Ilmailu- ja avaruusalan kehittyneiden komposiittimateriaalien tutkimuspisteiden luettelo
Komposiittimateriaaleja ja metalleja, polymeerejä ja keramiikkaa kutsutaan neljäksi tärkeimmäksi materiaaliksi. Nykyään maan tai alueen komposiittimateriaaliteollisuuden tasosta on tullut yksi indikaattoreista sen teknologisen ja taloudellisen vahvuuden mittaamiseksi. Kehittyneet komposiittimateriaalit ovat kilpailuedun lähde kansalliselle turvallisuudelle ja kansantaloudelle. Niistä epoksihartsit ovat erinomaisia reaktio-parannettavia hartseja. Kuituvahvistettujen komposiittimateriaalien alalla epoksihartseilla on suuri rooli. Se yhdistetään korkean suorituskyvyn kuitu PAN-pohjaiseen hiilikuituun, S- tai E-lasikuituun, aramidikuituun, polyeteenikuituun ja basalttikuituun, ja siitä tulee korvaamaton tärkeä matriisimateriaali ja rakennemateriaali, jota käytetään laajalti elektronisessa voimassa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, urheilulaitteissa, rakennusvahvistuksessa, paineputkissa, kemiallisessa korroosionestossa ja muissa kuudessa kentässä. Tässä asiakirjassa keskitytään ilmailu- ja avaruusteollisuuden kehittyneiden hartsimatriisikomposiittereiden kotimaiseen ja ulkomaiseen asemaan sekä Ongelmiin ja suuntiin, joita Kiina tutkii.
Komposiittimateriaaleissa käytettävät vahvistuskuidut
Komposiittimateriaaleissa käytettävien kuitumateriaalien suorituskykyvertailu on esitetty taulukossa 1. Joidenkin materiaalien ominaisuuksia verrattiin. Taulukosta 1 käy ilmi, että pelkästään lasikuidun erityinen lujuus ja ominaismoduuli kasvavat 540% ja 31% verrattuna metallimateriaaleihin, ja hiilikuidun parantaminen on vielä merkittävämpää. Kirjallisuusraporttien mukaan yhden kristalligrafiitin teoreettinen vahvuus laskettuna sidosenergiasta ja sidostiheydestä on jopa 150 GPa. Siksi hiilikuidun jatkokehityspotentiaali on erittäin valtava. Japanin Toray Companyn lyhyen aikavälin tavoitteena on tehdä hiilikuidun vetolujuudesta 8.5GPa, modulus 730GPa. On sanomattakin selvää, että hiilikuitu on edelleen päämateriaali kiinteille rakettimoottorin koteloille ja suutteille tulevaisuudessa.
Muiden hiilikuitukomposiittien sovellusten kehittäminen on erittäin lupaavaa, kuten lentokoneiden ja nopeiden junien jarrujärjestelmät, siviili-ilma-alukset ja autojen komposiittirakenteet, korkean suorituskyvyn hiilikuitulaakerit, suuret tuulenturbiinien terät, urheiluvälineet (kuten sukset, mailat, onkivat) jne. Hiilikuitujen tuotantoasteikon laajenemisen ja tuotantokustannusten asteittaisen laskun myötä myös hiilikuidun käyttö teräsbetonissa, uusissa lämmityslaitteissa, uusissa elektrodimateriaaleissa ja jopa päivittäisissä tarvikkeissa laajenee nopeasti. Tehdäkseen yhteistyötä Pekingin olympialaisten kanssa maani aikoo kehittää tarmokkaasti uusia CFRP:n rakennusmateriaaleja ja uusia korkean teknologian CFRP-markkinoita, jotka liittyvät ympäristönsuojeluun ja kulutustavaroihin.
Hiilikuitu on luja, korkean moduulin materiaali. Teoriassa useimmat orgaaniset kuidut voidaan tehdä hiilikuiduiksi. Orgaanisia kuituja on kolme päätyyppiä, joita todella käytetään hiilikuitujen raaka-aineina: viskoosikuitu, pikikuitu ja polyakryryylinitriilikuitu. Suurin osa nykyisissä kiinteissä rakettimoottorin rakenneosissa käytetyistä hiilikuiduista on valmistettu polyakryylinitriilikuiduista.
