В материаловедении передовые композитные материалы ( ACM ) — это материалы , которые обычно характеризуются необычно высокопрочными волокнами с необычно высокой жесткостью или модулем упругости по сравнению с другими материалами, при этом они связаны более слабыми матрицами . Их называют «передовыми композитными материалами» по сравнению с композитными материалами, которые обычно используются, такими как железобетон или даже сам бетон . Высокопрочные волокна также имеют низкую плотность , занимая большую часть объема .
Современные композиты демонстрируют желаемые физические и химические свойства , которые включают малый вес в сочетании с высокой жесткостью ( эластичностью ) и прочностью вдоль направления армирующего волокна, размерную стабильность, температурную и химическую стойкость, гибкость и относительно легкую обработку. Современные композиты заменяют металлические компоненты во многих областях применения, особенно в аэрокосмической промышленности .
Композиты классифицируются в соответствии с их фазой матрицы . Эти классификации включают полимерные матричные композиты (ПМК) , керамические матричные композиты (КМК) и металлические матричные композиты (ММК). Кроме того, материалы в этих категориях часто называют «продвинутыми», если они сочетают в себе свойства высоких (осевых, продольных ) прочностных показателей и высоких ( осевых , продольных) показателей жесткости с малым весом, коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими свойствами.
Современные композитные материалы имеют широкое, проверенное применение в секторах авиации , космонавтики и спортивного оборудования . А если говорить точнее, ACM очень привлекательны для деталей конструкций самолетов и космонавтов. ACM разрабатывались для Программы перспективных космических перевозок NASA , броневой защиты для армейской авиации и Федерального управления гражданской авиации США, а также высокотемпературных валов для вертолета Comanche . Кроме того, ACM имеют многолетнюю историю в военной и правительственной аэрокосмической промышленности . Однако большая часть технологий является новой и официально не представлена в средних или высших учебных заведениях , а технология производства современных композитов постоянно развивается. [1] [2] [3]
Производство ACM — это многомиллиардная индустрия по всему миру. Композитные изделия варьируются от скейтбордов до компонентов космического челнока . Отрасль можно в целом разделить на два основных сегмента: промышленные композиты и передовые композиты. Некоторые из процессов производства композитов являются общими для обоих сегментов. Два основных сегмента описаны ниже. [1] [2]
Промышленная композитная промышленность существует в США уже более 40 лет. Эта крупная отрасль использует различные смоляные системы, включая полиэфирные , эпоксидные и другие специальные смолы. Эти материалы вместе с катализатором или отвердителем и некоторым типом армирования волокнами (обычно стекловолокном) используются в производстве широкого спектра промышленных компонентов и потребительских товаров: лодок, трубопроводов, автомобильных кузовов и множества других деталей и компонентов. [1] [2]
Для отрасли передовых композитов или промышленности передовых композитных материалов характерно использование дорогих, высокопроизводительных смоляных систем и высокопрочного, высокожесткого армирования волокнами. Аэрокосмическая промышленность, включая военные и коммерческие самолеты всех типов, является основным потребителем передовых композитов. Эти материалы также были приняты для использования поставщиками спортивных товаров , которые продают высокопроизводительное оборудование для рынков гольфа , тенниса , рыбалки и стрельбы из лука ; [1] [2] [3] а также в индустрии бассейнов с композитными стеновыми конструкциями. [4]
В то время как аэрокосмическая отрасль является сегодня преобладающим рынком для передовых композитов, промышленные и автомобильные рынки будут все чаще видеть использование передовых композитов к 2000 году (сейчас 2024 год, это устарело). В настоящее время для изготовления передовых композитных деталей используются как ручные, так и автоматизированные процессы. По мере того, как автоматизированные процессы становятся все более преобладающими, ожидается, что стоимость передовых композитов снизится до точки, когда эти материалы будут широко использоваться в электронике, машиностроении и наземном транспортном оборудовании.
Поставщики современных композитных материалов, как правило, являются крупными компаниями, способными проводить исследования и разработки, необходимые для обеспечения высокопроизводительных смоляных систем, используемых в этом сегменте промышленности. Конечные пользователи также, как правило, являются крупными, и многие из них находятся в авиационном и аэрокосмическом бизнесе. [1] [2] [3]
Несмотря на свою прочность и малый вес, композиты не стали чудодейственным решением для конструкций самолетов. Композиты обычно трудно проверять на наличие дефектов. Некоторые из них впитывают влагу. Самое главное, они могут быть непомерно дорогими, в первую очередь потому, что они трудоемки и часто требуют сложных и дорогих производственных машин. Алюминий, напротив, легко и недорого производить и ремонтировать, например, при незначительном столкновении алюминиевый компонент часто можно вернуть в его первоначальную форму, тогда как сломанный компонент из стекловолокна, скорее всего, придется полностью заменить. [5]
Алюминий имеет относительно высокую вязкость разрушения, что позволяет ему подвергаться большим объемам пластической деформации перед разрушением. Композиты, с другой стороны, менее устойчивы к повреждениям и подвергаются гораздо меньшей пластической деформации перед разрушением. Самолет, полностью сделанный из алюминия, можно отремонтировать практически где угодно. Это не относится к композитным материалам, особенно потому, что они используют другие и более экзотические материалы. Из-за этого композиты, вероятно, всегда будут больше использоваться в военных самолетах, которые постоянно обслуживаются, чем в коммерческих самолетах, которые должны требовать меньше обслуживания. [5] Алюминий по-прежнему остается чрезвычайно полезным материалом для конструкций самолетов, и металлурги упорно трудились над разработкой лучших алюминиевых сплавов, например, алюминиево-литиевых сплавов .
В данной статье использованы общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Управления по охране труда и технике безопасности . В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства .