מלאי של נקודות חמות מחקר בחומרים מרוכבים מתקדמים לתעופה וחלל

חומרים מרוכבים ומתכות, פולימרים וקרמיקה נקראים ארבעת החומרים העיקריים. כיום, רמת תעשיית החומרים המורכבים של מדינה או אזור הפכה לאחד האינדיקטורים למדידת החוסן הטכנולוגי והכלכלי שלה. חומרים מרוכבים מתקדמים הם מקור ליתרון תחרותי לביטחון הלאומי ולכלכלה הלאומית. ביניהם, שרפי אפוקסי הם שרפים מצוינים לריפוי תגובה. בתחום החומרים המורכבים מחוזקים בסיבים, שרפי אפוקסי ממלאים תפקיד גדול. הוא מורכב עם סיבים בעלי ביצועים גבוהים מבוססי PAN סיבי פחמן, סיבי זכוכית S או E, סיבי ארמיד, סיבי פוליאתילן, סיבי בזלת, והוא הופך חומר מטריצה חשוב שאין לו תחליף וחומר מבני, אשר נמצא בשימוש נרחב כוח אלקטרוני, תעופה וחלל, ציוד ספורט, חיזוק בנייה, צינורות לחץ, אנטי קורוזיה כימית ושישה תחומים אחרים. מאמר זה מתמקד במעמד המקומי והזר של מרוכבים מטריצת שרף מתקדמת וחלל ואת הבעיות והכיוונים שסין לומדת.

חיזוק סיבים המשמשים בחומרים מרוכבים

השוואת הביצועים של חומרי סיבים שונים המשמשים בחומרים מרוכבים מוצגת בטבלה 1. המאפיינים של חומרים מסוימים הושוו. ניתן לראות מטבלה 1 כי הכוח הספציפי והמודולוס הספציפי של סיבי זכוכית לבדם גדלים ב -540% ו -31%, בהתאמה, בהשוואה לחומרי מתכת, ושיפור סיבי הפחמן משמעותי עוד יותר. על פי דיווחי הספרות, העוצמה התיאורטית של גרפיט חד-פעמי המחושב מאנרגיית אג"ח וצפיפות האג"ח היא עד 150 GPa. לכן, פוטנציאל הפיתוח הנוסף של סיבי פחמן הוא עצום מאוד. המטרה הקרובה של חברת Toray היפנית היא ליצור חוזק מתיחה של סיבי פחמן של 8.5GPa, מודולוס 730GPa. למותר לציין, סיבי פחמן עדיין יהיה החומר העיקרי עבור תרמילי מנוע רקטות מוצקות חרירים בעתיד.

הפיתוח של יישומים אחרים של מרוכבים סיבי פחמן הוא מבטיח מאוד, כגון מטוסים ומערכות בלימת רכבת מהירה, מטוסים אזרחיים ומבנים מרוכבים רכב, מיסבים סיבי פחמן ביצועים גבוהים, להבים גדולים עבור טורבינות רוח, ציוד ספורט (כגון מגלשיים, מחבטים, חכות דיג), וכו '. עם הרחבת סולם ייצור סיבי הפחמן והירידה ההדרגתית בעלויות הייצור, היישום של סיבי פחמן בבטון, מכשירי חימום חדשים, חומרי אלקטרודה חדשים ואפילו צרכים יומיומיים יתרחבו גם הם במהירות. על מנת לשתף פעולה עם המשחקים האולימפיים בבייג'ינג, המדינה שלי מתכננת לפתח במרץ חומרי בניין חדשים CFRP ושווקי CFRP היי-טק חדשים הקשורים להגנת הסביבה ומוצרי צריכה.

סיבי פחמן הוא חומר מודולוס בעל חוזק גבוה וגבוה. בתיאוריה, רוב הסיבים האורגניים יכולים להפוך לסיבי פחמן. ישנם שלושה סוגים עיקריים של סיבים אורגניים המשמשים למעשה כחומרי גלם עבור סיבי פחמן: סיבי ויסקוזה, סיבי המגרש, סיבי המגרש, סיבי פוליאקרילוניטריל. רוב סיבי הפחמן המשמשים בחלקים המבניים הנוכחיים של מנוע רקטות מוצק עשויים מסיבי פוליאקרילוניטריל.

