Применение углепластика в авиастроении

Введение. Известно, что композитные материалы, армированные углеродным волокном, благодаря своей высокой удельной прочности и удельной жесткости, являются одними из основных конструкционных материалов в авиастроении. Высокие механические характеристики углеродных волокон позволяют получать высококачественные материалы – углепластики.
Живучесть самолета напрямую зависит от того, насколько быстро его обнаружит противник. Композитные материалы в конструкции снижают «заметность» самолета за счет его радиопрозрачности. Электромагнитный сигнал не отражается от углеродного волокна, но проникает или поглощается, поэтому радар видит пустое пространство вместо самолета. Сложная геометрическая форма поверхности самолета, которую гораздо проще «придать» углепластику, чем металлу, также способствует снижению заметности в поле радаров противника.
Цель работы: изучить применение углепластика в авиастроении
Задачи работы:
- изучить свойства углепластиков и области их применения
- описать методы формирования деталей самолета
- описать эффективность применения углепластиков в авиастроении

Глава 1. Описание свойств углепластиков и их применение
Свойства углепластикаАрмирование полимеров углеродными волокнами позволило создать принципиально новый класс полимерных конструкционных материалов – углепластиков. Углепластики
Они отличаются от традиционных конструкционных материалов сочетанием таких свойств, как высокая удельная прочность и жесткость, низкие коэффициенты линейного теплового расширения и трения, высокая износостойкость и устойчивость к агрессивным средам, тепловому и лучистому удару, более высокая теплопроводность и изменяющиеся электрофизические свойства. широкий диапазон, высокая усталостная прочность при статических и динамических нагрузках.
По удельным показателям прочности и жесткости углепластики превосходят почти все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы. Указанные свойства углепластиков определили их преимущественное использование в оборонной промышленности и, прежде всего, в авиационной и ракетной технике. Большое количество конструктивных элементов военной авиации, боевых и исследовательских космических кораблей и ракет (в том числе космического комплекса «Энергия-Буран»), антенны и антенные обтекатели выполнены из углепластика. Использование углепластиков в оборонной технике сделало информацию о них практически недоступной для широкого круга специалистов в различных областях.
Благодаря государственной программе конверсии и значительному сокращению потребления пластмасс, армированных углеродным волокном, для использования в военных целях, в настоящее время эти материалы можно использовать в других отраслях промышленности.
В табл. 1 представлены для сравнения характеристики некоторых металлических, полимерных материалов конструкционного назначения и углепластиков.
Таблица 1. Свойства некоторых конструкционных материалов

Как видно из таблицы. 1, с точки зрения удельной прочности и жесткости углепластик превосходит почти все обычно используемые конструкционные полимерные и металлические материалы. Стоит отметить, что такой относительно слабый конструкционный полимерный материал, как полиамид, после введения в него углеродных волокон по удельной прочности и жесткости приближается к металлическим конструкционным материалам. Экономическая целесообразность использования углепластиков вместо металлов определяется также относительно невысокой удельной энергоемкостью (в кВт · ч) производства строительных материалов и изделий из них:

Таким образом, в пересчете на 1 кг готовых изделий из эпоксиуглепластика энергии расходуется в 3 раза меньше, чем на изделия из стали, в 5,5 раза меньше, чем на изделия из алюминия и его сплавов и в 20 раз меньше, чем на изделия из титана.
Детали современных самолетов и механизмов редко работают в состоянии однородного напряжения, и обычно есть зоны, в которых материал недогружен (например, близко к нейтральной плоскости, когда конструкция изгибается). В этих случаях целесообразно армировать эти участки дорогими высокопрочными материалами из углеродного волокна и менее прочными, но более дешевыми материалами (в том числе неволокнистыми), то есть создавать части так называемых гибридных полимерных компаундов.
Использование этих материалов также очень перспективно при производстве изделий, работающих в агрессивных средах. Использование таких материалов позволяет решить ряд проблем, которые невозможно решить при использовании полимеров, армированных только углеродными волокнами, или традиционных конструкционных материалов. Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью ко всем агрессивным средам, кроме сильных окислителей. Высокая химическая стойкость углеродных волокон определила разработку химически стойких углепластиков взамен нержавеющих сталей, сплавов и цветных металлов для изготовления различного оборудования и агрегатов, работающих в условиях агрессивных сред: коррозионно-стойких насосов, резервуаров и др. трубопроводы.
