Современные композитные материалы (АКМ) обычно характеризуются или определяются необычно высокопрочными волокнами с необычно высокой жесткостью или характеристиками модуля упругости по сравнению с другими материалами, при этом связанные вместе более слабыми матрицами. Их называют усовершенствованными композитными материалами (ACM) по сравнению с обычно используемыми композитными материалами, такими как железобетон или даже сам бетон. Эти высокопрочные волокна также низкая плотность , занимая большую долю объема
Усовершенствованные композиты демонстрируют желаемые физические и химические свойства, которые включают легкий вес в сочетании с высокой жесткостью ( эластичностью ) и прочностью в направлении армирующего волокна, стабильность размеров, термостойкость и химическую стойкость, характеристики изгиба и относительно простоту обработки. Современные композиты заменяют металлические компоненты во многих областях, особенно в аэрокосмической промышленности .
Композиты классифицируются в зависимости от их матричной фазы . Эти классификации включают композиты с полимерной матрицей (PMC) , композиты с керамической матрицей (CMC) и композиты с металлической матрицей (MMC). Кроме того, материалы в рамках этих категорий часто называют «продвинутыми», если они сочетают в себе свойства высоких значений (осевой, продольной ) прочности и высоких значений ( осевой , продольной) жесткости, с низким весом, коррозионной стойкостью и, в некоторых случаях, особыми электрическими свойствами. .
Современные композитные материалы находят широкое и проверенное применение в самолетостроении , аэрокосмической отрасли и спортивном оборудовании . В частности, ACM очень привлекательны для конструктивных элементов самолетов и аэрокосмической отрасли. ACM разрабатывались для программы NASA Advanced Space Transport Program , броневой защиты для армейской авиации и Федерального управления гражданской авиации США, а также для высокотемпературного вала вала для вертолета Comanche . Кроме того, ACM имеют многолетнюю историю в военной и государственной авиакосмической промышленности . Однако большая часть технологий является новой и формально не представлена в системе среднего или высшего образования , а технология производства передовых композитов постоянно развивается. [1] [2] [3]
Обзор и историческая перспектива
Производство ACM - это многомиллиардная отрасль во всем мире. Композитная продукция варьируется от скейтбордов до компонентов космических кораблей . Промышленность в целом можно разделить на два основных сегмента: промышленные композиты и современные композиты. Некоторые процессы производства композитов являются общими для обоих сегментов. Ниже описаны два основных сегмента. [1] [2]
Промышленные композиты
Индустрия промышленных композитов существует в США более 40 лет. В этой крупной отрасли используются различные системы смол , включая полиэфирные , эпоксидные и другие специальные смолы. Эти материалы, наряду с катализатором или отвердителем и некоторым типом армирования волокном (обычно стекловолокном), используются в производстве широкого спектра промышленных компонентов и товаров народного потребления: лодок, трубопроводов, автомобильных кузовов и множества других деталей. и компоненты. [1] [2]
Современные композиты
Промышленность передовых композитов или промышленность передовых композитных материалов характеризуется использованием дорогих, высокоэффективных систем смол и высокопрочного армированного волокна с высокой жесткостью. Авиакосмическая промышленность, включая военные и коммерческие самолеты всех типов, является основным потребителем современных композитов. Эти материалы также были приняты для использования поставщиками спортивных товаров, которые продают высококачественное оборудование для рынков гольфа , тенниса , рыбалки и стрельбы из лука ; [1] [2] [3], а также в плавательных бассейнах с композитными стеновыми конструкциями. [4]
В то время как авиакосмическая промышленность является сегодня преобладающим рынком для передовых композитов, промышленный и автомобильный рынки будут все больше видеть использование передовых композитов к 2000 году (сейчас это 2019 год, это устарело). В настоящее время при производстве сложных композитных деталей используются как ручные, так и автоматизированные процессы. По мере того как автоматизированные процессы становятся все более преобладающими, ожидается, что стоимость современных композитов снизится до такой степени, что эти материалы будут широко использоваться в электронике, машиностроении и оборудовании для наземного транспорта.
Поставщиками передовых композитных материалов, как правило, являются более крупные компании, способные проводить исследования и разработки, необходимые для создания высокоэффективных систем смол, используемых в этом сегменте промышленности. Конечные пользователи также имеют тенденцию быть большими, и многие из них работают в самолетостроении и аэрокосмической отрасли. [1] [2] [3]
Ограничения
Несмотря на свою прочность и малый вес, композиты не были чудесным решением для авиационных конструкций. Композиты обычно трудно проверить на наличие дефектов. Некоторые из них впитывают влагу. Что наиболее важно, они могут быть непомерно дорогими, прежде всего потому, что они трудоемки и часто требуют сложных и дорогих производственных машин. Алюминий, напротив, легко и недорого производить и ремонтировать, например, при незначительном столкновении алюминиевый компонент часто может вернуться в исходную форму, в то время как сломанный компонент из стекловолокна, вероятно, придется полностью заменить. [5]
Алюминий имеет относительно высокую вязкость разрушения, что позволяет ему подвергаться большой пластической деформации перед разрушением. С другой стороны, композиты менее устойчивы к повреждениям и претерпевают гораздо меньшую пластическую деформацию перед разрушением. Самолет, полностью сделанный из алюминия, можно отремонтировать практически в любом месте. Это не относится к композитным материалам, тем более, что они используют другие и более экзотические материалы. Из-за этого композиты, вероятно, всегда будут больше использоваться в военных самолетах, которые постоянно обслуживаются, чем в коммерческих самолетах, которые требуют меньшего обслуживания. [5] Алюминий по-прежнему остается чрезвычайно полезным материалом для конструкций самолетов, и металлурги много работали над улучшением алюминиевых сплавов, например алюминиево-литиевых сплавов .
Смотрите также
- Композитный материал
- Продвинутая программа космического транспорта НАСА
Внешние ссылки
- Бакленд, Питер Г. Передовые композитные материалы, применяемые для мостов [ постоянное мертвое звено ] . 30 сентября 1991 г.
- Национальная лаборатория Окриджа. Композиты на основе углеродного волокна для автомобилей . Vol. 33, № 3, 2000.
- Мировая поисковая система композитов [1] . Большая база данных компаний, занимающихся композитными материалами.
Рекомендации
- Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документы Управления по охране труда .
- В эту статью включены материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .
- ^ a b c d e Pilato, L .; Мично, Майкл Дж. (Январь 1994 г.). Современные композитные материалы (Глава 1 Введение и Глава 2 «Матричные смолы») . Springer-Verlag New York. ISBN 978-3-540-57563-4.
- ^ а б в г д OSHA (4 мая 2009 г.). «Материалы с полимерной матрицей: перспективные композиты» . Министерство труда США. Архивировано 28 мая 2010 года . Проверено 5 июня 2010 .Контент, являющийся общественным достоянием, от правительственного департамента США. Материалы, созданные федеральным правительством, заархивированные 7 декабря 2015 г. на Wayback Machine, как правило, являются частью общественного достояния и могут использоваться, воспроизводиться и распространяться без разрешения.
- ^ а б в ACG (2006). «Введение в передовые технологии композитов и препрегов» (бесплатная загрузка в формате PDF) . Advanced Composites Group . Проверено 5 июня 2010 .
- ^ http://www.onlyalpha.com
- ^ а б День, Дуэйн А. (2003). «Композиты и перспективные материалы» . НАСА. Комиссия США по случаю столетия полетов. Архивировано из оригинала (Centennial полетной поминовении Закона Public Law 105-389 Конгресса сто пятых (13 ноября 1998)) на 2010-05-28 . Проверено 5 июня 2010 . Контент, являющийся общественным достоянием (см. Ссылку выше)