Применение углепластиков

admin | УГЛЕПЛАСТИКИ | 13.11.2008

Мы знаем, что применение металлов чрезвычайно многообразно из стали можно сделать и штопор, и корпус военного корабля; из алюминия изготавливают и оберточную фольгу, и самолеты и т. д. Этого нельзя сказать об углепластиках, хотя область их применения простирается от изготовления бытовых предметов и до использования в космических аппаратах. Углепластики обладают комплексом весьма ценных свойств, и поэтому их применение постоянно расширяется. В данной главе сделана попытка обобщить различные направления использования этих перспективных материалов. Однако так как углепластики являются сравнительно новыми материалами, во многих областях их применение еще находится на стадии становления и развития. Поэтому мы ограничимся оценкой ситуации в первой половине 1980-х годов.

Применение углепластиков в аэрокосмической промышленности

Композиционные материалы на основе углеродных волокон наряду с применением их в авиационной технике эффективно используются в конструкциях космических летательных аппаратов. Это обусловлено тем, что они обладают сравнительно низкой плотностью. Их высокая стоимость в этом случае не является сдерживающим фактором, так как масштабы применения углепластиков в рассматриваемой области техники не столь велики. Считается, что количество углеродных волокон, используемое в этой области, составляет приблизительно 10% объема их производства. Однако точно оценить эту величину нельзя, так как данная область применения композиционных материалов на основе углеродных волокон почти всегда связана с самыми совершенными технологиями, имеющими оборонное значение и засекреченными.

Искусственные спутники

Прежде всего следует напомнить о первом запуске в 1974 г. военно-воздушными силами США геостационарного метеорологического спутника массой 680 кг, в котором было использовано покрытие из углепластика массой 0,5 кг. В 1979 г. был запущен более совершенный геостационарный спутник связи Intelsat V массой 1400 кг. Уже более 58% деталей (> 45% массы спутника) были изготовлены из высококачественных композиционных материалов, главным образом углепластиков. Одни из основных деталей — отражающая антенна диаметром 2,9 м и каркас солнечной батареи длиной 17 м. Крупногабаритный каркас солнечной батареи был складным и раскрывался уже на околоземной орбите. В Японии углепластики были использованы, например, при изготовлении параболической антенны геостационарного спутника связи CS-2a, запущенного в феврале 1983 г. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что углепластики — важнейший тип конструкционных материалов для изготовления элементов конструкций искусственных спутников Земли.

В настоящее время проектируются искусственные спутники с корпусом из углепластиков. Например, Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) планируется запуск космического спутника-телескопа. Этот телескоп предполагается изготовить с широким использованием углепластиков. По сравнению с лучшими наземными телескопами четкость изображения космического телескопа будет в 102 раз выше, а разрешающая способность — в 10 раз. В Японии в настоящее время на основе углепластиков разрабатываются каркасы корпусов искусственных спутников Земли, скелетные конструкции солнечных батарей и т. д.

Использование углепластиков в искусственных спутниках обусловлено не только их низкой плотностью, но и еще одной важной причиной. Дело в том, что любая конструкция в космосе, естественно, находится в вакууме. Поэтому сторона конструкции, обращенная к Солнцу, нагревается до температуры > 100 °С, а противоположная сторона охлаждается до температуры ниже -200 °С. В таких условиях нужно учитывать тепловую деформацию материалов. В направлении армирующих волокон углепластики имеют отрицательное значение коэффициента теплового расширения [ (-1… -2) • 10~7/К] , и при рациональном проектировании конструкции можно добиться того, чтобы коэффициент теплового расширения ее материала был близок к нулю. Высокая разрешающая способность рассмотренного выше космического спутника-телескопа обусловлена главным образом именно этим. Коэффициент теплового расширения материала, из которого изготовлены элементы его конструкции, лежит в интервале ±0,18 • 10~б/К.

Применение углепластиков в самолетостроении

Общеизвестно, что благодаря высокой удельной прочности и удельной жесткости композиционные материалы, армированные углеродными волокнами, широко применяются в качестве основных конструкционных материалов в самолетостроении. Высокие механические характеристики углеродных волокон позволяют получать высококачественные материалы — углепластики.

