Использование композиционных материалов в системе кондиционирования воздуха на транспорте

Аннотация

В статье содержится обзор современных высокоэффективных композитных материалов. Проведён обзор предприятий уже начавших использование композитных материалов в системах воздухообмена на транспорте и даны рекомендации по использованию данных материалов в конструкциях.

Полный текст

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.