of details from polymeric composite materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №3. S. 20–26.
    10. Chursova L.V., Dushin M.I., Hrulkov A.V., Muhametov R.R. Osobennosti tehnologii izgotovleniya detalej iz kompozicionnyh materialov metodom propitki pod davleniem [Researches and development of autoclave and autoclave-free technologies of formation of PCM] // Kompozicionnye materialy v aviakosmicheskom materialovedenii: sb. tez. dokl. mezhotras. nauch.-tehnich. konf. M.: VIAM, 2009. S. 17.
    11. Hrulkov A.V., Dushin M.I., Popov Yu.O., Kogan D.I. Issledovaniya i razrabotka avtoklavnyh i bezavtoklavnyh tehnologij formovaniya PKM [Researches and development autoclave and out-of-autoclave technologies of formation of PCM] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 292–301.
    12. Timoshkov P.N., Kogan D.I. Sovremennye tehnologii proizvodstva polimernyh kompozicionnyh materialov novogo pokoleniya [Modern production technologies of polymeric composite materials of new generation] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №4. St. 07. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: April 03, 2017).
    13. Vicari A. Will Carbon Fiber Find Widespread Use in the Automotive Industry? // Composites today. 2015. №3. Р. 3–10.
    14. Mirnyj M.M. Avtomobili budushhego budut na 75% iz plastika [Cars of the future will be for 75 % from plastic] // Kompozitnyj mir. 2015. №3. S. 5–10.
    15. Mirnyj M.M. Avtomobilestroenie kak drajver sprosa na polimernuyu produkciyu [Automotive industry as driver of demand for polymeric products] // Informacionno-analiticheskij spravochnik. 2014. S. 15–18.
    16. Available at: http://www.1gai.ru/techno-cars/514689-bmw-originalnym-obrazom-okazalis-vperedi-po-konstrukcii-novoy-7-serii. html (accessed: April 17, 2017).
    17. Available at: http://remontpeugeot.ru/avtozhizn/ novye-kompozitnye-materialy-v-avtomobile-primenenie-konstrukcii.html (accessed: April 18, 2017).
    18. Kichigin A.S. Plastmassovaya evolyuciya [Plastic evolution] // Neftehimiya RF. 2016. №2. S. 1–4.
    19. Sabitov A.A. Primenenie v avtomobilestroenii kompozicionnyh materialov [Application in automotive industry of composite materials]. Irkutsk: Irkutskij tehnikum mashinostroeniya, 2016. S. 5–6.
    20. Available at: https://rg.ru/2016/05/26/avtoprom-budushchee-rynka-za-avtomobiliami-iz-polimerov.html (accessed: April 18, 2017).

    Композиционные материалы и конструкции

    Композиционные материалы используются человечеством уже тысячи лет. Глиняные кирпичи (саман), использовавшиеся для построек, изготавливались из смеси глины и соломы. Именно сочетание физических свойств каждого материала, входящего в композит, дает окончательные уникальные характеристики данному материалу. Современные композиционные материалы, например с углеродным волокном, объединяют в себе уникальные свойства: легкий, прочность, долговечность и термостойкость. В настоящее время преимущества изделий, спроектированных и изготовленных из композиционных материалов, а не из сталей и сплавов, хорошо известны во многих отраслях промышленности.

    Использование композиционных материалов дает производителям ряд преимуществ с точки зрения веса изделия, его прочности, жесткости и других характеристик. Однако при проектировании композитных изделий, производители также сталкиваются и с рядом проблем, которых нет при использовании обычных материалов, таких как металлы. Расслоение, микротрещины, приводящие к возможному разрушению, пористость, особенности выкладки слоев материала и другие факторы, которые не надо учитывать при проектировании изделий из металла, являются очень важными для проектирования композитных конструкций. Трудоемкие и дорогостоящие производственные процессы изготовления делают подход полной отработки изделия на реальных прототипах непрактичным. Поэтому без использования правильных инструментов виртуального проектирования и инженерного анализа выбор оптимального композиционного материала может потребовать значительного времени и ресурсов.

    Обширные возможности решений MSC Software для композиционных материалов помогают проектировать, анализировать и совершенствовать сложные композитные конструкции. Инструменты, предлагаемые компанией, идеально подходят для моделирования различных типов композиционных материалов, а именно, слоистые композиционные материалы, сэндвич-панели, армированных пластиков, нанокомпозитов, металлокерамики, и многих других.

    Программное обеспечение MSC Software предоставляет пользователям широкие возможности для продвинутого моделирования композиционных материалов:
    • Композиционные материалы, армированные углеродным волокном
    • Слоистые композиционные материалы
    • Моделирование когезионных зон
    • Отверждение и коробление
    • Допустимость повреждения
    • Расслоение
    • Драппировка (выкладка) слоистого композиционного материала
    • Анализ долговечности
    • Анализ стыков внахлест на сдвиг
    • Теории разрушения слоя Хилла, Цай-Ву, Хашина, Пака и другие
    • Трехслойные конструкции с сотовым заполнителем
    • Микро- и макромеханический анализ материалов
    • Многоуровневое моделирование композитных конструкций
    • Нелинейный анализ
    • Моделирование роста трещины
    • Дисперсионно армированные материалы
    • Прогрессирующее разрушение (PFA)
    • Пруженение
    • Нанокомпозиты
    • Анализ напряжений и деформаций в слоях пакета
    • Температурно-зависимые свойства материала
    • Метод виртуального закрытия трещины (VCCT)
    Использование решений MSC Software в промышленности:
    • Авиационная и космическая промышленность: Гондолы двигателей, элероны, обтекатели, панели летательных аппаратов, полы, двери, теплозащитные экраны, элементы механизации крыла, руль направления, фюзеляж вертолета, лопасти несущего винта, баллистическая защита.
    • Автомобилестроение: Панели кузова, шасси, бамперы, тормозные диски, кабина водителя, обшивка, приборные панели.
    • Товары народного потребления: Спортивные товары, упаковка, радиаторы для электронных систем, велосипедные рамы, шлемы, мебель, стройматериалы.
    • Энергетика: Лопасти ветряных турбин, панели солнечных батарей, морские платформы, включая толстостенные и подводные трубы, резервуары.
    • Медицина: Протезы, ортопедические устройства, несущие имплантаты, хирургическое оборудование, эндоскопический/лапароскопический инструмент, аспирационные устройства и устройства для санации.
    Производство

    Выявление и устранение на этапе проектирования производственных проблем значительно сокращает затраты на последующее изготовление. .

    Например, детали из слоистого композиционного материала требуют драпировки (выкладки) слоев материала. Выкладка материала на криволинейных поверхностях может привести к сдвигу материала, образованию складок и заметному изменению ориентации волокон в слое. Как итог, чрезмерный сдвиг и складки вызовут трудности при изготовлении детали, а значительное отклонение ориентации волокон от желаемой может привести к снижению характеристик детали и даже ее разрушению.

    Решения MSC Software решают эту проблему, помогая определить сдвиг и ориентацию волокон в слое для однонаправленных (лента) и тканых материалов при выкладке их на сложные и криволинейные поверхности.

    Анализ напряженно деформированного состояния

    С помощью решений MSC Software пользователю предоставляются широкие возможности по исследование поведения композитных конструкций во всем диапазоне действующих нагрузок и случаев нагружения.

    • Линейная и нелинейная статика
    • Линейные и нелинейные переходные процессы
    • Собственные частоты колебаний
    • Потеря устойчивости в линейной и нелинейной постановке
    • Прямой или модальный частотный отклик
    • Комплексные собственные значения прямым или модальным методом
    • Прямой или модальный переходный процесс
    • Теплопередача
    • Связанный теплопрочностной анализ

    Простая процедура настройки контактного взаимодействия позволяет сэкономить значительные усилия при моделировании, обеспечивая при этом надежность и точность моделирования, необходимые при проектировании композитных конструкций.

    Анализ разрушения

    Неоднородная и часто многослойная природа композитных материалов приводит к тому, что различные механизмы разрушения материала могут влиять на их эксплуатационные характеристики в процессе работы изделия..

    Накопление повреждений в материале может быть постепенным, приводя к снижению работоспособности и даже окончательному разрушению.

    Пользователям MSC Software доступны современные инструменты для моделирования различных видов разрушения композиционных материалов:

    • Анализ прогрессирующего разрушения (PFA): Моделирование прогрессирующего разрушения композиционного материала с использованием любого из множества доступных критериев разрушения (критерии максимальных напряжений и максимальных деформаций, Хилла, Хоффмана, Цай-Ву, Хашина, Пака, Хашина для ленты и Хашина для ткани).
    • Расслоение: Анализ с помощью метода моделирования когезионных зон деградации прочности и жесткости композиционного материала из-за разрушения связи между слоями.
    • Рост трещин: Моделирование распространения трещин с использованием метода виртуального закрытия трещин (VCCT) для проектирования изделий с бо`льшим сопротивлением к образованию и росту трещин.
    Оптимизация конструкции

    Решение MSC Software позволяет пользователям оптимизировать свои конструкции, экономить время и материальные ресурсы для получения эффективных изделий.

    Композитные материалы могут разрабатываться для каждого из изделий. Однако проектирование методом проб и ошибок с физическим прототипированием может оказаться очень затратным процессом. Решение компании MSC Software для оптимизации позволяет пользователям оптимизировать свои конструкции и сокращать затраты на материал за счет минимизации веса и поиска укладок с оптимальной ориентации слоев в них.

    Воспользовавшись полным набором возможностей для оптимизации, включая параметрическую оптимизацию, топологическую и оптимизацию формы, пользователи могут быстрее создавать свои инновационные изделия.

    Многоуровневое моделирование материалов

    Программный комплекс Digimat позволяет пользователям выполнить на микроуровне анализ композиционных материалов для точного определения их механических, термических и электрических свойств. Полученные свойства используются на макроуровне во всех видах последующего анализа методом конечных элементов.

    Например, в случае изделий, получаемых литьем под давлением или формованием, пользователи начинают проектирование со сбора информации о материале и данных об ориентации армирующих волокон в детали из Moldflow, 3D-Sigma, Moldex3D, Simpoe или другого решения для моделирования технологического процесса изготовления. Модуль Digimat-MAP передает данные о тензоре ориентации волокон, остаточные напряжения, температуру, линии спая и другие параметры на конечно-элементную сетку для последующего структурного анализа в одной из программ расчета методом конечных элементов, например, MSC Nastran или Marc.

    Пользователи также могут воспользоваться возможностями других модулей Digimat, например Digimat’s MF, MX, FE modules для виртуальной разработки и испытаний композиционного материала, а также выбора оптимального материала для своего изделия.

    Проектировщик композитных конструкций для транспортных средств

    В XX веке в мире появилась новая технология создания искусственных материалов с улучшенными характеристиками – композитных материалов. Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам, и, в то же время, они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. В зависимости от технологии на производстве композитов может использоваться как ручной труд, так и сложная роботизированная техника. Например, современные LFI комплексы могут производить композитные детали с временем цикла 10-15 минут. На сегодняшний день изделия из полимерных композиционных материалов применяются в различных отраслях промышленности: энергетике, строительстве, судостроении, автомобилестроении, телекоммуникациях, производстве товаров народного потребления. В автомобилестроении, например, из композитов производятся элементы экстерьера и интерьера различных транспортных средств, включая крупногабаритные панели кабин грузовиков. У современных вагонов метро части обшивки также создаются из композитных материалов. В производстве кузовов для спортивных автомобилей также используются композитные материалы. Известные российские автомобильные компании: ГАЗ, КАМАЗ, ПАЗ, Ростсельмаш, Нефаз – тоже используют композитные детали.

    Объем мирового рынка композитов составляет 12 млн тонн в год и не менее 700 млрд евро в денежном выражении. В то время как объемы производства композитов в России исчисляются десятками тысяч тонн и составляют всего 0,3-0,5% от мирового объема. Эксперты убеждены, что у российского рынка композитов есть перспективы роста, и к 2020 году он может увеличиться более чем в 10 раз. Однако резкого «бума» не ожидается, процесс будет идти постепенно, так как для внедрения композитных материалов в производство необходимо сформировать полноценную систему нормативно-технических документов, регламентирующих производство, подтверждение соответствия и применение композитных материалов, изделий и конструкций в различных секторах экономики.

    Основные сотрудники на композитном производстве – это технолог и конструктор. Технолог при работе с заказом определяет, по какой технологии необходимо производить заданную деталь, какие материалы для этого использовать; во время производственного процесса отвечает за настройку оборудования, подготавливает производственные инструкции для операторов и формовщиков, следит за соблюдением технологии при производстве детали. Именно он рассчитывает себестоимость изготовления детали при использовании той или иной технологии.

    Работа конструктора более творческая и не менее, а иногда и более ответственная, чем у технолога. Конструктор отвечает за проектирование деталей и оснастки, определяющей форму готового изделия. Ошибка этого специалиста может стоить очень дорого как для заказчика, так и для предприятия-исполнителя.

    Как стать специалистом?

    Дополнительное образование

    Узнайте больше о возможных программах подготовки к профессии еще в школьном возрасте.

    ХимияМатематикаТехнология изготовления композитовМатериаловедениеФизика

    Основное профессиональное образование

    Проценты отражают распределение специалистов с определенным уровнем образования на рынке труда. Ключевые специализации для освоения професии отмечены зеленым цветом.

    Дополнительное образование для взрослых

    Обязательные этапы дополнительного образования для освоения профессии закрашены зеленым цветом.

    Конструирование и производство изделий из композиционных материаловКурсы по технологиям в сфере композитов

    Профессия в лицах

    Юрий Деревянных

    Юрий Деревянных – начальник конструкторского бюро Нанотехнологического центра композитов.

    Интересные факты

    Первые бытовые изделия, которые можно считать прообразом стеклокомпозитной арматуры – клюшки для гольфа и удочки, которые начали делать в США примерно с 1950 года.Изначально использовать такой композитный материал, как стеклопластик стали из-за его антикоррозийных свойств. Для борьбы с наледью на автострадах в середине 20-го века стали активно использовать соль, которая разъедала железную арматуру мостов и покрытий. Тогда-то и придумали использовать стеклопластик вместо железа, так как на него соль не действовала.

    Видео о профессии

    Другие видео:
    Первый Канал снял сюжет про НЦКПроизводство модульных автобусов с кузовом из композиционных материалов

    Наука и технология композитных материалов

    В таком развитом обществе, как наше, мы все зависим от композитных материалов в некоторых аспектах нашей жизни. Стекловолокно ГЛОССАРИЙ Стекловолокно Композитный материал, изготовленный из тонких стеклянных волокон, сплетенных в ткань, а затем соединенных синтетическим пластиком или смолой. был разработан в конце 1940-х годов и стал первым современным композитом. Он по-прежнему остается самым распространенным, составляя около 65 процентов всех производимых сегодня композитов. Он используется для изготовления корпусов лодок, досок для серфинга, спортивных товаров, облицовки бассейнов, строительных панелей и кузовов автомобилей. Вы вполне можете использовать что-то из стекловолокна, не подозревая об этом.

    Лодки, доски для серфинга, автомобили и многое другое: стекловолокно и другие композитные материалы окружают нас. Источник изображения: sobri/Flickr.

    Что делает материал композитным

    Композитные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, обладающих совершенно разными свойствами. Различные материалы работают вместе, чтобы придать композиту уникальные свойства, но внутри композита вы можете легко отличить разные материалы — они не растворяются и не смешиваются друг с другом.

    Композиты существуют в природе. Кусок дерева представляет собой композит, состоящий из длинных волокон целлюлозы (очень сложной формы крахмала), скрепленных гораздо более слабым веществом, называемым лигнином. Целлюлоза также содержится в хлопке и льне, но именно связывающая способность лигнина делает кусок древесины намного прочнее пучка хлопковых волокон.

    Это не новая идея

    Человечество использует композитные материалы тысячи лет. Возьмем, к примеру, глиняные кирпичи. Если вы попытаетесь согнуть лепешку из засохшей грязи, она легко сломается, но будет прочной, если вы попытаетесь раздавить или сжать ее. С другой стороны, кусок соломы обладает большой силой, когда вы пытаетесь его растянуть, но почти не имеет силы, когда вы его смываете. Когда вы смешиваете глину и солому в блоке, свойства двух материалов также объединяются, и вы получаете кирпич, который устойчив как к сжатию, так и к разрыву или изгибу. Говоря более технически, у него есть как хорошие прочность на сжатие ГЛОССАРИЙ прочность на сжатие Максимальное напряжение, которое может выдержать материал, когда он подвергается нагрузке, которая сжимает его. и хорошо предел прочности ГЛОССАРИЙ Прочность на растяжение Максимальное напряжение, которое выдержит материал, когда он подвергается растягивающей нагрузке. .

    Мужчина восстанавливает древнюю цитадель из сырцового кирпича в Иране после ее повреждения в результате землетрясения. Глиняные кирпичи — это те же материалы, которые использовались для его строительства около 2500 лет назад. Источник изображения: OXLAEY.com/Flickr.

    Еще одним известным композитом является бетон. Здесь заполнитель (мелкие камни или гравий) связан цементом. Бетон обладает хорошей прочностью при сжатии, и его можно сделать более прочным при растяжении, добавив в композит металлические стержни, проволоку, сетку или тросы (таким образом создавая железобетон).

    Композиты были изготовлены из формы углерода, называемой графеном, в сочетании с металлической медью, в результате чего получается материал, в 500 раз прочнее, чем медь сама по себе. Точно так же композит графена и никеля имеет прочность, превышающую прочность никеля более чем в 180 раз.

    Что касается стекловолокна, то оно изготовлено из пластик ГЛОССАРИЙ пластик Твердый материал, состоящий из органических полимеров. армированный нитями или стеклянными волокнами. Эти нити можно либо связать вместе и сплести в мат, либо иногда нарезать на короткие отрезки, которые произвольно ориентированы в пластиковой матрице.