Эффективность применения углепластиков в самолетостроении

Масса самолета без топлива и коммерческой нагрузки примерно в два раза меньше массы снаряженного самолета, в том числе около 30% приходится на различные конструкции планера. Снижение веса этих конструкций благодаря использованию современных материалов позволяет уменьшить габариты двигателя, размеры оперения и т. д. и приводит к снижению расхода горючего. Снижение массы конструкционных материалов всего на 1 кг приводит к снижению общей массы самолета на 3-7 кг. Использование композиционных материалов в производстве самолетов позволяет также снизить их общую стоимость и гибко варьировать условия проектирования.

Как указывалось выше, использование углепластиков благодаря анизотропии их деформационно-прочностных свойств дает возможность создавать материалы с заданным распределением жесткости и прочности. В настоящее время ведется разработка самолетов нового поколения: вертикального взлета, типа «летающее крыло», с длинными узкими крыльями и других типов. Создание таких самолетов с использованием известных металлических материалов весьма затруднительно, альтернативой может служить применение углепластиков. Преимущество применения пластмасс в авиастроении состоит также в возможности одностадийного формования крупных элементов конструкций. При этом уменьшается количество деталей и сокращаются затраты на сборку, что ведет к снижению стоимости самолетов.

Методы формования деталей самолетов

В настоящее время формованные из углепластиков конструкционные материалы для самолетов в основном можно подразделить на следующие группы: 1) двутаврового или Н-образного сечения с неравномерным профилем; 2) плоские. Наружные листы для Сандвичевых сотовых и других трехслойных конструкций почти всегда имеют простую форму. Такие элементы конструкций обычно изготавливаются методом автоклавного формования. На рис. 6.5 показано получение сандвичевой конструкции с использованием препрегов и одновременным отверждением и склеиванием компонентов. При изготовлении коробчатых конструкций предварительно сформованные листы обшивки, лонжероны и ребра собирают внутри автоклава и затем склеивают. Используемые при этом клеи так же, как и препреги, строго регламентированы стандартами. С другой стороны, для изготовления лонжеронов, ребер и других изделий сложной формы с изменяющимся сечением используют так называемый метод термокомпрессионного формования, который основан на эффекте теплового расширения эластомеров, хорошо отделяющихся затем от поверхности изделия.

Военные самолеты

Для создания военных самолетов, в частности истребителей, требуются Материалы с особенно хорошими характеристиками. Уже около 25 лет в Научно-исследовательском институте материаловедения Военно-воздушных сил США разрабатываются углепластики с улучшенными механическими свойствами. Такие материалы позволяют значительно снижать массу самолетов-истребителей.

Характеристики Т/М у американских истребителей ниже, чем у советских, что обусловливает различие тактико-технических характеристик истребителей. В связи с этим в США особенно активизируется разработка углепластиков для самолетостроения, которые используются наряду с конструкционными материалами на основе борных волокон. Углепластики составляют около 2% массы самолетов F-14 и F-15 и используются вместе с боропластиками для производства верхних плоскостей несущих крыльев, створок люков шасси и аэродинамических тормозов. В самолете F-16 из углепластиков изготавливают также горизонтальное хвостовое оперение, вертикальные стабилизаторы, и некоторые детали, которые ранее получали из боропластиков. Первоначально аэродинамический тормоз самолета F-15 изготовляли из_металлических материалов. Использование углепластиков в качестве наружного материала сандвичевой конструкции с заполнением алюминиевыми сотами позволяет снизить массу аэродинамического тормоза с 50,8 до 38,6 кг, т. е. приблизительно на 24%.

В самолете F-18 углепластики составляют уже 10,3% всей массы конструкционных материалов и используются для изготовления горизонтального хвостового оперения, рулей направления, вертикальных стабилизаторов, аэродинамических тормозов, закрылков, верхних плоскостей несущих крыльев и других важнейших деталей.

