Композиционный материал (рис. 1) – искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы.
Рис. 1
На данный момент, в авиации очень широко используются композиционные материалы, это позволяет снизить вес самолёта, а значит улучшить аэродинамические характеристики и уменьшить затраты на топливо. Бор чрезвычайно твёрдое вещество уступает только алмазу, нитриду бора (боразону), карбиду бора, сплаву бор-углерод-кремний, карбиду скандия-титана. В авиации из композиционных материалов с соединениями бора существуют: бороалюминиевые и бороэпоксидные композиционные материалы.
Бороалюминиевый композиционный материал (бороалюминий). В качестве армирующего наполнителя этого композиционного материала используются волокна бора, а в качестве матрицы – алюминиевые сплавы. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в 2 раза прочнее его, что позволяет получить значительную весовую экономию. Кроме того, при высоких температурах (до 430 °С) бороалюминиевый композиционный материал имеет в 2 раза большие значения удельной прочности и жесткости по сравнению с титаном, что дает возможность его применения для самолетов со скоростями полета М=3, в конструкциях которых в настоящее время используется титан.
Бороалюминиевые композиты использовались в конструкции хвостовой части самолета F-111,а фирма «Lockheed» – использовала данные композиты при строительстве кессона центроплана самолета С-130 «Hercules».
В настоящее время бороалюминиевый композиционный материал имеет широкое применение в конструкциях авиационных двигателей. Например, фирма Pratt&Whitney использовала его при производстве лопаток вентилятора первой и третьей ступеней ТРДД JT8-D, TF-30, F-100, а Фирма «GeneralElectric» – лопаток вентилятора двигателя J-79 (рис. 2), что позволяет получать около 40 % экономии веса этих элементов.
Рис. 2
Самолёты, оснащённые двигателем J79:
F-104 «Старфайтер»
В-58 «Хастлер»
F-4 «Фантом» II
А-5 «Виджилент»
IAI «Кфир»
F-16/79
Боропластики, содержат в качестве упрочняющего (армирующего) наполнителя борные волокнистые материалы. Наполнитель применяют в виде мононити (диаметр 90-200 мкм, σраст= 2500-4000 МПа, модуль упругости 380-420 ГПа), жгутов из нескольких таких нитей, оплетенных вспомогательной стеклянной или органитной нитью, а также тканей и лент, в которых борные нити или жгуты переплетены другими нитями. Связующими в боропластиках служат эпоксидные смолы, полиамиды или другие полимеры, главным образом термореактивные.
Для боропластиков характерны высокие значения модуля упругости, усталостной прочности и других механических свойств, малая ползучесть (до 0,2 %) в направлении ориентации нитей. При длительном (до 10 лет) воздействии воды, смазочных материалов, атмосферных факторов механические свойства боропластиков снижаются не более чем на 10-15 %. Уровень рабочих температур и ресурс эксплуатации изделий определяются термостойкостью связующего. Некоторые свойства боропластиков существенно зависят от геометрических параметров нитей. Так, с увеличением их диаметра снижаются плотность и прочность боропластиков при растяжении и повышается прочность при сжатии. Для увеличения прочности сцепления наполнителя со связующим борные нити подвергают травлению в HNO3(напряжение, прочность при сдвиге эпоксидного боропластика повышается в 2 раза). Ударная вязкость боропластиков может быть улучшена введением в их состав стеклянных или других волокон; при этом снижается и стоимость боропластиков.
Боропластики-конструкционные материалы, применяемые главным образом в авиационной и космической технике для снижения массы (на 20-40 %) высоконагруженных деталей, например панелей стабилизаторов, поверхностей управления. Мировое производство боропластиков ограничивается высокой стоимостью наполнителя.
На данный момент масштабы применения во всём мире боропластков в самолётостроении очень масштабны. Например, на один истребитель F-15 расходуется около 750 кг боропластиков (не менее 5-7 % от общей массы самолёта). Эти материалы используются для усиления элементов силового набора накладками из боропластика, что обеспечивает снижение веса элементов конструкции и повышение их несущей способности, а также для изготовления обшивок.
Благодаря применению боропластиков значительно упрощается технология производства, и, кроме того, возможно сокращение общего количества узлов и деталей в некоторых элементах конструкции самолета. Например, по заявлению специалистов фирмы «McDonnellDouglas», при изготовлении из боропластиков руля направления самолета F-4 «Fantom» (рис. 3) число деталей сократилось с 240 до 84.
Рис. 3
Сейчас, в авиастроении использование композиционных материалов с использованием сплавов из бора составляет 15-20 % за счёт дорогостоящих методов производства, и авиаконструкторы предпочитают использовать углепластики, что не является идеальным решением, но за счёт своих механических и физических свойств не возможно заменить композиты с бором и возможно в недалёком будущем, двигатели и основные силовые элементы будут состоят только из композитов с матрицей из соединений с бором.
Библиографическая ссылка
Туранов Р.А. Композиционные материалы с использование бора в авиастроении // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 8-2. – С. 230-231;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=32110 (дата обращения: 19.04.2024).