Лекция 1-2. Современные подходы к разработке и проектированию композитных конструкций

Разработка композиционных материалов опирается на ряд фундаментальных и инженерных наук. Для эффективного проектирования изделий из композитов требуется знание основ химии, материаловедения, строительной механики материалов и технологии их производства.

Термин композиционный материал (композит) используют для обозначения составного материала, компонентами которого являются два или несколько различных материалов. Из одной пары компонент можно образовать множество композитов, если варьировать структурные параметры и механические свойства компонент. Такие наборы называют системой, например, система сталь-алюминий или система бор-алюминий.

 Термин композитная деталь используют для обозначения элементов машиностроительных конструкций, состоящих из достаточно прочно соединенных в одно тело нескольких материалов. Если кусок готового композита используется для создания некоторой детали, то эту деталь можно назвать деталью из композита. Прочное соединение (сваркой, склеиванием или иным способом) нескольких однородных элементов из разнородных материалов в одно изделие называют составной композитной деталью.

Существует особый вид композитных деталей, в которых параметры выбранной структуры, а возможно, и сама структура изменяются по объему изделия. Такие детали, если их удачно спроектировать, наиболее полно воплощают возможности композитов, реализуя в каждой малой части изделия именно те свойства, которые там необходимы. К изделиям такого рода в равной мере применимы определения материал и конструкция, причем оба термина должны пониматься в определенном единстве. Материал в данном случае сам является конструкцией из составляющих, но в то же время, изменяясь от точки к точке, образует конструкцию. Технология изготовления деталей такого рода обычно такова, что и материал, и вся деталь создаются одновременно. Такие изделия часто называют цельнокомпозитными конструкциями.

Поскольку при проектировании детали используются элементы математического анализа и механики сплошной среды, вводятся соответствующие идеальные объекты, заменяющие материалы и детали. Идеализацией композита становится однородная или неоднородная среда (чаще всего, сплошная), сохраняющая его свойства набором структурных и физических параметров. Свойства среды (тела) выявляются при испытаниях представительных (достаточно больших и находящихся в однородном напряженном состоянии)образцов материала, а затем постулируются заданием уравнений связи между напряжениями, деформациями и структурными параметрами (законом среды), а также условиями прочности и другими соотношениями. В частности, однородные тела соответствуют деталям из композита, кусочно-однородные – составным деталям и неоднородные в большом теле – цельнокомпозитным изделиям. Таким образом, деталь (изделие) являются воплощением идеализированной композитной среды в реальном материале, реализуемым с помощью некоторого технологического процесса. В отчете по выполненным лабораторным работам следует конкретизировать тип соответствующего композитного изделия (детали).

 Принципиальная особенность технологии КМ заключается в том, что два вещества с контролируемыми свойствами, наделяемые различными функциями в конструируемом материале и поэтому называемые специальными терминами, - матрица и наполнитель, - изготавливаются раздельно, сертифицируются, а затем совмещаются. Раздельно изготовленные полуфабрикаты (компоненты КМ) имеют различный химический состав, различные геометрические формы и могут находиться в различном фазовом состоянии. Композиционным материалом выбираемые компоненты КМ становятся после совмещения, т.е. сборки компонентов по определенной схеме, их компактирования и монолитизации. Только в таком состоянии компоненты КМ становятся фазами нового материала, способными к совместному действию в различных условиях нагружения изделия.

На уровне микроструктуры композиты состоят из двух или более веществ (компонентов), имеющих различное строение. Механические и физические свойства веществ прежде всего определяются их химической природой (керамика, металл, полимер) и структурой. Механические и технологические свойства наполнителей в значительной степени зависят и от геометрической формы, в которой эти материалы будут использованы в композите (волокно малого или большого диаметра, частица, произвольная форма).

На макроуровне, используя технологические возможности наполнителя и матрицы и нередко предварительно создавая некие “строительные блоки” (препреги, шпоны, преформы, каркасы и т. д.), разработчики композиционных конструкций целенаправленно формируют в изделии новые уровни структуры, которые требуют контроля и анализа. В результате различные типы композитов в пределах представительного элемента объема являются материалами с различным геометрическим расположением наполнителя: от беспорядочного до строго регламентированного. Однако свойства изготавливаемого материала зависят не только от конструируемой структуры, выбора типа и количеств компонентов, но и от условий (технологии) их совмещения, удачный выбор которых может стать определяющим для качества проектируемых изделий.

Развитие ракетно-космических и авиационных техно­логий, начиная с60-х годов XX в., в значительной степе­ни связано с применением композиционных материалов. Их внедрение началось с изготовления композитного корпуса и теплозащиты ракетных двигателей на твер­дом топливе (РДТТ). Позднее композиты стали исполь­зоваться для изготовления элементов конструкции со­плового тракта РДТТ - вкладыша критического сечения и выходного раструба Одновременно с ракетной тех­никой началось внедрение композиционных материалов и в авиации. Еще недавно из композитов конструкционного назначе­ния изготовляют элементы конструкции крыла, фюзе­ляжа, внутреннего интерьера самолетов.Сегодня весь планер гражданского самолета – это композитное изделие.

К настоящему времени объем использования ком­позиционных материалов в некоторых изделиях отечественной авиа­космической техники достигает 80%. За рубежом – 100%. Примеры использования смотри в книге Ю.С.Елисеева и др. «Неметаллические КМ в элементах конструкций и производстве авиационных газотурбинных двигателей» и впрезентации «применение ММК»

Композиционные материалы, появление которых было вызвано принципиально новым уровнем требо­ваний, предъявляемым к разрабатываемым конструк­циям, в свою очередь открыли возможность развития качественно новых конструкторско-технологических решений (КТР).