מרוכבים מטריצת שרף תעופה וחלל

על פי הנתונים הרלוונטיים, כל קילוגרם אחד של המסה של החללית יכול להפחית את משקלו של רכב השיגור על ידי 500 ק"ג, ואת העלות של שיגור לווין הוא עשרות מיליוני דולרים. גורם העלות הגבוה הופך חומרים מבניים קלים במשקל וגבוהים בביצועים. כיסוי המנוע המוצק מבוסס אפוקסי המיוצר על ידי תהליך פיתול החוטים עמיד בפני קורוזיה, טמפרטורה גבוהה וקרינה, ויש לו צפיפות נמוכה, קשיחות טובה, חוזק גבוה וגודל יציב. לדוגמה, ראשי נפץ של טילים וירידות לוויינים, חומרים עמידים בחום עבור חלליות ומצעים של מערך תאים סולאריים עשויים כולם מחומרים מחוזקים מבוססי אפוקסי ומבוססים אפוקסי-פנוליים. לשיקול של טיסת תעופה וחלל ובטיחותה, כחומר מבני, זה צריך להיות משקל קל, כוח גבוה, אמינות גבוהה ויציבות, וחומר מרוכבים סיבי פחמן אפוקסי הפך חומר חיוני.

חומרי החיזוק המשמשים במרוכבים אפוקסי ביצועים גבוהים הם בעיקר סיבי פחמן (CF) וסיבים היברידיים של סיבי CF ו aramid (K-49) או סיבי זכוכית בעוצמה גבוהה (S-GF). שרף אפוקסי המשמש כחומר מטריצה מהווה כ -90% מהשרף המורכב בעל הביצועים הגבוהים. תהליך העיצוב של חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים מאמץ בעיקר ליי-אפ יבש prepreg חד כיווני, וריפוי ויציקה autoclave. מרוכבים אפוקסי ביצועים גבוהים היו בשימוש נרחב במטוסים שונים. אם ניקח את ארצות הברית כדוגמה, בשנות ה -60, חומרים מרוכבים בורון / אפוקסי שימשו לעורות מטוסים ומשטחי הפעלה. בשל העלות הגבוהה של סיבי בורון, מרוכבים פחמן / אפוקסי הפכו מרוכבים פחמן / אפוקסי בשנות ה -70 והתפתחו במהירות. זה יכול להיות מחולק בערך לשלושה שלבים. השלב הראשון מוחל על רכיבים עם מעט כוח, כגון משטחי בקרה שונים, משטחי הגה, ספוילרים, איילרון, מדפים, לוחות גרירה, דלתות הילוכים נחיתה, כיסויי מנוע ומבנים משניים אחרים. השלב השני מוחל על חלקים מבניים עם עומס גדול, כגון מייצבים, זנבות אופקיים בתנועה מלאה, וכנפיים מבניות נושאות עומס עיקריות. השלב השלישי מוחל על מבנים מורכבים לחוץ, כגון גוף המטוס, תיבת כנף מרכזית וכו '. בדרך כלל, ירידה במשקל יכולה להיות 20% עד 30%. נכון לעכשיו, כמות החומרים המרוכבים במטוסים צבאיים הגיעה לכ -25% ממשקל המבנה, המהווה 80% משטח הפנים של הגוף. ישנן דוגמאות יישומיות רבות של חומרים מרוכבים אפוקסי ביצועים גבוהים במטוסים צבאיים ואזרחיים זרים.

בנוסף חומרים מרוכבים אבלטיביים בתעשיית התעופה והחלל, חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים נמצאים גם בשימוש נרחב. לדוגמה, לאחר אימוץ C/EP, חרוט תא המכשירים של טיל הקלשון יכול להפחית את המשקל ב -25% עד 30% ולחסוך את העבודה בכ -50%. הוא משמש גם כתמיכה במכשירים ו-55 חלקים מבניים עזר כגון תמיכה בג'ירו, טבעת תמיכה בגלילי פליטה, תמיכה בגליל פליטה, תמיכה פנימית במכשיר אינרציאלי ותמיכה בסוללות בטיל הקלשון. בשל ירידה במשקל, הטווח גדל ב -342 ק"מ. מגנים ואינטר-בסטיות לרקטות דלתא מיוצרים גם הם על ידי C/EP. האנטנות, סוגריים אנטנה, מסגרות תאים סולאריים ומסנני מיקרוגל על לוויינים ומטוסים אמריקאים מיוצרים כולם על ידי C / EP.C / EP משמש לייצור מבנה תמיכה באנטנה ומבנה חלל גדול על Intelsat V. החללית אייר וויאג'ר משתמשת ב-K-49/EP עבור קבלני המשנה של האנטנה בעלי הרווח הגבוה והעור הפנימי והחיצוני של מבנה כריך חלת הדבש. מעבורת החלל משתמשת בחומרים מרוכבים חלת דבש Nomex C / EP כדי ליצור פתחים גדולים, לוחות מבניים של תא זנב C / EP וכו '.