Статус применения армированных волокном композитов на основе смол, включая арамид, в вертолетах

Абстрактный

В этом документе представлены соответствующие характеристики композитов на основе армированных волокном смол, а также типы и свойства обычно используемых композитов на основе армированных волокном смол в вертолетах.В нем описаны структурные характеристики вертолетов, детали конкретного применения, а также современное состояние композитов на основе армированных волокном смол в вертолетах.Обсуждаются структурные характеристики, выбор материалов и функции этих прикладных деталей вертолетов, а также прогнозируются будущие тенденции развития композиционных материалов для вертолетов.Исследования показывают, что армированные волокнами композиты на основе смол получили широкое применение в вертолетах благодаря своим превосходным свойствам материала, играя жизненно важную роль в развитии вертолетной технологии.

01 Введение

Композитные материалы — это новые системы материалов, образованные путем объединения нескольких материалов с разными физическими и химическими свойствами, таких как органические полимеры, неорганические неметаллы или металлы, посредством композиционных процессов, достигающие различных структурных масштабов и уровней (микроскопических, мезоскопических или макроскопических) посредством сложных пространственных комбинаций.В композитных материалах обычно используются смолы, металлы и керамика в качестве матрицы, а также высокоэффективные армирующие материалы, такие как волокна, ткани и усики, в качестве армирования, изготовленные с помощью специальных процессов создания композиционных материалов.Композиционные материалы способны сохранять исходные характеристики входящих в их состав материалов, приобретая при этом новые свойства, что имеет большое значение для повышения общих эксплуатационных характеристик материалов.В настоящее время композиционные материалы превратились в одну из четырех основных систем материалов наряду с металлическими материалами, неорганическими неметаллическими материалами и полимерными материалами.Композиционные материалы обладают многими характеристиками, такими как высокая удельная прочность, высокий удельный модуль, низкий удельный вес, легкий вес, проектируемые свойства и стабильные химические свойства.При применении в конструкциях вертолетов они позволяют эффективно улучшить летно-технические характеристики самолета, обеспечить безопасность полетов и добиться снижения веса конструкции.В связи с быстрым развитием композиционных материалов применение и количество современных композиционных материалов в ключевых частях самолетов стали одним из важных показателей для измерения прогресса авиационных конструкций.

02 Композиционные материалы на основе смол, армированные волокном

Армированные волокном композиционные материалы представляют собой композиционные материалы, полученные различными процессами формования, такими как намотка, формование или пултрузия армирующих волокон и матричных материалов.Волокна как армирующие материалы являются основным компонентом армированных волокнами композиционных материалов.Используемые волокна очень малы, обычно диаметром менее 10 мкм, имеют мало дефектов, обладают высокой прочностью и модулем, что делает их основными несущими частями композиционного материала.Матричный материал часто представляет собой прочный материал с вязкоупругими и упругопластическими свойствами, способный выдерживать большие деформации и служить для связывания и защиты волокнистых материалов, играя решающую роль в поддержании целостности и постоянства композитной структуры.Армированные волокном композиты обладают высокой удельной прочностью, высокой удельной жесткостью, хорошими демпфирующими характеристиками и усталостной стойкостью, а их свойства могут быть разработаны в соответствии с требованиями, что делает их основным материалом для композитных компонентов в области вертолетов.

