Bħalissa, materjali komposti saru waħda mill-erba' sistemi materjali ewlenin flimkien ma' materjali metalliċi, materjali polimeri, u materjali inorganiċi mhux-metalliċi. Il-livell tal-industrija tal-materjali komposti ta 'nazzjon sar indikatur ewlieni tas-saħħa xjentifika, teknoloġika u ekonomika tagħha. Materjali komposti avvanzati huma sors ta 'vantaġġ kompetittiv għas-sigurtà nazzjonali u l-ekonomija. Huwa mbassar li sal-2020, materjali komposti biss se jkollhom il-potenzjal li jiksbu titjib fil-prestazzjoni ta '20%-25%.
1. Applikazzjonijiet fi Strutturi tal-Fuselage tal-Ajruplani
Materjali komposti avvanzati huma wżati għall-manifattura ta' strutturi ta' ġarr ta' tagħbija primarja-u strutturi ta' ġarr ta' tagħbija-sekondarja, li joffru ebusija u saħħa komparabbli ma' jew jaqbżu dawk tal-ligi tal-aluminju. Dawn il-materjali issa huma applikati b'mod wiesa 'fil-manifattura ta' strutturi tal-fuselage tal-inġenji tal-ajru u strutturi integrati ta 'vetturi tal-ajru mingħajr ekwipaġġ (UAV). L-Istati Uniti adottaw b'mod estensiv komposti f'ġettijiet tal-ġlied u ajruplani tal-ġlied. Fis-sittinijiet, l-Istati Uniti għall-ewwel darba utilizzaw fibra tal-karbonju-plastiks rinforzati (CFRP) f'inġenji tal-ajru militari għal komponenti bħal bibien tal-kabina, pannelli ta' aċċess, fairings, u uċuħ ta' kontroll (eż., aleroni u rudders) rekwiżiti mhux-tagħbija-. Sal-bidu tas-snin tmenin, il-komposti avvanzati għal komponenti tad-denb bħal stabilizzaturi vertikali u orizzontali (strutturi ta' ġarr ta' tagħbija sekondarja), kif jidher f'inġenji tal-ajru bħall-F-15, F{-16, F-18, Mirage 2000, u Mirage Waqt dan il-fażi 40000000000000000, u Mirage baqgħu limitati. Is-snin tmenin, ġellieda tar-raba 'ġenerazzjoni bħall-F-22 u l-F-35 JSF bdew jinkorporaw komposti fi strutturi ewlenin li jġorru tagħbija bħal ġwienaħ u fuselages, u aċċelleraw l-integrazzjoni ta' komposti f'ajruplani militari. L-użu ta 'materjali komposti kompla jiżdied (Tabella 1-2), issa jammonta għal 20%-50% tal-massa strutturali fl-ajruplani militari moderni.
Il-kumpanija Brittanika ICI użat GF/PA (poliamide rinfurzata tal-fibra tal-ħġieġ probabbli-) biex tipproduċi valvi għall-ajruplani tal-ġlied, u tiżgura li dawn il-valvi jżommu l-prestazzjoni u l-istabbiltà dimensjonali anke wara espożizzjoni fit-tul għall-fjuwil fuq firxa wiesgħa ta' temperatura. Du Pont impjega wkoll materjali bħal GF, KF/PA, u PPS (polyphenylene sulfide) biex jimmanifattura komponenti għall-ajruplani militari.
Jekk tieħu r-raba'-ġenerazzjoni tal-ġlied F/A-22 bħala eżempju, il-komposti jammontaw għal 24.2% tal-materjali strutturali tiegħu. Fost dawn, komposti termosetting jiffurmaw 23.8%, filwaqt li komposti termoplastiku jikkostitwixxu madwar 0.4%. Madwar 70% tal-komposti termosetting huma bbażati fuq reżina bismaleimide (BMI), użata biex tipproduċi aktar minn 200 tip ta 'komponenti kumplessi. Il-materjali termosettjar li jifdal jikkonsistu primarjament f'kompożiti bbażati fuq ir-reżina epossidika-, b'użu addizzjonali ta' ester taċ-ċjanat u komposti bbażati fuq ir-reżina termoplastika-. L-oqsma ewlenin ta 'applikazzjoni jinkludu ġwienaħ, ġlud tan-nofs tal-fuselage, frejms, u sezzjonijiet tad-denb.
