книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

защита корпуса от высоких температур (1600 °С), которые могут нагревать его поверхность и др.

Решение этих задач возможно только с появлением новых КМ и технологии их переработки.

При изготовлении конструкций из КМ совершенство тех­ нологии определяется выбором оптимальных параметров тех­ нологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов НК композиционных конструкций и полуфабрикатов для их про­ изводства.

В настоящее время технология производства элементов ЛА из композитов развивается опережающими темпами практи­ чески во всех промышленно развитых странах. Примеров ус­ пешного применения КМ в элементах ЛА сейчас насчитывается достаточно много. Приведем некоторые из них. Использование конструкций из стеклопластика в США фирма “Боинг” начала уже в 1958 г. Самолет ДС-8 имел тогда площадь трехслойных сотовых конструкций 370 м2, на что расходовалось 160 кг стеклопластика. В нашей стране аналогичные изделия появи­ лись в середине 60-х годов. К этому времени у нас имелся опыт использования стеклопластиковых конструкций для спортив­ ных планеров.

Появление таких материалов как углепластики, органоплас­ тики и боропластики существенно расширило объемы приме­ нения композитов в элементах ЛА.

Конструкция американского спортивного самолета “Воя­ джер”, совершившего в 1987 облет земного шара, масса кото­ рого составляла 450 кг, была выполнена целиком из углеплас­ тика.

На самолете-гиганте “Руслан” были установлены детали и сборочные единицы из композитов общей массой 5,5-103 кг, что позволило снизить массу конструкции до 1,5-103 кг и сэкономить в течение периода эксплуатации не менее 18106кг горючего. Еще шире представлены композиты в самолетах “ИЛ-96", ”ТУ-204" В силовых конструкциях современных вер­ толетов на долю композитов приходится 45...55 % от общей массы, благодаря чему массу конструкции удается снизить на 25...30 %. Ресурс работы при этом увеличивается в 2—3 раза, а трудоемкость изготовления снижается в 1,5—2 раза.

Тепловая защита спускаемого аппарата пилотируемого ко­ рабля-спутника “Восток” и лестница космического корабля

“Аполло”, по которой человек впервые сошел на поверхность Луны, были выполнены из стеклопластика. Створки отсека полезной нагрузки и 17-метровые штанги “рук” манипулятора челночного корабля “Спейс-Шатл” изготавливались из угле­ пластика.

Рис. В.2. Композиты в ракетной и аэрокосмической технике

В отечественной аэрокосмической промышленности широ­ ко применяют все виды новых материалов - металлы, пласт­ массы, композиты (рис. В.2). В современных твердотопливных ракетах доля КМ составляет 75...80 % от общей массы кон­ струкции без учета топлива, в крупногабаритных РДТТ — 85...90 %, в носителях с ЖРД — 25...30 %, в космических ап­ паратах — 15...20 %.

Многие элементы конструкций отечественных космических аппаратов и станций выполняют из композитов. К ним отно­ сятся высокопрочные, высокожесткие штанги ферм, панели, отсеки, рефлекторы и т.п.

Значительно увеличилась доля композитов в тяжелом и транспортном машиностроении, энергетике, химической и нефтяной промышленности, строительстве и т.п. (рис. В.З). Вопрос о перспективности КМ ни у кого не вызывает сомне­ ния. Безусловно, этим материалам принадлежит будущее.

Во всех этих достижениях в области применения компози­ тов ведущее место занимает технология. Совершенствование техники зависит от темпов освоения самых передовых техно­ логий производства элементов конструкций из композитов.

1.КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ИИХ КОМПОНЕНТЫ

Вкопилку знаний

Прочитав эту главу, читатель узнает:

• что такое КМ и чем они отличаются от других материалов;

•основные типы армирующих наполнителей и способы их производства;

•типы матричных материалов и механизм их взаимодейст­ вия с армирующими наполнителями;

•способы получения полуфабрикатов ПКМ, металлокомпозитов и УУКМ;

•механические, физические, термические свойства КМ;

•некоторые области применения КМ.

1.1.Общие понятия и определения

Всвязи с нетрадиционностью технологий производства из­ делий из композитов приведем наиболее общие терминологи­ ческие определения, используемые в современной технической литературе.

Композиционный материал — многофазный однородный анизотропный материал регулярной структуры с четко выра­ женной границей раздела фаз.

Наполнитель, армирующий элемент — составная часть ком­ позита нитяной, жгутовой, проволочной, ленточной или тка­ невой структуры с известными физико-механическими харак­ теристиками материалов.

Матрица —составная часть композита, обеспечивающая его монолитность и совместную работу всех моноволокон напол­ нителя.

Связующее — смола, раствор, газ, порошок, расплав, обра­ зующие матрицу в процессе изготовления композита.

Препрег — полуфабрикат, представляющий собой волокнис­ тый наполнитель, пропитанный связующим в определенном весовом соотношении.

Отверждение —процесс затвердевания связующего при из­ готовлении композита в результате реакции полимеризации, поликонденсации, перехода из жидкой фазы в твердую, а также кристаллизации.

Реактопласт — композит, имеющий полимерную матрицу с пространственно сшитой молекулярной структурой, который отверждается при нагреве.

Термопласт — композит, имеющий наиболее простую ли­ нейную молекулярную структуру, который отверждается при охлаждении.

Получение КМ с заданными физико-механическими харак­ теристиками имеет ряд особенностей.

1.Свойства КМ формируются в процессе производства конкретной конструкции.

2.Процесс проектирования изделия начинается с констру­ ирования самого материала — выбора его компонентов и на­ значения оптимальных режимов производства.

3.Без учета особенностей технологии производства нельзя правильно назначить требования к КМ (как к конструкцион­ ному материалу) и тем более к самой конструкции.

