Перспективные композиционные материалы (машиностроение)

В материаловедении , современные композиционные материалы ( ACM ) — это материалы которые обычно характеризуются необычайно высокой прочностью волокон с необычно высокими характеристиками жесткости или модуля упругости по сравнению с другими материалами, но при этом связаны между собой более слабыми матрицами . Их называют «усовершенствованными композитными материалами» по сравнению с композитными материалами, обычно используемыми такими как железобетон или даже сам бетон . Высокопрочные волокна также имеют низкую плотность , занимая при этом большую часть объема .

Усовершенствованные композиты обладают желаемыми физическими и химическими свойствами , в том числе легким весом в сочетании с высокой жесткостью ( эластичностью ) и прочностью в направлении армирующего волокна, стабильностью размеров, температурной и химической стойкостью, гибкостью и относительно простой обработкой. Усовершенствованные композиты заменяют металлические компоненты во многих сферах, особенно в аэрокосмической промышленности .

Композиты классифицируются в зависимости от их матричной фазы . Этими классификациями являются композиты с полимерной матрицей (ПМК) , композиты с керамической матрицей (КМК) и композиты с металлической матрицей (ММК). Также материалы этих категорий часто называют «усовершенствованными», если они сочетают в себе свойства высоких значений прочности (осевой, продольной ) и высоких ( осевой значений жесткости , продольной), с малым весом, коррозионной стойкостью, а в некоторых случаях и особыми электрическими свойствами. .

Усовершенствованные композитные материалы имеют широкое и проверенное применение в авиастроении , аэрокосмической отрасли и производстве спортивного оборудования . В частности, ACM очень привлекательны для деталей конструкций самолетов и аэрокосмической отрасли. ACM разрабатываются для Программы перспективных космических перевозок НАСА , броневой защиты для армейской авиации и Федерального авиационного управления США, а также высокотемпературного вала для вертолета Comanche . Кроме того, ACM имеют многолетнюю историю применения в военной и государственной аэрокосмической промышленности . Однако большая часть технологий является новой и официально не представлена в системе среднего или высшего образования , а технология производства современных композитов постоянно развивается. ^[1]^[2]^[3]

Обзор и историческая перспектива

Производство ACM — это многомиллиардная индустрия во всем мире. Композитная продукция варьируется от скейтбордов до компонентов космического корабля "Шаттл" . В целом отрасль можно разделить на два основных сегмента: промышленные композиты и современные композиты. Некоторые процессы производства композитов являются общими для обоих сегментов. Два основных сегмента описаны ниже. ^[1]^[2]

Промышленные композиты

Индустрия промышленных композитов существует в США уже более 40 лет. Эта крупная отрасль использует различные системы смол, включая полиэфирные , эпоксидные и другие специальные смолы. Эти материалы вместе с катализатором или отвердителем и некоторыми типами армирующих волокон (обычно стекловолокном) используются в производстве широкого спектра промышленных компонентов и потребительских товаров: лодок, труб, автомобильных кузовов и множества других деталей. и компоненты. ^[1]^[2]

Передовые композиты

Индустрия передовых композитов или индустрия передовых композитных материалов характеризуется использованием дорогих, высокоэффективных систем смол и высокопрочного армирования волокнами с высокой жесткостью. Аэрокосмическая промышленность, включая военные и коммерческие самолеты всех типов, является основным потребителем современных композитов. Эти материалы также были приняты для использования поставщиками спортивных товаров , которые продают высокопроизводительное оборудование для рынков гольфа , тенниса , рыбалки и стрельбы из лука ; ^[1]^[2]^[3] а также в индустрии плавательных бассейнов с композитными стеновыми конструкциями. ^[4]

В то время как аэрокосмическая отрасль сегодня является преобладающим рынком современных композитов, на промышленном и автомобильном рынках к 2000 году они будут все чаще использоваться (сейчас 2024 год, это устарело). В настоящее время при изготовлении деталей из современных композитов используются как ручные, так и автоматизированные процессы. Поскольку автоматизированные процессы становятся все более преобладающими, ожидается, что стоимость современных композитов снизится до такой степени, что эти материалы будут широко использоваться в электронике, машиностроении и оборудовании для наземного транспорта.

