Trenutno su kompozitni materijali postali jedan od četiri glavna sistema materijala uz metalne materijale, polimerne materijale i neorganske ne{0}}materijale. Nivo industrije kompozitnih materijala jedne nacije postao je ključni pokazatelj njene naučne, tehnološke i ekonomske snage. Napredni kompozitni materijali su izvor konkurentske prednosti za nacionalnu sigurnost i privredu. Predviđa se da će do 2020. godine samo kompozitni materijali imati potencijal da postignu poboljšanje performansi od 20-25%.
1. Primjena u strukturama trupa aviona
Napredni kompozitni materijali se koriste za proizvodnju primarnih{0}}nosećih konstrukcija i sekundarnih{1}}nosećih konstrukcija, nudeći krutost i čvrstoću uporedivu ili veću od onih od aluminijskih legura. Ovi materijali se danas široko primjenjuju u proizvodnji struktura trupa aviona i integriranih struktura malih bespilotnih letjelica (UAV). Sjedinjene Države su u velikoj mjeri usvojile kompozite u borbenim avionima i borbenim avionima. Šezdesetih godina prošlog stoljeća, SAD su prvi put koristile plastiku ojačanu karbonskim vlaknima- (CFRP) u vojnim zrakoplovima za komponente kao što su vrata kabine, pristupne ploče, obloge i kontrolne površine (npr. ne-zahtjevi-nosivosti. Do ranih 1980-ih, kompoziti su napredovali do repnih komponenti kao što su vertikalni i horizontalni stabilizatori (sekundarne konstrukcije koje nose opterećenje), kao što se vidi u avionima kao što su F-15, F{26}}16, F-18, Mirage 2000, i Mirage, kompoziti ostaju ograničeni tokom ove faze 0B. kasnih 1980-ih, lovci četvrte generacije kao što su F-22 i F-35 JSF počeli su da ugrađuju kompozite u glavne nosive strukture kao što su krila i trup, ubrzavajući integraciju kompozita u vojne avione. Upotreba kompozitnih materijala je nastavila da raste (Tabela 1-2), koji sada čine 20%–50% strukturne mase u modernim vojnim avionima.
Britanska kompanija ICI koristila je GF/PA (vjerovatno poliamid ojačan staklenim vlaknima-) za proizvodnju ventila za borbene avione, osiguravajući da ovi ventili održavaju performanse i stabilnost dimenzija čak i nakon dužeg izlaganja gorivu u širokom temperaturnom rasponu. Du Pont je takođe koristio materijale kao što su GF, KF/PA i PPS (polifenilen sulfid) za proizvodnju komponenti za vojne avione.
Uzimajući za primjer lovac četvrte -generacije F/A-22, kompoziti čine 24,2% njegovih konstrukcijskih materijala. Među njima, termoreaktivni kompoziti čine 23,8%, dok termoplastični kompoziti čine oko 0,4%. Oko 70% termoreaktivnih kompozita bazira se na bismaleimidnoj (BMI) smoli, koja se koristi za proizvodnju preko 200 vrsta složenih komponenti. Preostali termoreaktivni materijali se prvenstveno sastoje od kompozita na bazi epoksidne smole-, uz dodatnu upotrebu kompozita na bazi cijanatnog estera i termoplastične smole{13}}. Ključna područja primjene uključuju krila, omote srednjeg dijela trupa, okvire i repne dijelove.
Vojni rotorcraft takođe uveliko koristi kompozite. Na primjer, letjelica sa nagibom V-22 Osprey koristi kompozite za preko 40% svoje strukturne mase, uključujući trup, krila, rep i rotacijske mehanizme, što ukupno iznosi više od 3.000 kg kompozitnih materijala. Najnoviji evropski jurišni helikopter Eurocopter Tiger sadrži kompozitne materijale u 80% svojih strukturnih komponenti, približavajući se potpuno kompozitnom okviru aviona. Nasuprot tome, vojni transportni avioni koriste manje kompozita-C-17 sa 8% i C-130J sa samo 2% - iako Airbus A400M vojni transport uključuje potpuno kompozitno krilo, sa kompozitima koji predstavljaju 35% njegove strukturne mase kada su prazni.
U civilnom vazduhoplovstvu, laki avioni sa jednim pilotom Star舟 napravljeni u Sjedinjenim Američkim Državama iz ranih 1980-ih godina 1980-ih imali su strukturnu masu od oko 1.800 kg, sa kompozitima koji su prelazili 1.200 kg. Laka letjelica Voyager iz 1986., sa preko 90% strukture napravljena od kompozita od karbonskih vlakana, postavila je svjetski rekord u neprekidnom-devetodnevnom-uzastopnom letu oko{14}svijeta. Danas se pojačalo rivalstvo između avio-kosmičkih giganata Boeinga i Airbusa, s ključnim fokusom na povećanju upotrebe kompozitnih materijala (Slika 1-2).
Za proizvodnju prvog potpuno{0}}kompozitnog trupa aviona 787, Boeing je usvojio metodu postavljanja vlakana sličnu onoj koju koristi Raytheon. Proces je stvorio kompozitnu komponentu trupa dužine 7 metara i širine 6 metara. Ova struktura je proizvedena korištenjem tehnologije Automatskog postavljanja vlakana (AFP) na masivnom rotirajućem trnu. Trn je prethodno -obrađen sa žljebovima koji odgovaraju obliku i dimenzijama uzice i longone trupa. Prethodno oblikovane uzice i grede (napravljene od slojeva preprega od karbonskih vlakana i osušene pod pritiskom) su postavljene u ove žljebove prije namotavanja. Tokom proizvodnje, trn se rotirao duž svoje ose, omogućavajući kontinuirano namotavanje vlakana na kalup kako bi se formirala školjka trupa, sa otvorima za prozore koji su ostali nepoloženi. Oklop trupa, zajedno sa gredama i vezicama, zatim je autoklavo-osušen kako bi se stvorio monolitni kompozitni dio trupa, koji je kasnije izvađen kao konačni proizvod.
Kompozitni dio trupa Boeinga 787 nije samo najveća svjetska komponenta trupa{1}}namotana filamentom, već je prepoznata i kao najveća posuda pod pritiskom od karbonskih vlakana ikada proizvedena. Izuzetna vlačna/obručasta čvrstoća kompozitnog materijala omogućava mu da izdrži veći pritisak u kabini, održavajući unutrašnji pritisak ekvivalentan visini od 6.000 stopa (1.830 metara)-u poređenju sa tipičnim 7.000–9.000 stopauobičajenim putničkim avionom{1} improviziranim putničkim avionom{1. Osim toga, kompoziti su otporni na koroziju (glavna slabost metalnih okvira), omogućavajući da vlažnost u kabini ostane stabilna na 10–15% (nasuprot 5–10% u metalnim trupovima), dodatno povećavajući udobnost.
Pod rastućim uticajem kompozitne tehnologije, Airbus je potpuno redizajnirao A-350, preimenujući ga u A-350 XWB (Extra Wide Body). Avion je povećao upotrebu kompozitnog materijala sa originalnih 40% na 52%. Trup A-350 XWB je 13 cm širi od modela 787, što omogućava „konfiguraciju sedišta od 9 uzastopce u rasporedu visoke gustine (u poređenju sa 787-om od maksimalno 8 u smeru). Kao i 787, A-350 XWB će održavati pritisak u kabini na visini koja je ekvivalentna 6.000 stopa.
Airbus je 14. juna 2013. uspješno izveo prvi let svog novog -širokotrupnog aviona A350 XWB, označivši još jednu prekretnicu u globalnoj avio industriji nakon Boeingovog B-787 "Dreamliner". A350 XWB i B-787 koriste 52% odnosno 50% kompozitnih materijala, što označava novu eru u razvoju vazduhoplovnih kompozita.
555-sjedište A-380, najveći avion na svijetu, postigao je revolucionarne uspjehe u istoriji avijacije širokim korištenjem plastike ojačane karbonskim vlaknima (CFRP). Kompozitni materijali čine 25% mase aviona, sa 22% CFRP i 3% GLARE fiber-metal laminata (slojeviti hibrid aluminijuma i kompozita od staklenih vlakana), što je prva upotreba u civilnim avionima. CFRP komponente uključuju: brzinske kočnice, vertikalne i horizontalne stabilizatore (dvostruke kao rezervoari za gorivo), dizala, elerone, spojlere zakrilaca, vrata stajnog trapa, obloge, vertikalne kutije repa, gornje podne grede kabine, stražnje tlačne pregrade, stražnje dijelove trupa, horizontalne stabilizatore i krilce.
Nakon pionirske upotrebe karbonskih vlakana kod modela A-340 za gredu kobilice i kompozitne stražnje tlačne pregrade-razbijanje tradicionalnih dizajnerskih barijera-A-380 je dodatno osporio inženjerske norme usvajanjem CFRP-a za svoje kutije centralnog krila (povezujući fusel za gorivo). Sama ova inovacija smanjila je težinu za 1,5 metričkih tona u poređenju s naprednim aluminijskim legurama. Ušteda mase CFRP-a, u kombinaciji sa otpornošću na zamor i koroziju, poboljšala je efikasnost goriva za 13% u odnosu na konkurentske modele i smanjila emisije. A-380 je postao prvi dugolinijski avion koji je postigao ispod 3 litre goriva po putniku na 100 km, sa operativnim troškovima 15–20% nižim od najefikasnijeg aviona svog vremena.
Poslovni mlaznjak kompanije Dassault Aviation Falcon 7X, sposoban za krstarenje na 12.000 metara sa maksimalnom brzinom od 0,8 Maha, prima 8 putnika i može se pohvaliti dometom od 10.560 km (5.700 nautičkih milja). Raytheonov Beechcraft Premier 1 laki mlaznjak dostiže brzinu krstarenja od 835 km/h sa dometom od 2,759 km-oba imaju napredne sve{15}}kompozitne trupe.