Rotorcraft militari juża wkoll b'mod estensiv komposti. Pereżempju, l-inġenju tal-ajru tiltrotor V-22 Osprey juża komposti għal aktar minn 40% tal-massa strutturali tiegħu, inklużi l-fuselage, il-ġwienaħ, id-denb, u l-mekkaniżmi rotazzjonali, li jammontaw għal aktar minn 3,000 kg ta 'materjali komposti. L-aħħar ħelikopter Ewropew tal-attakk Eurocopter Tiger fih materjali komposti fi 80% tal-komponenti strutturali tiegħu, qrib qafas tal-ajru kompletament kompost. B'kuntrast, inġenji tal-ajru tat-trasport militari jużaw inqas komposti-C{-17 bi 8% u C-130J bi 2% biss-għalkemm it-trasport militari tal-Airbus A400M jinkorpora ġwienaħ kompost kollu, b'kompożiti jirrappreżentaw 35% tal-massa strutturali tiegħu meta vojta.
Fl-avjazzjoni ċivili, l-ajruplani ħfief Star舟 bi bdot wieħed mill-bidu tas-snin 80 tal-Istati Uniti-mibnija-Star舟 kellhom massa strutturali ta' madwar 1,800 kg, b'komposti li jaqbżu l-1,200 kg. L-ajruplan ħafif Voyager tal-1986, b'aktar minn 90% tal-istruttura tiegħu magħmul minn komposti tal-fibra tal-karbonju, stabbilixxa rekord dinji għal titjira ta' disat-ijiem mingħajr waqfien madwar-madwar id-dinja. Illum, ir-rivalità bejn il-ġganti aerospazjali Boeing u Airbus intensifikat, b'fokus ewlieni fuq iż-żieda fl-użu tal-materjal kompost (Figura 1-2).
Biex tipproduċi l-ewwel-fuselage tal-inġenju tal-ajru 787 kompost kollu, Boeing adottat metodu ta' tqegħid tal-fibra simili għal dak użat minn Raytheon. Il-proċess ħoloq komponent tal-fuselage kompost li jkejjel 7 metri fit-tul u 6 metri fil-wisa '. Din l-istruttura ġiet immanifatturata bl-użu tat-teknoloġija Automatic Fiber Placement (AFP) fuq mandrin li jdur massiv. Il-mandrin kien maħdum minn qabel bi skanalaturi li jaqblu mal-forma u d-dimensjonijiet tal-kordi tal-fuselage u l-longons. Stringers u travi fformati minn qabel (magħmulin minn saffi prepreg tal-fibra tal-karbonju u pressjoni-vulkanizzat) tqiegħdu f'dawn l-iskanalaturi qabel l-istralċ. Waqt il-produzzjoni, il-mandrin iddawwar tul l-assi tiegħu, li jippermetti tkebbib kontinwu tal-fibra fuq il-moffa biex tifforma l-qoxra tal-fuselage, bil-fetħiet tat-twieqi jitħallew mhux imqiegħda. Il-qoxra tal-fuselage, flimkien mat-travi u l-kordi, imbagħad ġiet ikkurata b'awtoklavi-biex tinħoloq sezzjoni tal-fuselage komposta monolitika, li aktar tard ġiet demolded bħala l-prodott finali.
Is-sezzjoni tal-fuselage kompost tal-Boeing 787 mhix biss l-akbar komponent tal-fuselage tal-filament-filament fid-dinja iżda wkoll rikonoxxuta bħala l-akbar reċipjent tal-pressjoni tal-fibra tal-karbonju li qatt ġie prodott. Is-saħħa eċċezzjonali tat-tensjoni/ċ-ċrieki tal-materjal kompost tippermettilu li jiflaħ pressjoni ogħla tal-kabina, u jżomm pressjoni interna ekwivalenti għal altitudni ta' 6,000 pied (1,830 metru)-meta mqabbla mas-7,000-9,000 pied tipiku f'inġenju tal-ajru konvenzjonali li jtejjeb il-kumdità tal-passiġġieri. Barra minn hekk, il-kompożiti jirreżistu l-korrużjoni (dgħjufija kbira tal-qafas tal-ajru tal-metall), li jippermetti li l-umdità tal-kabina tibqa 'stabbli f'10–15% (kontra 5–10% fil-fuselages tal-metall), u jsaħħaħ aktar il-kumdità.
Taħt l-influwenza dejjem tikber tat-teknoloġija komposta, l-Airbus iddisinjat mill-ġdid kompletament l-A-350, u semmieha A{-350 XWB (Extra Wide Body). L-ajruplan żied l-użu tal-materjal kompost tiegħu mill-40% oriġinali għal 52%. Il-fuselage tal-A-350 XWB hija 13-il ċm usa mill-787's, li tippermetti konfigurazzjoni ta' bilqiegħda 9-abreast f'tqassim ta 'densità għolja (meta mqabbel mal-massimu ta' 8-il quddiem tal-787). Bħall-787, l-A-350 XWB se jżomm il-pressjoni tal-kabina f'altitudni ekwivalenti għal 6,000 pied.
