Stan zastosowań kompozytów na bazie żywic wzmocnionych włóknami, w tym aramidu, w helikopterach

Abstrakcyjny

W artykule przedstawiono istotne właściwości kompozytów na bazie żywic wzmocnionych włóknami oraz rodzaje i właściwości powszechnie stosowanych kompozytów na bazie żywic wzmocnionych włóknami w helikopterach.Opisano w nim cechy strukturalne helikopterów oraz konkretne części zastosowań, a także aktualny stan kompozytów na bazie żywic wzmocnionych włóknami w helikopterach.Omówiono cechy konstrukcyjne, dobór materiałów i funkcje tych części aplikacyjnych w helikopterach, a także przewidywano przyszłe trendy rozwojowe materiałów kompozytowych do helikopterów.Badania pokazują, że kompozyty na bazie żywic wzmocnionych włóknami znalazły szerokie zastosowanie w helikopterach ze względu na swoje doskonałe właściwości materiałowe, odgrywając kluczową rolę w rozwoju technologii helikopterów.

01 Wprowadzenie

Materiały kompozytowe to nowe układy materiałowe powstałe w wyniku połączenia kilku materiałów o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych, takich jak polimery organiczne, nieorganiczne niemetale lub metale, w procesach kompozytowych, osiągających różne skale strukturalne i poziomy (mikroskopowe, mezoskopowe lub makroskopowe) poprzez złożone kombinacje przestrzenne.Materiały kompozytowe zazwyczaj wykorzystują żywice, metale i ceramikę jako matrycę oraz wysokowydajne materiały wzmacniające, takie jak włókna, tkaniny i wąsy, jako wzmocnienia, wytwarzane w specjalnych procesach kompozytowych.Kompozyty materiałowe mogą zachować pierwotne właściwości materiałów składowych, jednocześnie uzyskując nowe właściwości, co ma ogromne znaczenie dla poprawy ogólnej wydajności materiałów.Obecnie materiały kompozytowe rozwinęły się w jeden z czterech głównych systemów materiałowych, obok materiałów metalicznych, nieorganicznych materiałów niemetalicznych i materiałów polimerowych.Materiały kompozytowe posiadają wiele cech, takich jak wysoka wytrzymałość właściwa, wysoki moduł właściwy, niski ciężar właściwy, niewielka waga, możliwe do zaprojektowania właściwości i stabilne właściwości chemiczne.Zastosowane do konstrukcji helikopterów mogą skutecznie poprawić osiągi samolotu, zapewnić bezpieczeństwo lotu i osiągnąć redukcję masy konstrukcji.Wraz z szybkim rozwojem materiałów kompozytowych, zastosowanie i ilość zaawansowanych materiałów kompozytowych w kluczowych częściach samolotów stało się jednym z ważnych wskaźników pomiaru zaawansowania konstrukcji lotniczych.

02 Materiały kompozytowe na bazie żywic wzmocnionych włóknami

Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem to materiały kompozytowe przygotowane w różnych procesach formowania, takich jak nawijanie, formowanie lub pultruzja włókien wzmacniających i materiałów matrycowych.Włókna, jako materiały wzmacniające, są głównym składnikiem materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami.Stosowane włókna są bardzo małe, na ogół o średnicy mniejszej niż 10 μm, mają niewiele wad oraz charakteryzują się dużą wytrzymałością i modułem, co czyni je głównymi elementami nośnymi materiału kompozytowego.Materiał matrycy to często wytrzymały materiał o właściwościach lepkosprężystych i elastoplastycznych, zdolny do wytrzymywania dużych naprężeń oraz służący do wiązania i ochrony materiałów włóknistych, odgrywając kluczową rolę w utrzymaniu integralności i konsystencji struktury kompozytowej.Kompozyty wzmocnione włóknem mają wysoką wytrzymałość właściwą, wysoką sztywność właściwą, dobre właściwości tłumiące i odporność na zmęczenie, a ich właściwości można projektować zgodnie z wymaganiami, co czyni je głównym materiałem wybieranym na komponenty kompozytowe w branży helikopterów.

