وبلاگ

تصور کنید یک هواپیمای عظیم به آرامی در آسمان پرواز می کند و صدها مسافر را به طور ایمن به مقصد خود می رساند.این معجزه ی مهندسی نه تنها از طراحی دقیق بلکه از استفاده هوشمندانه از مواد با عملکرد بالا نیز پشتیبانی می کند. چه مواد می توانند در محیط پرواز سخت مقاومت کنند و اطمینان از قابلیت اطمینان هواپیما را تضمین کنند؟ این مقاله مواد حیاتی در ساخت هواپیماهای مدرن را بررسی می کند: فولاد، آلیاژ های آلومینیوم،آلیاژ های تیتانیوم، و کامپوزیت های تقویت شده با فیبر ، نقش منحصر به فرد و روند توسعه آنها را در هواپیمایی نشان می دهد.

آلیاژ های تیتانیوم: نگهبانان دمای بالا

آلیاژ های تیتانیوم به دلیل خواص استثنایی خود در هواپیمایی موقعیت محوری دارند.به این معنی که آنها قدرت کافی را در حالی که کاهش وزن ساختاری فراهم می کنندعلاوه بر این، آلیاژ های تیتانیوم نشان دهنده مقاومت خستگی عالی و نسبت مقاومت کشش، همراه با محدودیت های خستگی بالا هستند، که آنها را قادر می سازد تا بار های چرخه ای طولانی مدت و با شدت بالا را تحمل کنند.قابل توجه است، برخی از آلیاژ های تیتانیوم حتی در دمای 400 تا 500 درجه سانتیگراد نیز قدرت قابل توجهی را حفظ می کنند، که آنها را برای اجزای دمای بالا مانند تیغه های توربین موتور جت ایده آل می کند.

با این حال، آلیاژ های تیتانیوم بدون معایب نیستند در محیط های مملو از نمک،اثرات ترکیبی از دمای بالا و استرس به طور قابل توجهی عملکرد آنها را کاهش می دهدتراکم نسبتاً بالا آنها همچنین وزن کل هواپیما را در صورت استفاده گسترده افزایش می دهد.با هزینه های مواد و تولید تقریباً هفت برابر بیشتر از آلومینیوم یا فولاددر نتیجه، آنها معمولا برای اجزای عملکردی حیاتی مانند موتورهای جت ذخیره می شوند.

فولاد: از تسلط به کاربردهای خاص

فولاد ، یک آلیاژ آهن و کربن ، در دهه 1930 به عنوان مواد ساختاری اولیه و ثانویه در تولید هواپیما تسلط داشت.در حالی که آلیاژ های آلومینیومی در نهایت فولاد را به عنوان ماده اصلی جایگزین کردند، فولاد به دلیل قدرت بالا، سفتی و مقاومت در برابر آسیب، جایگاه خود را در هواپیمایی حفظ می کند. اجزای مانند براکت های چرخ چرخ، تکیه های ریشه بال،و تثبیت کننده ها اغلب از فولاد ریخته شده برای پاسخگویی به خواسته های سخت و سختگیرانه استفاده می کنند.

محدودیت اصلی فولاد تراکم بالایی است که استفاده گسترده از ساختاری را محدود می کند. با این حال، برای کاربردهای بسیار قوی و دوام حیاتی ضروری است.

آلیاژ آلومینیوم: انقلاب سبک وزن

قدرت کم آلومینیوم خالص و انعطاف پذیری بالا آن را برای کاربردهای ساختاری مناسب نمی کند.و لیتیوم به طور قابل توجهی خواص مکانیکی را افزایش می دهد در حالی که تراکم پایین را حفظ می کندپس از جنگ جهانی دوم، آلیاژ های آلومینیوم جایگزین فولاد به عنوان مواد ساختاری اصلی هواپیما شدند.

صنعت هواپیمایی عمدتاً از چهار سری آلیاژ آلومینیوم استفاده می کند:

• Al-Cu (2000 سری)
• Al-Mg (سری 5000)
• Al-Mg-Si (سری 6000)
• Al-Zn-Mg (سری 7000)

اخیراً، آلیاژ های آلومینیوم-لیتیوم (Al-Li، سری 8000) وارد کاربردهای هوافضا شده اند. این مواد به طور گسترده ای در بدنه، پوست،و اجزای تحمل کننده به دلیل تراکم بسیار پایین آنها.