Наряду с высокими механическими свойствами и химической стойкостью углепластики обладают хорошими антифрикционными характеристиками, относительно низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью. Коэффициент трения углепластика варьируется от 0,1 до 0,17 в зависимости от условий испытаний и по износостойкости в 5-10 раз выше, чем у марок антифрикционной бронзы, используемых для производства шарикоподшипников. Результаты испытаний на трение некоторых незаполненных и нагруженных углеродных волокон по сравнению с бронзой показаны в таблице 2.
Таблица 2. Трибологические характеристики некоторых материалов

Как видно из представленных данных, углепластики по сравнению с бронзой и ненаполненными полимерами позволяют на порядок повысить износостойкость деталей трения, а по сравнению с полимерами, наполненными стекловолокном, в 2–5 раз. Углепластики в качестве подшипников скольжения могут эффективно эксплуатироваться с небольшим количеством смазки или без нее, что особенно важно в таких отраслях, как пищевая и текстильная.
К положительным свойствам углепластиков как антифрикционных материалов следует также отнести их относительно высокую теплопроводность, которая предотвращает локализацию тепла в зоне трения, особенно при повышенных нагрузках и скоростях скольжения. Важной особенностью конструкционных материалов является стабильность размеров деталей при изменении температуры. Варьируя тип углеродных волокон, вводимых в полимер, схему армирования, можно добиться значительного снижения коэффициента линейного теплового расширения углепластика и изменять его в достаточно широком диапазоне. Коэффициент линейного теплового расширения (КТР) - α углепластиков в 15-20 раз ниже, чем у металлов, и в 50-100 раз ниже, чем у неармированных полимеров.
Углеродные волокна и материалы на их основе обладают электропроводностью. По своим электрофизическим свойствам углеволокнистые материалы охватывают область от полупроводников до проводников. Удельное электрическое сопротивление углеродных волокнистых материалов в зависимости от их вида лежит в диапазоне (3,1–1,1)⋅103 Ом⋅см. Электропроводность углеродных материалов нашла наибольшее применение при создании полимерных деталей с антистатическими свойствами, электрических проводов и кабелей с полимерной изоляцией, а также электронагревателей различного назначения: электронагреватели погружные для нагрева жидких сред, в том числе агрессивные, гибкие ленточные нагреватели. для трубопроводов отопления переменного сечения и сложных форм, трубных модулей с электрическим обогревом для транспортировки жидкостей по модульной трассе, электроконвекторных панельных обогревателей в напольном и настенном исполнении для обогрева жилых помещений и т. д.
Электронагреватели запитываются от источников электроэнергии переменного или постоянного тока напряжением от 12 до 380 В. Анализ свойств углеродных волокон и пластиков на их основе указывает на то, что наряду с авиационной промышленностью к наиболее перспективным областям применения углепластиков относятся химическое, нефтяное, автомобильное, текстильное и сельскохозяйственное машиностроение.
Область применения углепластикаОсновные области потребления углепластиков и технико-экономический эффект от их использования представлены ниже.
В текстильной промышленности узлы и детали изготавливаются на ткацких станках, которые работают на скорости на 20% выше обычной, вместо металла и дерева, что увеличивает срок службы узлов и деталей и снижает трудозатраты при изготовлении изделий. Кроме того, изготавливаются конструкции для рентгеновских аппаратов, формы для горячего прессования, быстро вращающиеся детали; Кулачки шестерен и других деталей, механические свойства которых сопоставимы с характеристиками легких металлов, имеют низкую плотность, усталостную прочность, малые коэффициенты расширения и трения, высокую износостойкость и коррозионную стойкость.
В электротехнике и электронике электроды с высоким сопротивлением, электрические щетки и термопары изготавливаются из углепластика, который обладает высокой электропроводностью, большей ударной вязкостью и временным сопротивлением, чем графит. При этом снижаются производственные затраты и увеличивается срок их службы. Рабочие температуры без окислителей выше 250 ° C. Кроме того, углепластики используются в корпусах устройств, радио и телевизионных антеннах, акустических системах и т. Д., Которые обеспечивают защиту от электромагнитного излучения и улучшают технические характеристики.
Использование углепластиков в несущих конструкциях оросительных каналов, трубопроводов для транспортировки жидких и газообразных сред (в том числе агрессивных), воздуховодов, дымоходов и вытяжных шахт увеличивает их прочность и приводит к снижению веса. Углепластики используются при изготовлении нагревательных элементов технического и бытового назначения, что позволяет увеличить срок их службы и сэкономить электроэнергию.
