Inventario dei punti caldi di ricerca nei materiali compositi avanzati aerospaziali
Materiali compositi e metalli, polimeri e ceramiche sono chiamati i quattro materiali principali. Oggi, il livello dell'industria dei materiali compositi di un paese o di una regione è diventato uno degli indicatori per misurare la sua forza tecnologica ed economica. I materiali compositi avanzati sono una fonte di vantaggio competitivo per la sicurezza nazionale e l'economia nazionale. Tra questi, le resine epossidiche sono eccellenti resine polimerizzabili per reazione. Nel campo dei materiali compositi rinforzati con fibre, le resine epossidiche svolgono un ruolo importante. È composto da fibra ad alte prestazioni a base di fibra pan, fibra di vetro S o E, fibra aramidica, fibra di polietilene e fibra di basalto, e diventa un materiale a matrice e materiale strutturale insostituibile importante, che è ampiamente utilizzato in energia elettronica, aerospaziale, attrezzature sportive, rinforzo di edifici, tubazioni a pressione, anticorrosione chimica e altri sei campi. Questo documento si concentra sullo stato nazionale ed estero dei compositi a matrice di resina avanzata aerospaziale e sui problemi e le direzioni che la Cina sta studiando.
Fibre di rinforzo utilizzate nei materiali compositi
Il confronto delle prestazioni di vari materiali in fibra utilizzati nei materiali compositi è mostrato nella Tabella 1. Sono state confrontate le proprietà di alcuni materiali. Si può vedere dalla Tabella 1 che la resistenza specifica e il modulo specifico della sola fibra di vetro sono aumentati rispettivamente del 540% e del 31% rispetto ai materiali metallici e il miglioramento della fibra di carbonio è ancora più significativo. Secondo i rapporti della letteratura, la forza teorica della grafite a cristallo singolo calcolata dall'energia di legame e dalla densità di legame è pari a 150 GPa. Pertanto, l'ulteriore potenziale di sviluppo della fibra di carbonio è molto enorme. L'obiettivo a breve termine della giapponese Toray Company è quello di rendere la resistenza alla trazione della fibra di carbonio di 8,5 GPa, modulo 730 GPa. Inutile dire che la fibra di carbonio sarà ancora il materiale principale per gli involucri e gli ugelli dei motori a razzo solido in futuro.
Lo sviluppo di altre applicazioni dei compositi in fibra di carbonio è molto promettente, come i sistemi di frenatura di aeromobili e treni ad alta velocità, gli aeromobili civili e le strutture composite automobilistiche, i cuscinetti in fibra di carbonio ad alte prestazioni, le grandi pale per turbine eoliche, le attrezzature sportive (come sci, racchette, canne da pesca), ecc. Con l'espansione della scala di produzione della fibra di carbonio e il graduale calo dei costi di produzione, anche l'applicazione della fibra di carbonio nel cemento armato, nuovi dispositivi di riscaldamento, nuovi materiali per elettrodi e persino le necessità quotidiane si espanderanno rapidamente. Al fine di cooperare con i Giochi olimpici di Pechino, il mio paese prevede di sviluppare vigorosamente nuovi materiali da costruzione CFRP e nuovi mercati CFRP ad alta tecnologia relativi alla protezione ambientale e ai beni di consumo.
La fibra di carbonio è un materiale ad alta resistenza e ad alto modulo. In teoria, la maggior parte delle fibre organiche può essere trasformata in fibre di carbonio. Esistono tre tipi principali di fibre organiche che vengono effettivamente utilizzate come materie prime per le fibre di carbonio: fibra di viscosa, fibra di pece e fibra poliacrilonitrile. La maggior parte delle fibre di carbonio utilizzate nelle attuali parti strutturali del motore a razzo solido sono realizzate in fibre di poliacrilonitrile.
Compositi a matrice di resina aerospaziale
Secondo i dati pertinenti, ogni 1 chilogrammo della massa del veicolo spaziale può ridurre il peso del veicolo di lancio di 500 chilogrammi e il costo di un lancio satellitare è di decine di milioni di dollari. L'elevato fattore di costo rende i materiali strutturali leggeri e performanti. Il coperchio del motore solido a base epossidica prodotto dal processo di avvolgimento del filamento è resistente alla corrosione, alle alte temperature e alle radiazioni e ha bassa densità, buona rigidità, elevata resistenza e dimensioni stabili. Ad esempio, le testate missilistiche e le carenature dei satelliti, i materiali resistenti al calore per veicoli spaziali e i substrati degli array di celle solari sono tutti realizzati con materiali rinforzati con fibre a base epossidica e epossi-fenolica. Per la considerazione del volo aerospaziale e della sua sicurezza, come materiale strutturale, dovrebbe avere leggerezza, alta resistenza, alta affidabilità e stabilità, e il materiale composito epossidico in fibra di carbonio è diventato un materiale indispensabile.
I materiali di rinforzo utilizzati nei compositi epossidici ad alte prestazioni sono principalmente fibre di carbonio (CF) e fibre ibride di fibre CF e aramidiche (K-49) o fibre di vetro ad alta resistenza (S-GF). La resina epossidica utilizzata come materiale della matrice rappresenta circa il 90% della resina composita ad alte prestazioni. Il processo di stampaggio di materiali compositi ad alte prestazioni adotta principalmente il layup a secco prepreg unidirezionale e la polimerizzazione e lo stampaggio in autoclave. I compositi epossidici ad alte prestazioni sono stati ampiamente utilizzati in vari aeromobili. Prendendo gli Stati Uniti come esempio, nel 1960, i materiali compositi di boro / epossidici sono stati utilizzati per le pelli degli aerei e le superfici operative. A causa dell'alto costo delle fibre di boro, i compositi di carbonio / epossidici sono stati trasformati in compositi di carbonio / epossidici nel 1970 e sviluppati rapidamente. Può essere approssimativamente diviso in tre fasi. Il primo stadio viene applicato a componenti con poca forza, come varie superfici di controllo, superfici del timone, spoiler, alettoni, flap, piastre di trascinamento, porte del carrello di atterraggio, coperture del motore e altre strutture secondarie. Il secondo stadio viene applicato a parti strutturali con grande carico, come stabilizzatori, code orizzontali full-motion e ali strutturali portanti principali. Il terzo stadio viene applicato a strutture complesse sollecitate, come fusoliera, scatola alare centrale, ecc. Generalmente, la perdita di peso può essere dal 20% al 30%. Allo stato attuale, la quantità di materiali compositi sugli aerei militari ha raggiunto circa il 25% del peso della struttura, rappresentando l'80% della superficie del corpo. Esistono molti esempi di applicazione di materiali compositi epossidici ad alte prestazioni in aerei militari e civili stranieri.
Oltre ai materiali compositi ablativi nell'industria aerospaziale, anche i materiali compositi ad alte prestazioni sono ampiamente utilizzati. Ad esempio, dopo aver adottato C / EP, il cono della cabina dello strumento del missile Trident può ridurre il peso dal 25% al 30% e risparmiare manodopera di circa il 50%. Viene anche utilizzato come supporto per strumenti e 55 parti strutturali ausiliarie come supporto giroscopico, anello di supporto del cilindro di espulsione, supporto del rullo di espulsione, supporto interno del dispositivo inerziale e supporto della batteria sul missile Trident. A causa della riduzione del peso, l'autonomia è aumentata di 342 km. Anche gli scudi e gli interstadi per i razzi Delta sono prodotti da C / EP. Le antenne, le staffe dell'antenna, i telai delle celle solari e i filtri a microonde sui satelliti e sugli aerei americani sono tutti prodotti da C / EP.C / EP viene utilizzato per realizzare la struttura di supporto dell'antenna e la grande struttura spaziale su Intelsat V. Il veicolo spaziale Air Voyager utilizza K-49 / EP per i sottoriflettori dell'antenna ad alto guadagno e le pelli interne ed esterne della struttura a sandwich a nido d'ape. Lo space shuttle utilizza materiali compositi Nomex a nido d'ape C / EP per realizzare grandi portelli, pannelli strutturali della cabina di coda C / EP, ecc.
