Nowoczesne materiały w lotnictwie

Preview
LMT
Reklama
Reklama

 

Materiałom używanym przy produkcji samolotów stawia się ponadprzeciętne wymagania. Muszą być one nie tylko mocne, ale również lekkie i odporne na ścieranie, a wszystko po to aby zmniejszyć masę samolotu oraz zminimalizować zużycie paliwa. Kluczową rolę odgrywa przy tym niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wyższy moduł sprężystości, wytrzymałość na pracę w skrajnych warunkach temperaturowych oraz podwyższona odporność na działanie substancji chemicznych.

W nowoczesnym sprzęcie lotniczym coraz częściej stawia się na materiały kompozytowe takie jak np. włókna węglowe. Jeszcze do niedawna prawie 60-70% materiałów, które były stosowane przy budowie samolotów, stanowiło aluminium.

Reklama

Stopy i metale
Mówiąc o stopach i metalach stosowanych w lotnictwie, należy przede wszystkim wspomnieć o duraluminium przeznaczonym do obróbki plastycznej, czyli wieloskładnikowym stopie aluminium, miedzi (2,0-4,9%), magnezu (0,15-1,8%) oraz manganu (0,3-1,0%). Istotną rolę odgrywają przy tym domieszki krzemu i żelaza. Jakie są zatem zalety tego materiału? Przede wszystkim trzeba zwrócić uwagę na dobre właściwości mechaniczne przy relatywnie niewielkim ciężarze właściwym wynoszącym 2,8 g/cm3. Nie mniej ważny jest wysoki poziom odporności na korozję.
Ważną rolę w lotnictwie odgrywa aluminium, czyli glin o czystości technicznej zawierający w zależności od metody otrzymywania różne ilości zanieczyszczeń. W efekcie rafinacji elektrolitycznej otrzymuje się aluminium, które zawiera 99,95-99,955% Al.

Istotną cechą stopu aluminium jest mała gęstość, dobre własności mechaniczne, odporność na korozję oraz dobra przewodność cieplna. W praktyce zastosowanie znajdują stopy aluminiowe odlewnicze przeznaczone do odlewania w piasku i kokili oraz znajdujące zastosowanie w procesie przeróbki plastycznej w efekcie kucia, walcowania czy też przeciągania. Stopy aluminium to między innymi awional, duraluminium i silumin.

Awional jako stop aluminium przeznaczony jest do obróbki plastycznej. Jego skład bazuje na około 4% miedzi oraz niewielkich ilościach magnezu, manganu oraz siarki. Jest to jeden z podstawowych materiałów konstrukcyjnych stosowanych w przemyśle lotniczym. Warto zwrócić uwagę na silumin, czyli stop odlewniczy cechujący się dobrą lejnością oraz odpornością na korozję. Jego skład przewiduje około 87% glinu i 12% krzemu z domieszkami miedzi, magnezu, manganu oraz niklu.

Reklama

Kompozyty
Nowoczesne konstrukcje samolotów nie obejdą się bez kompozytów. Za najpopularniejszy materiał w tym zakresie uznawany jest kompozyt szklano-epoksydowy, bazujący na żywicach epoksydowych zbrojonych włóknem szklanym. Oprócz włókien szklanych, zastosowanie znajdują także włókna węglowe, włókna aramidowe i kewlar.

W lotnictwie używa się kilku rodzajów kompozytów. I tak też warto zwrócić uwagę na kompozyty w osnowie ceramicznej CMC (ceramic matrix composites). Zazwyczaj są to kompozyty o kruchej osnowie ceramicznej, jak np. tlenek glinu – korund Al czy też węglik krzemu. To właśnie w tych materiałach uzyskano wzrost wytrzymałości i odporność na kruche pękanie.

W przypadku kompozytu w osnowie ceramicznej CMC z azotku krzemu zdecydowany wzrost tych właściwości zyskuje się dzięki zbrojeniu węglikiem krzemu.