Глава 2. Применение углепластика в авиастроении2.1 Эффективность применения углепластиков в самолетостроенииВес самолета без топлива и без полезной нагрузки составляет примерно половину веса оборудованного самолета, в том числе примерно 30% приходится на различные конструкции планера. Уменьшение веса этих конструкций за счет использования современных материалов позволяет уменьшить габариты двигателя, размер оперения и т. д., а также приводит к снижению расхода топлива. Снижение веса строительных материалов всего на 1 кг приводит к снижению общей массы самолета на 3-7 кг. Использование композиционных материалов при производстве самолетов также позволяет снизить их общую стоимость и гибко варьировать конструктивные условия.
Как было сказано выше, использование углепластиков из-за анизотропии их деформационных и прочностных свойств позволяет создавать материалы с заданным распределением жесткости и прочности. В настоящее время ведется разработка самолетов нового поколения: вертикального взлета, типа «летающее крыло», с длинным узким крылом и других типов. Создать такой самолет из известных металлических материалов очень сложно, альтернативой может быть использование пластмасс, армированных углеродными волокнами. Преимущество использования пластмасс в авиастроении также заключается в возможности формования крупных конструктивных элементов за один прием. Это снижает количество деталей и затраты на сборку, что приводит к снижению затрат на самолет.
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.
Эти компоненты обычно автоклавированы. На рисунке 1 показано изготовление многослойной конструкции с использованием препрегов и одновременное отверждение и соединение элементов. При производстве коробчатых конструкций предварительно сформированные гальванические листы, стержни и ребра собираются внутри автоклава, а затем склеиваются. Используемые для этого клеи, а также препреги должны соответствовать строгим стандартам. В свою очередь, для производства прутков, ребер и других изделий сложной формы с переменным сечением так называемые Метод термического сжатия, основанный на эффекте теплового расширения эластомеров, которые затем хорошо отделяются от поверхности продукта.

Рис. 1. Членение самолета МС-21
В данном самолёте доля композитов и углепластиков по массе будет составлять почти 35 %.
Зарубежные проекты авиастроения с использованием углепластика представлены, в первую очередь, компаниями Airbus и Boeing. На рисунке 2 показано увеличение доли углепластика по весу в самолетах этих двух компаний по сравнению с годами производства (с 1980 по 2015 год) и моделями.
Военные самолеты
Материалы с особенно хорошими свойствами требуются для производства военных самолетов, в частности боевых самолетов. В течение почти 25 лет Институт материаловедения США занимается разработкой пластмасс, армированных углеродным волокном, с улучшенными механическими свойствами. Такие материалы позволяют значительно снизить вес боевого самолета.
Т / М характеристики американских истребителей ниже, чем у советских, что определяет разницу в тактико-технических характеристиках истребителей. Соответственно, разработка углепластиков для авиастроения, которые используются в сочетании со строительными материалами на основе борных волокон, особенно активна в Соединенных Штатах. Углепластики составляют примерно 2% веса самолетов F-14 и F-15 и используются вместе с боропластом для изготовления верхних плоскостей основных крыльев, дверей шасси и пневматических тормозов. В самолете F-16 горизонтальное оперение, вертикальные стабилизаторы и некоторые детали, которые ранее получали из боропласта, также выполнены из углепластика. Первоначально аэродинамические тормоза F-15 были сделаны из металлических материалов. Использование пластика, армированного углеродным волокном, в качестве внешнего материала многослойной конструкции, заполненной алюминиевыми сотами, позволяет снизить вес пневматического тормоза с 50,8 до 38,6 кг, то есть примерно 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 углепластик также используется для разгрузки частей военных самолетов. Воздушные тормоза самолета Alpha-Jet (Германия), законцовки крыла Mirage F-1 (Франция), элероны, люки шасси и вертикальные рули направления Mirage 2000 (Франция) выполнены из углепластика. Руль направления Mirage 2000 изготовлен из комбинации углеродного волокна и бора. В Jaguar (Великобритания) около 15% веса конструкционных материалов составляют углепластики, а в 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.
2.2 Роль углепластика в создании самолета Airbus A350 XWBКогда Boeing представил свой новый 787 Dreamliner, европейская группа Airbus изначально надеялась просто модернизировать A330, тем самым отреагировав на серьезную инициативу своего конкурента. Но затем, обсудив специфику этого проекта с потенциальными заказчиками, Airbus решил разработать совершенно новый самолет, с более широким фюзеляжем по сравнению с моделью Boeing 787. Новая оригинальная идея европейцев получила обозначение A350 XWB.