Materiały powszechnie stosowane w helikopterach to kompozyty na bazie żywic wzmocnionych włóknami, gdzie wzmocnienie stanowi wysokowydajny materiał włóknisty, a osnowa to wysokowydajny materiał żywiczny.Rodzaj, orientacja i ilość włókien wzmacniających znacząco wpływają na gęstość, wytrzymałość i właściwości zmęczeniowe materiału kompozytowego.Powszechnie stosowane materiały wzmacniające włókna obejmują włókno węglowe, włókno szklane i włókno aramidowe.Rolą osnowy żywicznej jest spajanie ze sobą materiałów wzmacniających, ochrona włókien przed zewnętrznymi czynnikami fizycznymi i chemicznymi, a także utrudnianie propagacji pęknięć w przypadku zerwania włókien.Wybór materiału matrycy żywicznej określa wytrzymałość, odporność na starzenie pod wpływem wilgoci i temperaturę pracy materiału kompozytowego.Matryce żywiczne ogólnie dzieli się na termoutwardzalne i termoplastyczne.Żywice termoutwardzalne odnoszą się głównie do żywic epoksydowych, żywic bismaleimidowych i żywic poliimidowych;żywice termoplastyczne obejmują etylen, nylon, politetrafluoroetylen i polieteroeteroketon (PEEK).Żywice termoutwardzalne mają długą historię stosowania, natomiast żywice termoplastyczne zostały wprowadzone później.Jednakże ich rozwój nastąpił w ostatnich latach szybko, a ich odwracalność po utwardzeniu znacznie poprawia możliwość recyklingu materiałów kompozytowych.Obecnie w wielu helikopterach za granicą stosuje się materiały kompozytowe wzmocnione włóknami termoplastycznymi.W artykule przedstawiono kilka rodzajów materiałów kompozytowych na bazie żywic wzmocnionych włóknami, powszechnie stosowanych obecnie w helikopterach.

2.1 Materiały kompozytowe na bazie żywicy wzmocnione włóknem węglowym

Włókno węglowe to włóknisty mikrokrystaliczny materiał grafitowy o zawartości węgla wynoszącej około 95%.Jest wytwarzany głównie przez karbonizację i grafityzację włókien organicznych w wysokich temperaturach 1300 ℃ ~ 1800 ℃ pod ochroną gazu obojętnego.Włókno węglowe ma doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość, wysoki moduł, niska gęstość, brak pełzania, odporność na wysoką temperaturę w środowiskach nieutleniających, dobra odporność na zmęczenie, dobra odporność na korozję oraz dobra przewodność elektryczna i cieplna.Jest to obecnie najszerzej stosowany i najważniejszy materiał wzmacniający.Wśród nich kompozyty z osnową żywicy wzmocnionej włóknami węglowymi, utworzone przez połączenie włókna węglowego z materiałami żywicznymi, wykazują najlepsze wszechstronne właściwości spośród istniejących materiałów konstrukcyjnych i są najczęściej stosowane w helikopterach, a typowym przykładem są kompozyty z osnową żywicy epoksydowej wzmocnione włóknem węglowym.Po latach weryfikacji matryce z żywicy epoksydowej posiadają wiele zalet, takich jak doskonałe kompleksowe działanie, dobra przetwarzalność i niski koszt.Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność i jakość materiałów kompozytowych, sukcesywnie opracowywano żywice bismaleimidowe i żywice poliimidowe odporne na wysokie temperatury.Kompozyty wzmocnione włóknem węglowym wykonane z żywic bismaleimidowych i innych materiałów jako matryce są stopniowo stosowane w helikopterach, poprawiając ich zdolność adaptacji i trwałość w trudnych warunkach, takich jak wysokie temperatury i wysokie temperatury.