Материалы, обычно используемые в вертолетах, представляют собой композиты на основе смол, армированные волокном, где армирование представляет собой высокоэффективный волокнистый материал, а матрица - высокоэффективный полимерный материал.Тип, ориентация и количество армирующих волокон существенно влияют на плотность, прочность и усталостные характеристики композиционного материала.Обычно используемые материалы для армирования волокна включают углеродное волокно, стекловолокно и арамидное волокно.Роль смоляной матрицы заключается в скреплении армирующих материалов между собой, защите волокон от внешних физических и химических факторов, а также препятствовании распространению трещин при разрыве волокон.Выбор материала матрицы смолы определяет ударную вязкость, устойчивость к влажно-тепловому старению и температуру эксплуатации композитного материала.Матрицы смол обычно подразделяются на термореактивные и термопластичные.К термореактивным смолам в основном относятся эпоксидные смолы, бисмалеимидные смолы и полиимидные смолы;термопластичные смолы включают этилен, нейлон, политетрафторэтилен и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК).Термореактивные смолы имеют долгую историю применения, тогда как термопластичные смолы появились позже.Однако в последние годы их развитие шло быстрыми темпами, а их свойство обратимости после отверждения значительно улучшает возможность вторичной переработки композитных материалов.В настоящее время термопластичные армированные волокном композиционные материалы используются во многих вертолетах за рубежом.В этой статье представлены несколько типов композитных материалов на основе армированных волокном смол, обычно используемых в настоящее время в вертолетах.

2.1 Композиционные материалы на основе смол, армированные углеродным волокном

Углеродное волокно представляет собой волокнистый микрокристаллический графитовый материал с содержанием углерода около 95%.В основном его производят путем карбонизации и графитизации органических волокон при высоких температурах 1300℃～1800℃ под защитой инертного газа.Углеродное волокно обладает превосходными свойствами, такими как высокая прочность, высокий модуль упругости, низкая плотность, отсутствие ползучести, устойчивость к высоким температурам в неокисляющих средах, хорошая усталостная прочность, хорошая коррозионная стойкость, а также хорошая электро- и теплопроводность.В настоящее время это наиболее широко используемый и наиболее важный армирующий материал.Среди них композиты на основе смолы, армированные углеродным волокном, образованные путем объединения углеродного волокна со смоляными материалами, демонстрируют наилучшие комплексные характеристики среди существующих конструкционных материалов и наиболее широко используются в вертолетах, при этом типичным примером являются матричные композиты на основе эпоксидной смолы, армированные углеродным волокном.После многих лет испытаний матрицы из эпоксидных смол обладают многочисленными преимуществами, такими как превосходные комплексные характеристики, хорошая технологичность и низкая стоимость.Для дальнейшего улучшения характеристик и качества композиционных материалов последовательно разрабатываются бисмалеимидные смолы и устойчивые к высоким температурам полиимидные смолы.Композиты, армированные углеродным волокном, изготовленные из бисмалеимидных смол и других материалов в качестве матриц, постепенно применяются в вертолетах, улучшая их адаптируемость и долговечность в суровых условиях, таких как высокие температуры и высокая температура.

2.2 Композиты на основе смолы, армированной стекловолокном

Стекловолокно — это высокоэффективный неорганический неметаллический материал, обладающий высокой прочностью и эластичностью, а также такими преимуществами, как высокая термостойкость, хорошая изоляция и устойчивость к коррозии.Композитные материалы, изготовленные из стекловолокна в качестве армирующего материала, могут эффективно улучшить характеристики и плотность материала.Композиты с матрицей из стекловолокна и эпоксидной смолы в основном используются в вертолетах.Композиционные материалы, изготовленные из разных типов стекловолокон, имеют разные свойства и применение.Исходя из требований практического применения, при изготовлении компонентов вертолетов обычно используются композиты на основе смолы, армированные стекловолокном, изготовленные из стеклоткани, стеклоленты и рубленых волокон.

2.3 Композиты на основе смолы, армированной арамидным волокном

Арамидное волокно — это новый тип высокопроизводительного синтетического волокнистого материала, также известного как ароматическое полиамидное волокно.Арамидное волокно обладает превосходной устойчивостью к высоким температурам и антивозрастными свойствами.Он легкий, но высокопрочный, его вес составляет всего около 1/5 веса стальной проволоки, но его прочность в 5-6 раз выше, чем у стальной проволоки.Кевларовое волокно производства DuPont является типичным примером арамидного волокна.Прочностные характеристики и легкая конструкция, обеспечиваемые композитами на основе смолы, армированными арамидными волокнами, эффективно повышают отзывчивость и летальность вертолета.

03 Структурные характеристики вертолета

Вертолеты обладают уникальными летными возможностями и отличительными конструктивными формами, что делает их единственным транспортным средством, способным в настоящее время преодолевать любую местность.Конструкция вертолета в основном состоит из двух частей: несущей системы и конструкции фюзеляжа.Несущая система вертолета состоит из двух основных частей: лопастей и втулки несущего винта.Лопасти несущего винта можно разделить на лопасти несущего винта и лопасти рулевого винта.Несущая система представляет собой уникальную конструкцию движущихся компонентов вертолета.Вращение несущего винта обеспечивает подъемную силу, силу управления и тягу вперед, что позволяет вертолету выполнять различные воздушные операции, включая вертикальный взлет и посадку, зависание, полет вперед, боковой полет, полет с разворотом и полет на малой высоте.Кроме того, в случае отказа двигателя несущая система может использовать существующую кинетическую энергию вращения и собственную потенциальную энергию вертолета для авторотации несущего винта, обеспечивая безопасный спуск и планирующую посадку.

Конструкция фюзеляжа является важнейшим элементом, поддерживающим и закрепляющим части и системы вертолета, соединяющим их в единое целое.Он отвечает за перевозку и транспортировку персонала, оборудования и материалов.Форма конструкции фюзеляжа существенно влияет на летные качества, управляемость и устойчивость вертолета.В конструкциях фюзеляжа вертолетов приоритетом должно быть снижение веса, а военные вертолеты также должны учитывать такие конструктивные особенности, как пуленепробиваемость, ударопрочность, малозаметность и поглощение энергии.Кроме того, вертолеты обычно летают на высоте ниже 6000 м, а некоторые достигают высоты всего 15 м, что делает их самолетами малой и средней высоты.Их основными условиями эксплуатации являются суровые условия, такие как влажность/жара, сухость/холод, песчаные бури/дождь и морская вода.Поэтому планеры вертолетов обычно требуют превосходной устойчивости к атмосферным воздействиям и коррозии, чтобы соответствовать строгим требованиям различных регионов и климатических условий.

04 Применение армированных волокном композитных материалов на основе смол в вертолетах

4.1 Лопасти ротора

Прорыв в разработке композитных материалов для вертолетов начался в 1960-х годах с успешной разработки композитных лопастей несущего винта, армированных стекловолокном, для таких вертолетов, как БО-105 от MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) в Западной Германии, SA341 «Газель» от Aerospatiale во Франции и Ка-26 от Камова в России.Это положило начало применению композитных лопастей несущего винта в вертолетах.

Сегодня вертолетная технология достигла третьего и четвертого поколений, при этом лопасти несущего винта широко разрабатываются и производятся с использованием композитных материалов.По сравнению с металлическими лопастями, использовавшимися в ранних вертолетах, композитные лопасти имеют значительно более длительный срок службы, обычно превышающий 6000 часов, в отличие от типичного срока службы металлических лопастей, составляющего 2000 часов.Композитные лезвия легче ремонтировать, имеют более низкие затраты на техническое обслуживание, более короткие циклы технического обслуживания и допускают взаимозаменяемость отдельных лезвий.Применение композитных лопастей значительно повысило эффективность и безопасность эксплуатации вертолетов, снизило общую стоимость срока службы лопастей несущего винта вертолета и принесло значительную экономическую выгоду.

Композиты на основе смолы, армированные волокном, благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам и технологичности, широко используются в композитных лопастях вертолетов, на их долю приходится около 70% текущего использования лопастей.Компоненты композитных лопастей, изготовленные из композитов на основе армированной волокном смолы, в основном включают обшивку, лонжероны и наполнители швов, которые являются ключевыми компонентами лопасти.Армированные волокном композиты со смоляной матрицей, используемые при производстве лопаток, также известные как препреги, изготавливаются путем предварительной пропитки волокнистых материалов в смоляную матрицу под строгим контролем.