Fl-14 ta' Ġunju, 2013, l-Airbus wettqet b'suċċess it-titjira ta' xebba tal-inġenju tal-ajru A350 XWB il-ġdid ta' -bodi wiesgħa tagħha, li mmarka pass ieħor importanti fl-industrija tal-avjazzjoni globali wara l-B-787 "Dreamliner" ta' Boeing. L-A350 XWB u l-B-787 jużaw 52% u 50% materjali komposti, rispettivament, li jfisser era ġdida fl-iżvilupp kompost aerospazjali.
Il-555-sedil A{-380, l-akbar inġenju tal-ajru fid-dinja, kiseb suċċessi innovattivi fl-istorja tal-avjazzjoni billi uża b'mod estensiv plastik rinforzat bil-fibra tal-karbonju (CFRP). Materjali komposti jikkostitwixxu 25% tal-massa tal-inġenju tal-ajru, bi 22% CFRP u 3% GLARE fibra-metall laminat (ibridu f'saffi ta 'aluminju u komposti tal-fibra tal-ħġieġ), l-ewwel użu ta' dan tal-aħħar f'inġenji tal-ajru ċivili. Komponenti CFRP jinkludu: brejkijiet tal-veloċità, stabilizzaturi vertikali u orizzontali (jirduppjaw bħala tankijiet tal-fjuwil), elevaturi, aleroni, spoilers tal-flap, bibien tal-irkaptu tal-inżul, fairings, kaxxi tal-pinen tad-denb vertikali, travi tal-art tal-kabina ta 'fuq, paratiji ta' pressjoni ta 'wara, sezzjonijiet tal-fuselage ta' wara, stabilizzaturi orizzontali u aleroni.
Wara l-użu pijunier tal-A-340 tal-fibra tal-karbonju għar-raġġ tal-karina u l-paratiji ta' pressjoni ta' wara komposti-kisser l-ostakli tad-disinn tradizzjonali-l-A-380 kompliet sfida n-normi tal-inġinerija billi adotta CFRP għall-kaxxa tal-ġwienaħ ċentrali tagħha (għall-konnessjoni tal-ġwienaħ tal-ġwienaħ tal-fjus). Din l-innovazzjoni waħedha naqqset il-piż b'1.5 metriċi meta mqabbla ma' ligi tal-aluminju avvanzati. L-iffrankar tal-piż tas-CFRP, flimkien mar-reżistenza għall-għeja u l-korrużjoni, tejbet l-effiċjenza tal-fjuwil bi 13% fuq mudelli kompetituri u naqqsu l-emissjonijiet. L-A-380 sar l-ewwel inġenju tal-ajru fit-tul li kiseb taħt it-3 litri ta’ fjuwil għal kull passiġġier għal kull 100 km, bi spejjeż operattivi 15-20% inqas mill-aktar inġenji tal-ajru effiċjenti ta’ żmienu.
Il-business jet Falcon 7X ta' Dassault Aviation, kapaċi jlaħħaq f'12,000 metru b'veloċità massima ta' Mach 0.8, jakkomoda 8 passiġġieri u jiftaħar firxa ta' 10,560 km (5,700 mil nawtiku). Il-ġett ħafif Beechcraft Premier 1 ta' Raytheon jilħaq veloċità moderata ta' 835 km/siegħa b'medda ta' 2,759 km-it-tnejn li huma juru kollha-fuselages komposti.
L-ajruplan tat-trasport il-ġdid tal-Ġappun, ALELEX, jinkorpora wkoll komposti sinifikanti tal-fibra tal-karbonju.
Iċ-Ċina użat ukoll b'mod estensiv materjali komposti fid-disinn u l-produzzjoni tal-inġenji tal-ajru. Pereżempju, il-prepreg tal-fibra tal-karbonju unidirezzjonali QY8911/HT3 bismaleimide u l-materjal kompost żviluppat u mmanifatturat mill-Istitut tar-Riċerka tat-Teknoloġija tal-Manifattura Aeronawtika ta 'Beijing ġew applikati għal komponenti bħas-sezzjoni tal-fuselage 'l quddiem, stabilizzatur tad-denb vertikali, pannelli tal-ġwienaħ ta' barra, spoilers, u fairings simplifikati tal-ajruplani. Ir-reżina termoplastika PEEK/AS4C unidirezzjonali tal-fibra tal-karbonju prepreg u materjal kompost żviluppat mill-Istitut ta 'Beijing tal-Materjali Aeronawtiċi juru toughness eċċezzjonali għall-ksur, reżistenza għall-ilma, reżistenza għat-tixjiħ, ritardanza tal-fjammi u reżistenza għall-għeja. Adattat għall-manifattura ta' strutturi ta' inġenji tal-ajru li jġorru tagħbija primarja-, dawn il-materjali jistgħu joperaw fit-tul-f'120 grad u ntużaw fil-ġlud ta 'quddiem tal-pannelli tal-bajjiet tal-irkaptu tal-inżul tal-inġenji tal-ajru.