    Больше, чем просто прочность

    В настоящее время многие композиты производятся не только для повышения прочности или других механических свойств, но и для других целей. Многие композиты предназначены для того, чтобы быть хорошими проводниками или изоляторами тепла или обладать определенными магнитными свойствами; свойства, которые являются очень специфическими и специализированными, но также очень важными и полезными. Эти композиты используются в огромном количестве электрических устройств, включая транзисторы, солнечные элементы, датчики, детекторы, диоды и лазеры, а также для изготовления антикоррозионных и антистатических покрытий поверхностей.

    Композиты, изготовленные из оксидов металлов, также могут обладать особыми электрическими свойствами и используются для производства кремниевых чипов, которые могут быть меньше и более плотно упакованы в компьютер. Это увеличивает объем памяти и скорость компьютера. Оксидные композиты также используются для создания высокотемпературных сверхпроводящих свойств, которые теперь используются в электрических кабелях.

    Изготовление композита

    Большинство композитов состоит всего из двух материалов. Один материал (матрица или связующее) окружает и связывает вместе группу волокон или фрагментов гораздо более прочного материала (армирования). В случае сырцовых кирпичей две роли выполняют глина и солома; в бетоне цементом и заполнителем; в куске дерева, целлюлозой и лигнином. В стекловолокне армирование обеспечивается тонкими нитями или волокнами стекла, часто вплетенными в своего рода ткань, а матрица представляет собой пластик.

    Примеры различных форм армирования стекла для использования при создании стеклопластика. Источник изображения: Cjp24/Викисклад.

    Стеклянные нити в стекловолокне очень прочны при растяжении, но они также хрупкие и ломаются при резком изгибе. Матрица не только удерживает волокна вместе, но и защищает их от повреждений, разделяя любые стресс ГЛОССАРИЙ стресс Сила на единицу площади. Измеряется в тех же единицах, что и давление, а именно в паскалях (Па). Материалы обычно имеют прочность в диапазоне мегапаскалей (МПа) (1 МПа = 1 000 000 Па). среди них. Матрица достаточно мягкая, чтобы ее можно было формировать с помощью инструментов, и ее можно смягчить подходящими растворителями, чтобы можно было произвести ремонт. Любая деформация листа стеклопластика обязательно растягивает часть стеклянных волокон, а они способны этому противостоять, поэтому даже тонкий лист очень прочен. Он также довольно легкий, что является преимуществом во многих приложениях.

    За последние десятилетия было разработано много новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами. Тщательно выбирая армирование, матрицу и производственный процесс, который объединяет их, инженеры могут адаптировать свойства в соответствии с конкретными требованиями. Они могут, например, сделать композитный лист очень прочным в одном направлении, выровняв таким образом волокна, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна. Они также могут выбрать такие свойства, как устойчивость к теплу, химическим веществам и атмосферным воздействиям, выбрав соответствующий матричный материал.

    Выбор материалов для матрицы

    Для матрицы во многих современных композитах используются термореактивные или термопластичные пластики (также называемые смолами). (Использование пластика в матрице объясняет название «армированный пластик», обычно данное композитам). Пластмассы полимеры ГЛОССАРИЙ полимеры Крупные молекулы, состоящие из множества звеньев (мономеров), связанных друг с другом в цепь. Существуют природные полимеры (такие как крахмал и ДНК) и синтетические полимеры (такие как нейлон и силикон). которые скрепляют арматуру и помогают определить физические свойства конечного продукта.

    Термореактивные пластмассы жидкие при приготовлении, но затвердевают и становятся жесткими (т.е. отверждаются) при нагревании. Процесс схватывания необратим, поэтому эти материалы не становятся мягкими при высоких температурах. Эти пластмассы также устойчивы к износу и воздействию химических веществ, что делает их очень прочными даже в экстремальных условиях.

    Термопластические пластмассы, как следует из названия, являются твердыми при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используются реже, чем термореактивные пластмассы, у них есть некоторые преимущества, такие как более высокая вязкость разрушения, длительный срок хранения сырья, способность к переработке и более чистое и безопасное рабочее место, поскольку для процесса отверждения не требуются органические растворители.

    Керамика, углерод и металлы используются в качестве матрицы для некоторых узкоспециализированных целей. Например, керамика используется, когда материал будет подвергаться воздействию высоких температур (например, теплообменники), а углерод используется для продуктов, подверженных трению и износу (например, подшипники и шестерни).

    Электронно-микроскопическое изображение в искусственном цвете композита с магниевой матрицей, армированного титана-алюминиевым карбидом. Источник изображения: микроскопия ZEISS / Flickr.

    Выбор материалов для армирования

    Хотя стекловолокно является наиболее распространенным армирующим материалом, во многих передовых композитах теперь используются тонкие волокна из чистого углерода. Можно использовать два основных типа углерода — графит и углеродные нанотрубки. Оба они представляют собой чистый углерод, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях. Графит — очень мягкое вещество (используется в «графитовых» карандашах) и состоит из листов атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Связи, скрепляющие шестиугольники вместе, очень прочные, но связи, скрепляющие листы шестиугольников, довольно слабые, что и делает графит мягким. Углеродные нанотрубки изготавливаются путем скручивания одного листа графита (известного как графен) в трубку. Получается чрезвычайно прочная конструкция. Также возможно иметь трубки, состоящие из нескольких цилиндров — трубки внутри трубок.

    Композиты из углеродного волокна легче и намного прочнее стекловолокна, но и дороже. Из этих двух графитовые волокна дешевле и проще в производстве, чем углеродные нанотрубки. Они используются в конструкциях самолетов и высокоэффективном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и гребные лодки, и все чаще используются вместо металлов для ремонта или замены поврежденных костей.

    Нити из бора еще прочнее (и дороже), чем углеродные волокна. Нанотрубки из нитрида бора имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они намного более устойчивы к теплу, чем углеродные волокна. Они также обладают пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что они могут генерировать электричество при воздействии на них физического давления, такого как скручивание или растяжение.

    Полимеры также могут использоваться в качестве армирующего материала в композитах. Например, кевлар, изначально разработанный для замены стали в радиальных шинах, но наиболее известный своим использованием в пуленепробиваемых жилетах и ​​шлемах, представляет собой полимерное волокно, обладающее чрезвычайной прочностью и повышающее ударную вязкость композита. Применяется в качестве армирования в композитных изделиях, требующих легкой и надежной конструкции (например, конструкционные детали корпуса самолета). Еще более прочным, чем кевлар, является вещество, изготовленное из комбинации графена и углеродных нанотрубок.

