Use of composite materials in air conditioning systems in vehicles

Abstract

The article provides an overview of modern high-performance composite materials. The review of the enterprises which have already begun the use of composite materials in air conditioning systems in transport is conducted. Recommendations for use of these materials in designs are given.

Full Text

В настоящее время применение композиционных материалов постоянно растёт, особенно последние десять лет. Современные композиционные материалы могут существенно снизить вес и увеличить прочность, но в то же время они сложнее для "предсказания" поведения их по сравнению, например, с алюминием, также представляется более трудной проверка на различные трещины и прочие скрытые дефекты. Это накладывает особые требования в области применения данных материалов на турбоустановках и других силовых агрегатах. В стадии разработки сейчас находятся так называемые самовосстанавливающиеся композиты, которые смогут "затягивать" небольшие трещины в структуре. Примерно 15% от структурной массы современного гражданского самолёта составляют различные пластиковые композиты, преимущественно изготовленные из углеволокна. В настоящее время проектируется новый российский самолёт МС-21\Як-242, где доля используемых композитов должна превысить 30%. В основном в авиации использование современных материалов ограничивается обшивкой и элементами фюзеляжа. Заметна тенденция использования углеволокна в силовых деталях, типа шпангоутов, кессонов. Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельные компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополнительными друг от друга свойствами. Использование новых материалов позволяет иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств композитов невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение даёт возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции. Благодаря композиционным материалам стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы агрегатов и конструкций и повышении весовой эффективности наземных транспортных средств и авиакосмических аппаратов. Рассматривая современные работы по данному направлению, можно выделить несколько перспективных тем по металлическим композиционным материалам: · высоконаполненные карбидом кремния (с содержанием армирующих частиц 60-70% по объёму) алюминиевые композиты - для получения высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения; · антифрикционные композитные материалы на основе меди, алюминия или свинца, армированные микронными частицами квазикристалла системы Al-Cu-Fe; · композиты системы алюминий - рубленое углеродное волокно, полученные особым способом, - для использования в качестве специальных датчиков или образцов свидетелей, способных накапливать информацию о внешнем воздействии на изделие, конструкцию, установку. Армирование алюминия частицами бора (карбида бора) приводит к усилению защитных свойств композитов и к появлению у него возможности использования в качестве конструкционного материала, непосредственно интегрированного в конструкцию. Фирма Talon Composites, LLC рекламирует материал для защиты от нейтронного излучения Talbor®, представляющий металлический композиционный материал на алюминиевой матрице (сплавы 6ХХХ, 7ХХХ, 2ХХХ, 11ХХ и 5ХХХ серии), армированной карбидом бора (объёмная доля от 1 до 40%). Кроме алюминия, хорошие перспективы есть и у армированного борсодержащими частицами свинца. Эксперименты показали, что материал после армирования приобретает механическую прочность, повышенный модуль упругости, механическую и деформационную обрабатываемость на стандартном оборудовании на уровне, близком к обычным материалам. В областях применения, не требующих высокой весовой эффективности, этот материал может стать незаменимым элементом конструкции, принимающим на себя часть эксплуатационных нагрузок. Наполнение алюминиевой матрицы частицами карбида кремния, с содержанием 60-70% по объёму, позволяет достичь в композите высокой теплопроводности при низком температурном коэффициенте расширения, обеспечивая эффективное применение в качестве теплоотводящих элементов конструкции. Эти материалы уже используются в качестве теплоотводящих подложек для приборов силовой электроники на Западе такие фирмы, как MC-21, AMETEK, CPS. Производство таких материалов освоено и в Китае. Работа по освоению промышленного производства высоконаполненных металлических композиционных материалов ведётся в настоящее время и в России (ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск; ОАО «СКЛ», г. Ульяновск). Кроме того, ведутся работы по использованию неметаллических композиционных материалов в качестве конструкционных материалов. Например, ОАО НПО «Наука» совместно с ВИАМ работают над изготовлением корпусных деталей на базе полиамидного композита, наполненного углеродом. Проблемой данной работы является возможность изготавливать отливки небольшого объёма (до 80 дм3). Развиваются и технологии изготовления деталей и узлов из композитов. Кроме традиционного литья, в данный момент идёт освоение современной «3D печати» и плазменного напыления, а также технологий, включающих жидкофазные технологии замешивания в расплав, принудительную и реакционную пропитку, твердофазные технологии механического легирования. Однако в настоящее время в России практически отсутствует промышленное производство металлических композиционных материалов в целом. Это связанно со стереотипом о высокой стоимости и сложности технологии металлических композитов. Но уже появились российские компании, проявляющие интерес к данной тематике, появились государственные программы софинансирования подобных технологий. С учётом анализа физико-химических свойств композиционных материалов рассмотрена номенклатура деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на авиационном транспорте, которые могут быть изготовлены из композитов. Первый опыт в этом направлении был получен при замене в подшипниковых опорах турбокомпрессора металлических шариков на шарики из композитного материала. Эксплуатация подобных гибридных шарикоподшипников - как радиальных, так и радиально-упорных - показала их надежность и долговечность. Перспективным направлением является перевод следующих деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте: · корпусные детали пластинчатых теплообменников; · вентиляторы; · лопатки компрессора и воздушной турбины; · запорные устройства в выпускных клапанах; · корпуса выпускных клапанов. Для реализации расширенного применения композитных материалов необходимо решить следующие задачи: 1) разработка конструкторской документации с учётом технологии изготовления деталей и узлов из композиционных материалов; 2) разработка методов расчёта температурных и прочностных характеристик деталей и узлов из композиционных материалов. Перевод ряда деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте позволяет существенно улучшить такие эксплуатационные свойства конструкций, как снижение массы, улучшение вибрационных и шумовых параметров, увеличение ресурса.