Обшивка является важнейшим компонентом, несущим нагрузку и формирующим лезвие, обеспечивающим первичную торсионную и тетаническую жесткость.Он в основном состоит из препрега из углеродного волокна и препрега из стекловолокна, а различные варианты наложения обшивки позволяют разрабатывать и производить композитные лопасти с различными эксплуатационными характеристиками.Лонжероны являются основным несущим элементом составной лопасти, расположенным в передней кромке.Эта область обычно служит наветренной стороной во время вращения лопастей и испытывает наибольшее сопротивление ветру, что требует высокой прочности и жесткости конструкции.Лонжероны в основном изготавливаются из высокопрочного композитного материала на основе смолы, армированного стекловолокном, который обычно укладывается вдоль размаха лопастей.Заполнитель швов изготавливается из композиционного материала на основе рубленого волокна, обычно с использованием рубленого стекловолокна.Расположенный у основания лопатки заполнитель шва должен быть предварительно сформирован перед формованием и сборкой лопатки.Корень лопатки соединяется со ступицей, через него на ступицу передаются все динамические и статические нагрузки, что делает ее наиболее сложной частью конструкции лопасти, находящейся под нагрузкой.Из-за многочисленных и сложных компонентов в основании лопатки характеристики, форма и расположение наполнителя швов напрямую влияют на качество формования и прочность лопатки.Кроме того, планки задней кромки, которые играют решающую роль в регулировании раскачивания лопастей, обычно изготавливаются из высокопрочных композитов на основе смолы, армированных стекловолокном.В настоящее время в отечественных композитных лопастях вертолетов в основном используются композиты с матрицей из армированной волокном смолы, отверждаемые при средней температуре, с использованием метода однократного компрессионного отверждения.В зарубежных композитных лезвиях при производстве используются процессы вторичного склеивания и высокотемпературного отверждения.Благодаря быстрому развитию новых материалов, процессов и оборудования, композитные лопасти вертолетов откроют еще большие возможности в будущем.

4.2 Ступица лезвия

Ступица лопастей является жизненно важным компонентом, который фиксирует лопасти несущего винта и соединяет систему несущего винта с системами трансмиссии и управления.Традиционные ступицы лопастей в основном изготавливаются из металла и собираются из множества прецизионных деталей, что приводит к очень сложной конфигурации и высоким затратам на производство и обслуживание.Как упростить конструкцию конструкции, снизить сложность производства и добиться снижения веса конструкции, обеспечивая при этом производительность и качество ступицы лопатки, всегда было в центре внимания исследований.С развитием и применением композитных материалов появились новые прорывы и возможности в проектировании и производстве ступиц роторов, которые просты по конструкции, стабильны в работе, безопасны, надежны и высокоэффективны.

В настоящее время основные исследования по применению композитных материалов в конструкциях ступиц ротора сосредоточены на создании безподшипниковых конструкций ступиц ротора путем использования свойств композитных материалов.В бесподшипниковых ступицах ротора отсутствуют три механических шарнира, обеспечивающие взмахи, тангаж и рыскание, что представляет собой крупный прорыв в технологии роторов и указывает направление развития технологии проектирования роторов.В конструкциях ступиц ротора без подшипников используются гибкие балки и втулки для замены механических шарниров в этих трех направлениях, при этом гибкая балка является ключевым компонентом.В безопорных несущих системах степени свободы взмахов, тангажа и рыскания лопастей обеспечиваются деформацией гибкой балки.Появление гибкой балки может значительно упростить конструкцию ротора, уменьшить количество компонентов сборки и снизить затраты на техническое обслуживание.Конструкция гибкой балки очень сложна.Учитывая строгие условия несущей способности и требования к эксплуатационным характеристикам, такие как допустимая деформация материалов, используемых при их изготовлении, высокоэффективные композиты на основе смолы, армированные стекловолокном, в первую очередь выбираются для изготовления гибких балок.Технология гибкой балки для вертолетов хорошо развита за рубежом, а несущие винты без подшипников успешно применяются на различных вертолетах, таких как EC-135 и RAH-66.Также ведутся отечественные исследования и разработки технологий проектирования и изготовления гибких балочных конструкций, и ожидается, что эта новая технология несущего винта будет успешно применена на отечественных вертолетах в ближайшем будущем.

4.3 Конструкция планера

Планеры вертолетов имеют большие изогнутые поверхности, что делает их пригодными для изготовления с использованием композитов на основе смолы, армированных волокном.Из-за большого количества тонкостенных и сложных изогнутых поверхностей в большом количестве компонентов, таких как кабина, передний обтекатель и обтекатель хвостовой балки, используются сотовые сэндвич-структуры, изготовленные из композитов на основе смолы, армированных волокном.Вертолеты работают в суровых условиях на открытом воздухе, особенно военные вертолеты, которые часто подвергаются воздействию высоких температур, высокой влажности, дождя и солевых брызг.Учитывая воздействие горячей и влажной среды, высокотемпературное отверждение обеспечивает полное отверждение, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду и снижая ухудшение характеристик.Основные несущие компоненты конструкции планера в основном изготавливаются из композитов на основе армированной волокном смоляной матрицы высокотемпературного отверждения, тогда как второстепенные несущие компоненты часто изготавливаются из композитов среднетемпературного отверждения.Помимо широко используемых композитов на основе смолы, армированных углеродным волокном и стекловолокном, композиты на основе смолы, армированные арамидным волокном, также широко используются в компонентах вертолетов, таких как горизонтальные стабилизаторы, обтекатели, хвостовые обтекатели и крышки доступа для обслуживания.Моторный отсек вертолета и прилегающие к нему части, такие как выхлопное сопло двигателя, воздухозаборники и обтекатели моторного отсека, теперь изготавливаются с использованием жаростойких композитов на основе смолы, армированных стекловолокном, заменяющих традиционные титановые сплавы.Применение этого типа материала эффективно препятствует распространению огня в опасных ситуациях, обеспечивая безопасность и надежность вертолета.

05 Заключение

Композиты с матрицей на основе смолы, армированные волокном, широко используются в конструкциях вертолетов благодаря своим превосходным свойствам материала, что вносит значительный вклад в развитие вертолетной техники.Будущее развитие отечественной вертолетной техники будет направлено на достижение высокой эффективности, длительного срока службы, высокой надежности и низкой стоимости, что приведет к ужесточению требований как к материалам, так и к конструкциям, а также создаст острую потребность в высокоэффективных композиционных материалах, передовых технологиях проектирования и производственных процессах.Благодаря развитию исследований и разработок технологий высокоэффективных конструкционных композиционных материалов, представленных высокопрочными высокомодульными углеродными волокнами класса Т1100 и высокоэффективными матрицами из термопластичных смол, можно добиться снижения веса конструкции и переработки матричных композитов на основе армированной волокнами смолы, обеспечивая при этом конструкционные характеристики вертолетных композиционных материалов.Применение передовых технологий цифрового моделирования при производстве конструкций из композитных материалов может обеспечить улучшение качества деталей и значительно сократить отходы материалов и ресурсов.Широкое применение недорогих технологий автоматического формования композитных материалов, таких как автоматическое размещение волокон, также помогает снизить производственные затраты и повысить эффективность производства.

Кроме того, локализация материалов для применения в вертолетах остается направлением, к которому мы продолжаем стремиться, и тенденцией будущего развития.Наряду с улучшением разнообразия и характеристик материалов отечественные высокопроизводительные композитные материалы должны и дальше соответствовать международным передовым технологиям композитных материалов.Считается, что благодаря развитию исследований и разработок и совместным усилиям всех, применение композитов на основе армированной волокном смолы для вертолетов в моей стране откроет новую главу.