Композиционные материалы на металлической основе

Матусевич А.С.

Наука и техника, 1978 г.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время по применению в авиационной и космической технике композиционные материалы с полимерной матрицей значительно опережают композиции с металлической матрицей. Это в первую очередь объясняется значительной трудоемкостью изготовления композиций на металлической основе и несовершенством технологических процессов их получения.

По данным [91], для определения возможности применения в авиакосмической промышленности испытываются сосуды для хранения криогенных жидкостей и газов высокого давления, полученные методом намотки углеродных волокон. Эти сосуды обеспечивают 40% экономии веса по сравнению с обычными сосудами из титана. Ожидается, что в будущем углепластики будут включены в список материалов, применяемых в космосе. В [92] сообщается о выполнении программы исследовательских работ по изготовлению конструкционных деталей из полиамидных боро- и углепластиков в промышленных условиях. Был изготовлен и испытан руль направления самолета, который выдержал нагрузки, в 4 раза превышающие расчетные. Было применено клеевое соединение обшивки с сотовым заполнителем, краевых деталей с сотовым заполнителем и композиционных материалов с титаном при изготовлении руля направления. Часть фюзеляжа самолета от отсека экипажа до хвостового конуса изготовлена с использованием композиционных материалов на основе эпоксидной смолы [93]. Вес этой конструкции на 26% меньше веса аналогичной конструкции, применявшейся раньше. Изготовление стабилизатора из эпоксидного боропластика на самолете обеспечивает также снижение веса на 26%, а использование горизонтального стабилизатора — на 14% [94].

В работе [95] рассматривается применение в авиации и космических аппаратах композиционных материалов на основе полимерных и металлических матриц. Внедрение композиционных материалов в гражданской авиации сдерживается значительно большими сроками службы конструктивных элементов, чем в военной авиации, что требует длительных испытаний, а также соображениями экономического характера. Комбинация волокон с керамической матрицей из карбидов и нитридов кремния способствовала увеличению их ударной вязкости в 3—4 раза. Применение керамических лопаток направляющего аппарата позволит увеличить их рабочую температуру до 1260 °С, что приведет к уменьшению удельного потребления топлива на 1,7% и увеличению тяги на 17%.

Из композиций с металлической матрицей наиболее перспективными считаются алюминий, магний и их сплавы, упрочненные волокнами бора и углеграфита. В работах [94, 96—99] сообщается о разработке и испытаниях вентиляторных и компрессорных лопаток из композиционного материала алюминий—борсик, вес которых на 40% меньше веса аналогичных лопаток из титановых сплавов.

Проведено исследование применения алюминиевых сплавов, упрочненных волокнами бора, для панелей, расположенных вблизи реактивной системы управления отсека технического обслуживания космического корабля «Апполон» [100]. Эти материалы могут применяться на космических летательных аппаратах в узлах конструкций, подвергающихся нагреву от реактивной струи двигателя, в герметических кабинах экипажа, для элементов жесткости панелей с солнечными элементами кожухов, юбок ракетного двигателя, удлинителей, промежуточных конструкций между ступенями баллистических ракет. Считается перспективным применение этой композиции для усиления узлов существующих конструкций-панелей, кронштейнов и балок, изготовленных из алюминиевых или титановых сплавов. Усиление может осуществляться методами диффузионной или точечной сварки, пайки, склейки или клепки с внешней или внутренней стороны детали [101]. Сравнительное исследование титановых панелей, упрочненных стрингерами с дополнительным усилением лентами из бор-алюминия и без них, показали, что критическое напряжение потери устойчивости панели увеличивается на 25—30% в случае применения боралюминия [102],

Алюминиевые сплавы, упрочненные углеграфитовыми волокнами, могут найти применение для изготовления компрессорных лопаток, элементов жесткости, панелей, стрингеров, криогенных емкостей и связанных с ними конструкций [73]. При использовании композиционных материалов вес горячей секции авиационных двигателей можно снизить на 33—45% I[1103], а вес оболочек топливных баков ракет на 14% при изготовлении их из материала алюминий—сталь.

По данным [104], применение композиционных материалов в двигателях самолетов может увеличить годовую прибыль фирм-изготовителей (из расчета на 280 самолетов) на 118 млн. долларов в год, а через 5 лет она должна увеличиться до 189 млн. долларов в год. Большая прибыль от применения композиционных материалов в двигателях обусловлена не столько значительной экономией веса, сколько повышением летно-технических характеристик: большей окружной скоростью лопаток компрессора, большей тягой и меньшим удельным расходом топлива.

Следует заметить, что высокая эффективность композиционных материалов не ограничивается их применением в авиационной и космической технике. При соответствующем развитии технологии и снижении стоимости композиционных материалов с металлической матрицей они будут весьма эффективными в энергетической, машиностроительной, приборостроительной и других отраслях промышленности.