    Источник: NASA Goddard/YouTube. Посмотреть детали видео и расшифровку.

    Выбор производственного процесса

    Изготовление объекта из композиционного материала обычно включает в себя ту или иную форму. Армирующий материал сначала помещается в форму, а затем напыляется или закачивается полужидкий матричный материал для формирования объекта. Можно приложить давление, чтобы вытеснить любые пузырьки воздуха, а затем форму нагреть, чтобы матрица затвердела.

    Процесс формования часто выполняется вручную, но автоматическая обработка на машинах становится все более распространенной. Один из этих методов называется пултрузия ГЛОССАРИЙ пултрузия Непрерывный процесс формования, при котором длинные армирующие пряди механически выравниваются для композитного материала, а затем пропускают их через ванну с термореактивной смолой. Затем нити с покрытием собираются с помощью механической направляющей перед процессом отверждения. (термин, образованный от слов «тянуть» и «экструзия»). Этот процесс идеально подходит для изготовления прямых изделий с постоянным поперечным сечением, таких как мостовые балки.

    Во многих тонких конструкциях сложной формы, таких как изогнутые панели, композитная структура строится путем наложения листов тканого волокнистого армирования, пропитанных пластиковым матричным материалом, на базовую форму соответствующей формы. Когда панель изготовлена ​​до необходимой толщины, матричный материал отверждается.

    Сэндвич-композиты

    Многие новые типы композитов производятся не методом матрицы и армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, используемых в панелях крыльев и корпусов самолетов) состоит из сот из пластика, зажатых между двумя обшивками из композитного материала, армированного углеродным волокном.

    Сэндвич-структура из сотового композита от НАСА. Источник изображения: НАСА/Викисклад.

    Эти сэндвич-композиты сочетают в себе высокую прочность и особенно жесткость на изгиб с малым весом. Другие методы включают простое наложение нескольких чередующихся слоев различных веществ (например, графена и металла) для получения композита.

    Зачем использовать композиты?

    Самым большим преимуществом композитных материалов является прочность и жесткость в сочетании с легкостью. Выбирая подходящую комбинацию армирующего и матричного материала, производители могут добиться свойств, точно соответствующих требованиям к конкретной конструкции для конкретной цели.

    • Композиты в Австралии

      Австралия, как и все развитые страны, проявляет большой интерес к композитным материалам, которые многие считают «материалами будущего». Основная задача состоит в том, чтобы снизить затраты, чтобы композиты можно было использовать в продуктах и ​​приложениях, которые в настоящее время не оправдывают затрат. В то же время исследователи хотят улучшить характеристики композитов, например, сделать их более устойчивыми к ударам.

      Один из новых методов включает «текстильные композиты». Вместо того, чтобы укладывать армирующие волокна по отдельности, что медленно и дорого, их можно связать или сплести вместе, чтобы сделать своего рода ткань. Это может быть даже трехмерным, а не плоским. Пространства между текстильными волокнами и вокруг них затем заполняются матричным материалом (например, смолой) для изготовления изделия.

      Этот процесс можно легко выполнить с помощью машин, а не вручную, что делает его быстрее и дешевле. Соединение всех волокон вместе также означает, что композит с меньшей вероятностью будет поврежден при ударе.

      В связи со снижением затрат другие варианты использования композитов становятся все более привлекательными. При изготовлении корпусов и надстроек лодок из композитов используется их устойчивость к коррозии. У минных охотников ВМС Австралии композитный корпус, поскольку магнитный эффект стального корпуса будет мешать обнаружению мин.

      Также в разработке находятся вагоны для поездов, трамваев и других «движителей людей», изготовленных из композитов, а не из стали или алюминия. Здесь привлекательность заключается в легкости композитов, поскольку в этом случае транспортные средства потребляют меньше энергии. По той же причине мы будем видеть все больше и больше композитов в автомобилях в будущем.

    Ярким примером является современная авиация, как военная, так и гражданская. Без композитов было бы гораздо менее эффективно. Фактически, потребность этой отрасли в легких и прочных материалах была главной движущей силой разработки композитов. В настоящее время часто можно встретить секции крыла и хвостового оперения, пропеллеры и лопасти несущего винта, изготовленные из передовых композитов, а также большую часть внутренней конструкции и фурнитуры. Планеры некоторых небольших самолетов полностью сделаны из композитных материалов, как и крылья, хвостовое оперение и панели корпуса больших коммерческих самолетов.

    Размышляя о самолетах, стоит помнить, что композиты менее склонны к полному разрушению под нагрузкой, чем металлы (например, алюминий). Небольшая трещина в куске металла может очень быстро распространиться с очень серьезными последствиями (особенно в случае с самолетом). Волокна в композите блокируют расширение любой небольшой трещины и распределяют напряжение вокруг.

    Подходящие композиты также хорошо противостоят нагреву и коррозии. Это делает их идеальными для использования в продуктах, которые подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как лодки, оборудование для обработки химикатов и космические корабли. В целом композитные материалы очень прочны.

    Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они обеспечивают гибкость дизайна. Композитным материалам можно придавать сложные формы, что очень удобно при производстве чего-то вроде доски для серфинга или корпуса лодки.

    Кроме того, большая работа в настоящее время направлена ​​на разработку композитных материалов, изготовленных из отходов, таких как сельскохозяйственные отходы, строительные материалы или пластиковые контейнеры для напитков.

    Недостатком композитов обычно является их стоимость. Хотя производственные процессы часто более эффективны при использовании композитов, сырье стоит дорого. Композиты никогда полностью не заменят такие традиционные материалы, как сталь, но во многих случаях это именно то, что нам нужно. И, несомненно, по мере развития технологии будут найдены новые применения. Мы еще не видели всего, на что способны композиты.

    Современная авиация стала основной движущей силой развития композитов. Источник изображения: Пол Нелхамс / Flickr.

    Композитные материалы | Типы композитов

    Композитные материалы | Виды композитов | Приложения
    1. Дом
    2. Композиты
    3. Композитные материалы | Виды композитов | Приложения

    Композиты

    3 сентября 2021 г.

    Композитные материалы | Виды композитов | Приложения

    Введение в композитный материал s

    Композитный материал определяется как материал, образованный объединением двух или более различных материалов/компонентов, макроскопически отличающихся по своим свойствам и не растворяющихся друг в друге.

    Комбинация различных компонентов в композитах придает композитному материалу уникальные свойства, отличные от отдельных компонентов.

    Примером композитов являются глиняные строительные кирпичи, используемые с древних времен, которые образуются путем соединения сырцовых кирпичей и соломы. Это позволило композиту иметь прочность и сопротивление сырцовых кирпичей и прочность на растяжение соломы.

    В общем, композиционный материал включает три основных компонента (а) матрицу, непрерывную фазу; (b) армирование, непрерывная или прерывистая фаза, используемая для усиления композита, и (c) область тонкого интерфейса.

    На протяжении тысячелетий композитные материалы играли решающую роль в жизни человека, начиная с того, что первые цивилизации давали возможность строить дома, и заканчивая тем, что сделали возможными достижения в области современных технологий.

    В повседневной жизни люди используют композитные материалы, в том числе керамическую плитку в ванной, которая помогает нам оставаться сухими.

    Композиты действительно можно найти в большинстве обычных продуктов, включая строительные и инженерные проекты, медицинские приложения, энергетику и транспорт, спорт, самолеты, автомобили и другие области.

    Эволюция композитных материалов s

    Человечество использует композитные материалы тысячи лет. Первый композит был найден в 1500 году до нашей эры, когда египтяне и жители Месопотамии использовали глину и солому для строительства своих домов.

    Монголы разработали первый лук, используя дерево, кость и животный клей. Во время Второй мировой войны цивилизация композитов была усовершенствована и перенесена из лаборатории в реальное производство. Также промышленностью была освоена разработка компонентов из армированных волокном полимерных композитов.

    К 1945 году использование армированных волокном полимерных композитов стало использоваться в основном в военных целях.

    В 1946 году был представлен первый композитный корпус лодки FPR, а к 1947 году из композитного материала был изготовлен корпус автомобиля, который успешно прошел испытания.

    Типы композитов
    Материал матрицы

    Основная функция материала матрицы в полимерном композите заключается в том, чтобы действовать как связующее и передавать нагрузку между компонентами композита, придавая компоненту его чистую форму и определяя качество его поверхности.

    Полимерные композиты обычно используют два типа матричного материала, а именно. термопластичные и термореактивные. С самого начала композитной эры оба материала использовались для разработки композитов.

    Характеристика термопластического и термосетинга заключается в следующем:

    Thermoplastic Thermosetting
    . держать нужную форму. Он имеет одно- или двумерную молекулярную структуру и имеет тенденцию к завышенной температуре плавления при повышенной температуре. Термореактивные материалы выдерживают необратимую реакцию химической связи, т. е. сшивание или отверждение во время процесса для перехода фазы из жидкого состояния в твердое. Сшивание позволяет исключить переплав компонентов при подводе тепла.
    Преимущества Может быть переработан Возможность повторного формования и изменения формы с применением тепла Простота быстрого производства в больших объемах Химическая стойкость и ударопрочность Более высокая стоимость, чем у реактопластов Экологически чистая обработка Прилипание к металлу не может быть переработана после выкройки, чем не может быть изменено или повторно затрат на стабильность. термопластический материал, используемый в полимерных композитах: Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) Полиметилметакрилат (ПММА) (акрил) Полибензимидазол Полиэтиленовый гомополимерный сополимер Полиуретан-стирол Акрилонитрил Полипропилен (ПП) Полиамид (ПА) Поликарбонат (ПК) Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) Полимолочная кислота Кислота (PLA) Поливинилхлорид (ПВХ) Тефлон Some thermosetting material used in polymer composites: ResinUnsaturated polyesterVinyl esterPhenolSiliconeCyanate estersMethyl Methacrylate (MMA)Bismaleimide (BMI)Urea FormaldehydeFluoropolymersMelamine  

    Fiber Reinforcement Composite material

    In fiber-reinforced polymer composites, different types of fibers can be используется как армированный материал. Выбор армированного материала зависит от конечного применения компонента/материала. Некоторое обычное волокнистое армирование выглядит следующим образом:

    Стекловолокно

    Как следует из названия, волокно получают из стекла на основе диоксида кремния или другого состава путем нагревания до 1675°C. Доступны различные типы стекловолокна в зависимости от их свойств.

    • А-стекло (щелочное стекло): хорошая химическая стойкость, но более низкие электрические свойства.
    • C-стекло (химическое стекло): высокая химическая стойкость
    • E-стекло (электростекло): превосходный изолятор и водостойкость.
    • S-Glass (структурное стекло): хорошие механические свойства.
    • D-стекло (диэлектрическое стекло): хорошие электрические свойства, но плохие механические свойства по сравнению со стекловолокном E & S
    • Стекловолокно E-CR (электронное стекловолокно): электрическая стойкость, химическая стойкость, хорошие механические свойства , водонепроницаемость по сравнению с E-стеклом
    • AR-стекло (щелочестойкое стекло): специально для бетона. Придает бетону прочность и гибкость, предотвращая растрескивание
    • M-стекловолокно: в его состав входит бериллий, который обеспечивает лучшую эластичность по сравнению с E-стеклом
    • Z-стекловолокно : используется для производства прозрачных компонентов, устойчивых к механическим воздействиям, воздействию УФ-излучения, кислот, щелочей, солей, царапин. , износостойкость и термостойкость, используемые в нити для 3D-принтеров
    Углеродные волокна

    Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе, образуя длинную цепь. Углеродные волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие по сравнению со стекловолокном.

    Волокна чрезвычайно жесткие, прочные, с низким отношением веса к прочности, низким коэффициентом теплового расширения и хорошей устойчивостью к химическим веществам и высоким температурам.

    Углеродное волокно было впервые изобретено недалеко от Кливленда, штат Огайо, в 1958 году.

    В зависимости от модуля, прочности и конечной температуры термообработки углеродные волокна можно разделить на следующие категории:

    Арамидные волокна

    Кевлар из ароматических полиамидных (арамидных) волокон, которые DuPont сделала общедоступными в начале 1970-е годы.