Jednak kompozyty o osnowie ceramicznej cechuje zdecydowanie więcej zalet. Przede wszystkim na uwagę zasługują dobre właściwości w zakresie odporności na utlenianie i korozję alkaliczną oraz niska stała dielektryczna. Warto przy tym wspomnieć o niskich kosztach wytwarzania oraz zdecydowanie większej trwałości w odniesieniu do materiałów, takich jak stale czy też stopy metali nieżelaznych.

Obecne zaawansowane rozwiązania techniczne pozwalają na budowanie samolotów wykonywanych wyłącznie z kompozytów polimerowych, ceramicznych i metalowych. Nieco rzadziej używa się stopów tytanowych oraz tworzyw sztucznych bazujących na żywicach epoksydowych i ceramicznych. Istotną rolę odgrywają materiały o charakterze pochłaniającym, ale elektromagnetycznym (RAM – radar absorbent material) przy powierzchni pokrytej farbą ferrytową.

Warto zwrócić uwagę na zastosowanie ceramicznych kompozytów metalowych z osnową w postaci faz międzymetalicznych. Trzeba przypomnieć, że fazę międzymetaliczną stanowi faza stała, gdzie sieć krystaliczna i własności są pośrednie pomiędzy roztworem stałym i związkiem chemicznym. Jako przykład fazy międzymetalicznej można wymienić cementyt, a więc węgiel występujący w stali w postaci węglika żelaza w fazie międzymetalicznej.

Poliamidy
Poliamidy to polimery o wiązaniach amidowych w swoich głównych łańcuchach. Materiały tego typu cechują się bardzo silną tendencją do krystalizacji, dodatkowo wzmacnianą wiązaniami wodorowymi między atomem tlenu i azotu z dwóch różnych grup amidowych. Tym sposobem poliamidy cechuje większa twardość i utrudnione topnienie w porównaniu z poliestrami. Jako zalety poliamidu należy wymienić przede wszystkim wysoką wytrzymałość mechaniczną, sztywność oraz twardość. Ważna jest wysoka wytrzymałość zmęczeniowa, zdolność tłumienia drgań, dobre właściwości w zakresie ślizgania oraz znaczna odporność na ścieranie. Nie bez znaczenia jest wysoki poziom właściwości elektroizolacyjnych. Materiały poliamidowe cechuje również odporność na działanie promieniowania wysokoenergetycznego oraz dobra obrabialność. Zwraca się jednak uwagę na wysoką chłonność wody, a co za tym idzie, niską stabilność wymiarową.

W praktyce zastosowanie znajduje kilka rodzajów poliamidu. I tak też ERTALON 6 SA (kolor naturalny biały/czarny) cechuje połączenie właściwości takich, jak odporność na ścieranie, zdolność tłumienia drgań oraz wytrzymałość mechaniczna. Warto wspomnieć o dobrych właściwościach elektroizolacyjnych i wysokim poziomie odporności chemicznej.

Poliamidem jest również ERTALON 66 SA cechujący się wyższą wytrzymałością mechaniczną, odpornością chemiczną i cieplną oraz sztywnością w porównaniu do materiału ERTALON 6 SA. Wyższa jest również odporność na pełzanie, ale przy mniejszej udarności oraz zdolności tłumienia drgań. Na uwagę zasługuje łatwa obróbka w automatach tokarskich.

Z kolei ERTALON 66-GF30 w porównaniu z ERTALON 66 SA to rodzaj poliamidu wzmocnionego włóknem szklanym w ilości około 30%. Materiał 66-GF30 wyróżnia wyższa wytrzymałość o charakterze mechanicznym, odporność na pełzanie oraz stabilność wymiarowa przy jednoczesnej bardzo wysokiej odporności na zużycie. Kluczowe miejsce zajmuje wyższa od 66 SA odporność temperaturowa, czyli maksymalna temperatura pracy.