4.Главная особенность создания конструкций из КМ, в отличие от традиционных конструкций, заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического про­ цесса изготовления и проектирование самой конструкции — это единый взаимосвязанный процесс, в котором каждая из составляющих не исключает, а дополняет и определяет другую. Триада материал—конструкция—технология неразделима.

Композит представляет собой неоднородный сплошной ма­ териал, состоящий из двух или более компонентов, среди ко­ торых можно выделить армирующие элементы, обеспечиваю­ щие необходимые механические характеристики материала, и

матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Поведение композита под действием различных нагрузок определяется соотношением свойств ар­ мирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. В композитах высокопрочные волокна восприни­ мают основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, и обеспечивают жесткость и проч­ ность в направлении ориентации волокон.

Армирующие волокна, применяемые в конструкционных КМ, должны удовлетворять комплексу эксплуатационных и технологических требований. К первым относятся требова­ ния, обусловливающие прочность, жесткость, плотность, ста­ бильность в определенном температурном интервале, хими­ ческую стойкость и т.п. Ко вторым - технологичность воло­ кон, определяющая возможность создания высокопроизво­ дительных процессов изготовления силовых каркасов и из­ делий на их основе. Армирующие компоненты используют в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей, лент, холстов. Свойства КМ при этом зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способа армирования, в соответствии с которым можно выделить следующие ос­ новные группы: композиты, образованные из слоев, армиро­ ванных параллельными непрерывными волокнами (несмотря на большое многообразие структур, которые определяются числом слоев, их толщиной и взаимной ориентацией, свой­ ства таких материалов оцениваются свойствами однонаправ­ ленного слоя); композиты, армированные тканями (тканые материалы); композиты с хаотическим и пространственным армированием.

Форма волокнистых армирующих элементов определяется природой волокон, способом их получения и дальнейшей текстильной переработкой, а также процессом изготовления композитов и изделий из них. Волокнистые армирующие элементы — это, как правило, непрерывные волокна, пред­ ставляющие собой крученые и некрученые нити, жгуты (ро­ винги), ленты, ткани различного переплетения, а также ко­ роткие волокна в виде порошков, штапельных тканей, матов и т.п.

характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Рис. 1.2. Классификация композитов по конструктивному признаку:

ц—хаотически армированные: / -короткие волокна; 2—непрерывные волокна;

б—одномерно-армированные: 1 —однонаправленные непрерывные; 2 —одно­ направленные короткие; в —двумерно-армированные: 1 — непрерывные нити;

2 — ткани; г — пространственно армированные: 1 - три семейства нитей; 2 -п семейств нитей

Важным требованием при создании волокнистых компози­ тов является совместимость материалов волокна и матрицы. При этом совместимыми считают компоненты, на границе которых возможно достижение прочной связи, близкой к проч­ ности матрицы, при условиях, обеспечивающих сохранение исходных свойств компонентов.

1.2. Армирующие волокнистые наполнители

Компонентами КМ являются различные дискретные и не­ прерывные волокна, а также матричные материалы.

В качестве армирующего наполнителя в КМ с матрицей из синтетических смол применяют стеклянные, арамидные, угле­ родные и борные волокна (табл. 1.1). Кроме того, используют базальтовые, сапфировые волокна,'на основе карбида кремния, полиэтиленовые волокна. В композитах на основе металличес­ кой матрицы применяют проволоки из стали, вольфрама, бе-

риллия, титана, ниобия и других металлов. Армирующие во­ локна могут иметь неоднородную структуру и обладать анизо­ тропией механических характеристик.

К волокнам с ярко выраженной анизотропией свойств отно­ сятся органические, арамидные, углеродные и борные волокна. Металлические и СВ считают однородными и изотропными.

Рассмотрим основные типы волокон.

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ

Стеклянные волокна

При создании неметаллических конструкционных компо­ зитов — стеклопластиков — широко применяют стеклянные волокна. При сравнительно малой плотности они теплостойки, устойчивы к химическому и биологическому воздействию, имеют высокую прочность и низкую теплопроводность.

Известно два вида СВ: непрерывное и штапельное. Для первого характерны неограниченно большая длина, прямоли­ нейность и, как правило, параллельное расположение волокон в нити; для второго — небольшая длина, извитость и хаоти­ ческое расположение волокон в пространстве.

Наиболее часто используют волокна, имеющие форму сплошного круглого цилиндра. СВ другой формы, например полые, называют профилированными. К профилированным СВ относят волокна с формой поперечного сечения в виде треугольника, квадрата, шестигранника, волокна лентовидной и других форм с гладкой и гофрированной поверхностью.

Исходный технологический процесс для получения всех видов СВ - вытягивание нитей из расплава.

Существуют три основных способа получения стекловолок­

на:

1)вытягивание волокон из расплавленной массы через фи­ льеры (одностадийный процесс);

2)вытягивание волокон из стеклянных штабиков при их разогреве (двухстадийный процесс);

3)получение штапельного волокна путем расчленения струй стекломассы под воздействием центробежных сил или потоков воздуха, газа, пара.

Одностадийный процесс получения стекловолокна заклю­ чается в том, что необходимые компоненты, определяющие тип стекловолокна, например кварцевый песок, известняк, борную кислоту, глину, уголь и другие, перемешивают и плавят в высокотемпературных печах (рис. 1.3). Температура плавле­ ния для каждой композиции разная, но в среднем она состав­ ляет примерно 1260 °С. Расплав стекла поступает непосредст­ венно на аппарат для вытяжки стекловолокон, представляю­ щий собой стеклоплавильный сосуд, имеющий форму лодочки и изготовленный из платинового сплава. Под действием гидро­ статического давления расплав стекла вытекает через тонкие отверстия фильер диаметром 0,8...3,0 мм, расположенные в