    Кевларовое волокно обладает высокой прочностью, хорошей стойкостью к истиранию, химической стойкостью, непроводимостью, низкой воспламеняемостью и хорошей целостностью ткани при повышенных температурах. Арамидное волокно обычно доступно в желтом цвете и широко используется в тех случаях, когда требуется высокая прочность и малый вес.

    Благодаря хорошей ударопрочности свойство кевларового волокна используется в баллистических целях

    В зависимости от расположения химической связи в структуре кевларовое волокно подразделяется на два типа:

    1. Мета-арамид : Химическая связь мета-арамида имеет зигзагообразную форму, а прочность на растяжение мета-арамидного волокна ниже, чем у пара-арамида. Эти волокна обладают хорошей термической, химической и радиационной стойкостью.
    2. Параарамид : В параарамидном волокне структуры химических связей выровнены в продольном направлении волокна. Этот тип волокна обладает высокой прочностью на растяжение. Такое волокно широко используется в строительных конструкциях
    Натуральное волокно

    Композиты, армированные натуральным волокном, в последние годы стали чрезвычайно популярными для многих применений благодаря своим хорошим характеристикам.

    В связи с государственной политикой и заботой об окружающей среде увеличивается использование натурального волокна в полимерных композитах.

    Натуральные волокна имеют низкую плотность, высокую удельную прочность и обеспечивают хорошую тепло- и звукоизоляцию. Натуральное волокно получают либо из растений, либо из животных.

    Эти волокна имеют преимущество перед синтетическими волокнами в различных секторах, таких как автомобильная, строительная и спортивная промышленность, благодаря своим механическим свойствам, сравнимым со стекловолокном.

    Classification of Natural fiber

    Classification based on reinforcement structure
    Particle reinforced Short fiber reinforced
    Unidirectional fiber reinforced Bidirectional reinforced
     
    Laminate composite  

    Applications of Composite Materials
    1. Space: antenna, radar, satellite конструкции, солнечные отражатели и т. д.
    2. Самолеты: аэродинамические поверхности, лопасти компрессоров, дверцы моторных отсеков, лопасти вентиляторов, валы винтов вертолетов, лопасти турбин, валы турбин, конструкции кессона крыла и т. д.
    3. Автомобили: кузов, бампер, брызговики, дверные панели, приборная панель, карданный вал, топливный бак, газовый баллон, шасси, крыло и т. д. .
    4. Спорт: лыжи, доски для серфинга, виндсерфинг, доски для настольного тенниса, рейки и лонжероны для планирующих крыльев, теннис, бадминтон, удочки, клюшки для гольфа, бейсбольные биты, хоккейные клюшки, древко, меч и т. д.

    Центр Совершенство – Композиты на ATIRA

    Компания ATIRA была объявлена ​​Министерством текстиля правительства Индии «Центром передового опыта в области композитов» в марте 2011 года. для достижения снижения веса, высоких механических свойств, конкурентоспособности по стоимости и расширения базы знаний в области композитов посредством исследований, разработок и обучения.

    Работа, выполненная в ATIRA (Композитные материалы)
    1. Продукты на основе углеродного волокна и эпоксидной смолы, получаемые методом вакуумной инфузии. Разработаны различные компоненты для систем спутниковой связи. Эти работы были выполнены для SAC-ISRO Ahmedabad.
    2.  Системы спутниковой связи также были разработаны с использованием углеродно-эпоксидных препрегов.
    3. Углеродный материал сердцевины находится в стадии разработки для изготовления однородных сэндвич-панелей с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
    4. Натуральные волокна, такие как джут и композиты на основе хлопка, были разработаны с использованием процесса компрессионного формования. Они находят применение в перегородке, двери и машиностроении.
    5. Композитные профили на основе пултрузии, разработанные для разнообразных применений, таких как строительство зданий, мебель, градирни и т. д.
    6. Композиты, формованные под давлением, на основе синтетического армирования, такого как стекловолокно, углеродное волокно, арамид и т. д., и натурального армирования, такого как хлопковое волокно , джутовое волокно и т. д. были разработаны для разнообразных применений.
    7. Процесс, основанный на вакуумной инфузии (VARI), используемый для разработки космических и авиационных изделий на основе углеродных, арамидных и эпоксидных систем. Также была разработана сэндвич-структура на основе алюминиевых сот, углеродного и кварцевого сердечника и т. д.

    Производительные и обработки. Доступны по адресу atira

    Если вы заинтересованы в получении дополнительной информации, напишите на [email protected]

    Ссылки:

    • . Знакомство с композиционными материалами. Композитные и нанокомпозитные материалы: от знаний к промышленному применению. 2020 25 февраля.
    • Дауд М.М., Салех Х.М. Вводная глава: Общие сведения о композитных материалах. характеристики некоторых композитных материалов, 5 ноября 2018 г. IntechOpen.
    • Приянка П., Дикшит А., Мали Х.С. Высокопрочные гибридные текстильные композиты с волокнами углерода, кевлара и E-стекла для ударопрочных конструкций. Обзор. Механика композиционных материалов. 2017 ноябрь; 53 (5): 685-704.
    • Бхатт П., Гоу А. Углеродные волокна: производство, свойства и потенциальное использование. Исследования материаловедения в Индии. 2017 25 июня; 14 (1): 52-7.
    • Ашик К.П., Шарма Р.С. Обзор механических свойств гибридных полимерных композитов, армированных натуральным волокном. Журнал характеристики минералов и материалов и инженерии. 2015;3(05):420.
    • Саба Н., Джаваид М. Гибридные полимерные композиты на основе эпоксидной смолы. Полимерные композитные материалы InHybrid, 1 января 2017 г. (стр. 57-82). Издательство Вудхед.
    • Раджак Д.К., Пагар Д.Д., Менезес П.Л., Линул Э. Полимерные композиты, армированные волокном: производство, свойства и применение. Полимеры. 2019 Окт;11(10):1667.
    • Чжан Л. Применение материалов из композитных волокон в спортивном инвентаре. Международная конференция по образованию, менеджменту, информации и медицине 2015 г., апрель 2015 г. (стр. 450-453). Атлантис Пресс.
    • https://www.addcomposites.com/post/reinforcement-fibers-terminology-types-and-formats
    •  https://www.homestratosphere.com/types-of-fiberglass/#6ECRGlassFiber
    Добавить Автора

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы загрузить прямо сейчас.