Материалы на основе углепластиков впервые начали применять в самолете F-14, а для самолета F-18 они уже завоевали себе место в качестве одного из наиболее эффективных конструкционных материалов. Для этого пришлось пересмотреть сложившееся ранее мнение, что алюминий, титан, высокопрочная сталь и другие металлические материалы являются основными конструкционными материалами для изготовления деталей самолетов. Благодаря уменьшению массы сейчас удается создать новые типы более совершенных истребителей. В самолетеY AV-8В около 17% массы приходится на обшивку несущих крыльев, закрылки и вспомогательные крылья, а в новой модификации «AV-8B Харриер», а) из углепластиков изготовлена также панель фюзеляжа и общая масса деталей самолета из углепластиков составляет около 26%. Лонжерон и ребро такого крыла имеют двутавровое сечение, а стенка лонжерона — синусоидальную форму; это типичный пример конструкции крыла, изготовленного из композиционных материалов. Такая же конструкция использована и в горизонтальном хвостовом оперении бомбардировщика В-1.

В европейских странах также применяют углепластики для облегчения деталей военных самолетов. Из углепластиков изготавливают воздушные тормоза самолета «Альфа-джет» (ФРГ), концевую часть крыла самолета «Мираж F-1» (Франция), элероны, створки люков шасси и рули вертикального хвостового оперения самолета «Мираж 2000» (Франция). В самолете «Мираж 2000» из комбинации углепластика с боро-пластиком изготовлены рули направления. В самолете «Ягуар» (Великобритания) примерно 15% массы конструкционных материалов составляют углепластики, а в самолете ASX-10 (Франция) — около 16%.

В Японии различные авиационные конструкции на основе углепластиков разрабатываются в основном под эгидой Управления обороны. Проводятся летные испытания самолетов Т-2 (рули направления и створки люков шасси из углепластика), PS-1 (направляющие предкрылки из углепластика) и С-1 (главные интерцепторы и другие детали из углепластиков). Планируется изготовлять из углепластиков горизонтальное и вертикальное хвостовое оперение, закрылки, элероны, аэродинамический тормоз, створки люков шасси и другие детали проектируемого учебного самолета среднего класса марки МТХ.

Применение углепластиков

В течение 20 лет, начиная с самолета F4C и вплоть до самолета F-18A, алюминиевые сплавы играли основную роль, но в будущем предполагается, что ведущие позиции будут занимать углепластики, гибридные армированные пластики на основе сочетания углеродных и стеклянных волокон или сочетания углеродных волокон и волокон Кевлар и другие композиционные материалы.

Предполагается, что материалы из углепластиков в истребителе нового поколения ADCA (Advanced Design Composite Aircraft) будут составлять около 69% массы конструкционных материалов, а в беспилотном зкспериментальном самолете HIMAT (Highly МапеитаЫе Aircraft Technology) — около 25%.

Применение углепластиков в гражданском авиастроении отличается от их использования в военных самолетах. Исходя из требований безопасности новые материалы для гражданских самолетов до их использования в серийном производстве самолетов обычно проходят различные испытания в течение 50 000 ч. В США такие испытания проводятся различными авиастроительными фирмами совместно с НАСА. Первыми в 1973 г. были испытаны следующие детали из углепластиков: интерцепторы для самолета «Боинг В-737» и рули направления самолета DC-10. Интерцепторы самолета «Боинг В-737» представляют собой сандвичевую конструкцию с внешним слоем из углепластика и алюминиевым заполнителем. Благодаря использованию углепластиков достигнуто снижение массы интерцепторов с 6,4 до 5,45 кг, т. е. приблизительно на 15%. В рулях направления самолета DC-10 использована коробчатая конструкция, состоящая из лонжеронов и ребер с внешним слоем из углепластика. При этом достигнуто снижение массы рулей направления примерно на 35%.