2.2 Kompozyty z żywicy wzmocnionej włóknem szklanym

Włókno szklane to wysokowydajny nieorganiczny materiał niemetaliczny o wysokiej wytrzymałości i elastyczności, a także zaletach, takich jak duża odporność na ciepło, dobra izolacja i odporność na korozję.Materiały kompozytowe wykonane z włókna szklanego jako materiału wzmacniającego mogą skutecznie poprawić wydajność i gęstość materiału.Kompozyty z żywicy epoksydowej z włókna szklanego są stosowane głównie w helikopterach.Materiały kompozytowe wykonane z różnych rodzajów włókien szklanych mają różne właściwości i zastosowania.W oparciu o praktyczne wymagania aplikacyjne, kompozyty z matrycą żywiczną wzmocnioną włóknem szklanym, wykonane z tkaniny z włókna szklanego, taśmy szklanej i włókien ciętych, są powszechnie stosowane w produkcji elementów helikopterów.

2.3 Kompozyty z żywicy wzmocnionej włóknem aramidowym

Włókno aramidowe to nowy rodzaj wysokowydajnego materiału z włókien syntetycznych, znanego również jako aromatyczne włókno poliamidowe.Włókno aramidowe posiada doskonałą odporność na wysoką temperaturę i właściwości przeciwstarzeniowe.Jest lekki, ale o dużej wytrzymałości, waży tylko około 1/5 ciężaru drutu stalowego, ale ma wytrzymałość 5-6 razy większą niż drut stalowy.Typowym przykładem włókna aramidowego jest włókno kevlarowe produkowane przez firmę DuPont.Wytrzymałość i lekka konstrukcja zapewniane przez kompozyty z matrycą z żywicy wzmocnionej włóknem aramidowym skutecznie zwiększają responsywność i skuteczność helikoptera.

03 Charakterystyka konstrukcyjna helikoptera

Helikoptery posiadają wyjątkowe możliwości lotu i charakterystyczne formy konstrukcyjne, co czyni je jedynym narzędziem transportu, które jest obecnie w stanie dotrzeć do każdego terenu.Konstrukcja helikoptera składa się głównie z dwóch części: układu wirnika i konstrukcji kadłuba.Układ wirnika helikoptera składa się z dwóch głównych części: łopat wirnika i piasty wirnika.Łopaty wirnika można dalej podzielić na łopaty wirnika głównego i łopaty wirnika ogonowego.Układ wirnika to unikalna konstrukcja ruchomych elementów helikoptera.Obrót wirnika zapewnia siłę nośną, siłę sterującą i ciąg do przodu, umożliwiając helikopterowi wykonywanie różnych operacji powietrznych, w tym pionowego startu i lądowania, zawisu, lotu do przodu, lotu bocznego, lotu zawracającego i lotu na małej wysokości.Co więcej, w przypadku awarii silnika, układ wirnika może wykorzystać istniejącą energię kinetyczną obrotu i własną energię potencjalną helikoptera do autorotacji wirnika, zapewniając bezpieczne opadanie i lądowanie szybowcowe.

Konstrukcja kadłuba to kluczowy element podtrzymujący i zabezpieczający części i układy helikoptera, łącząc je w jedną całość.Jest odpowiedzialny za przenoszenie i transport personelu, sprzętu i zapasów.Kształt konstrukcji kadłuba znacząco wpływa na osiągi, sterowność i stabilność śmigłowca w locie.W konstrukcjach kadłuba helikopterów priorytetem musi być redukcja masy, a w przypadku helikopterów wojskowych należy również uwzględnić takie cechy konstrukcyjne, jak kuloodporność, odporność na zderzenia, niewidzialność i pochłanianie energii.Co więcej, helikoptery latają zazwyczaj na wysokościach poniżej 6000 m, a niektóre sięgają nawet 15 m, co czyni je samolotami latającymi na niskich i średnich wysokościach.Ich głównym środowiskiem pracy są trudne warunki, takie jak wilgoć/gorąco, sucho/zimno, burze piaskowe/deszcz i woda morska.Dlatego płatowce helikopterów zazwyczaj wymagają doskonałej odporności na warunki atmosferyczne i korozję, aby spełnić rygorystyczne wymagania różnych regionów i klimatów.