    Пожалуйста, докажите, что вы человек, выбрав Дерево.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы загрузить прямо сейчас.


    Пожалуйста, подтвердите, что вы человек, выбрав флаг.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы загрузить прямо сейчас.


    Пожалуйста, докажите, что вы человек, выбрав звезду.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы загрузить прямо сейчас.


    Пожалуйста, подтвердите, что вы человек, выбрав флаг.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы узнать сейчас.


    Пожалуйста, подтвердите, что вы человек, выбрав ключ.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы узнать сейчас.


    Пожалуйста, докажите, что вы человек, выбрав Самолет.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы узнать сейчас.


    Пожалуйста, докажите, что вы человек, выбрав Дерево.

    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы узнать сейчас.


    Пожалуйста, докажите, что вы человек, выбрав звезду.

    🔒Ваши данные в безопасности.

    Готово на 70%

    Почти готово!

    Заполните форму ниже, чтобы узнать сейчас.

    Требование к обслуживанию
    — Испытания волокон Испытания пряжи Испытания тканей и одежды Функциональный текстиль Испытания защитного текстиля Геосинтетика Нетканые материалы

    Пожалуйста, подтвердите, что вы человек, выбрав автомобиль.


    🔒Ваши данные в безопасности.

    Применение композитов – JEC Group

    Применение композитов – JEC Group

    Аэрокосмическая промышленность

    Раньше в аэрокосмической отрасли цена не была реальной сделкой. Это уже не так. Появление новых конкурентов и количество производимых деталей потребовало новых производственных технологий и повышения производительности. Новые задачи приходят с новыми решениями.

    Автомобильный и автомобильный транспорт

    Композиты очень скоро будут играть очень важную роль в автомобилестроении и дорожном транспорте в связи с глобальными нормами выбросов CO2. Одним из самых простых способов уменьшить выбросы автомобиля является его просветление. Композиты, очевидно, являются предпочтительным материалом для такой задачи.

    Строительство и гражданское строительство

    «Создано на века» — один из девизов, используемых в секторе строительства и гражданского строительства. Композиты выполняют эту задачу и помогают старым конструкциям сохранять свою целостность с течением времени. Все больше и больше инженеров из этого сектора отказываются от бетона и стали в пользу более разумных решений.

    Оборона, безопасность и баллистика

    Средства индивидуальной защиты, защиты транспортных средств и оборудования в полной мере используют композиты, которые поглощают рассеиваемую энергию благодаря своей внутренней природе. Кроме того, композиты позволяют снизить вес любой защиты.

    Дизайн, мебель и дом

    Любая другая область конечного использования композитов представляет интерес для любых исследований и разработок, связанных с композитным материалом.

    Электротехника, электроника, телекоммуникации и бытовая техника

    Диэлектрические свойства, изоляция, равномерная или тепло- или электропроводность в зависимости от выбранных волокон и смол, композиты могут быть точно настроены для удовлетворения почти всех требований в приложениях электротехники и электроники.

    Оборудование и машины

    Повышение производительности за счет легкости, жесткости, высоких собственных частот коррозионной стойкости… Многочисленные причины, по которым производители промышленного оборудования обращаются к удивительным свойствам композитов.

    Морской транспорт и судостроение

    Морской сектор одним из первых осознал все преимущества композитов, особенно простоту их применения и коррозионную стойкость. Но Marine — это гораздо больше: невероятная лаборатория старения. Лодка, пересекающая Атлантику, совершает миллионы циклов.

    Медицина и протезирование

    Формируемость, легкость, биосовместимость, а-магнетизм, прозрачность для рентгеновских лучей — вот некоторые из свойств, которые композиты могут легко выполнять для более здоровой и комфортной жизни, что бы ни происходило.

    Нефть и газ

    Неблагоприятные условия для материалов, коррозия, экстремальные давления и большая глубина являются обычными в нефтегазовом секторе. Некоторые его проблемы могут быть решены только за счет использования композитов.

    Прочие композиты Области конечного использования

    Любая другая область конечного использования композитов представляет интерес для любых исследований и разработок, связанных с композитным материалом.

    Трубы и резервуары, Очистка воды и канализация

    В этих областях используются свойства атмосферостойкости (коррозионной стойкости) и «жесткости при снижении веса» композитов, армированных длинными волокнами.

    Железнодорожный транспорт и инфраструктура

    Безопасность пользователей – правило номер один в железнодорожном секторе. Его стандарты действительно строгие, но в то же время этот сектор ищет более легкие и практичные решения. Композиты все еще могут завоевать новую долю рынка в этой довольно консервативной среде.

    Возобновляемая энергия

    Энергия ветра, солнечные батареи, накопление энергии к кинетической энергии, энергия воды и приливов… Композиты присутствуют почти во всех более экологически чистых способах производства и хранения энергии благодаря их удивительному соотношению «свойства к весу» и их коррозионной стойкости .

    Спорт, отдых и отдых

    Место, где можно испытать новые материалы в очень суровых условиях с точки зрения нагрузок или ударов. В секторах спорта и отдыха постоянно разрабатываются новые материалы, области применения или процессы. Сочетание веселья и науки достигает своего апогея благодаря композитам.

    Что такое композитный материал? (Полное руководство)

    Композитный материал представляет собой комбинацию двух материалов с различными физическими и химическими свойствами. Когда они объединяются, они создают материал, специально предназначенный для выполнения определенной работы, например, для того, чтобы стать прочнее, легче или устойчивым к электричеству. Они также могут улучшить прочность и жесткость. Причина их использования по сравнению с традиционными материалами заключается в том, что они улучшают свойства своих основных материалов и применимы во многих ситуациях.

    Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна помощь, напишите нам, чтобы получить консультацию специалиста:

    [email protected]

    Содержание

    • История
    • Какие бывают типы?
    • Каковы преимущества?
    • Зачем их использовать?
    • Примеры