L-ajruplan militari Ċiniż "Flying Leopard", li jinkorpora komponenti komposti tal-fibra tal-karbonju sinifikanti, għandu tul ġenerali ta 'madwar 22.3 metri, firxa tal-ġwienaħ ta' 12.7 metri, piż massimu tat-tluq ta '28.4 tunnellata, kapaċità massima ta' tagħbija esterna ta '6.5 tunnellati, veloċità massima ta' Mach 1.70, u medda ta 'madwar kilo 3,60 laneċ. B'kapaċitajiet tal-ġlied li jaqbżu dawk tal-ajruplani Jaguar, Tornado, u Su-24, il-Flying Leopard juri karatteristiċi konsistenti mal-ġettijiet tal-ġlied tat-tielet ġenerazzjoni.
2. Applikazzjoni ta' Materjali Komposti fl-Ajruplani Stealth
F'dawn l-aħħar deċennji, sar progress sinifikanti fir-riċerka ta 'materjali komposti stealth, li qed jevolvu lejn karatteristiċi ta' "rqiq, ħeffa, assorbiment (spettrali) tal-broadband, u saħħa (reżistenza għall-impatt, reżistenza għat-temperatura għolja)." funzjonalità stealth kritika. Pereżempju, CF/PEEK jew CF/PPS juru prestazzjoni eċċellenti ta 'assorbiment tal-broadband, li jassorbu b'mod effettiv il-mewġ tar-radar. L-Istati Uniti kienu pijunieri fl-użu ta 'materjali stealth fl-ajruplani, bl-F-117 u l-F-22 huma l-aktar miksija b'mod qawwi. Il-kisi stealth fuq l-F-117 kien kumpless ħafna, u jinkorpora sa seba’ materjali differenti.
L-istruttura primarja tal-ġlied supersoniku US F-22 tutilizza fibra tal-karbonju ta' modulu medju{-plastiks tal-inġinerija speċjali rinfurzati. Bl-istess mod, l-għata tal-paraxut tad-deċelerazzjoni tal-ġlied Mirage III u l-komponenti tas-sedili ta 'l-ejection huma magħmula minn materjali bħal dawn, li ġew applikati b'suċċess għal partijiet li jassorbu r-radar-bħal kustilji, ġlud, konnetturi u qfieli tal-inġenji tal-ajru. Il-kisi tal-missili tal-kruċiera Tomahawk, is-sottostrat tal-qafas tal-ajruplan tal-bomber stealth B-2, u sezzjonijiet tal-inġenju tal-ajru stealth F-117A jimpjegaw ukoll materjali li jassorbu r-radar polimeru modifikati bil-fibra tal-karbonju.
Fl-2000, il-Forza tal-Ajru tal-Istati Uniti aġġornat il-materjali stealth tal-F-117, u ssostitwixxa l-kisja oriġinali ta' seba-saffi b'materjal wieħed. Din il-bidla standardizzat proċeduri ta' manutenzjoni u materjali li jassorbu r-radar-fuq l-F{-117s kollha, u naqqas l-ispeċifikazzjonijiet tekniċi b'madwar 50%. Wara l--upgrade, il-ħin ta' manutenzjoni għal kull siegħa ta' titjira għall-F{-117 tnaqqas b'aktar minn nofs, u l-ispejjeż ta' manutenzjoni annwali għall-52 F{-117s kollha naqsu minn 14.5 miljun, 6.9 miljun. B'differenza mill-F-117, l-F-22 jevita kisjiet li jassorbu r-radar tal-ġisem kollu iżda japplika kisi li jassorbi r-radar tal-ferrite għall-komponenti tal-metall interni u esterni kollha. Dan il-kisi huwa durabbli, reżistenti għall-ilbies, u aktar faċli biex jiġi applikat meta mqabbel mas-sistema tal-F-117.
L-esperti jbassru li sas-snin 2030, komposti avvanzati bħal materjali elettrokromiċi polimeri konduttivi, materjali semikondutturi ibridi, nanokomposti, u teknoloġiji stealth intelliġenti se jiġu implimentati prattikament fl-ajruplani. Dawn l-innovazzjonijiet jistgħu jittrasformaw b'mod fundamentali s-sistemi avjoniċi u l-metodoloġiji tal-kontroll tal-inġenji tal-ajru.
Sors:Materjali Komposti tal-Avjazzjoni u l-Analiżi Mekkanika tagħhomminn Haitao Cui u Zhigang Sun (Eds.)