Trenutno su kompozitni materijali postali jedan od četiri glavna sustava materijala uz metalne materijale, polimerne materijale i anorganske ne-metalne materijale. Razina nacionalne industrije kompozitnih materijala postala je ključni pokazatelj njezine znanstvene, tehnološke i ekonomske snage. Napredni kompozitni materijali izvor su konkurentske prednosti za nacionalnu sigurnost i gospodarstvo. Predviđa se da će do 2020. samo kompozitni materijali imati potencijal za postizanje poboljšanja performansi od 20%-25%.
1. Primjena u strukturama trupa zrakoplova
Napredni kompozitni materijali koriste se za proizvodnju primarnih-nosivih konstrukcija i sekundarnih{1}}nosivih konstrukcija, nudeći krutost i čvrstoću usporedivu ili veću od onih od aluminijskih legura. Ovi se materijali sada naširoko primjenjuju u proizvodnji struktura trupa zrakoplova i integriranih struktura malih bespilotnih letjelica (UAV). Sjedinjene Države uvelike su usvojile kompozite u borbenim mlažnjacima i borbenim zrakoplovima. 1960-ih SAD je prvi upotrijebio plastiku ojačanu karbonskim vlaknima-(CFRP) u vojnim zrakoplovima za komponente kao što su vrata kabine, pristupne ploče, oplate i kontrolne površine (npr. krilca i kormila) s niskim ili zahtjevi za ne{11}}nosivost-. Do ranih 1980-ih, kompoziti su napredovali do komponenti repa kao što su vertikalni i horizontalni stabilizatori (sekundarne strukture koje nose-opterećenje), kao što se vidi u zrakoplovima kao što su F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 i Mirage 4000. Tijekom ove faze upotreba kompozita ostala je ograničena. kasnih 1980-ih, lovci četvrte generacije poput F-22 i F-35 JSF počeli su ugrađivati kompozite u glavne nosive strukture kao što su krila i trupovi, ubrzavajući integraciju kompozita u vojne zrakoplove. Upotreba kompozitnih materijala nastavila je rasti (Tablica 1-2), sada čine 20%–50% strukturne mase u modernim vojnim zrakoplovima.
Britanska tvrtka ICI koristila je GF/PA (vjerojatno poliamid ojačan staklenim vlaknima-) za proizvodnju ventila za borbene zrakoplove, osiguravajući da ti ventili zadrže performanse i stabilnost dimenzija čak i nakon dugotrajne izloženosti gorivu u širokom temperaturnom rasponu. Du Pont je također koristio materijale kao što su GF, KF/PA i PPS (polifenilen sulfid) za proizvodnju komponenti za vojne zrakoplove.
Uzimajući za primjer lovac četvrte{0}}generacije F/A-22, kompoziti čine 24,2% njegovih strukturnih materijala. Među njima, termoreaktivni kompoziti čine 23,8%, dok termoplastični kompoziti čine približno 0,4%. Oko 70% termoreaktivnih kompozita temelji se na bismaleimidnoj (BMI) smoli, koja se koristi za proizvodnju preko 200 vrsta složenih komponenti. Preostali termoreaktivni materijali prvenstveno se sastoje od kompozita-na bazi epoksidne smole, uz dodatnu upotrebu kompozita na bazi-termoplastične smole. Ključna područja primjene uključuju krila, obloge srednjeg dijela trupa, okvire i repne dijelove.
Vojni rotorcraft također u velikoj mjeri koristi kompozite. Na primjer, V-22 Osprey tiltrotor zrakoplov koristi kompozite za više od 40% svoje strukturne mase, uključujući trup, krila, rep i rotacijske mehanizme, ukupno više od 3000 kg kompozitnih materijala. Najnoviji europski jurišni helikopter Eurocopter Tiger ima kompozitne materijale u 80% svojih strukturnih komponenti, približavajući se potpuno kompozitnom okviru zrakoplova. Nasuprot tome, vojni transportni zrakoplovi koriste manje kompozita-C-17 na 8% i C-130J na samo 2%-iako Airbus A400M vojni transport uključuje potpuno kompozitno krilo, s kompozitima koji predstavljaju 35% njegove strukturne mase kada je prazan.
U civilnom zrakoplovstvu, ranih 1980-ih američki-sa-s jednim pilotom Star舟 laki zrakoplov imao je strukturnu masu od oko 1800 kg, s kompozitima većim od 1200 kg. Laki zrakoplov Voyager iz 1986., čija je struktura preko 90% napravljena od kompozita od ugljičnih vlakana, postavio je svjetski rekord u neprekinutom-prestajanju, devet-dnevnom neprekidnom-letu oko svijeta. Danas se pojačalo rivalstvo između zrakoplovnih divova Boeinga i Airbusa, s ključnim fokusom na povećanje upotrebe kompozitnih materijala (Slika 1-2).
Za proizvodnju prvog-kompozitnog trupa zrakoplova 787, Boeing je usvojio metodu postavljanja vlakana sličnu onoj koju koristi Raytheon. Proces je stvorio kompozitnu komponentu trupa duljine 7 metara i širine 6 metara. Ova je struktura proizvedena pomoću tehnologije Automatskog postavljanja vlakana (AFP) na masivnom rotirajućem trnu. Trn je bio prethodno-strojno izrađen s utorima koji su odgovarali obliku i dimenzijama stringera i dužina trupa. Unaprijed oblikovane uzice i grede (napravljene od slojeva prepreg karbonskih vlakana i -očvrsnute pod pritiskom) postavljene su u te utore prije namotavanja. Tijekom proizvodnje, trn se okretao duž svoje osi, dopuštajući kontinuirano namotavanje vlakana na kalup kako bi se formirala oplata trupa, s otvorima prozora koji su ostali nepostavljeni. Oklop trupa, zajedno s gredama i uzicama, zatim je -osušen u autoklavu kako bi se stvorio monolitni kompozitni dio trupa, koji je kasnije izvađen iz kalupa kao konačni proizvod.
Kompozitni dio trupa Boeinga 787 nije samo najveća svjetska komponenta trupa-namotana od filamenta, već je također prepoznata kao najveća tlačna posuda od karbonskih vlakana ikada proizvedena. Iznimna vlačna čvrstoća kompozitnog materijala omogućuje mu da izdrži viši pritisak u kabini, održavajući unutarnji tlak ekvivalentan visini od 6000 stopa (1830 metara)-u usporedbi s tipičnim 7000–9000 stopa u konvencionalnim zrakoplovima-značajno poboljšavajući udobnost putnika. Osim toga, kompoziti su otporni na koroziju (glavna slabost metalnih konstrukcija zrakoplova), dopuštajući da vlažnost u kabini ostane stabilna na 10–15% (u odnosu na 5–10% u metalnim trupovima), dodatno povećavajući udobnost.
Pod sve većim utjecajem kompozitne tehnologije, Airbus je potpuno redizajnirao A-350, preimenujući ga u A-350 XWB (Extra Wide Body). Zrakoplov je povećao upotrebu kompozitnog materijala s izvornih 40% na 52%. Trup zrakoplova A-350 XWB je 13 cm širi od 787, što omogućuje konfiguraciju 9 sjedala u ravnini u rasporedu visoke gustoće (u usporedbi s maksimalnim 8 sjedala u 787). Kao i 787, A-350 XWB će održavati tlak u kabini na visini ekvivalentnoj 6000 stopa.
14. lipnja 2013. Airbus je uspješno izveo prvi let svog novog -širokotrupnog zrakoplova A350 XWB, obilježavajući još jednu prekretnicu u globalnoj zrakoplovnoj industriji nakon Boeingovog B-787 "Dreamliner". A350 XWB i B-787 koriste 52% odnosno 50% kompozitnih materijala, što označava novu eru u razvoju kompozita u zrakoplovstvu.
555-seat A-380, najveći zrakoplov na svijetu, postigao je revolucionarne pothvate u povijesti zrakoplovstva opsežnom upotrebom plastike ojačane ugljičnim vlaknima (CFRP). Kompozitni materijali čine 25% mase zrakoplova, s 22% CFRP-om i 3% GLARE fiber-metal laminate (slojeviti hibrid aluminijskih i staklenih vlakana kompozita), koji se prvi put koristi u civilnim zrakoplovima. Komponente od CFRP-a uključuju: kočnice za brzinu, vertikalne i horizontalne stabilizatore (koji služe i kao spremnici goriva), dizala, krilca, spojlere zakrilaca, vrata stajnog trapa, obloge, vertikalne kutije repnih peraja, gornje podne grede kabine, stražnje tlačne pregrade, stražnje dijelove trupa, horizontalne stabilizatore i krilca.
Nakon pionirskog korištenja ugljičnih vlakana za gredu kobilice i kompozitnih stražnjih tlačnih pregrada u A-340-razbijanju tradicionalnih dizajnerskih barijera-A-380 dodatno je izazvao inženjerske norme usvajanjem CFRP-a za svoju središnju kutiju krila (koja povezuje krila s trupom). Sama ova inovacija smanjila je težinu za 1,5 metričkih tona u usporedbi s naprednim aluminijskim legurama. Ušteda mase CFRP-a, u kombinaciji s otpornošću na zamor i koroziju, poboljšala je učinkovitost goriva za 13% u odnosu na konkurentske modele i smanjila emisije. A-380 je postao prvi dugolinijski zrakoplov koji je postigao ispod 3 litre goriva po putniku na 100 km, s operativnim troškovima 15-20% nižim od najučinkovitijih zrakoplova svog vremena.
Dassault Aviation poslovni mlažnjak Falcon 7X, koji može krstariti na 12.000 metara s maksimalnom brzinom od 0,8 Macha, prima 8 putnika i može se pohvaliti doletom od 10.560 km (5.700 nautičkih milja). Raytheonov laki mlažnjak Beechcraft Premier 1 postiže brzinu krstarenja od 835 km/h s dometom od 2759 km-oba imaju napredne sve-kompozitne trupe.
Novi japanski transportni zrakoplov, ALELEX, također uključuje značajne kompozite od karbonskih vlakana.
Kina je također intenzivno koristila kompozitne materijale u dizajnu i proizvodnji zrakoplova. Na primjer, QY8911/HT3 jednosmjerni prepreg od ugljičnih vlakana i kompozitni materijal razvijen i proizveden od strane Pekinškog instituta za istraživanje tehnologije zrakoplovne proizvodnje primijenjen je na komponente kao što su prednji dio trupa, vertikalni repni stabilizator, vanjske ploče krila, spojleri i aerodinamični oplate zrakoplova. Jednosmjerni prepreg i kompozitni materijal od termoplastične smole PEEK/AS4C od ugljičnih vlakana razvijen od strane Pekinškog instituta za zrakoplovne materijale pokazuju iznimnu otpornost na lom, otpornost na vodu, otpornost na starenje, otpornost na plamen i otpornost na zamor. Prikladni za proizvodnju primarnih{6}}nosivih konstrukcija zrakoplova, ovi materijali mogu dugotrajno funkcionirati-na 120 stupnjeva i korišteni su u prednjim oblogama odjeljaka za stajne trapove zrakoplova.
Kineski vojni zrakoplov "Flying Leopard", koji uključuje značajne kompozitne komponente od karbonskih vlakana, ima ukupnu duljinu od približno 22,3 metra, raspon krila od 12,7 metara, maksimalnu težinu pri polijetanju od 28,4 tone, maksimalni vanjski kapacitet nosivosti od 6,5 tona, maksimalnu brzinu od 1,70 Macha i dolet trajekta od oko 3600 kilometara. S borbenim sposobnostima koje nadmašuju one Jaguara, Tornada i Su-24 zrakoplova, Flying Leopard pokazuje karakteristike u skladu s borbenim zrakoplovima treće generacije.
2. Primjena kompozitnih materijala u Stealth zrakoplovima
Posljednjih desetljeća postignut je značajan napredak u istraživanju nevidljivih kompozitnih materijala, koji se razvijaju prema karakteristikama "tankoće, lakoće, širokopojasne (spektralne) apsorpcije i čvrstoće (otpornost na udarce, otpornost na visoke-temperature)." Kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima-nisu samo lagani i visoko{3}}čvrsti strukturni materijali, već također posjeduju kritičnu stealth funkcionalnost. Na primjer, CF/PEEK ili CF/PPS pokazuju izvrsne performanse širokopojasne apsorpcije, učinkovito apsorbirajući radarske valove. Sjedinjene Države bile su pionir u korištenju stealth materijala u zrakoplovima, s F-117 i F-22 koji su bili najjače presvučeni. Stealth premaz na F-117 bio je vrlo složen, sadržavao je do sedam različitih materijala.
Primarna struktura američkog F{3}}22 nadzvučnog borbenog aviona koristi srednje{4}}modul karbonskih vlakana-ojačanu specijalnu inženjersku plastiku. Slično tome, poklopci padobrana za usporavanje lovca Mirage III i komponente izbacivog sjedala izrađeni su od takvih materijala, koji su uspješno primijenjeni na dijelove-apsorpcije radara kao što su rebra zrakoplova, obloge, konektori i pričvršćivači. Kućište Tomahawk krstarećeg projektila, supstrat konstrukcije zrakoplova B-2 stealth bombardera i dijelovi F-117A stealth zrakoplova također koriste materijale koji apsorbiraju radar od polimera modificiranog karbonskim vlaknima.
Godine 2000, Zračne snage SAD-a nadogradile su stealth materijale za F-117, zamjenjujući izvorni sloj od sedam-sloja s jednim materijalom. Ova promjena standardizirala je postupke održavanja i-materijale koji apsorbiraju radar na svim F-117, smanjujući tehničke specifikacije za približno 50%. Nakon-nadogradnje, vrijeme održavanja po satu leta za F-117 smanjeno je za više od pola, a godišnji troškovi održavanja za svih 52 F-117s pali su sa 14,5 milijuna, 6,9 milijuna. Za razliku od F-117, F-22 izbjegava premaze koji apsorbiraju radar na cijelom tijelu, ali primjenjuje feritne premaze za apsorbiranje radara na sve unutarnje i vanjske metalne komponente. Ovaj premaz je izdržljiv, otporan na habanje i lakši za nanošenje u usporedbi sa sustavom F-117.
Stručnjaci predviđaju da će do 30-ih napredni kompoziti kao što su vodljivi polimerni elektrokromni materijali, hibridni poluvodički materijali, nanokompoziti i inteligentne stealth tehnologije biti praktično implementirani u zrakoplove. Ove inovacije mogle bi iz temelja transformirati sustave avionike i metodologije kontrole zrakoplova.
Izvor:Zrakoplovni kompozitni materijali i njihova mehanička analizaHaitao Cui i Zhigang Sun (ur.)