blog

Wyobraź sobie ogromny samolot, który płynnie przesuwa się po niebie i bezpiecznie przenosi setki pasażerów do celu.Ten cud inżynieryjny wspierają nie tylko precyzyjne konstrukcje, ale także pomysłowe wykorzystanie materiałów o wysokiej wydajności. Jakie materiały są w stanie wytrzymać wymagające warunki lotu i zapewnić niezawodność samolotu?stopów tytanu, i kompozytów wzmocnionych włóknami, ujawniając ich unikalną rolę i trendy rozwoju w lotnictwie.

Stopy tytanu - strażnicy wysokiej temperatury

Stopy tytanu zajmują kluczowe miejsce w lotnictwie ze względu na swoje wyjątkowe właściwości.co oznacza, że zapewniają wystarczającą wytrzymałość przy jednoczesnym zminimalizowaniu masy konstrukcyjnejDodatkowo stopy tytanu wykazują doskonałą wytrzymałość na zmęczenie i stosunki wytrzymałości na rozciąganie, a także wysokie limity zmęczenia, co pozwala im wytrzymać długotrwałe, wysokiej intensywności obciążenia cykliczne.Zadziwiające., niektóre stopy tytanu utrzymują znaczną wytrzymałość nawet w temperaturze 400-500°C, co czyni je idealnymi do zastosowania w wysokotemperaturowych elementach, takich jak łopaty turbin silników odrzutowych.

W środowiskach pełnych soli,połączony wpływ wysokiej temperatury i obciążenia znacząco pogarsza ich wydajność, stanowiące poważne wyzwanie dla silników lotniczych na pokładach lotniczychIch stosunkowo wysoka gęstość zwiększa również masę całkowitą samolotu w przypadku dużego wykorzystania.z kosztami materiału i produkcji około siedem razy wyższymi niż w przypadku aluminium lub staliW rezultacie są one zwykle zarezerwowane dla komponentów o krytycznej wydajności, takich jak silniki odrzutowe.

Stal: od dominującej pozycji do zastosowań niszowych

Stal, stop żelaza i węgla, zdominowała produkcję samolotów w latach trzydziestych jako pierwotny i wtórny materiał konstrukcyjny.Podczas gdy stopy aluminium w końcu zastąpiły stal jako pierwotny materiał, stal zachowuje swoje miejsce w lotnictwie ze względu na wysoką wytrzymałość, sztywność i odporność na uszkodzenia.i mocownicy często używają odlewów stalowych, aby spełnić wymagające wymagania dotyczące wytrzymałości i sztywności.

Głównym ograniczeniem stali jest jej duża gęstość, ograniczająca powszechne wykorzystanie konstrukcyjne.

Stopy aluminium: rewolucja w zakresie lekkości

Z uwagi na niską wytrzymałość i wysoką elastyczność czystego aluminium nie nadaje się do zastosowań strukturalnych.W przypadku lotnictwa o niskiej gęstości powietrza łączna masę powietrza jest znacznie większa niż w przypadku lotnictwa o niskiej gęstości powietrza.Po II wojnie światowej stopy aluminium zastąpiły stal jako podstawowy materiał konstrukcyjny samolotów.

Przemysł lotniczy wykorzystuje głównie cztery serii stopów aluminium:

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

W ostatnim czasie stopy aluminiowo-litiowe (Al-Li, seria 8000) zostały zastosowane w przemyśle lotniczym.i części nośnych ze względu na ich bardzo niską gęstość.

Wybór stopów aluminiowych polega na równoważeniu wielu czynników: wytrzymałości (wydajności i ostatecznej), elastyczności, możliwości produkcji, odporności na korozję, kompatybilności z obróbką powierzchni, wytrzymałości na zmęczenie,odporność na korozję naprężeniowąOsiągnięcie optymalnej równowagi wydajności jest trudne ze względu na złożone mechanizmy stopów obejmujące procesy mikrostrukturalne i chemiczne.

Niedawno kompozyty wzmocnione włóknami zaczęły zastępować stopy aluminium, najpierw w konstrukcjach wtórnych, a teraz w podstawowych, takich jak Airbus A350 i Boeing 787 Dreamliner.

Kompozyty wzmocnione włóknami: przyszłość materiałów lotniczych

Kompozyty łączą dwa lub więcej materiałów o znacznie różnych właściwościach fizycznych lub chemicznych w celu stworzenia lepszych właściwości wydajności.Kompozyty wzmocnione włóknem są coraz bardziej powszechneZazwyczaj składają się z włókien o wysokiej wytrzymałości (szkło lub węgiel) osadzonych w matrycach z tworzyw sztucznych lub żywicy epoksydowej zapewniających ochronę mechaniczną i chemiczną.

Materiały wzmocnione włóknami są anizotropowe - ich właściwości zależą od orientacji włókna.Laminaty te są osadzone w matrycach żywicowych, tworząc spójne struktury zdolne do wytrzymania napięć zgięcia i cięcia.

Wczesne tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym (GRP) były stosowane w łopatach wirników śmigłowców, ale z powodu niskiej sztywności miały ograniczone zastosowanie w samolotach o skrzydłach stałych.W latach sześćdziesiątych XX wieku wprowadzono nowe materiały, takie jak Kevlar (włókno aramidowe) o wytrzymałości podobnej do szkła, ale wyższej sztywnościChoć są trwałe, kompozyty Kevlar mają niską wytrzymałość na ściskanie i trudności produkcyjne, ograniczając je do struktur wtórnych.Kompozyty z włókien borowych były pierwszymi wystarczająco mocnymi i sztywnymi dla podstawowych struktur, ale plastiki wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) później zastąpiły je ze względu na podobną wydajność przy niższych kosztach.

Moduł Young'a CFRP jest około trzykrotny od GRP, 1,5 razy większy od Kevlara i podwójny od aluminium.CFRP jest kruche, nie ulega elastyczności w stężeniu naprężeniaEpoksy ma również długotrwałe wchłanianie wilgoci, degradacja właściwości zależnych od macierzy, takich jak wytrzymałość na ściskanie,szczególnie w podwyższonych temperaturachNatomiast sztywność CFRP jest mniej wrażliwa na wilgoć i bardziej odporna na zmęczenie.

Zastąpienie 40% struktury aluminiowej CFRP pozwala zaoszczędzić około 12% całkowitej masy.Airbus A350XWB wykorzystuje CFRP w dużej mierze do skrzydełJego skład materiałowy w procentach masy konstrukcyjnej wynosi:

• 52% kompozytów wzmocnionych włóknami
• 20% stopów aluminium
• 14% stopów tytanu
• 7% stali
• 7% pozostałe materiały

Do najczęstszych stopów aluminium lotniczego należą 7075, 6061, 6063, 2024 i 5052 aluminium.