فهرستی از نقاط حساس تحقیقاتی در مواد کامپوزیتی پیشرفته هوافضا

مواد مرکب و فلزات، پلیمرها و سرامیک ها چهار ماده اصلی نامیده می شوند. امروزه سطح صنعت مواد کامپوزیت یک کشور یا منطقه به یکی از شاخص های سنجش قدرت تکنولوژیکی و اقتصادی آن تبدیل شده است. مواد کامپوزیتی پیشرفته منبع مزیت رقابتی برای امنیت ملی و اقتصاد ملی هستند. در میان آنها، رزین های اپوکسی، رزین های واکنش پذیر عالی هستند. در زمینه مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف، رزین های اپوکسی نقش زیادی دارند. با الیاف با کارایی بالا فیبر کربن مبتنی بر PAN، الیاف شیشه S یا E، الیاف آرامید، الیاف پلی اتیلن و فیبر بازالت ترکیب شده است و به یک ماده ماتریس مهم و ماده ساختاری غیرقابل جایگزین تبدیل می شود که به طور گسترده در برق الکترونیک استفاده می شود. هوافضا، تجهیزات ورزشی، تقویت ساختمان، خطوط لوله تحت فشار، ضد خوردگی شیمیایی و شش زمینه دیگر. این مقاله بر وضعیت داخلی و خارجی کامپوزیت‌های ماتریس رزین پیشرفته هوافضا و مشکلات و جهت‌هایی که چین در حال مطالعه است تمرکز دارد.

الیاف تقویت کننده مورد استفاده در مواد کامپوزیت

مقایسه عملکرد مواد الیافی مختلف مورد استفاده در مواد کامپوزیتی در جدول 1 نشان داده شده است. خواص برخی از مواد مقایسه شده است. از جدول 1 می توان دریافت که استحکام ویژه و مدول ویژه الیاف شیشه به تنهایی در مقایسه با مواد فلزی به ترتیب 540 درصد و 31 درصد افزایش یافته است و بهبود فیبر کربن حتی از آن چشمگیرتر است. بر اساس گزارش های ادبیات، قدرت نظری گرافیت تک بلوری که از انرژی پیوند و چگالی پیوند محاسبه می شود تا 150 گیگا پاسکال است. بنابراین، پتانسیل توسعه بیشتر فیبر کربن بسیار زیاد است. هدف کوتاه مدت شرکت Toray ژاپن ایجاد استحکام کششی فیبر کربن 8.5GPa، مدول 730GPa است. نیازی به گفتن نیست که فیبر کربن همچنان ماده اصلی برای محفظه ها و نازل های موتور موشک جامد در آینده خواهد بود.

توسعه کاربردهای دیگر کامپوزیت‌های فیبر کربن بسیار امیدوارکننده است، مانند سیستم‌های ترمز هواپیما و قطارهای پرسرعت، سازه‌های کامپوزیت هواپیماهای غیرنظامی و خودرو، بلبرینگ‌های فیبر کربنی با کارایی بالا، تیغه‌های بزرگ برای توربین‌های بادی، تجهیزات ورزشی (مانند اسکی). راکت، چوب ماهیگیری) و غیره. با گسترش مقیاس تولید الیاف کربن و کاهش تدریجی هزینه های تولید، کاربرد فیبر کربن در بتن مسلح، دستگاه های گرمایشی جدید، مواد الکترود جدید و حتی نیازهای روزانه نیز به سرعت گسترش خواهد یافت. به منظور همکاری با بازی های المپیک پکن، کشور من قصد دارد به شدت مصالح ساختمانی جدید CFRP و بازارهای جدید CFRP با فناوری پیشرفته مرتبط با حفاظت از محیط زیست و کالاهای مصرفی را توسعه دهد.

فیبر کربن یک ماده با استحکام بالا و مدول بالا است. در تئوری، اکثر الیاف آلی را می توان به الیاف کربن تبدیل کرد. سه نوع اصلی از الیاف آلی وجود دارد که در واقع به عنوان مواد خام برای الیاف کربن استفاده می شود: الیاف ویسکوز، فیبر پیچ و فیبر پلی اکریلونیتریل. بیشتر الیاف کربن مورد استفاده در قطعات ساختاری موتور موشک جامد فعلی از الیاف پلی اکریلونیتریل ساخته شده است.