04 Zastosowanie materiałów kompozytowych na bazie żywic wzmocnionych włóknami w helikopterach

4.1 Łopaty wirnika

Przełomowy rozwój materiałów kompozytowych w helikopterach rozpoczął się w latach 60. XX wieku wraz z pomyślnym opracowaniem kompozytowych łopat wirnika wzmocnionych włóknem szklanym do helikopterów, takich jak BO-105 firmy MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) w Niemczech Zachodnich, SA341 „Gazelle” firmy Aerospatiale we Francji i Ka-26 firmy Kamov w Rosji.To zapoczątkowało zastosowanie kompozytowych łopat wirnika w helikopterach.

Obecnie technologia helikopterów osiągnęła trzecią i czwartą generację, a łopaty wirnika są powszechnie projektowane i produkowane przy użyciu materiałów kompozytowych.W porównaniu do łopat metalowych stosowanych we wczesnych helikopterach, łopaty kompozytowe mają znacznie dłuższą żywotność, na ogół przekraczającą 6000 godzin, w przeciwieństwie do typowej żywotności łopat metalowych wynoszącej 2000 godzin.Łopatki kompozytowe są łatwiejsze w naprawie, mają niższe koszty konserwacji, krótsze cykle konserwacji i umożliwiają wymienność pojedynczych ostrzy.Zastosowanie łopat kompozytowych znacznie poprawiło wydajność i bezpieczeństwo operacyjne śmigłowca, zmniejszyło całkowity koszt żywotności łopat wirnika śmigłowca i przyniosło znaczne korzyści ekonomiczne.

Kompozyty z żywicy wzmocnionej włóknami, ze względu na ich doskonałe właściwości użytkowe i możliwości projektowania, są szeroko stosowane w łopatach kompozytowych do helikopterów, stanowiąc około 70% obecnego zużycia łopat.Elementy wykonane z kompozytów z żywicą wzmocnioną włóknami w łopatkach kompozytowych obejmują głównie nakładki, dźwigary i wypełniacze spoin, z których wszystkie są kluczowymi elementami ostrza.Kompozyty z matrycą żywiczną wzmocnioną włóknem, stosowane do produkcji ostrzy, znane również jako prepreg, są wytwarzane poprzez wstępną impregnację materiałów włóknistych w matrycę żywiczną pod ścisłą kontrolą.



Skóra jest kluczowym elementem nośnym i kształtującym ostrza, zapewniającym pierwotną sztywność skrętną i tężcową.Składa się głównie z prepregu z włókna węglowego i prepregu z włókna szklanego, a różne opcje układania powłoki pozwalają na projektowanie i produkcję ostrzy kompozytowych o różnych właściwościach użytkowych.Dźwigary są głównym elementem nośnym łopaty kompozytowej, umiejscowionym na krawędzi natarcia.Obszar ten zazwyczaj służy jako strona nawietrzna podczas obrotu łopaty i doświadcza największego oporu wiatru, co wymaga dużej wytrzymałości konstrukcyjnej i sztywności.Dźwigary są wykonane głównie z materiału kompozytowego na bazie żywicy wzmocnionego włóknem szklanym, zwykle ułożonego wzdłuż rozpiętości ostrza.Wypełniacz spoin wykonany jest z materiału kompozytowego na bazie żywicy z ciętych włókien, zwykle przy użyciu ciętych włókien szklanych.Znajdujący się u nasady ostrza wypełniacz złącza musi zostać wstępnie uformowany przed uformowaniem i montażem ostrza.Nasadka łopaty łączy się z piastą i za jej pośrednictwem wszystkie obciążenia dynamiczne i statyczne przenoszone są na piastę, co czyni ją najbardziej złożoną częścią konstrukcji łopaty poddawaną naprężeniom.Ze względu na liczne i złożone elementy nasady ostrza, wydajność, kształt i umiejscowienie wypełniacza spoin bezpośrednio wpływają na jakość formowania i wytrzymałość ostrza.Co więcej, listwy krawędzi spływu, które odgrywają kluczową rolę w regulacji drgań łopatek, są zazwyczaj wykonane z kompozytów z żywicą wzmocnioną włóknem szklanym o wysokiej wytrzymałości.Obecnie w łopatach kompozytowych helikopterów krajowych stosuje się głównie kompozyty z matrycą z żywicy wzmocnionej włóknem utwardzane w średniej temperaturze, stosując jednorazową metodę formowania tłocznego z współutwardzaniem.Ostrza z obcego kompozytu podczas produkcji wykorzystują procesy wtórnego łączenia i utwardzania w wysokiej temperaturze.Wraz z szybkim rozwojem nowych materiałów, procesów i sprzętu, kompozytowe łopaty helikopterów otworzą w przyszłości jeszcze większe możliwości.