Ilmailuhartsimatriisi komposiitit
Asiaankuuluvien tietojen mukaan jokainen 1 kilogramma avaruusaluksen massasta voi vähentää kantoraketin painoa 500 kilogrammalla, ja satelliitin laukaisun kustannukset ovat kymmeniä miljoonia dollareita. Korkea kustannustekijä tekee rakennemateriaaleista kevyitä ja suorituskykyisiä. Filamenttikäämitysprosessilla valmistettu epoksipohjainen kiinteä moottorin kansi kestää korroosiota, korkeaa lämpötilaa ja säteilyä, ja sillä on alhainen tiheys, hyvä jäykkyys, korkea lujuus ja vakaa koko. Esimerkiksi ohjuskärjet ja satelliittimessut, avaruusalusten lämmönkestävät materiaalit ja aurinkokennojen ryhmäalustat on valmistettu epoksipohjaisista ja epoksifenolipohjaisista kuituvahvistetuista materiaaleista. Ilmailu- ja avaruuslennon ja sen turvallisuuden huomioon ottamiseksi rakennemateriaalina sillä pitäisi olla kevyt paino, korkea lujuus, korkea luotettavuus ja vakaus, ja epoksihiilikuitukomposiittimateriaalista on tullut välttämätön materiaali.
Korkean suorituskyvyn epoksikomposiittimateriaaleissa käytettävät vahvistusmateriaalit ovat pääasiassa CF- ja CF- ja aramidikuitujen (K-49) hybridikuituja (K-49) tai korkean lujuuden lasikuituja (S-GF). Matriisimateriaalina käytetyn epoksihartsin osuus on noin 90% korkean suorituskyvyn komposiittihartsista. Korkean suorituskyvyn komposiittimateriaalien muovausprosessi omaksuu enimmäkseen yksisuuntaisen prepreg-kuivan layupin sekä autoklaavikoopetuksen ja muovauksen. Korkean suorituskyvyn epoksikomposiittia on käytetty laajalti eri lentokoneissa. Esimerkiksi Yhdysvallat esimerkiksi boori-epoksikomposiittimateriaaleja käytettiin 1960-luvulla lentokoneiden nahkoihin ja käyttöpintoihin. Boorikuitujen korkeiden kustannusten vuoksi hiili-/epoksikomposiitit muutettiin hiili-/epoksikomposiittiaineiksi 1970-luvulla ja kehittyivät nopeasti. Se voidaan jakaa karkeasti kolmeen vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe levitetään komponentteihin, joilla on vähän voimaa, kuten erilaiset ohjauspinnat, peräsimen pinnat, spoilerit, aileronit, läpät, vetolevyt, laskutelineen ovet, moottorin kannet ja muut toissijaiset rakenteet. Toinen vaihe levitetään rakenteellisiin osiin, joissa on suuri kuormitus, kuten stabilisaattorit, täysliikeiset vaakasuorat hännät ja tärkeimmät kantavat rakenteelliset siivet. Kolmatta vaihetta sovelletaan monimutkaisiin kuormitettuihin rakenteisiin, kuten runkoon, keskisiiven laatikkoon jne. Yleensä laihtuminen voi olla 20-30%. Tällä hetkellä sotilaslentokoneiden komposiittimateriaalien määrä on saavuttanut noin 25% rakenteen painosta, mikä on 80% kehon pinta-alasta. On olemassa monia sovellusesimerkkejä korkean suorituskyvyn epoksikomposiittimateriaaleista ulkomaisissa sotilas- ja siviili-ilma-aluksissa.
Ilmailu- ja avaruusteollisuuden ablatiivisten komposiittimateriaalien lisäksi myös korkean suorituskyvyn komposiittimateriaaleja käytetään laajalti. Esimerkiksi C / EP: n käyttöönoton jälkeen Trident-ohjuksen instrumenttihytin kartio voi vähentää painoa 25%-30% ja säästää työvoimaa noin 50%. Sitä käytetään myös instrumenttitukena ja 55 apurakenneosana, kuten gyroskooppitukena, ejektiosylinterin tukirenkaana, heittorullan tukena, inertialaitteen sisäisenä tukena ja Trident-ohjuksen akkutukena. Painonpudotuksen vuoksi vaihteluväli kasvaa 342 km. Delta-rakettien suojat ja väliseinät valmistaa myös C /EP. Amerikkalaisten satelliittien ja lentokoneiden antennit, antennikiinnikkeet, aurinkokennokehykset ja mikroaaltouunisuodattimet ovat kaikki C / EP: n tuottamia.C / EP: tä käytetään antennin tukirakenteen ja suuren avaruusrakenteen tekemiseen Intelsat V: llä. Avaruusalus Air Voyager käyttää K-49/EP:tä korkean vahvistuksen antennin subreflektoreihin sekä hunajakennovoileipärakenteen sisä- ja ulkokuoriin. Avaruussukkula käyttää Nomex-hunajakennon C / EP-komposiittimateriaaleja suurten luukkujen, C / EP-takahytin rakennepaneelien jne.
