Алдын ала пропитацияланған көміртекті талшық: жоғары деңгейлі инженерлік қолданыстар үшін таңдалған материал

Алдын ала ылғалданған көміртегі талшығы дегеніміз не?

Қарапайым түрде айтқанда, препрег — бұл көміртегі талшығының «жартылай дайын өнімі». Ол көміртегі талшығының жіпшелерінен және оларды біріктіретін полимер қоспасынан тұрады. Түсіндіру үшін: көміртегі талшығы — «арматура» ретінде беріктік пен қаттылық қамтамасыз етеді; ал полимер — «цемент» ретінде талшықтарды біріктіреді, күштерді таратады және қорғаныс қамтамасыз етеді. Полимер өнімнің салмағының шамамен 30 пайызын ғана құрайды, бірақ соңғы өнімнің беріктігін, температураға төзімділігін және отқа төзімділік деңгейін тікелей анықтайды.

Бұл «мата» әдетте 0,1 миллиметр қалыңдықта, яғни А4 форматындағы қағаз парағындай. Дегенмен, әртүрлі бағытта бірнеше қабат (кейде 300-ден астам) қойылған осы өте жұқа препрег әуе кемесінің қанаттары мен фюзеляждары сияқты маңызды конструкциялық бөлшектерге «қорғаныс» қабатын құрайды.

Жеңіл: алюминий қорытпасынан жеңіл, бірақ болаттан берік

Karbon tellerinin prepregterinin ең басты артықшылығы — олардың өте жоғары меншікті беріктігі мен меншікті модулі. Зерттеу деректері олардың тығыздығы болаттың бестен біріне, ал алюминий қорытпаларының жартысына тең екенін көрсетеді; ал олардың созылу беріктігі шамамен 990 МПа, созылу модулі шамамен 87 ГПа құрайды; олардың меншікті беріктігі болаттың меншікті беріктігінен 2,2 еседен астам болуы мүмкін.

Бұл құрылымның беріктігін сақтай отырып, оның салмағын әлдеқайда азайтуға болатынын білдіреді. Аэрокосмоста фюзеляждар мен қанаттар сияқты бөлшектерді шығару үшін көміртегі талшықты прегрелерді пайдалану салмақты 30 пайыздан асады. AG600 «Kunlong» сияқты су-ауа ұшақтары үшін композитті бөлшектерден туындайтын салмақтың азаюы бес немесе алты адамның салмағына тең, бұл маневрлену қабілетін және отын тиімділігін әлдеқайда жақсартады. Жаңа энергия көздерінің көліктері саласында аккумулятор қораптарын шығару үшін T800 деңгейіндегі көміртегі талшықты прегрелерді пайдалану да салмақты 30–50 пайызға азайтады.

Жоғары беріктік пен жоғары төзімділік: «Қаттылық пен икемділікті үйлестіру» жұмбағын шешу

Аэроғарыш саласы сияқты жоғары деңгейлі салаларды жеңу үшін тек қана салмақты азайту жеткіліксіз. Препрег технологиясы шынымен жеңген негізгі қиындық — материалдың созылу беріктігі мен соққыға төзімділігін бір уақытта жақсарту.

Дәстүрлі көміртекті талшықты композиттер жиі «созылу мен сығылу қасиеттерінің сәйкессіздігі» деген тұйықталған жағдайға ұшырайды. Технологиялық жетістіктер арқылы жергілікті кәсіпорындар созылу беріктігін төмендетпей, сығылу беріктігінің созылу беріктігіне қатынасын 10 пайыздан асады, осылайша T800-деңгейлі көміртекті талшықты композиттердің механикалық қасиеттеріндегі кемшіліктерді тиімді жояды. Бұл технология Қытайдың өзіндік үлкен әуе кемелерінің негізгі бөлшектерін, мысалы, кабина есіктері мен артқы фюзеляж бөлігін шығаруға сәтті қолданылды.

Қаттылығын арттыру жағынан термопластикалық қаттылатуыштарды пайдалану және термопластикалық бөлшектердің қабатараралық таралуын дәл бақылау арқылы дайын қабатты материалдардың соңғы соққыдан кейінгі сығылу беріктігі (CAI) 280 МПа-дан асады, бұл құрылымның соққыдан кейінгі қауіпсіздік шегін әлдеқайда жақсартады.

Процессқа бейімделу қабілеті: Зертханадан массалық өндіріске көшу негізі

Дайын қабатты материалдар инженерлік қолданыста таңдалған негізгі материал болып табылады, себебі олардың өндіріс процестері жетілген және формалау опцияларының диапазоны үнемі кеңейіп келеді.

Дәстүрлі автоклавтық пішімдеу процестері ішкі сапаны өте жоғары деңгейде қамтамасыз етеді — кеуектілік 0,06 пайызын құрайды. Алайда, қазір автоклавтан тыс (OoA) алдын-ала ылғалданған материалдар технологиясының саны өсе түседі; пішімдеуден кейінгі кеуектілікті 0,11 пайызынан аспайтындай етіп реттеуге болады (бұл механикалық қасиеттердің нашарлауы басталатын сындық порогтан әлдеқайда төмен), сонымен қатар олар дәстүрлі автоклавтық процестермен қол жеткізілген механикалық қасиеттерден шамамен айырылмайды. Бұл өндіріс шығындары мен пішімдеу шектеулерін қатты төмендетеді және ұшақтарға арналған үлкен, жүктемеге төтеп беретін конструкциялық бөлшектерді шығаруға мүмкіндік береді.

Сол уақытта, массалық өндіріс талаптарын қанағаттандыру үшін жылдам қатаятын прегреп жүйелері пайда болды. Мысалы, Toray 3960-FC жүйесі шығарылған бастапқы жоғары беріктік пен жоғары тұрақтылық қасиеттерін сақтай отырып, қатаяту уақытын 45 пайызға дейін қысқартуға мүмкіндік береді. Бұл жүйе автоматтандырылған талшық орналастыру (AFP), автоматтандырылған лента жайғызу (ATL) және компрессиялық формалау сияқты әртүрлі автоматтандырылған процестерге үйлесімді, сондықтан келешектегі ұрпақ коммерциялық әуе кемелері мен алғашқы деңгейдегі әуе көлігі платформаларының жоғары өнімділікпен өндірілу талаптарын қанағаттандырады.

Болашақтағы қолданыстарға болжам

Қазірғы уақытта, қолданылуы көміртегі талшығының алдын-ала ылғалданған материалдарының қолданылу аясы әдеттегі салалардан — әуе-ғарыш және қорғаныс салаларынан — төменгі биіктіктегі экономика, жаңа энергия көздерін қолданатын көліктер, жел турбиналарының қанаттары мен тұтыну электроникасы сияқты нарықтарға тез кеңейіп келеді. Ішкі алдын-ала ылғалданған материалдар технологиясы әрі қарай дамып, олардың өндіріс шығындары үнемі төмендей түскен сайын бұл «жеңіл, жоғары беріктікті» қасиетке ие болатын жетілдірілген материал инженерлік қолданыстардың барлығында қажетті және қолданылуы міндетті шешімге айналады.