Zastosowanie w materiale poliamidowym dodatku MoS2 pozwala na podwyższenie sztywności, twardości oraz stabilności wymiarowej w odniesieniu do ERTALON-u 66 SA jednak przy zmniejszeniu parametru w postaci udarności. Ze względu na uwzględnienie dwusiarczku molibdenu poprawiona jest struktura krystaliczna materiału, która odpowiada za odporność na ścieranie.

Nanorurki węglowe
Nanorurki stanowią struktury nadcząsteczkowe, które mają formę pustych w środku walców. Na chwilę obecną największym uznaniem cieszą się nanorurki węglowe ze ściankami wykonanymi ze zwiniętego grafenu, czyli jednoatomowej warstwy grafitu. Istnieją również nanorurki niewęglowe, takie jak np. utworzone z siarczku wolframu. W najcieńszych rurach przewiduje się średnicę wynoszącą jeden nanometr przy długości do milion razy większej.

W zakresie właściwości o charakterze mechanicznym należy podkreślić, że nanorurki stanowią jeden z najwytrzymalszych i najsztywniejszych materiałów. Nanorurki są w stanie wytrzymać rozciąganie rzędu 63 GPa. Dla zobrazowania można porównać stal hartowaną, której wytrzymałość osiąga 1,2 GPa. Jednak nanorurki nie są z kolei wytrzymałe na zgniatanie, a z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo można je wygiąć i odkształcić w efekcie działania sił zginających i ściskających.

Nanorurki bardzo dobrze przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury w efekcie odpowiedniego przewodnictwa balistycznego, natomiast w poprzek ciepło przewodzone jest bardzo słabo. W nanorurkach wielowarstwowych wewnętrzne warstwy są w stanie ślizgać się niemal bez tarcia wewnątrz zewnętrznych warstw, tworząc idealne atomowe łożyska. Właściwości w tym zakresie zostały zastosowane na etapie konstruowania pierwszych prostych molekularnych mechanizmów nanorotorów i nanopotencjometrów.

Zależnie od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki może być ona dobrym przewodnikiem lub półprzewodnikiem. Zakłada się, że nanorurki są w stanie przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu w porównaniu z przewodami metalowymi o takiej samej masie.

Fortron (PPS)
W lotnictwie zastosowanie znajduje również Fortron® (PPS), używany np. przy produkcji elementów konstrukcyjnych foteli w samolotach typu Airbus A380. Materiał ten to polisiarczek fenylenu firmy Ticona. Fortron PPS jest liniowym, półkrystalicznym polisiarczkiem fenylenu o wysokim poziomie stabilności wymiarowej, samoistnej niepalności i dobrej odporności na działanie substancji chemicznych i rozpuszczalników. Należy podkreślić, że polisiarczek fenylenu nie jest w stanie rozpuścić się niemal w żadnym rozpuszczalniku w temperaturze nie przekraczającej 200°C. Niemniej ważna jest ekstremalnie niska chłonność wody wynosząca około 0,02%.

Jako zaletę Fortron PPS wymienia się doskonałą stabilność wymiarową w efekcie niskiego współczynnika rozszerzalności cieplnej. Kluczową rolę odgrywa bardzo niska tendencja do pełzania nawet przy podwyższonej temperaturze. Podkreśla się przy tym odporność na działanie wielu substancji chemicznych, takich jak paliwa i płyny lotnicze oraz mocne kwasy i zasady (pH 2 do 12). Z pewnością przyda się stała wysoka temperatura użytkowa mieszcząca się pomiędzy 160°C a 240°C przy krótkotrwałej odporności na działanie temperatur do 270°C. Fortron PPS jest do 50% lżejszy w odniesieniu do metalu.

Powyższa krótka charakterystyka nie wyczerpuje długiej listy materiałów, których używa się przy produkcji samolotów. Inżynierowie opracowują coraz to nowsze materiały z uwzględnieniem ciągłego dążenia do uzyskania większej wytrzymałości przy zmniejszaniu masy.

Na etapie wyboru materiału do urządzenia, które znajdzie zastosowanie w przemyśle lotniczym, nie bez znaczenia jest również szereg norm branżowych.

Reklama

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama