Композитные материалы, представляющие собой макроскопические (или микроскопические) материалы с новыми свойствами, созданные путем физического или химического соединения двух или более материалов с различными свойствами, благодаря своим комплексным характеристикам обеспечивают взаимодополнение преимуществ отдельных компонентов и пользуются популярностью в различных областях.
Комплексные свойства этого материала часто превосходят свойства его исходных компонентов, что позволяет удовлетворять различные сложные потребности в применении. В аэрокосмической и оборонной промышленности широкое использование композитных материалов стало ключевым показателем передовых военных технологий. Их появление не только расширило выбор современных материалов, но и стимулировало развитие высокоэффективных материалов, таких как композиты из углеродного волокна, что сделало их незаменимыми кандидатами в производстве военной и гражданской техники.

Классификация композитных материалов

Композитные материалы могут быть подразделены в зависимости от типа матричного материала, формы армирующего материала и функциональных характеристик.

Типы матричных материалов:

1. Металломатричные композиты, такие как алюминиевые и титановые;

2. Органические неметаллические композиты, такие как смоляные;

3. Неорганические неметаллические композиты.

Форма армирующего материала:

1. Волокнисто-армированные композиты, например, углеродное волокно;

2. Частично-армированные композиты;

3. Композиты, армированные короткими волокнами;

4. Пластинчато-армированные композиты, такие как углеродные нанотрубки.

Функциональные характеристики:

1. Структурные композиты;

2. Функциональные композиты, такие как электропроводящие и световодные волокна;

3. Интеллектуальные композиты, такие как сплавы с памятью формы.
 

Характеристики композитных материалов

По сравнению с однородными материалами, композитные материалы демонстрируют множество свойств, способны компенсировать недостатки однородных материалов и в полной мере использовать преимущества различных материалов, придавая материалам новые свойства. Кроме того, они также могут быть спроектированы с заранее заданными свойствами в соответствии со структурой и нагрузками компонента для оптимизации свойств материала.

В частности, характеристики композитных материалов включают в себя:

Высокая удельная прочность и высокий удельный модуль: (Удельный модуль композитного материала из углеродного волокна и смолы в 5 раз выше, чем у стали и алюминиевых сплавов, а удельная прочность более чем в 3 раза выше).

Устойчивость к усталости: Волокнистые композиты менее чувствительны к концентрации напряжений и надрезам, их интерфейс может изменять направление распространения трещин, тем самым повышая усталостную прочность. Например, предел выносливости композитного материала из углеродного волокна и ненасыщенной полиэфирной смолы может достигать 70-80% от его прочности на разрыв, что значительно выше, чем у металлических материалов.
Высокая трещиностойкость: Волокнистые композиты содержат большое количество отдельных волокон, и когда несколько волокон разрушаются, нагрузка перераспределяется на другие неразрушенные волокна, что предотвращает внезапное разрушение компонента и повышает его трещиностойкость.
Отличные демпфирующие свойства: Частота собственных колебаний конструкции прямо пропорциональна квадратному корню из удельного модуля материала, поэтому использование композитных материалов с высокой собственной частотой позволяет избежать резонанса и преждевременного разрушения.
Хорошие жаростойкость и сопротивление ползучести: Композитные материалы могут оставаться стабильными при высоких температурах, а их сопротивление ползучести также относительно высокое.
Поскольку волокнистые материалы сохраняют свои высокопрочные характеристики при высоких температурах, жаростойкость волокнисто-армированных композитных материалов, таких как композиты из углеродного волокна и смолы, значительно выше, чем у смоляной матрицы. Особенно в отношении металломатричных композитов, их жаростойкость проявляется очень сильно. Например, прочность алюминиевого сплава быстро снижается с повышением температуры, однако алюминиевый композит, армированный кварцевым стеклом, сохраняет 40% прочности при комнатной температуре при температуре 500 ℃. Кроме того, композитные материалы из карбида кремния, оксида алюминия и керамики могут выдерживать температуру 1200-1400 ℃ в воздухе, что даже превосходит жаростойкость всех высокотемпературных сплавов.

Кроме того, композитные материалы обладают коррозионной стойкостью. Многие виды композитных материалов могут противостоять воздействию кислот и щелочей. Например, композитный материал из стекловолокна и фенольной смолы может использоваться в течение длительного времени в кислой среде, содержащей хлорид-ионы, поэтому он очень подходит для изготовления таких устройств, как химические трубопроводы, насосы, клапаны, емкости и мешалки.

Кроме того, композитные материалы обладают отличными антифрикционными, износостойкими и самосмазывающимися свойствами. Их технологический процесс прост и подходит для литья, поэтому заготовка может быть получена непосредственно в процессе производства, что уменьшает количество деталей, крепежных элементов и соединений, тем самым экономя сырье и рабочее время.

