Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

30.06.2015

Местное упрочнение металлических конструкций — один из рациональных путей применения полимерных композитов. В таких комбинированных конструкциях уменьшается сечение деталей при замене металла на композиционный материал, в большинстве случаев однонаправленный, ориентированный по оси действия максимальных напряжений. Это обеспечивает снижение массы конструкций до 50% по сравнению с массой металлического аналога равной прочности, повышение их жесткости, демпфирующей способности и ресурса эксплуатации.
Композиты применяют в комбинированных конструкциях цилиндрических обечаек, емкостей, работающих под внутренним давлением, дисков роторов и других деталей, находящихся в поле действия центробежных сил или подвергающихся вибрациям; сжатых и растянутых панелей, балок и профилей, работающих на изгиб. В подобных конструкциях удается достаточно полно реализовать высокие механические характеристики композитов с однонаправленной структурой без существенного изменения метода проектирования и технологии изготовления.
Для усиления различных деталей можно использовать два метода: внешнее армирование — усиление конструкций накладками из композитов и внутреннее армирование — усиление внутренних полостей конструкций заполнением их композитами.
При нагружении панелей продольно действующей силой возникающие в матрицах напряжения пропорциональны ИХ модулям упругости. Если Ек.м/Емет>σк.м/σмет, то при растяжении разрушение детали происходит по композиту, а металл оказывается несколько недогруженным. Следовательно, снижение массы растянутой панели возрастает с увеличением относительной площади композиционного материала Fк.м в сечении панели. При Fк.м=50% уменьшение массы равнопрочной комбинированной панели составляет около 20%.
Усталостное разрушение комбинированной панели обычно начинается с металлической части. Снижение уровня напряженности металла при эксплуатационных нагрузках способствует значительному повышению срока службы комбинированных панелей. Например, длительность эксплуатации панели из алюминиевого сплава и карбоволокнита возрастает в 3,5 раза по сравнению с металлической (рис. 5.10). При этом сохраняется уровень статической прочности материала и масса панели снижается на 20%.
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Существенная экономия массы достигается при использовании композитов для подкрепления металлических панелей, работающих на сжатие и сдвиг. Критические напряжения общей потери устойчивости таких панелей значительно повышаются благодаря увеличению их жесткости. Снижение напряженности металлической части панели предотвращает местную потерю устойчивости ее отдельных элементов. Сравнение критических напряжений потери устойчивости цельнометаллической панели и эквивалентной ей по массе комбинированной панели, состоящей из алюминиевого сплава и эпоксикарбоволокнита, показывает, что эффективность подкрепления возрастает с увеличением прочности при сжатии композита (рис. 5.11).
Применение накладок из карбо- и бороволокнитов для усиления элементов, работающих на изгиб (балки, лонжероны, шпангоуты и др.). позволяет существенно снизить их массу при значительном увеличении жесткости. Эффективность подкрепления возрастает с увеличением относительной площади композита в сечении конструкции (рис. 5.12).
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Усиление металлических деталей, подверженных вибрациям, композиционных материалов, демпфирующая способность и модуль упругости которых регулируются в широких пределах, является эффективным средством отстройки деталей от резонансных режимов и снижения уровня возникающих в них вибронапряжений. Значительный эффект достигается также в случае покрытия карбо-, стекло- или органоволокнитом деталей корпуса компрессора, патрубков и трубопроводов.
При использовании упрочняющих колец из бороволокнита для бандажирования высокоскоростного ротора уменьшаются масса конструкции и напряженность диска ротора, что позволяет увеличить скорость его вращения на 20—30%. В случае упрочнения цилиндрической обечайки емкостей высокого давления из стали или титана намоткой стекло- и органоволокнитов в тангенциальном направлении с учетом полной реализации их прочности обеспечивается снижение массы изделий до 20% при их высокой удельной прочности. В результате обмотки бороволокнитом гидравлических цилиндов, например стоек шасси, увеличивается жесткость стенок гидроцилиндров, что приводит к стабилизации зазора между поршнем и стенками цилиндра. Экономия массы при этом составляет 20—30%.
Конструктивное решение, при котором композиты вводят во внутреннюю полость изделия, является наиболее перспективным, так как имеет ряд преимуществ перед другими вариантами их применения: 1) достаточно полная реализация высоких показателей механических свойств, характерных для однонаправленных композитов, без существенного изменения методов проектирования и технологии изготовления конструкций; 2) большая площадь контакта на границе композит — металл, благодаря чему снижается напряженность клеевого соединения; 3) надежная защита полимерного композита от воздействия окружающей среды и от механических повреждений; 4) использование в некоторых случаях для формования подкрепляющего элемента из композиционного материала заполняемой полости подкрепляемого элемента.
Чтобы создать условия для совместной работы разномодульных материалов, при проектировании комбинированных конструкций работающие пары подбирают в соответствии с их деформативными характеристиками.
Наибольший эффект достигается при сочетании материалов с близкими значениями допустимых деформаций. Если деформация металла существенно выше, чем композита, то прочность металла используется не полностью, так как разрушение конструкции происходит по достижении предельной деформации композита. Для создания комбинированной конструкции, равнопрочной с металлической, можно использовать менее прочные металлические сплавы.
При нагружении композита в замкнутом объеме достигается более высокая прочность при сжатии. Так, у бороволокнита она возрастает с 1200 до 1800 МПа благодаря тому, что металлическая оболочка предохраняет наружные слои борных волокон от преждевременной потери устойчивости.
Упрочнение алюминиевых профилей эпоксибороволокнитом, взятым в количестве 50%, обеспечивает повышение упруго-прочностных характеристик конструкций в 2 раза (разрушающего напряжения при растяжении до 800 МПа, при сжатии — до 1200 МПа, модуля упругости — до 140 ГПа) при одновременном снижении плотности до 2200 кг/м3.
Критические напряжения общей потери устойчивости панелей, подкрепленных стрингерами, армированными эпоксидными боро- и карбоволокнитами, значительно возрастают в результате увеличения жесткости их при изгибе. Благодаря снижению напряженности в обшивке предотвращается местная потеря устойчивости. Уменьшение массы конструкции составляет при этом 40%.
Трехслойные панели и оболочки из полимерных волокнистых композитов нашли широкое применение в различных конструкциях: панели интерьера и полов
самолетов и судов, зданий и сооружений, панели шумоглушения газотурбинных двигателей, лопасти вертолетов, поверхности управления самолетом (рули, закрылки, тормозные щитки, створки люков и т. п.).
Выполненные в варианте трехслойных конструкций с сотовыми, пенопластовыми гофрированными или трубчатыми заполнителями и обшивками из различных полимерных композитов, они обеспечивают снижение массы конструкции на 12—40%. Для подкрепления обшивок обычно используют различные сотовые заполнители: алюминиевые, стеклопластиковые, полимерные, отличающиеся размером ячейки и толщиной стенки, а следовательно, и плотностью.
Важнейшими характеристиками заполнителей трехслойных конструкций являются модуль сдвига и разрушающее напряжение при сжатии, возрастающие с увеличением плотности заполнителя. Это позволяет в процессе проектирования конструкций подбирать материалы с требуемыми свойствами. Так, при увеличении кажущейся плотности полимерного сотового заполнителя высотой 8 мм с 50 до 60 кг/м3 прочность панелей пола с обшивками из карбоволокнита и сопротивление их действию сосредоточенных нагрузок повышаются на 20%. Для соединения обшивок из композиционных материалов с заполнителями используют пленочные клеи, обеспечивающие прочность клеевых швов при равномерном отрыве более 200 МПа.
В трехслойных конструкциях, работающих на сжатие, удается наиболее полно реализовать прочность высокомодульных композитов, что обеспечивает высокую удельную прочность изделий. На рис. 5.13 приведены зависимости удельной прочности при сжатии трехслойных сотовых панелей с обшивками из алюминиевого сплава и карбоволокнитов разной структуры армирования. Из рисунка видно, что несущая способность панелей с обшивками из композита по сравнению с металлическими панелями увеличивается при однонаправленной укладке волокон в обшивках на 210%, при укладке 0/п/2 (1:1) — на 80%, при укладке 0/л/4/л/2 — на 40%. В случае замены алюминиевых обшивок на обшивки из карбоволокнита при одинаковой несущей способности панели ее масса снижается на 10—65% в зависимости от схемы укладки волокон в обшивках.
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Трехслойные конструкции с обшивками из стеклотекстолитов широко применяются для изготовления панелей, перегородок самолетов, судов и других транспортных средств, антенных обтекателей и радиопрозрачных экранов, для защиты радиотехнической аппаратуры.
Трубы, стержни, профили и другие изделия, выполненные из боро- и карбоволокнитов, хорошо работающие на сжатие и устойчивость, находят применение при создании конструкций ферм, тяг управления, различного рода подкосов. Сравнение эффективности подкосов, выполненных из алюминиевого сплава и эпоксибороволокнитов, приведено ниже:
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Емкости высокого давления сферической и цилиндрической формы изготавливают методом намотки из эпоксидных стекло- и органоволокнитов. Баллоны для хранения сжатых газов могут работать под давлением >70 МПа. Баллоны из стекло- и органоволокнитов при одном и том же объеме имеют меньшую массу, чем металлические сварные баллоны (рис. 5.14). Сравнение емкостей высокого давления из различных материалов при помощи критерия K = pV/Q (р — рабочее давление, V — объем сосуда, Q — масса) выявляет преимущества баллонов, изготовленных из высокопрочных органоволокиитов (например, композитов, армированных арамидным волокном t).
Одним из наиболее сложных вопросов является соединение деталей из композитов между собой и с металлическими деталями, обеспечение их совместной работы в условиях эксплуатации. На практике широкое распространение получили клеевые соединения, обеспечивающие сдвиговую прочность до 25 МПа при склеивании эпоксидных стекло-, карбо- и бороволокнитов между собой и с алюминиевыми и титановыми сплавами. Различие в коэффициентах линейного термического расширения соединяемых материалов при усилении металлов композитом приводит к появлению в них начальных касательных напряжений, которые, суммируясь с эксплуатационными напряжениями, могут вызвать отслоение композита вследствие возникновения пика касательных напряжений. Эффективность клеевого соединения может быть повышена путем снижения касательных напряжений у кондов детали из композита утолщением клеевого слоя, применением эластичного клеевого соединения, плавным уменьшением толщины накладки, увеличением поверхности склеивания за счет расширения поверхности накладки и использованием прослойки из материала с меньшим, чем у накладки, модулем упругости.
В комбинированных элементах конструкций более полная реализация прочностных и упругих свойств композитов обеспечивается при использовании клеемеханических соединений.
Для увеличения прочности композитов в местах приложения сосредоточенных нагрузок производится их усиление перекрестным армированием или введением между слоями различных материалов, таких, как стальная или титановая фольга, стеклоткань, бумага из нитевидных кристаллов или ортогонально уложенных слоев того же композита. На рис. 5.15 приведены диаграммы деформирования карбоволокнита при смятии болтом с усилением отверстия различными методами, а. в табл. 5.3 — данные, позволяющие оценить эффективность различных способов усиления.
С увеличением коэффициента армирования, представляющего собой отношение объемного содержания усиливающего и основного материалов, наблюдается не только повышение прочности при смятии (рис. 5.16), но и локальное увеличение других показателей.
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Отличные конструкционные свойства в сочетании со специальными обусловили эффективное использование полимерных волокнистых композитов в различных отраслях промышленности. Их применяют при изготовлении изделий, масса которых должна быть минимальной: самолетов и вертолетов, судов с динамическими принципами поддержания, поездов на. воздушной и магнитной подушке, искусственных спутников Земли, межпланетных станций и ракетной техники.
Применение полимерных композитов открывает широкие возможности для улучшения массовых характеристик изделия (снижения массы конструкций на 10— 70%). В настоящее время полимерные композиты наиболее широко используются в авиакосмической технике. Стекло-, карбо- и органоволокниты находят применение в конструкции несущих и рулевых лопастей вертолетов, воздушных и гребных винтов, лопаток компрессоров газотурбинных двигателей.
Высокая радиационная стойкость карбоволокнитов в сочетаний с низким коэффициентом линейного термического расширения делают их весьма эффективными в криогенной и космической технике (баллоны для сжиженных газов, панели солнечных батарей, антеннофидерные устройства, электрические генераторы, работающие при криогенных температурах).
Рациональные направления и эффективность применения композитов в технике

Стекло- и карбоволокниты весьма перспективны для химического машиностроения, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. Эти материалы на основе синтетических смол, стабильные в нефтепродуктах, растворах солей, кислых и щелочных средах, применяются для изготовления трубопроводов, цистерн для хранения и транспортировки химических продуктов, реакторов, насосов и сосудов, работающих под давлением в агрессивных средах.
Электропроводность полимерных композитов на -основе углеродных волокон используется при создании различных нагревательных устройств: нагревательных панелей для жилых помещений, теплиц, ферм, кабин автомашин и тракторов, антиобледенительных систем судов и самолетов.
Экономически выгодно и перспективно применение полимерных волокнистых композитов для производства изделий массового потребления и высококачественного спортивного инвентаря: лыж, лыжных палок, теннисных ракеток, луков, стрел, удочек, хоккейных клюшек, мачт и корпусов маломерных спортивных яхт, шлюпок, лодок, катеров.
Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями живого организма позволяет использовать пластики на его основе в медицинской практике для изготовления протезов, штифтов для скрепления сломанных конечностей, разнообразных деталей медицинской аппаратуры.