Inventář výzkumných aktivních bodů v pokročilých kompozitních materiálech pro letectví a kosmonautiku
Kompozitní materiály a kovy, polymery a keramika se nazývají čtyři hlavní materiály. Úroveň průmyslu kompozitních materiálů v zemi nebo regionu se dnes stala jedním z ukazatelů pro měření její technologické a ekonomické síly. Pokročilé kompozitní materiály jsou zdrojem konkurenční výhody pro národní bezpečnost a národní hospodářství. Mezi nimi jsou epoxidové pryskyřice vynikající reakční vytvrditelné pryskyřice. V oblasti kompozitních materiálů vyztužených vlákny hrají velkou roli epoxidové pryskyřice. Je složen z vysoce výkonných uhlíkových vláken na bázi PAN, skleněných vláken S nebo E, aramidových vláken, polyethylenových vláken a čedičových vláken a stává se nenahraditelným důležitým matricovým materiálem a konstrukčním materiálem, který je široce používán v elektronické energii, letectví a kosmonautika, sportovní vybavení, výztuže budov, tlaková potrubí, chemická antikorozní ochrana a dalších šest oborů. Tento článek se zaměřuje na domácí a zahraniční postavení pokročilých kompozitů s pryskyřičnou matricí pro letectví a kosmonautiku a na problémy a směry, které Čína studuje.
Výztužná vlákna používaná v kompozitních materiálech
Porovnání vlastností různých vláknitých materiálů používaných v kompozitních materiálech je uvedeno v tabulce 1. Vlastnosti některých materiálů byly porovnány. Z tabulky 1 je vidět, že měrná pevnost a měrný modul samotného skleněného vlákna jsou zvýšeny o 540 procent a 31 procent, v tomto pořadí, ve srovnání s kovovými materiály, a zlepšení uhlíkových vláken je ještě výraznější. Podle zpráv z literatury je teoretická pevnost monokrystalického grafitu vypočtená z energie vazby a hustoty vazby až 150 GPa. Potenciál dalšího rozvoje uhlíkových vláken je proto velmi obrovský. Nejbližším cílem japonské společnosti Toray Company je dosáhnout pevnosti uhlíkových vláken v tahu 8,5 GPa, modul 730 GPa. Netřeba dodávat, že uhlíková vlákna budou i v budoucnu hlavním materiálem pro pevné pláště a trysky raketových motorů.
Velmi slibný je vývoj dalších aplikací kompozitů z uhlíkových vláken, jako jsou brzdové systémy letadel a vysokorychlostních vlaků, kompozitní konstrukce civilních letadel a automobilů, vysoce výkonná ložiska z uhlíkových vláken, velké lopatky pro větrné turbíny, sportovní vybavení (např. , rakety, rybářské pruty) atd. S rozšiřováním výrobního rozsahu uhlíkových vláken a postupným poklesem výrobních nákladů se rychle rozšíří také aplikace uhlíkových vláken do vyztuženého betonu, nová topná zařízení, nové elektrodové materiály a dokonce i výrobky denní potřeby. Za účelem spolupráce s olympijskými hrami v Pekingu má země v plánu energicky vyvinout nové stavební materiály z CFRP a nové trhy s vysoce kvalitními CFRP souvisejícími s ochranou životního prostředí a spotřebním zbožím.
Uhlíkové vlákno je vysoce pevný materiál s vysokým modulem. Teoreticky lze z většiny organických vláken vyrobit uhlíková vlákna. Existují tři hlavní typy organických vláken, které se ve skutečnosti používají jako suroviny pro uhlíková vlákna: viskózové vlákno, smolné vlákno a polyakrylonitrilové vlákno. Většina uhlíkových vláken používaných v současných konstrukčních částech raketových motorů na tuhá paliva je vyrobena z polyakrylonitrilových vláken.
