Разработка нового композитного материала для использования в авиастроении

Актуальность

В настоящий момент не существует летательных аппаратов, в конструкции которых не используются композиционные материалы. Однако спектр применения таких материалов, хотя и расширился по сравнению с началом века, всё ещё остаётся ограниченным по ряду причин. Одна из них – несовершенство регламента внесения изменений в технологию проектирования. Зачастую инженер копирует металлическую конструкцию, просто заменяя материал. Подобный подход не позволяет полностью раскрыть все преимущества углепластика и компенсировать его недостатки. Другим сдерживающим фактором для перехода на использование силовых каркасов на основе композиционных материалов является широкий диапазон их физико-механических свойств, которые приходится принудительно занижать, увеличивая вес конструкции.

Цель

Изучение свойств конструкций на основе КМ, применяемых в авиастроении для панелей обшивок, и выполнение экспериментов по получению и изучению свойств полученных образцов нового материала.

Задачи

1. Разработать способ изготовления желаемого материала.

2. Сравнить различные схемы армирования с точки зрения прочности и жёсткости.

3. Убедиться в технологичности разрабатываемого материала на примере тестовых панелей.

4. Оценить удельную жёсткость и прочность полученного материала в сравнении с плоской пластиной.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Ручной̆ инструмент
• Отрезной станок
• Испытательная машина
• Набор грузов
• Лабораторные весы
• Вакуумный насос с отстойником
• Печь
• Дегазатор
• Измерительный̆ инструмент
• Угольные нити HTA 40 3K
• Угольная ткань 22502
• Эпоксидное связующее Т20-60
• Дренажные, клейкие и изолирующие плёнки – силиконовые шланги
• Герметичная лента
• Технический воск
• Фиксирующий спрей
• Шурупы
• Фанера

Описание

В работе рассматривается проблема повышения жёсткости тонких композитных оболочек, представлен способ повышения жёсткости оболочек с помощью интеграции между слоями материала сетчатого армирования, устраняющий ряд недостатков, присущих некоторым классическим подходам. Авторами разработаны и изготовлены образцы панелей из углепластика для проведения лабораторных исследований, а также проведено изучение свойств композитного материала с выбранной схемой армирования. Исследованы способ изготовления, сопутствующая технологичность, эксплуатационные характеристики и возможные области применения.

Для достижения цели было принято решение внедрить сетчатую подкрепляющую конструкцию непосредственно в толщу панели ещё до формования, чтобы получить требуемую жёсткость не при помощи внешнего оребрения, а за счёт армирования на уровне материала. Для этого было взято такое количество слоёв углеткани, чтобы суммарная их толщина была меньше диаметра нити. Из нитей был сделан жгут, расположенный между слоями ткани несимметрично относительно срединной плоскости получаемого материала. В качестве схемы армирования изначально принята изогридная схема. Жгуты следовало собирать из непрерывных нитей, натянутых ещё до формования, поэтому выбрана технология получения итоговых панелей методом вакуумной инфузии. Чтобы действие атмосферного давления на жгуты, изолированные в безвоздушной среде, не привело к их расплющиванию и позволило им сохранить достаточную высоту для обеспечения жёсткости, было решено наматывать угольную нить на оснастку в девять слоёв, обматывая каждое ребро десятой ниткой по спирали вручную. При толщине нити 1,42 мм и толщине слоя ткани 0,20...0,25 мм решено использовать 5 слоёв. Относительно волокон основы направление ткани принято следующим: 0 º/45 º/ 0º/-45 º/0 º. Жгуты были расположены между слоями 4 и 5. Итоговая укладка вместе с оснасткой была помещена в вакуумный пакет. Далее в вакуумный пакет поступает связующее. Когда связующее полностью пропитало ткань и жгуты и дошло до выходной трубки, пакет был герметизирован, а укладка помещена в печь для отверждения.

В работе была предложена ромбовидная схема армирования с углом при вершине ромба 57 º для наибольшего включения жгутов в работу на растяжение и сжатие.

Результаты работы/выводы

В результате работы были сделаны следующие выводы:

• разработанный материал может быть применён для изготовления криволинейных панелей конструкций;
• удельная жёсткость тестовых панелей оказалось почти в 3 раза больше классических листовых материалов, создающихся из тех же компонентов;
• предполагается, что исследуемый материал превосходит также и типовые изогридные конструкции по выдерживаемым нагрузкам и, возможно, долговечности (ударные повреждения не приведут в нём к скрытым дефектам);
• разработанный материал обладает и меньшим влагопоглощением в сравнении с бумажными сотами и волокнистыми заполнителями сэндвич- панелей (это утверждение требует дополнительной проверки).

Перспективы использования результатов работы

Материал может быть применён для изготовления криволинейных панелей конструкций, в которых важна жёсткость без потери сдвиговых характеристик и высокая удельная прочность при минимальной массе.

Материал может являться хорошей альтернативой применяемым аналогам, поскольку не подвержен ряду их недостатков, обладая при этом высокой технологичностью без необходимости сборки множества деталей клеями или механическим крепежом.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

АО «ИНУМиТ» при МГУ им. М. В. Ломоносова

Награды/достижения

Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ – победитель.

Научно-технологическая образовательная программа «Большие вызовы» – призёр.