Руководству Airbus пришлось отказаться от своих прежних заявлений, когда они настаивали на том, что для изготовления фюзеляжа самолета не использовались композитные материалы. Использование композитов представляет собой серьезную проблему, потому что раньше фюзеляжи были сделаны из металла, и никто не знал, как сделать большую камеру давления из углепластика, в которой, помимо прочего, могли бы разместиться сотни пассажиров. При этом было непонятно, как поведет себя такой фюзеляж при эксплуатации самолета. В процессе проектирования необходимо было учитывать множество неизвестных факторов.
Но Boeing не отказался от этой идеи, и авиалайнеры Boeing 787, которые скоро появятся, на 50% состоят из композитных материалов. Airbus последовал их примеру и решил использовать углепластик при конструкции фюзеляжа, крыльев, оперения и других аэродинамических элементов A350 XWB. Фактически в европейском авиалайнере используются композитные материалы до 53%. Также используются такие материалы, как литий-алюминиевые сплавы (19%), титан (14%), сталь (6%) и другие (8%).
В свое время именно Airbus стал первым авиастроительным предприятием, начавшим широкомасштабное использование композитов при создании новых самолетов. На стволах A310 углеродное волокно использовалось при производстве элементов оперения, вскоре после этого самолет семейства A320 стал первым самолетом, на котором было использовано крыло, полностью сделанное из композитных материалов. Затем были А330 / А340, а затем А380. С появлением каждой новой модели доля углеродного волокна в их конструкции неуклонно возрастала. Композиты составляли всего 5% в структуре A310, тогда как в A380 их доля была увеличена до 25%.
Конечно, авиакомпании не заинтересованы в такой конкуренции между производителями самолетов, но, с другой стороны, перевозчики заинтересованы в уменьшении собственного веса, а значит, и в снижении расхода топлива. Первоначальные оценки показывают, что по топливной экономичности А350 должны быть на 25% эффективнее своих предшественников. Ни для кого не секрет, что композитные материалы имеют множество преимуществ перед традиционными металлическими сплавами, включая малый вес, довольно высокую прочность, коррозионную стойкость и большую долговечность. Такие преимущества не могут не удовлетворять начальство авиакомпаний.
Для Airbus A350 является первым фюзеляжем из композитных материалов в своем роде, поэтому перед началом производства он должен пройти серьезные испытания. Специалисты европейской группы уже проводят напольные испытания акустических свойств композитных элементов фюзеляжа на стенде А340. По словам Дидье Эвра, руководителя программы A350 XWB, углепластик акустически не хуже и не лучше металлических сплавов, поэтому с этой точки зрения использование такого материала не ухудшается.
На своем заводе в Гамбурге Airbus уже построил два демонстратора фюзеляжа A350, включая полномасштабный демонстратор, который будет использоваться для проверки установки различных систем. Такой подход был принят после проблем с монтажом электропроводки на лайнерах А380. Затем эта операция проводилась на цифровой модели фюзеляжа А380, из-за допущенных ошибок расчетов поставки первых А380 были отложены. Техники Airbus теперь проходят обучение по установке различных элементов на демонстратор фюзеляжа, после чего приступают к работе с реальным самолетом.
Стремление снизить расход топлива нового самолета привело к новому подходу к конструкции крыла А350. Пожалуй, крыло - самая оригинальная часть этого самолета с его тонким сечением и загнутыми вверх законцовками. Это второе композитное крыло, разработанное Airbus. Первый разрабатывался для военно-транспортного самолета А400М. Однако впервые в своей истории Airbus создает крыло в горизонтальной, а не вертикальной ориентации, как это было раньше. Такой подход обеспечит больший доступ к центральной части створки и упростит установку различных элементов под створкой.
Стоит отметить, что у A350 XWB будет самое большое крыло среди одноэтажных самолетов. По сравнению с A330, стреловидность A350 была увеличена, что привело к увеличению максимальной скорости с 0,85 до 0,89 Маха.
Крылья A350 будут собирать на заводе Airbus в Манчестере, в модернизацию которого компания вложила 760 миллионов долларов. Компоненты поставляются из разных уголков мира. Так, передний лонжерон производит Spirit Aerosystems в США, задний лонжерон производит GKN в Филтоне, недалеко от Бристоля, переднюю кромку крыла также будет производить Spirit Aerosystems, но уже на заводе в Прествике (Шотландия). ), верхняя крышка сделана в Германии, а нижняя крышка - в Испании.
