Tällä hetkellä komposiittimateriaaleista on tullut yksi neljästä suurimmasta materiaalijärjestelmästä metallimateriaalien, polymeerimateriaalien ja epäorgaanisten ei-{0}}metallisten materiaalien ohella. Kansakunnan komposiittimateriaaliteollisuuden tasosta on tullut sen tieteellisen, teknologisen ja taloudellisen vahvuuden avainindikaattori. Kehittyneet komposiittimateriaalit ovat kansallisen turvallisuuden ja talouden kilpailuedun lähde. Vuoteen 2020 mennessä ennustetaan, että vain komposiittimateriaalit voivat parantaa suorituskykyä 20–25 prosenttia.
1. Sovellukset lentokoneiden runkorakenteissa
Kehittyneitä komposiittimateriaaleja käytetään ensisijaisten-kantavien rakenteiden ja toissijaisten-kantavien rakenteiden valmistukseen. Niiden jäykkyys ja lujuus ovat verrattavissa alumiiniseosten jäykkyyteen ja lujuuteen. Näitä materiaaleja käytetään nykyään laajalti lentokoneiden runkorakenteiden ja pienten miehittämättömien ilma-alusten (UAV) integroitujen rakenteiden valmistuksessa. Yhdysvallat on ottanut laajalti käyttöön komposiitteja hävittäjiin ja taistelulentokoneisiin. 1960-luvulla Yhdysvallat käytti ensimmäistä kertaa hiilikuitu-vahvistettua muovia (CFRP) sotilaslentokoneissa osissa, kuten matkustamon ovissa, kulkupaneeleissa, suojuksissa ja ohjauspinnoissa (esim. siivekkeissä ja peräsimissä). ei--kuormituksen-vaatimukset. 1980-luvun alkuun mennessä komposiitit kehittyivät pyrstökomponentteiksi, kuten pysty- ja vaakasuoraksi stabiloijaksi (toissijainen kuormitus{15}}kantaviin rakenteisiin), kuten havaittiin lentokoneissa, kuten F-15, F-16, F-18, Mirage 2000, ja rajoitettu yhdistelmä Mirage. 1980-luvulla neljännen sukupolven hävittäjät, kuten F-22 ja F-35 JSF, alkoivat yhdistää komposiitteja tärkeimpiin kantaviin rakenteisiin, kuten siipiin ja runkoon, mikä nopeuttaa komposiittien integrointia sotilaslentokoneisiin. Komposiittimateriaalien käyttö on jatkanut kasvuaan (taulukko 1-2) ja muodostaa nyt 20–50 % nykyaikaisten sotilaslentokoneiden rakennemassasta.
Brittiyhtiö ICI käytti GF/PA:ta (todennäköisesti lasikuituvahvisteista -polyamidia) valmistaakseen venttiileitä hävittäjälentokoneita varten. Näin varmistettiin, että nämä venttiilit säilyttävät suorituskyvyn ja mittojen vakauden myös pitkän altistuksen jälkeen polttoaineelle laajalla lämpötila-alueella. Du Pont käytti myös materiaaleja, kuten GF, KF/PA ja PPS (polyfenyleenisulfidi) sotilaslentokoneiden komponenttien valmistukseen.
Esimerkkinä neljännen -sukupolven F/A-22-hävittäjästä komposiitit muodostavat 24,2 % sen rakennemateriaaleista. Näistä kertamuovikomposiitit muodostavat 23,8 % ja kestomuovikomposiitit noin 0,4 %. Noin 70 % lämpökovettuvista komposiiteista perustuu bismaleimidi (BMI) hartsiin, jota käytetään yli 200 tyyppisen monimutkaisen komponentin valmistukseen. Muut lämpökovettuvat materiaalit koostuvat pääasiassa epoksihartsi{11}}pohjaisista komposiiteista, ja lisäksi käytetään syanaattiesteri- ja kestomuovihartsipohjaisia komposiitteja. Tärkeimmät käyttöalueet ovat siivet, keskirungon pinnat, kehykset ja pyrstöosat.
Myös sotilasroottorialukset käyttävät laajalti komposiitteja. Esimerkiksi V-22 Osprey -roottorilentokoneen rakennemassasta yli 40 %, mukaan lukien runko, siivet, pyrstö ja pyörimismekanismit, käytetään komposiitteja, yhteensä yli 3 000 kg komposiittimateriaaleja. Uusimman eurooppalaisen Eurocopter Tiger -hyökkäyshelikopterin rakenneosista 80 % on komposiittimateriaaleja, ja se on lähellä täysin komposiittia. Sitä vastoin sotilaskuljetuslentokoneissa käytetään vähemmän komposiittimateriaalia-C-17 8 % ja C-130J vain 2 %, vaikka Airbus A400M -sotilaskuljetuskoneessa on täysin komposiittisiipi, jonka rakennemassasta tyhjänä on 35 %.
Siviili-ilmailun alalla 1980-luvun alussa Yhdysvalloissa rakennettujen yhden-pilotin Star舟-lentokoneiden rakenteellinen massa oli noin 1 800 kg ja komposiittien massa yli 1 200 kg. Vuoden 1986 Voyager-kevyt lentokone, jonka rakenteesta yli 90 % on valmistettu hiilikuitukomposiiteista, asetti maailmanennätyksen yhdeksän päivää jatkuvassa{14}}maailman ympäri lennossa. Nykyään ilmailu-avaruusjättiläisten Boeingin ja Airbusin välinen kilpailu on voimistunut, ja pääpaino on komposiittimateriaalien käytön lisäämisessä (Kuva 1-2).
Ensimmäisen -komposiittisen 787-lentokoneen rungon valmistukseen Boeing otti käyttöön Raytheonin käyttämän kaltaisen kuidun sijoitusmenetelmän. Prosessilla syntyi komposiittirunkokomponentti, jonka pituus oli 7 metriä ja leveys 6 metriä. Tämä rakenne on valmistettu käyttämällä Automatic Fiber Placement (AFP)-tekniikkaa massiivisessa pyörivässä karassa. Kara oli esikoneistettu-urilla, jotka vastasivat rungon jalustan ja pitkittymien muotoa ja mittoja. Näihin uriin ennen käämitystä laitettiin valmiiksi muotoiltuja nauhoja ja palkkeja (valmistettu hiilikuituprepreg-kerroksista ja paine{9}}kovetettu). Tuotannon aikana tuurna pyöri akseliaan pitkin, mikä mahdollisti jatkuvan kuidun käämityksen muottiin rungon kuoren muodostamiseksi, jolloin ikkuna-aukot jätettiin avaamatta. Sen jälkeen rungon kuori sekä palkit ja narut autoklaavissa{12}}kovetettiin monoliittisen komposiittirungon muodostamiseksi, joka myöhemmin purettiin lopulliseksi tuotteeksi.
Boeing 787:n komposiittirunkoosa ei ole vain maailman suurin filamentti-kierretty rungon komponentti, vaan se on myös tunnustettu suurimmaksi koskaan valmistetuksi hiilikuitupaineastiaksi. Komposiittimateriaalin poikkeuksellinen veto-/vannelujuus mahdollistaa sen kestämisen korkeamman matkustamon paineen säilyttäen sisäisen paineen, joka vastaa 1830 metrin (6 000 jalan) korkeutta-verrattuna tavanomaisten matkustaja-alusten tyypilliseen 7 000–9 000 jalkaan, jotka parantavat mukavuutta.{12} Lisäksi komposiitit kestävät korroosiota (metallirunkojen suuri heikkous), jolloin matkustamon kosteus pysyy vakaana 10–15 %:ssa (verrattuna 5–10 %:iin metallirungoissa), mikä lisää mukavuutta entisestään.
Komposiittiteknologian kasvavan vaikutuksen alaisena Airbus suunnitteli A-350:n kokonaan uudelleen ja nimesi sen A-350 XWB (Extra Wide Body). Lentokone lisäsi komposiittimateriaalin käyttöä alkuperäisestä 40 prosentista 52 prosenttiin. A-350 XWB:n runko on 13 cm leveämpi kuin 787:ssä, mikä mahdollistaa 9 rintakehän istuinkokoonpanon tiheissä asetteluissa (verrattuna 787:n maksimimittaukseen 8). Kuten 787, myös A-350 XWB säilyttää matkustamon paineen 6 000 jalan korkeudella.