Kompozity s matricí z letecké pryskyřice
Podle relevantních údajů může každý 1 kilogram hmotnosti kosmické lodi snížit hmotnost nosné rakety o 500 kilogramů a náklady na vypuštění satelitu jsou desítky milionů dolarů. Díky vysokému nákladovému faktoru jsou konstrukční materiály lehké a mají vysoký výkon. Pevný kryt motoru na epoxidové bázi vyrobený procesem navíjení vláken je odolný vůči korozi, vysokým teplotám a záření a má nízkou hustotu, dobrou tuhost, vysokou pevnost a stabilní velikost. Například hlavice raket a aerodynamické kryty satelitů, tepelně odolné materiály pro kosmické lodě a substráty pro pole solárních článků jsou všechny vyrobeny z materiálů na bázi epoxidových a epoxidových fenolů vyztužených vlákny. Pro zvážení leteckého letu a jeho bezpečnosti by jako konstrukční materiál měl mít nízkou hmotnost, vysokou pevnost, vysokou spolehlivost a stabilitu a epoxidový kompozitní materiál z uhlíkových vláken se stal nepostradatelným materiálem.
Výztužné materiály používané ve vysoce výkonných epoxidových kompozitech jsou především uhlíková vlákna (CF) a hybridní vlákna CF a aramidová vlákna (K-49) nebo vysokopevnostní skleněná vlákna (S-GF). Epoxidová pryskyřice použitá jako matricový materiál tvoří asi 90 procent vysoce výkonné kompozitní pryskyřice. Proces lisování vysoce výkonných kompozitních materiálů většinou využívá jednosměrné suché pokládání prepregu a vytvrzování a lisování v autoklávu. Vysoce výkonné epoxidové kompozity byly široce používány v různých letadlech. Vezměme si jako příklad Spojené státy, v 60. letech 20. století byly kompozitní materiály bor/epoxid používány pro povrchy letadel a operační povrchy. Kvůli vysokým nákladům na borová vlákna se v 70. letech přeměnily uhlík/epoxidové kompozity na uhlík/epoxidové kompozity a rychle se vyvíjely. Dá se zhruba rozdělit do tří etap. První stupeň se aplikuje na komponenty s malou silou, jako jsou různé ovládací plochy, plochy kormidel, spoilery, křidélka, vztlakové klapky, brzdové plechy, podvozkové dveře, kryty motoru a další sekundární konstrukce. Druhý stupeň se aplikuje na konstrukční díly s velkým zatížením, jako jsou stabilizátory, horizontální ocasní plochy s plným pohybem a hlavní nosná konstrukční křídla. Třetí stupeň se aplikuje na složité namáhané konstrukce, jako je trup, středová skříň křídla atd. Obecně může být úbytek hmotnosti 20 až 30 procent. V současnosti dosáhlo množství kompozitních materiálů na vojenských letounech asi 25 procent hmotnosti konstrukce, což představuje 80 procent povrchu těla. Existuje mnoho příkladů použití vysoce výkonných epoxidových kompozitních materiálů v zahraničních vojenských a civilních letadlech.
Kromě ablativních kompozitních materiálů v leteckém průmyslu jsou široce používány také vysoce výkonné kompozitní materiály. Například po přijetí C/EP může kužel přístrojové kabiny střely Trident snížit hmotnost o 25 až 30 procent a ušetřit práci asi o 50 procent. Používá se také jako nástrojová podpěra a 55 pomocných konstrukčních dílů, jako je podpěra gyra, podpěrný prstenec vyhazovacího válce, podpěra vyhazovacího válce, vnitřní podpěra inerciálního zařízení a podpěra baterie na střele Trident. Díky snížení hmotnosti se dojezd zvýšil o 342 km. C/EP vyrábí také štíty a mezistupně pro rakety Delta. Antény, anténní držáky, rámy solárních článků a mikrovlnné filtry na amerických satelitech a letadlech jsou všechny vyráběny C/EP. C/EP se používá k vytvoření nosné konstrukce antény a velké vesmírné struktury na Intelsatu V. Kosmická loď Air Voyager používá K-49/EP pro subreflektory antény s vysokým ziskem a vnitřní a vnější pláště sendvičové struktury. Raketoplán používá kompozitní materiály Nomex voštinové C/EP k výrobě velkých poklopů, konstrukčních panelů C/EP ocasní kabiny atd.