4.2 Piasta ostrza

Piasta łopatek jest istotnym elementem, który mocuje łopaty wirnika i łączy układ wirnika z układami przeniesienia napędu i sterowania.Tradycyjne piasty łopatek są w większości wykonane z metalu, złożone z wielu precyzyjnych części, co skutkuje bardzo złożoną konfiguracją oraz wysokimi kosztami produkcji i konserwacji.Jak uprościć projekt konstrukcyjny, zmniejszyć trudności produkcyjne i osiągnąć redukcję ciężaru konstrukcji, przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności i jakości piasty łopatek, zawsze było przedmiotem wysiłków badawczych.Wraz z rozwojem i zastosowaniem materiałów kompozytowych pojawiły się nowe przełomy i możliwości w projektowaniu i produkcji piast wirników, które mają prostą konstrukcję, są stabilne w działaniu, bezpieczne i niezawodne oraz wysoce wydajne.

Obecnie główne badania nad zastosowaniem materiałów kompozytowych w konstrukcjach piast wirników skupiają się na realizacji bezłożyskowych konstrukcji piast wirników poprzez wykorzystanie właściwości materiałów kompozytowych.Bezłożyskowe piasty wirników eliminują trzy mechaniczne zawiasy związane z ruchami trzepotania, pochylania i odchylania, co stanowi poważny przełom w technologii wirników i wyznacza kierunek rozwoju technologii projektowania wirników.Bezłożyskowe konstrukcje piast wirników wykorzystują elastyczne belki i tuleje do zastąpienia mechanicznych zawiasów w tych trzech kierunkach, przy czym elastyczna belka jest kluczowym elementem.W bezłożyskowych układach wirnikowych wszystkie stopnie swobody ruchów trzepotania, pochylania i odchylania łopatek są zapewniane przez odkształcenie elastycznej belki.Pojawienie się elastycznej belki może znacznie uprościć konstrukcję wirnika, zmniejszyć liczbę elementów montażowych i obniżyć koszty konserwacji.Konstrukcja belki elastycznej jest bardzo złożona.Biorąc pod uwagę rygorystyczne warunki nośności i wymagania eksploatacyjne, takie jak dopuszczalne odkształcenie materiałów użytych do jego produkcji, wysokowydajne kompozyty z osnową żywicy wzmocnionej włóknem szklanym są wybierane przede wszystkim do produkcji elastycznych belek.Technologia elastycznej wiązki dla helikopterów jest już dojrzała za granicą, a bezłożyskowe wirniki z powodzeniem zastosowano w różnych helikopterach, takich jak EC-135 i RAH-66.Trwają również krajowe badania i rozwój technologii projektowania i wytwarzania elastycznych konstrukcji belkowych i oczekuje się, że ta nowa technologia wirnika zostanie w najbliższej przyszłości z powodzeniem zastosowana w krajowych śmigłowcach.