Novi japanski transportni avion, ALELEX, takođe uključuje značajne kompozite od ugljeničnih vlakana.
Kina je takođe uveliko koristila kompozitne materijale u dizajnu i proizvodnji aviona. Na primjer, QY8911/HT3 bismaleimid jednosmjerni prepreg od karbonskih vlakana i kompozitni materijal razvijen i proizveden od strane Pekinškog instituta za istraživanje aeronautičke tehnologije primijenjeni su na komponente kao što su prednji dio trupa, vertikalni stabilizator repa, paneli vanjskih krila, spojleri za sajmove i aerodinamične linije aviona. PEEK/AS4C termoplastične smole, jednosmjerni prepreg od karbonskih vlakana i kompozitni materijal koji je razvio Pekinški institut za aeronautičke materijale, pokazuju izuzetnu otpornost na lom, otpornost na vodu, otpornost na starenje, otpornost na vatru i otpornost na zamor. Pogodni za proizvodnju primarnih konstrukcija{6}}nosivih aviona, ovi materijali mogu raditi dugo-na 120 stepeni i korišteni su u prednjim slojevima ploča stajnog trapa za avione.
Kineski vojni avion "Flying Leopard", koji uključuje značajne kompozitne komponente od karbonskih vlakana, ima ukupnu dužinu od približno 22,3 metra, raspon krila od 12,7 metara, maksimalnu težinu pri poletanju 28,4 tone, maksimalnu spoljnu nosivost od 6,5 tona, maksimalnu brzinu od 1,70 maha i domet trajekta oko 3,60 kila. Sa borbenim sposobnostima koje nadmašuju avione Jaguar, Tornado i Su-24, Flying Leopard pokazuje karakteristike u skladu sa borbenim avionima treće generacije.
2. Primena kompozitnih materijala u Stealth aviona
Posljednjih decenija postignut je značajan napredak u istraživanju stealth kompozitnih materijala, koji se razvijaju prema karakteristikama "tankoće, lakoće, širokopojasne (spektralne) apsorpcije i čvrstoće (otpornost na udar, visoka-otpornost na temperaturu)." Ugljičnim vlaknima-ojačani materijali s kritičnom strukturom, a ne samo da posjeduju kritične{3} kompozitne materijale{101} stealth funkcionalnost. Na primjer, CF/PEEK ili CF/PPS pokazuju odlične performanse širokopojasne apsorpcije, efikasno apsorbirajući radarske valove. Sjedinjene Države su bile pionir u korištenju stelt materijala u avionima, a F-117 i F-22 su najjače premazani. Stelt premaz na F-117 bio je veoma složen, sadržavao je do sedam različitih materijala.
Primarna struktura američkog F-22 supersoničnog lovca koristi srednje{4}}modulnu karbonska vlakna-ojačanu specijalnu inženjersku plastiku. Slično tome, poklopci padobrana za usporavanje borca Mirage III i komponente katapultnog sjedišta napravljeni su od takvih materijala, koji su uspješno primijenjeni na dijelove koji apsorbiraju radar{10}} kao što su rebra aviona, kože, konektori i pričvršćivači. Kućište krstareće rakete Tomahawk, supstrat okvira aviona B-2 stelt bombardera i delovi stelt aviona F-117A takođe koriste polimerne materijale koji apsorbuju radare modifikovane ugljeničnim vlaknima.
2000, američko ratno zrakoplovstvo nadogradilo je stelt materijale F-117, zamjenjujući originalni sedmoslojni premaz sa jednim materijalom. Ovom izmjenom standardizirane su procedure održavanja i materijali koji-apsorbiraju radar na svim F-117, smanjujući tehničke specifikacije za otprilike 50%. Nakon-nadogradnje, vrijeme održavanja po satu leta za F-117 je smanjeno za više od pola, a godišnji troškovi održavanja za svih 52 F-117 su pali sa 14,5 miliona, 6,9 miliona. Za razliku od F-117, F-22 izbjegava premaze za cijelo tijelo koje apsorbiraju radar, ali na sve unutrašnje i vanjske metalne komponente primjenjuje feritne premaze koje apsorbiraju radar'. Ovaj premaz je izdržljiv, otporan na habanje i lakši za nanošenje u poređenju sa sistemom F-117.
Stručnjaci predviđaju da će do 2030-ih napredni kompoziti kao što su 'provodljivi polimerni elektrohromni materijali', 'hibridni poluvodički materijali', 'nanokompoziti' i 'inteligentne stelt tehnologije' letjelica biti praktično implementirane. Ove inovacije bi mogle fundamentalno da transformišu sisteme avionike i metodologije upravljanja avionima.
Izvor:Vazduhoplovni kompozitni materijali i njihova mehanička analizaod Haitao Cuija i Zhigang Suna (ur.)