Аэрокосмическая отрасль всегда была одной из важнейших областей широкого применения композитных материалов.

Композитные материалы имеют важное применение в космонавтике. Космические аппараты должны работать в суровых условиях, таких как высокие и низкие температуры, вакуум и т. д., и традиционные металлические материалы могут не удовлетворять требованиям. Композитные материалы обладают превосходными жаростойкими, холодостойкими и коррозионностойкими свойствами, которые могут эффективно противостоять трудностям, с которыми сталкиваются космические аппараты в суровых условиях. Поэтому такие компоненты космических аппаратов, как теплозащитные экраны, корпуса и тепловые элементы, начинают изготавливаться из композитных материалов, чтобы гарантировать нормальную работу космических аппаратов в космосе.

В авиации композитные материалы используются для производства конструктивных элементов самолетов. Традиционные металлические материалы, хотя и обладают высокой прочностью, но имеют большой вес, что влияет на топливную эффективность самолетов. Поскольку композитные материалы имеют меньший вес и превосходную прочность, они могут уменьшить собственный вес самолета, повысить топливную эффективность и снизить эксплуатационные расходы. Поэтому такие конструктивные элементы самолетов, как фюзеляж, крылья и хвостовое оперение, начинают изготавливаться из композитных материалов для повышения производительности и безопасности самолетов.

По статистике, до 70% снижения веса самолетов обусловлено прогрессом в технологии авиационных материалов. Самолеты, в которых используются композиты на основе углеродного волокна и смолы, демонстрируют значительные преимущества в снижении веса, расхода топлива, затрат на техническое обслуживание и увеличении срока службы.

Композитные материалы также широко применяются в военной промышленности, в частности, в ракетостроении, производстве ракет и спутников. Ракетные двигатели предъявляют высокие требования к свойствам материалов, требуя отличной термостойкости, ударопрочности и других характеристик, и композиты как раз отвечают этим требованиям. Конструкционные элементы ракет и спутников также должны быть лёгкими, высокопрочными и коррозионностойкими, поэтому использование композитных материалов повышает характеристики и надёжность ракет и спутников.

Военные самолёты

В настоящее время доля композитных материалов в мировом военном самолётостроении значительно различается, обычно составляя от 20% до 50%. Эти композиты в основном используются для производства таких важных компонентов, как обтекатели, горизонтальное и вертикальное оперение, кессоны крыльев, крылья и передняя часть фюзеляжа. Если доля композитных материалов достигает примерно 50%, это означает, что большая часть конструкции самолёта будет изготовлена из композитных материалов, например, как в случае со стелс-бомбардировщиком B-2.

Гражданские самолёты

Применение композитных материалов в гражданской авиации прошло четыре этапа развития. Изначально, в середине 1970-х годов, они в основном использовались для производства элементов с небольшими нагрузками, таких как передние кромки, закрылки, обтекатели и предкрылки. К середине 1980-х годов область применения композитных материалов расширилась, и они начали использоваться в элементах с небольшими нагрузками, таких как элероны, закрылки и предкрылки. Затем, на третьем этапе, композиты начали применяться в важных элементах с большими нагрузками, таких как вертикальное и горизонтальное оперение. Например, в самолёте Boeing 777 вертикальное и горизонтальное оперение изготовлены из композитных материалов, доля которых составляет 11%. А на четвёртом этапе композитные материалы стали широко использоваться в основных силовых элементах самолёта, таких как крылья и фюзеляж. В качестве примера можно привести самолёт Boeing 787 Dreamliner, в котором доля композитных материалов составляет 50%, что даже превышает суммарный вес алюминия, стали и титана.

Вертолёты

Как в военных, так и в гражданских, а также лёгких вертолётах широко используются углеродные композитные материалы. Доля композитных материалов в конструкции вертолётов обычно составляет от 40% до 60%. Например, в американском боевом вертолёте RAH-66 Comanche доля композитных материалов достигает 50%, а в европейском вертолёте NH-90 — даже 80%, что приближается к полностью композитной конструкции.

Беспилотники

В стремлении к облегчению конструкции военных беспилотников широко применяются композитные материалы. Например, в американской серии самолётов X-45 доля композитных материалов превышает 90%, а в серии X-47 они используются практически повсеместно. Кроме того, крылья, хвостовое оперение, задняя часть фюзеляжа и крупные радиолокационные обтекатели беспилотного разведывательного самолёта Global Hawk также изготовлены из композитных материалов.

