Расчёт панелей из композиционных материалов

ПРОЧНОСТЬ  КОНСТРУКЦИИ  ЛА

Лекция  №  16.  Расчёт панелей из композиционных материалов

Введение.  Понятие о композиционных материалах, применяемых в авиастроении.

Анализ слоистых  композиционных материалов. Слои композитных материалов. Анализ многослойных композитных структур.  Алгоритм расчёта.

Для повторения ранее изложенного материала в курсе дисциплины «Материаловедение и ТКМ» рекомендуется обратиться к учебнику авт. А.Ф. Белов, В.В. Николаенко «Строение и свойства авиационных материалов» Гл. 8, стр. 209 …  Раздел IV Материалы специального  назначения.

§ 1. Конструкционные композиционные материалы на металлической матрице

Композиционные материалы (КМ) – это объёмно-армированные различными наполнителями металлы, сплавы, полимеры. Прочность, жёсткость и другие эксплуатационные характеристики таких материалов значительно выше, чем у армируемых матриц. Работы по созданию КМ диктуются потребителями современной техники.

Алюминий, армированный стальной проволокой применяется для оболочек ракет и топливных баков. Массу топливных баков удаётся снизить до 14% при сохранении эксплуатационных характеристик. Некоторые элементы фюзеляжа военных самолётов изготовляют из алюминиевых сплавов, армированных волокнами В (бора) и проволокой из стали. Успешно внедряются алюминиевые сплавы армированные бериллиевой проволокой. Использование КМ в двигателях аппаратов вертикального взлёта и посадки (АВВП) снижает на 33% массу маршевых двигателей на 45%.

По форме наполнителя можно выделить три (группы) типа КМ:

-  КМ армированные частицами;

-  КМ армированные волокнами;

-  слоистые КМ.

Для уменьшения анизотропии[1] волокнистых КМ, слои могут располагаться под разными углами друг к другу. Возможны следующие схемы укладок 3-х чередующихся слоёв волокон: 0º±30º;  0º±45º; 0º±60º. Для 2-х чередующихся слоёв: ±45º; ±60º и т. д.

1. Композиционные материалы, армированные частицами.

Микроструктура материалов, упрочнённых частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределённых упорядоченных частиц. Если размер упорядоченных частиц l ≤ 10^-5cм, материал называется дисперсно-упрочнённым, если l ≥ 10^-4см, то это материалы, упрочнённые частицами. Объёмная доля упрочняющей фазы в КМ первого типа может быть различной и колебаться от нескольких единиц (в дисперсно-упрочнённых КМ) до десятков процентов в КМ, упрочнённых частицами.

Получают КМ, армированные дисперсными частицами, методами порошковой металлургии.

В дисперсно-упрочнённых материалах матрица воспринимает основную нагрузку, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объёме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.

Такие материалы обладают высокой температурной стабильностью структуры, позволяют сохранять прочностные характеристики в широком температурном интервале, вплоть до (0,7 … 0,8) t^м_пл. – температуры плавления матрицы.

Примеры отечественных КМ является ВДУ-1, ВДУ-2, ВДУ-3, дисперсно-упрочнённые КМ.

Матрицей КМ ВДУ-1 и ВДУ-2 является Ni, дисперсными упрочнителями – частицы оксидов Тория ThO₂ и Gf (гафния) с содержанием частиц до 5% (объёма).

Зарубежным аналогом ВДУ-1 является ТД никель, в котором Ni упрочнён мелкодисперсным ThO₂ (диоксид тория), в количестве 2 … 4%.

В ВДУ-3 матрицей служит сплав Ni + Cr (никель-хром), упрочнителем – диоксид гафния GfO₂. Сплавы и п/ф из них готовят методами порошковой металлургии (прутки, листы). Прочность этих сплавов несколько ниже Ni  сплавов, но преимущество – в жаропрочности. Сплавы ВДУ применяются при t = 1100 … 1200 ºС. Промышленное применение находят сплавы КМ на основе W (вольфрама). Вольфрам упрочняют мелкодисперсными оксидами, карбидами.

Наибольшее применение нашли ThO₂;  TaC  (карбид тантала). Оксидные упрочнители повышают теплоэрозионную стойкость сопел из спечённого вольфрама. Для увеличения пластичности в дисперсно-упрочнённый W вводят Re (рений) в количестве 3 … 5%.

Разрабатывают дисперсно-упрочнённые материалы на основе Cr,  Mo и др.

Для конструкций ЛА представляет интерес КМ на основе алюминия, упрочнённого частицами Al₂O₃ (тип САП). Получают их методами порошковой металлургии прессованием мелкодисперсного Al порошка с его последующим спеканием. Свойства САП определяются количеством в нём Al₂O₃.

САП-1, -2, -3.  3-й – выше свойства: σ_в, σ_0,2; δ↓.

Основное преимущество этих сплавов – высокопрочность при t > 300ºС, при которых сплавы Д19, Д20, АК-4-1 разупрочняются, текут.

Из них делают профили разных видов, прутки, листы, трубы. САП поддаётся аргонно-дуговой сварке, листы можно соединять клёпкой. Плакированный лист удовлетворительно сваривается контактной сваркой. Эти материалы – для авиации и космонавтики.

2. Композиционные материалы, армированные волокном.