14. kesäkuuta 2013 Airbus suoritti onnistuneesti uuden laajarunkoisen A350 XWB -lentokoneensa ensilennon, mikä merkitsi uutta virstanpylvästä maailmanlaajuisessa ilmailuteollisuudessa Boeingin B-787 "Dreamliner" jälkeen. A350 XWB ja B-787 käyttävät 52 % ja 50 % komposiittimateriaaleja, mikä merkitsee uutta aikakautta ilmailu-avaruuskomposiittien kehityksessä.
555-paikkainen A-380, maailman suurin lentokone, saavutti uraauurtavia saavutuksia ilmailun historiassa käyttämällä laajasti hiilikuituvahvistettua muovia (CFRP). Komposiittimateriaalit muodostavat 25 % lentokoneen massasta, joista 22 % on CFRP:tä ja 3 % on GLARE-kuitumetallilaminaattia (alumiinin ja lasikuitukomposiittien kerrostettu hybridi), jälkimmäisen ensimmäinen käyttö siviililentokoneissa. CFRP-komponentteja ovat: nopeusjarrut, pysty- ja vaakasuorat stabilisaattorit (tuplaantuvat polttoainesäiliöinä), hissit, siivekkeet, läppäspoilerit, laskutelineen ovet, suojukset, pystysuorat peräsiivekkeet, ylemmän ohjaamon lattiapalkit, takapainelaipiot, takarungon osat, vaakasuuntaiset stabilisaattorit ja siivekkeet.
A-340:n uraauurtavan hiilikuitukäytön kölipalkissa ja komposiittisissa takapainelaipioissa -rikkoen perinteiset suunnitteluesteet-A-380 haastoi teknisiä normeja entisestään ottamalla käyttöön CFRP:n keskisiipikotelossaan (siivet yhdistämällä rungon runkoon). Pelkästään tämä innovaatio vähensi painoa 1,5 tonnia edistyneisiin alumiiniseoksiin verrattuna. CFRP:n painonsäästö yhdistettynä väsymiseen ja korroosionkestävyyteen paransi polttoainetehokkuutta 13 % kilpaileviin malleihin verrattuna ja pienensi päästöjä. A-380:sta tuli ensimmäinen pitkän matkan lentokone, joka saavutti alle 3 litraa polttoainetta matkustajaa kohti 100 kilometriä kohden, ja käyttökustannukset ovat 15–20 % alhaisemmat kuin aikansa tehokkaimmalla lentokoneella.
Dassault Aviationin Falcon 7X -yrityssuihkukone, joka pystyy kulkemaan 12 000 metrin korkeudessa 0,8 Machin enimmäisnopeudella, mahtuu 8 matkustajaa ja kantama on 10 560 km (5 700 merimailia). Raytheonin Beechcraft Premier 1 -kevytsuihkukone saavuttaa 835 km/h matkanopeuden ja kantama 2 759 km{14}}molemmat sisältävät edistykselliset kaikki-komposiittirungot.
Japanin uusi kuljetuslentokone ALELEX sisältää myös merkittäviä hiilikuitukomposiitteja.
Kiina on myös käyttänyt laajasti komposiittimateriaaleja lentokoneiden suunnittelussa ja tuotannossa. Esimerkiksi Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Instituten kehittämää ja valmistamaa QY8911/HT3-bismaleimidi-yksisuuntaista hiilikuituprepreg- ja komposiittimateriaalia on sovellettu komponentteihin, kuten rungon etuosaan, pystysuoraan pyrstön stabilointiin, ulkosiipipaneeleihin, spoilereihin ja lentokoneen virtaviivaistettuihin suojuksiin. Beijing Institute of Aeronautical Materials -instituutin kehittämä PEEK/AS4C kestomuovihartsi, yksisuuntainen hiilikuituprepreg- ja komposiittimateriaali, jolla on poikkeuksellinen murtolujuus, vedenkestävyys, ikääntymisenkestävyys, palonestokyky ja väsymiskestävyys. Nämä materiaalit soveltuvat ensisijaisten-kantavien lentokonerakenteiden valmistukseen, ja ne voivat toimia pitkään-120 asteen kulmassa, ja niitä on käytetty lentokoneiden laskeutumistelineiden paneelien etupinnoissa.