4.3 Konstrukcja płatowca

Płatowce helikopterów mają duże zakrzywione powierzchnie, dzięki czemu nadają się do wytwarzania z kompozytów z matrycą żywiczną wzmocnioną włóknami.Ze względu na liczne cienkościenne i złożone zakrzywione powierzchnie, duża liczba komponentów, takich jak kokpit, najnowocześniejsze owiewki i owiewki tylnej belki, wykorzystuje struktury warstwowe o strukturze plastra miodu wykonane z kompozytów z matrycą żywiczną wzmocnioną włóknem.Helikoptery działają w trudnych warunkach zewnętrznych, zwłaszcza helikoptery wojskowe, które są często narażone na wysokie temperatury, wysoką wilgotność, deszcz i mgłę solną.Biorąc pod uwagę wpływ gorącego i wilgotnego środowiska, utwardzanie w wysokiej temperaturze zapewnia całkowite utwardzenie, minimalizując wpływ na środowisko i zmniejszając pogorszenie wydajności.Główne elementy nośne konstrukcji płatowca są w większości wykonane z kompozytów z żywicą wzmocnioną włóknem, utwardzanych w wysokiej temperaturze, podczas gdy drugorzędne elementy nośne są często wykonane z kompozytów utwardzanych w średniej temperaturze.Oprócz powszechnie stosowanych kompozytów z matrycą z żywicy wzmocnionej włóknem węglowym i włóknem szklanym, kompozyty z matrycą z żywicy wzmocnionej włóknem aramidowym są również szeroko stosowane w elementach helikopterów, takich jak stabilizatory poziome, owiewki, owiewki ogonowe i pokrywy dostępu do konserwacji.Komora silnika helikoptera i otaczające ją obszary, takie jak dysza wydechowa silnika, wloty powietrza i owiewki przedziału silnika, są obecnie produkowane przy użyciu odpornych na wysokie temperatury kompozytów z żywicą wzmocnioną włóknem szklanym, zastępując tradycyjne stopy tytanu.Zastosowanie tego typu materiału skutecznie utrudnia rozprzestrzenianie się ognia w sytuacjach niebezpiecznych, zapewniając bezpieczeństwo i niezawodność śmigłowca.

05 Wniosek

Kompozyty z osnową żywicy wzmocnionej włóknami znalazły szerokie zastosowanie w konstrukcjach helikopterów ze względu na swoje doskonałe właściwości materiałowe, wnosząc znaczący wkład w rozwój technologii helikopterów.Przyszły rozwój krajowej technologii helikopterów będzie ukierunkowany na wysoką wydajność, długą żywotność, wysoką niezawodność i niski koszt, co doprowadzi do coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących zarówno materiałów, jak i konstrukcji oraz stworzy pilne zapotrzebowanie na wysokowydajne materiały kompozytowe, zaawansowane technologie projektowania i procesy produkcyjne.Wraz z postępem badań i rozwojem technologii wysokowydajnych konstrukcyjnych materiałów kompozytowych, reprezentowanych przez wysokowytrzymałe i wysokomodułowe włókna węglowe klasy T1100 oraz wysokowydajne matryce z żywic termoplastycznych, możliwe jest osiągnięcie redukcji ciężaru strukturalnego i recykling kompozytów z matrycą z żywicy wzmocnionej włóknami, przy jednoczesnym zapewnieniu właściwości konstrukcyjnych materiałów kompozytowych helikopterów.Zastosowanie zaawansowanej technologii symulacji cyfrowej do produkcji struktur z materiałów kompozytowych może zapewnić lepszą jakość części i znacznie zmniejszyć straty materiałów i zasobów.Powszechne stosowanie tanich technologii zautomatyzowanego formowania materiałów kompozytowych, takich jak automatyczne umieszczanie włókien, pomaga również obniżyć koszty produkcji i poprawić wydajność produkcji.

Ponadto lokalizacja materiałów do zastosowań w helikopterach pozostaje kierunkiem, do którego nadal dążymy i przyszłym trendem rozwojowym.Poprawiając różnorodność i wydajność materiałów, krajowe wysokowydajne materiały kompozytowe muszą w dalszym ciągu dostosowywać się do międzynarodowych zaawansowanych technologii materiałów kompozytowych.Uważa się, że wraz z postępem badań i rozwoju oraz wspólnymi wysiłkami wszystkich, zastosowanie w moim kraju kompozytów z osnową żywicy wzmocnionej włóknami w helikopterach otworzy w moim kraju nowy rozdział.