Авиационные двигатели

Применение композитных материалов в авиационных двигателях не только демонстрирует их технологическое совершенство, но и оказывает значительное влияние на повышение характеристик двигателей. Композитные материалы на основе смолы, благодаря своей высокой удельной прочности и удельного модуля, существенно способствуют снижению веса, повышению эффективности и уменьшению стоимости высокоэффективных авиационных двигателей. Эти материалы в основном используются в холодных частях двигателя, таких как лопатки компрессора и направляющие лопатки турбовентиляторных двигателей, при рабочих температурах до 150-200 °C.

Что касается горячих частей, то ввиду специфических требований к высокотемпературным условиям, решающую роль играют металлические, керамические и углерод-углеродные композитные материалы. Например, армированный длинноволокнистым SiC титановый композиционный материал (Ti-MMC) благодаря своей высокой удельной прочности и термостойкости занимает незаменимое место в производстве авиационных двигателей. В будущем, с развитием технологий, всё больше деталей из металлических композиционных материалов, таких как цельные кольцевые элементы, кожухи и валы турбин, будут изготавливаться из этих высокоэффективных материалов.

Другие отрасли оборонно-промышленного комплекса

Волокнистые композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам теплоотвода, теплоизоляции и термостойкости широко используются в космической промышленности. Кроме того, высокопрочный стеклопластик показал хорошие результаты в производстве конструкций многозарядных реактивных снарядов и управляемых ракет "воздух-воздух", а также в теплозащите. Это позволило создать一体化设计 сопла, диффузора и хвостовых оперений, что эффективно снизило массу вооружения и повысило его тактико-технические характеристики.
Углеродные композитные материалы также широко используются в твердотопливных ракетных двигателях, например, в ракетах-носителях Pegasus, ракетах Trident II и Minuteman. Кроме того, в стартовых контейнерах американской стратегической ракеты MX и российской стратегической ракеты «Тополь-М» также используются передовые композитные материалы.

В области кораблестроения технология композитных материалов также добилась значительного прогресса и достигла уровня практического применения. На американских военных кораблях, таких как авианосец «Форд», подводные лодки класса «Вирджиния» и эсминцы DDG-1000, широко используются композитные материалы. Кроме того, в интегрированной мачте британского эсминца типа 45 используется композитный материал с сотовым заполнителем, который не только обеспечивает малозаметность, но и снижает трудоёмкость обслуживания антенн.

Развитие Китая в области авиационных композитных материалов также заслуживает внимания. С 1960-х годов Китай начал исследования по применению композитных материалов в конструкции самолётов. За десятилетия упорного труда в Китае сформировалась система композитных материалов, основными компонентами которой являются эпоксидные, бисфенол-А и полиимидные смолы, а также технологическая система формования, в основе которой лежат технологии термопластичной преимпрегнации и горячего прессования в автоклаве. В настоящее время практически все находящиеся в эксплуатации китайские военные самолёты в той или иной степени используют композитные материалы, которые применяются в таких компонентах, как передняя часть фюзеляжа, вертикальное и горизонтальное оперение. В самолётах нового поколения композитные материалы используются ещё шире, в основном в таких важных частях, как крылья, передние горизонтальные оперения и хвостовое оперение, их доля составляет около 20% от массы конструкции. В крупногабаритном транспортном самолёте Y-20 также широко используются композитные материалы, в основном в вертикальном и горизонтальном оперении. Доля композитных материалов в новых вертолётах достигла примерно 34%, что свидетельствует о значительном росте масштабов их применения.
Ожидается, что в будущем отечественные военные самолёты будут ещё более совершенствовать технологии композитных и конструкционных материалов, что позволит увеличить долю композитных материалов примерно до 25%, а эффективность снижения веса — с 20% до 30%. Это технологическое обновление позволит использовать композитные материалы в основных несущих конструкциях, таких как крылья и фюзеляж, что позволит не только достичь цели снижения веса, но и в полной мере использовать преимущества композитных материалов, такие как коррозионная стойкость, малозаметность и интегрированные антенны.

В целом, применение композитных материалов в аэрокосмической отрасли стало тенденцией. С развитием технологий и совершенствованием методов производства композитных материалов их роль в аэрокосмической отрасли будет только возрастать, обеспечивая мощную поддержку развитию аэрокосмической отрасли. Уверен, что в будущем композитные материалы найдут ещё более широкое применение в аэрокосмической отрасли, предоставляя лучшую технологическую поддержку человечеству в освоении космоса и покорении неба.

Дисклеймер: Данная информация предназначена только для обмена знаниями и информацией о композитных материалах и не может быть использована в коммерческих целях. В случае нарушения авторских прав или возникновения каких-либо вопросов по содержанию, пожалуйста, свяжитесь с нами. Мы незамедлительно примем меры.