В 1976 г. НАСА в рамках проекта АСЕЕ (Aircraft Energy Efficiency Program) выдвинуло задачу снижения расхода топлива на 50%. Согласно этому проекту в экспериментальных самолетах композиционные материалы были опробованы как в качестве вспомогательных конструкционных материалов для изготовления рулей набора высоты, рулей направления, вспомогательных крыльев и т. д., так и в качестве основных конструкционных материалов для горизонтального и вертикального хвостового оперения и других деталей самолетов). Уже более пяти лет перечисленные детали работают в самолетах, находящихся в эксплуатации.

Композиционные материалы на основе углепластиков уже проходят испытания в конструкциях гражданских самолетов, и различные авиастроительные фирмы переходят от стадии активного проектирования к применению на практике таких материалов. Например, в самолете «Боинг 767» использовано около 2 т углепластиков, гибридных материалов на основе углеродных и стеклянных волокон или углеродных волокон и волокон Кевлар и других гибридных композиционных материалов. Их использование позволило снизить массу самолета приблизительно на 900 кг.

В январе 1981 г. первый успешный полет совершил самолет «Ля фан 2100» производства фирмы «Ля авиа». Все детали фюзеляжа самолета, за исключением обтекателя радиолокационной антенны и воздушного винта, были изготовлены из углепластиков (общая масса около 570 кг). Такое распределение различных материалов в конструкции отвечает идеям создания самолетов следующего поколения.

Из углепластиков изготавливают также лопасти несущего винта и другие элементы конструкций вертолетов. Их используют в вертолете марки ВК-117 совместного производства фирм «Кавасаки дзюкоге» (Япония) и МВВ (ФРГ), в вертолетах SA 365 и «Пума 360» производства фирмы «Синиас» (Франция) и т. д.

Применение углепластиков в военной промышленности

В этой отрасли разработка и применение композиционных материалов на основе углеродных волокон в основном направлена на создание военных самолетов. Сведений о применении углепластиков в производстве другой военной техники очень мало вследствие засекречивания проводимых работ.

Использование углепластиков для изготовления спортивных изделий

Применение композиционных материалов на основе углеродных волокон для изготовления спортивных изделий обусловлено снижением их массы благодаря превосходным механическим свойствам углепластиков. Объем высококачественных спортивных изделий из углепластиков, выпускаемых в Японии, превышает объем производства изделий из углепластиков, применяемых в аэрокосмической технике и в других отраслях промышленности. Для производства спортивных изделий используется около 70% всех углепластиков. Отметим, что вес удочек для ловли форели из углепластиков на основе высокопрочных углеродных волокон составляет 400-500 г, а из углепластиков на основе углеродных волокон высокомодульного типа -около 300 г. Удочки из стеклопластиков весят 700-800 г. Благодаря такому снижению веса удочки из углепластиков привлекли внимание многочисленных любителей рыбной ловли. Хорошие демпфирующие характеристики углепластиков в сочетании с их высокой жесткостью позволяют рыболову чувствовать момент взятия форелью наживки.

При проектировании и изготовлении типичных спортивных изделий обычно выбирают следующие направления ориентации углеродных волокон: 1) в удилищах волокна ориентируют в основном вдоль оси изделия и частично в поперечном направлении путем радиальной намотки (углеродных или стеклянных волокон); 2) в клюшках для игры в гольф применяют сочетание ориентации волокон вдоль оси трубки с их ориентацией под углом ± 22,5° к оси; 3) в каркасах теннисных ракеток используют продольно-поперечную ориентацию волокон в сочетании с ориентацией волокон под углом ± 45°.

В спортивном судостроении углепластики все шире используют для изготовления мачт, рангоутов, румпелей и других деталей яхт. Например, мачта яхты марки «Ямаха Y-20 S», изготовленная из алюминия, имеет вес 16 кг, а из углепластика — 9,4 кг, т. е. приблизительно на 41% легче. Уменьшение массы шверта приблизительно на 60 кг позволяет снизить массу яхты примерно на 80 кг.

Рассмотрим теперь пример использования углепластиков в производстве гоночных автомобилей. Благодаря введению углепластиков в конструкцию стеклопластикового корпуса гоночного автомобиля типа F-II масса корпуса снижается с 30,8 до 21,5 кг, т. е. приблизительно на 30%. Одновременно понижается центр тяжести автомобиля и возрастает его устойчивость на поворотах.

Применение углепластиков в медицине

В медицине углепластики используют ввиду их малой плотности и способности пропускать рентгеновские лучи. Например, ведутся поиски путей снижения веса протезов рук и ног, кресел-каталок, тростей, приспособлений для растяжения костей после переломов и т. д. Однако в этой области углепластики еще не применяются в массовом масштабе и изделия из них находятся на стадии разработки. В настоящее время исследуется возможность создания искусственных костей из углерод-углеродных армированных композиционных материалов.

Углепластики незначительно поглощают рентгеновские лучи, обладают высокой жесткостью и поэтому применяются в рентгеновской аппаратуре. Углерод почти в девять раз меньше поглощает рентгеновские лучи, чем алюминий. Коэффициенты пропускания и рассеяния рентгеновских лучей различными листовыми материалами, ориентированными перпендикулярно направлению рентгеновского излучения. Углепластик по сравнению с алюминием приблизительно в 5 раз меньше поглощает рентгеновские лучи и в 2,5 раза меньше их рассеивает, т. е. является весьма хорошим материалом для рентгеновской аппаратуры.

Применение углепластиков в автомобилестроении

Композиционные материалы на основе углеродных волокон применяются в автомобилестроении несколько в меньшем масштабе, чем в аэрокосмической промышленности. Это связано с высокой стоимостью этих материалов, а также с отставанием в разработке методов массового производства композиционных материалов. Например, стоимость 1 кг конструкции современных автомобилей из традиционных материалов составляет приблизительно 1000 иен. В то же время стоимость углепластиков — от десяти тысяч до нескольких десятков тысяч иен за 1 кг, т. е. в 10 или в несколько десятков раз выше. При использовании углепластиков в аэрокосмической промышленности высокая цена материала не столь существенна из-за высокой стоимости всего изделия, поэтому можно использовать довольно трудоемкий метод автоклавного формования, а в автомобилестроении возможность применения углепластиков лимитируется стоимостью материала и сложностью существующих методов формования.

Тем не менее когда в 1973 г. возник нефтяной кризис, остро встал вопрос экономии энергии. К тому же с ростом парка автомобилей обостряется проблема загрязнения окружающей среды. В связи с этим во всех странах стали интенсивно проводить теоретические и прикладные исследования по уменьшению потребления горючего, количества выхлопных газов и шума автомобилей, повышению их безопасности и т. д. Естественно, что в этих исследованиях приняли участие и фирмы-изготовители углепластиков. Все это привело к ускоренной разработке углепластиков для применения их в автомобилестроении с целью снижения массы автомобилей.

Например, в США в 1975 г. введены контрольные цифры по расходу горючего для легковых автомобилей в зависимости от года их производства. Для автомобилей выпуска 1978 г. минимальный пробег при использовании 1 л горючего должен составлять 7,6 км, а для автомобилей выпуска 1985 года — 11,6 км/л. Если же характеристики автомобиля не соответствуют этим контрольным цифрам, то на фирму, производящую автомобили, налагается штраф в размере 5 дол. за каждые не достающие до контрольной цифры 0,0042 км/л для каждого автомобиля.

Экономия горючего достигается путем снижения массы автомобиля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя, улучшению аэродинамических характеристик, применению системы турбо-наддува и т. д. Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требовалось уменьшить ее за 7 лет приблизительно на 660 кг. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков, стеклопластиков, армированных углеродными или стеклянными волокнами термопластов, и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

В 1977 г. фирма «Форд» сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля, в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый опытный экземпляр такого автомобиля был создан в мае 1979 г. В опытной модели «Форд LTD» 1979 г. из углепластиков, гибридных и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера и другие детали автомобиля. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т. е. приблизительно на 33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т. е. на 35%.

Фирмы «Дженерал моторе» (США), «Крайслер» (США), «Мерседес Бенц» (ФРГ) и «Вольво» (Швеция) разрабатывают приводные (карданные) валы, рессоры и другие детали из углепластиков, а фирма «Плимут» (США) ведет работы по применению углепластиков в деталях двигателя. Например, значительное повышение экономичности двигателя достигается благодаря снижению массы поршневых пальцев, шатунов, штока толкателя клапана, клапанного коромысла и других деталей двигателя. По сравнению с другими материалами использование углепластиков, в том числе армированных волокнами термопластов, экономически целесообразно. Полимерная матрица должна выдерживать в условиях эксплуатации высокие температуры и нагрузки. Поэтому изучается возможность использования в качестве полимерных матриц термостойких эпоксидных смол, полиимидных смол, полиэфирсульфонов, полиэфиркетонов и других смол.

Рассмотрим вопрос об изготовлении листовых рессор. Жесткость одной стальной пластины рессоры, выдерживающей определенную нагрузку (пластина с определенной толщиной), оказывается очень высокой -постоянная пружины будет ниже необходимой. Поэтому до настоящего времени использовались рессоры, состоящие из нескольких пластин (в легковых автомобилях — из 2-4 пластин, а в грузовых автомобилях — из 10 и больше пластин). Если же использовать углепластики, обладающие к тому же очень высокими усталостными характеристиками, то можно существенно снизить массу листовых рессор. Используя гибридные композиционные полимерные материалы на основе стеклянных и углеродных волокон, можно получить еще более хорошие характеристики листовых рессор, чем при использовании углепластиков. Листовые рессоры из армированных пластиков можно изготавливать методом горячего прессования с высокой экономической эффективностью.

При использовании углепластиков для изготовления приводных (карданных) валов ожидается: 1) снижение их массы; 2) увеличение критической скорости вращения R = К (EI/WL^y’^ (К — постоянная, Е — модуль упругости при изгибе, / — момент сопротивления сечения, W — масса единицы длины вала, L — длина приводного вала); 3) увеличение длины приводного вала (возможность изготавливать не двухступенчатые, а одноступенчатые валы); 4) повышение вибрационных и снижение шумовых характеристик валов; 5) повышение их коррозионной стойкости.

Ожидается, что при расширении области применения углепластиков их стоимость снизится до 5000 иен/кг. Разработка сравнительно дешевых методов массового производства в ближайшем будущем приведет к тому, что различные композиционные материалы, и в первую очередь углепластики, получат широкое применение в автомобилестроении.

Применение углепластиков в электронике и электротехнике

Углеродные волокна обладают высокой электропроводностью. Поэтому применение композиционных материалов на их основе в электронике и электротехнике имеет свои особенности по сравнению со стеклопластиками. Стеклопластики, обладающие электроизоляционными свойствами и пропускающие электромагнитные волны, в основном применяются для изготовления печатных плат, элементов индукционных катушек, различных соединительных электроизолирующих деталей, прозрачных для радиоволн обтекателей антенн и корпусов приборов и т. д. Армированные углепластики, наполненные углеродными волокнами термопласты и другие композиционные материалы на основе углеродных волокон имеют высокие значения прочности, жесткости, демпфирующих характеристик, низкий коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства и в то же время способны экранировать электромагнитные волны. В радио- и электротехнике они часто применяются для изготовления конических поверхностей репродукторов, резонаторов звуковых аппаратов, кронштейнов повышенной жесткости, шестерен, кулачков, валов, рефлекторов параболических антенн, элементов конструкций, экранирующих электромагнитные волны и т. д.

В 1976 г. Федеральная комиссия США по связи регламентировала уровень напряженности электрического поля, генерируемого электронными приборами, работающими в диапазоне частот выше 10 кГц. В связи с этим возросла актуальность разработки материалов, экранирующих электромагнитные помехи. Экранирующие покрытия изготавливают как из обычных углеродных волокон, так и с использованием углеродных волокон, покрытых слоем никеля, меди или другого металла. Для получения композитов используют совмещение углеродных волокон с волокнами из термопластов (с помощью инжекционного формования) или метод горячего прессования углепластиков на основе термореактивных смол.