Kiinalaisen sotilaslentokoneen "Flying Leopard", joka sisältää merkittäviä hiilikuitukomposiittikomponentteja, kokonaispituus on noin 22,3 metriä, siipien kärkiväli 12,7 metriä, suurin lentoonlähtöpaino 28,4 tonnia, suurin ulkoinen hyötykuorma 6,5 tonnia, huippunopeus 1,70 Mach ja lauttamatka noin 3,60 kilometriä. Jaguar-, Tornado- ja Su{9}}24-lentokoneiden taistelukyvyt ylittävällä Flying Leopardilla on kolmannen sukupolven hävittäjien ominaisuudet.
2. Komposiittimateriaalien käyttö ilma-alusten varkauksessa
Viime vuosikymmeninä on saavutettu merkittävää edistystä varkaiden komposiittimateriaalien tutkimuksessa, jotka ovat kehittymässä kohti "ohuus, keveys, laajakaistan (spektri) absorptio ja lujuus (iskunkestävyys, korkea -lämpötilankesto)." Hiilikuituvahvisteiset rakennemateriaalit, mutta myös kriittiset komposiitit eivät ole vain kevyitä, mutta myös lujuutta. varkain toiminnallisuus. Esimerkiksi CF/PEEK tai CF/PPS osoittavat erinomaisen laajakaistan absorptiotehokkuuden ja vaimentavat tehokkaasti tutka-aaltoja. Yhdysvallat oli edelläkävijä salaavien materiaalien käytössä lentokoneissa, ja F-117 ja F-22 olivat voimakkaimmin pinnoitettuja. F-117:n varkain pinnoite oli erittäin monimutkainen, ja se sisälsi jopa seitsemää eri materiaalia.
Yhdysvaltain F-22-yliäänihävittäjän päärakenteessa käytetään keski-moduulimoduulista hiilikuitu-vahvistettua erikoismuovia. Samoin Mirage III -hävittäjän hidastusvarjovarjojen suojukset ja heittoistuimen osat on valmistettu tällaisista materiaaleista, joita on onnistuneesti käytetty tutkaa absorboiviin osiin, kuten lentokoneiden riveihin, kalvoihin, liittimiin ja kiinnikkeisiin. Tomahawk-risteilyohjuksen kotelo, B-2-stealth-pommittajan rungon alusta ja F-117A-stealth-lentokoneen osat käyttävät myös hiilikuitumodifioituja tutka-absorboivia polymeerimateriaaleja.
Vuonna 2000 Yhdysvaltain ilmavoimat paransivat F-117:n varkain materiaaleja ja korvasivat alkuperäisen seitsemän{6}kerroksen pinnoitteen yhdellä materiaalilla. Tämä muuttaa standardoituja huoltomenettelyjä ja tutka-absorboivia materiaaleja kaikissa F-117-koneissa, mikä vähentää teknisiä tietoja noin 50 %. Päivityksen jälkeen F-117:n lentotuntikohtainen huoltoaika leikattiin yli puoleen, ja kaikkien 52 F-117s vuotuiset ylläpitokustannukset putosivat 14,5 miljoonasta 6,9 miljoonasta. Toisin kuin F-117, F-22 välttää koko rungon tutkaa vaimentavia pinnoitteita, mutta käyttää ferriittitutkaa vaimentavia pinnoitteita kaikkiin sisäisiin ja ulkoisiin metallikomponentteihin. Tämä pinnoite on kestävä, kulutusta kestävä ja helpompi levittää F-117:n järjestelmään verrattuna.
Asiantuntijat ennustavat, että 2030-luvulle mennessä kehittyneet komposiitit, kuten sähköä johtavat polymeeriset elektrokromimateriaalit, hybridipuolijohdemateriaalit, nanokomposiitit ja älykkäät stealth-tekniikat, otetaan käytännössä käyttöön lentokoneissa. Nämä innovaatiot voivat muuttaa perusteellisesti avioniikkajärjestelmiä ja lentokoneiden ohjausmenetelmiä.
Lähde:Ilmailukomposiittimateriaalit ja niiden mekaaninen analyysiHaitao Cui ja Zhigang Sun (toim.)