انتخاب آلیاژ های آلومینیوم شامل تعادل عوامل متعدد است: قدرت (محصول و نهایی) ، انعطاف پذیری، قابلیت تولید، مقاومت در برابر خوردگی، سازگاری با درمان سطح، مقاومت در برابر خستگی،مقاومت در برابر خوردگی فشار، و مقاومت در برابر گسترش ترک. دستیابی به تعادل عملکرد بهینه به دلیل مکانیسم های آلیاژ پیچیده ای که شامل فرآیندهای میکروسروکتوری و شیمیایی است، چالش برانگیز است.

اخیراً، کامپوزیت های تقویت شده با فیبر شروع به جایگزینی آلیاژ های آلومینیومی کرده اند، ابتدا در سازه های ثانویه و اکنون در سازه های اولیه مانند ایرباس A350 و بوئینگ 787 Dreamliner.

کامپوزیت های تقویت شده با فیبر: آینده مواد هواپیمایی

کامپوزیت ها ترکیبی از دو یا چند ماده با خواص فیزیکی یا شیمیایی بسیار متفاوت برای ایجاد ویژگی های عملکردی برتر هستند.مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر به طور فزاینده ای شایع هستنداین مواد معمولاً از فیبر های با قدرت بالا (گلاس یا کربن) تشکیل شده اند که در ماتریس های پلاستیکی یا رزین اپوکسی جاسازی شده اند که حفاظت مکانیکی و شیمیایی را فراهم می کنند.

مواد تقویت شده با فیبر anisotropic هستند. خواص آنها به جهت گیری فیبر بستگی دارد. کاربردهای ساختاری به طور معمول از لایه های متعدد مواد با فیبر ها که با جهت های بار اولیه هماهنگ شده اند استفاده می کنند.این لایه ها در ماتریس های رزین جاسازی شده اند تا ساختارهای منسجم را تشکیل دهند که قادر به مقاومت در برابر خم شدن و فشار برش هستند.

پلاستیک های اولیه تقویت شده با فیبر شیشه ای (GRP) در تیغه های روتور هلیکوپتر استفاده می شدند اما به دلیل سفتی پایین، کاربرد محدودی در هواپیماهای بال ثابت داشتند.دهه 1960 مواد جدیدی مانند kevlar (یک فیبر aramid) را با قدرت شیشه ای اما سفتی بالاتر معرفی کرددر حالی که مقاوم هستند، کامپوزیت های kevlar دارای قدرت فشرده سازی ضعیف و چالش های تولید هستند، که آنها را به ساختارهای ثانویه محدود می کند.کامپوزیت های فیبر بورون اولین مواد قوی و سفت برای ساختارهای اولیه بودند.، اما پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) بعداً به دلیل عملکرد مشابه با هزینه کمتر جایگزین آنها شدند.

ماژول یونگ CFRP تقریباً سه برابر GRP ، 1.5 برابر Kevlar و دو برابر آلومینیوم است. قدرت آن سه برابر آلومینیوم است ، با GRP مطابقت دارد و کمی از Kevlar عقب مانده است.CFRP شکننده است ٬ در غلظت های فشاری به صورت پلاستیکی تولید نمی کندآسیب ضربه باعث کاهش قدرت می شود، گاهی اوقات به طور نامرئی. ماتریس های اپوکسی همچنین رطوبت طولانی مدت را جذب می کنند، ویژگی های وابسته به ماتریس مانند قدرت فشرده سازی را تخریب می کنند.به خصوص در دمای بالادر مقابل، سفتی CFRP کمتر نسبت به رطوبت حساس است و بیشتر در برابر خستگی مقاوم است.

جایگزینی ۴۰٪ از ساختار آلومینیوم با CFRP حدود ۱۲٪ وزن کل را کاهش می دهد. امروزه کامپوزیت ها تا ۵۰٪ از وزن هواپیما را تشکیل می دهند و اکثر ساختارهای ثانویه و برخی از ساختارهای اولیه را پوشش می دهند. به عنوان مثال،ایرباس A350XWB از CFRP به طور گسترده ای برای بال ها استفاده می کند، بخش های دم و قطعات مخصوص بدن هواپیما. ترکیب مواد آن به درصد وزن ساختاری:

• 52٪ مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر
• 20٪ آلیاژ آلومینیوم
• 14٪ آلیاژ تیتانیوم
• فولاد 7٪
• ۷% مواد دیگر

آلیاژ های آلومینیوم هوایی رایج شامل 7075، 6061، 6063، 2024 و 5052 آلومینیوم است.