После того, как крыло в Манчестере будет подготовлено к дальнейшей сборке, оно будет отправлено на завод Airbus в Бремене (Германия), где на крыло установят электропроводку, элементы пневматической и гидравлической систем, самолеты управления. После этого крыло будет доставлено на завод Airbus в Тулузе для окончательной сборки лайнера.
Переход на композитные материалы сказывается на характере производственного процесса. Металлические элементы обычно производятся в виде преформ, отвечающих определенным техническим требованиям. После этого производится окончательная обработка этих деталей в пределах технических допусков. Производство деталей из углеродного волокна совершенно иное. Композитные детали необходимого размера изготавливаются с самого начала, дальнейшие модификации или корректировки не предусмотрены. Итак, здесь мы должны решить другую проблему - как создать оборудование, которое может точно производить новые детали из углеродного волокна, а не как создавать сами детали.
В отличие от Boeing, европейский концерн не использует столь масштабный аутсорсинг для создания авиалайнера А350. Конечно, Airbus работает с другими поставщиками, но, как описано ранее, большую часть работы компания выполняет собственными силами. Таким образом, Airbus пытается избежать ловушек, в которые однажды попал Boeing при реализации программы Dreamliner.
Например, в начале марта 2011 года в Китае открылся новый завод по производству композитных рулей и рулей высоты для судов А350. Завод будет эксплуатироваться Харбинским центром производства композитных материалов Airbus Hafei, совместным предприятием, специализирующимся на производстве компонентов из углеродного волокна для авиации. Следует отметить, что Airbus в сотрудничестве с китайскими партнерами уже производит в этой стране рули направления и рули высоты, а также элементы горизонтальной стабилизации для авиалайнеров семейства A320. И это сотрудничество будет развиваться в будущем.
Что касается конечных операторов лайнеров А350, то теперь, благодаря использованию углеродного волокна, им не придется беспокоиться о коррозионных повреждениях или усталости металла, а с другой стороны, об опасности повреждения корпуса самолета, такого как в результате столкновения с другими объектами (например, птицами) увеличится. Кроме того, больше внимания придется уделить визуальному осмотру фюзеляжа, а также использованию новых технологий при ремонте. В процессе производства также должны будут применяться новые методы, чтобы гарантировать отсутствие дефектов в готовых элементах фюзеляжа. С этой целью Airbus сотрудничает с ведущими исследовательскими организациями в разработке новых методов проверки состояния композитных материалов.
Очевидно, что со временем углепластик займет ведущее положение в авиационной отрасли. Уже сейчас новые самолеты наполовину состоят из композитных материалов. Но технологии не стоят на месте, и в будущем доля этих материалов будет увеличиваться. Учитывая основные преимущества углепластика, можно сказать, что конечные эксплуатанты новых авиалайнеров получат значительные выгоды.

ЗаключениеИзвестно, что благодаря высокой удельной прочности и удельной жесткости композиты, армированные углепластики, широко используются в качестве основных конструкционных материалов в авиастроении. Высокие механические характеристики углеродных волокон позволяют получать высококачественные материалы - пластики, армированные углеродным волокном.
Изучили применение углепластика в авиастроении
При описании работы выполнили ряд задач:
- изучили свойства углепластиков и области их применения
- описали методы формирования деталей самолета
- описали эффективность применения углепластиков в авиастроении

Список литературыПуденков Н.М. Применение углепластиков в авиастроении // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-2. – С. 223-224;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=32097
Савин С.П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – № 4. –С. 686–693.
Транспортные средства и системы. Новые технологии авиастроения Глобальные технологические тренды: трендлеттер. – 2016. – № 9.
Перспективы развития производства авиационных деталей из композиционных материалов / А.В. Калгин [и др.] // Вестник ВГТУ. – 2011. – № 112. С. 146–153.
Приворотская С.Г. Авиастроение в России: факторы конкурентоспособности и перспективы развития // ТДР. – 2013. – № 6. – С. 76–78.
Статья. Эксплуатацыонные материалы: Углепластики.
http://ustroistvo-avtomobilya.ru/e-kspluatatsionny-e-materialy/ugleplastiki/Статья. Что такое углепластик (карбон).Ирина Химич, технический консультант.
http://engitime.ru/statyi1/raznoe/chto-takoe-ugleplastik-karbon.html