Поставщиками современных композитных материалов, как правило, являются более крупные компании, способные проводить исследования и разработки, необходимые для создания высокоэффективных полимерных систем, используемых в этом сегменте промышленности. Конечные пользователи также, как правило, крупные, многие из них занимаются авиационным и аэрокосмическим бизнесом. ^[1]^[2]^[3]

Ограничения

Несмотря на свою прочность и малый вес, композиты не стали чудом для авиационных конструкций. Композиты обычно трудно проверить на наличие дефектов. Некоторые из них впитывают влагу. Самое главное, они могут быть непомерно дорогими, прежде всего потому, что они трудоемки и часто требуют сложного и дорогого производственного оборудования. Алюминий, напротив, легко и недорого производить и ремонтировать: например, при незначительном столкновении алюминиевый компонент часто может вернуть свою первоначальную форму, тогда как сплющенный компонент из стекловолокна, скорее всего, придется полностью заменить. ^[5]

Алюминий имеет относительно высокую вязкость разрушения, что позволяет ему подвергаться большой пластической деформации перед разрушением. С другой стороны, композиты менее устойчивы к повреждениям и подвергаются гораздо меньшей пластической деформации перед разрушением. Самолет, полностью сделанный из алюминия, можно отремонтировать практически где угодно. Это не относится к композитным материалам, особенно потому, что в них используются другие, более экзотические материалы. По этой причине композиты, вероятно, всегда будут чаще использоваться в военных самолетах, которые постоянно обслуживаются, чем в коммерческих самолетах, которые требуют меньшего обслуживания. ^[5] Алюминий по-прежнему остается чрезвычайно полезным материалом для авиационных конструкций, и металлурги усердно работали над разработкой более совершенных алюминиевых сплавов, например алюминиево-литиевых сплавов .

См. также

Внешние ссылки

Бакленд, Питер Г. Современные композитные материалы для изготовления мостов. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}. 30 сентября 1991 года.
Окриджская национальная лаборатория. Углеродные композиты для автомобилей . Том. 33, № 3, 2000.
Всемирная поисковая система по композитам [1] . Большая база данных компаний, занимающихся композитными материалами.

Ссылки

Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Управления по охране труда .

Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Пилато, Л.; Мично, Майкл Дж. (январь 1994 г.). Современные композиционные материалы (глава 1 «Введение» и глава 2 «Матричные смолы») . Спрингер-Верлаг Нью-Йорк. ISBN 978-3-540-57563-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и OSHA (4 мая 2009 г.). «Полимерные матричные материалы: современные композиты» . Министерство труда США. Архивировано из оригинала 28 мая 2010 года . Проверено 5 июня 2010 г. Контент, являющийся общественным достоянием, от правительственного департамента США. Материалы, созданные федеральным правительством и заархивированные 7 декабря 2015 г. на Wayback Machine, как правило, являются общественным достоянием и могут использоваться, воспроизводиться и распространяться без разрешения.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с АКГ (2006). «Введение в передовые композиты и технологию препрегов» (PDF) . Группа продвинутых композитов. Архивировано из оригинала (бесплатная загрузка в формате PDF) 16 июня 2022 г. Проверено 5 июня 2010 г.
^ "Дом" . onlyalpha.com .
^ Перейти обратно: ^а ^б Дэй, Дуэйн А. (2003). «Композиты и перспективные материалы» . НАСА. Комиссия по столетию полетов США. Архивировано из оригинала (публичный закон 105-389 Закона о праздновании столетия полета, 105-й Конгресс (13 ноября 1998 г.)) 28 мая 2010 г. Проверено 5 июня 2010 г. Контент, являющийся общественным достоянием (см. ссылку выше)

[Pilato-Michno-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Пилато, Л.; Мично, Майкл Дж. (январь 1994 г.). Современные композиционные материалы (глава 1 «Введение» и глава 2 «Матричные смолы») . Спрингер-Верлаг Нью-Йорк. ISBN 978-3-540-57563-4 .

[OSHA-ACM-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и OSHA (4 мая 2009 г.). «Полимерные матричные материалы: современные композиты» . Министерство труда США. Архивировано из оригинала 28 мая 2010 года . Проверено 5 июня 2010 г. Контент, являющийся общественным достоянием, от правительственного департамента США. Материалы, созданные федеральным правительством и заархивированные 7 декабря 2015 г. на Wayback Machine, как правило, являются общественным достоянием и могут использоваться, воспроизводиться и распространяться без разрешения.

[ACM-group-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с АКГ (2006). «Введение в передовые композиты и технологию препрегов» (PDF) . Группа продвинутых композитов. Архивировано из оригинала (бесплатная загрузка в формате PDF) 16 июня 2022 г. Проверено 5 июня 2010 г.

[4] "Дом" . onlyalpha.com .

[CentComm-5] Перейти обратно: ^а ^б Дэй, Дуэйн А. (2003). «Композиты и перспективные материалы» . НАСА. Комиссия по столетию полетов США. Архивировано из оригинала (публичный закон 105-389 Закона о праздновании столетия полета, 105-й Конгресс (13 ноября 1998 г.)) 28 мая 2010 г. Проверено 5 июня 2010 г. Контент, являющийся общественным достоянием (см. ссылку выше)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]