کامپوزیت های ماتریکس رزین هوافضا

بر اساس اطلاعات مربوطه، هر 1 کیلوگرم از جرم فضاپیما می تواند وزن پرتابگر را 500 کیلوگرم کاهش دهد و هزینه پرتاب ماهواره ده ها میلیون دلار است. ضریب هزینه بالا باعث می شود مصالح ساختاری وزن سبک و کارایی بالایی داشته باشند. پوشش موتور جامد مبتنی بر اپوکسی ساخته شده توسط فرآیند سیم پیچی رشته ای در برابر خوردگی، دمای بالا و تشعشع مقاوم است و دارای چگالی کم، استحکام خوب، استحکام بالا و اندازه پایدار است. به عنوان مثال، کلاهک های موشکی و پرکننده های ماهواره، مواد مقاوم در برابر حرارت برای فضاپیماها، و بسترهای آرایه سلول های خورشیدی همگی از مواد تقویت شده با فیبر مبتنی بر اپوکسی و اپوکسی فنولیک ساخته شده اند. برای در نظر گرفتن پرواز هوافضا و ایمنی آن، به عنوان یک ماده ساختاری، باید وزن سبک، استحکام بالا، قابلیت اطمینان و پایداری بالا داشته باشد و مواد کامپوزیت فیبر کربن اپوکسی به یک ماده ضروری تبدیل شده است.

مواد تقویت‌کننده مورد استفاده در کامپوزیت‌های اپوکسی با کارایی بالا، عمدتاً الیاف کربن (CF) و الیاف هیبریدی CF و الیاف آرامید (K-49) یا الیاف شیشه با مقاومت بالا (S-GF) هستند. رزین اپوکسی مورد استفاده به عنوان ماده ماتریس حدود 90 درصد از رزین کامپوزیت با کارایی بالا را تشکیل می دهد. فرآیند قالب‌گیری مواد کامپوزیتی با کارایی بالا عمدتاً از چیدمان خشک پیش‌آغشته یک‌طرفه و پخت و قالب‌گیری اتوکلاو استفاده می‌کند. کامپوزیت های اپوکسی با کارایی بالا به طور گسترده در هواپیماهای مختلف استفاده شده است. با در نظر گرفتن ایالات متحده به عنوان مثال، در دهه 1960، مواد کامپوزیت بور/اپوکسی برای پوست هواپیما و سطوح عملیاتی استفاده شد. به دلیل هزینه بالای الیاف بور، کامپوزیت های کربن/اپوکسی در دهه 1970 به کامپوزیت های کربن/اپوکسی تبدیل شدند و به سرعت توسعه یافتند. تقریباً می توان آن را به سه مرحله تقسیم کرد. مرحله اول بر روی قطعات با نیروی کمی اعمال می شود، مانند سطوح مختلف کنترل، سطوح سکان، اسپویلرها، ایلرون ها، فلپ ها، صفحات درگ، درهای ارابه فرود، پوشش موتور و سایر سازه های ثانویه. مرحله دوم برای قطعات سازه ای با بار زیاد مانند تثبیت کننده ها، دم های افقی تمام حرکتی و بال های سازه ای باربر اصلی اعمال می شود. مرحله سوم برای سازه های پیچیده تحت تنش مانند بدنه، جعبه بال مرکزی و غیره اعمال می شود. به طور کلی کاهش وزن می تواند بین 20 تا 30 درصد باشد. در حال حاضر میزان مواد کامپوزیتی در هواپیماهای نظامی به حدود 25 درصد وزن سازه رسیده است که 80 درصد از سطح بدنه را تشکیل می دهد. نمونه های کاربردی زیادی از مواد کامپوزیت اپوکسی با کارایی بالا در هواپیماهای نظامی و غیرنظامی خارجی وجود دارد.

علاوه بر مواد کامپوزیت فرسایشی در صنعت هوافضا، مواد کامپوزیتی با کارایی بالا نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان مثال، پس از پذیرش C/EP، مخروط کابین ابزار موشک Trident می تواند وزن را بین 25 تا 30 درصد کاهش دهد و حدود 50 درصد در نیروی کار صرفه جویی کند. همچنین به عنوان تکیه گاه ابزار و 55 بخش ساختاری کمکی مانند پشتیبانی ژیروسکوپ، حلقه پشتیبانی سیلندر پرتاب، پشتیبانی غلتک پرتاب، پشتیبانی داخلی دستگاه اینرسی و پشتیبانی باتری در موشک ترایدنت استفاده می شود. به دلیل کاهش وزن، برد 342 کیلومتر افزایش یافته است. سپرها و بین مراحل راکت های دلتا نیز توسط C/EP ساخته می شوند. آنتن‌ها، براکت‌های آنتن، قاب سلول‌های خورشیدی و فیلترهای مایکروویو در ماهواره‌ها و هواپیماهای آمریکایی همگی توسط C/EP تولید می‌شوند. C/EP برای ساخت ساختار پشتیبانی آنتن و ساختار فضایی بزرگ در Intelsat V استفاده می‌شود. فضاپیمای Air Voyager از K{6}}/EP برای بازتابنده‌های فرعی آنتن و پوسته‌های داخلی و خارجی ساختار ساندویچی لانه زنبوری استفاده می‌کند. شاتل فضایی از مواد کامپوزیت لانه زنبوری C/EP Nomex برای ساخت دریچه های بزرگ، پانل های ساختاری کابین C/EP و غیره استفاده می کند.