- No.336 Yunhe Road, Dongying, Shandong, Xina
Els materials aeroespacials són tot tipus de materials utilitzats en aeronaus i les seves unitats de potència, accessoris i instruments, que són un dels factors decisius en el desenvolupament de l'enginyeria i la tecnologia aeroespacials, i la ciència de materials aeroespacials també és una branca pionera de la ciència de materials.
Els materials aeroespacials tenen una excel·lent resistència a les altes i baixes temperatures, així com a l'envelliment i la corrosió, i es poden adaptar a l'entorn espacial.
Els diversos tipus de materials utilitzats en les aeronaus i les seves unitats de potència, accessoris i instruments són un dels factors decisius en el desenvolupament de la tecnologia de l'enginyeria aeroespacial. La ciència de materials aeroespacials és una branca pionera de la ciència dels materials. El disseny d'aeronaus planteja constantment nous temes a la ciència dels materials i promou el desenvolupament de la ciència dels materials aeroespacials; l'aparició d'una varietat de nous materials ofereix noves possibilitats per al disseny d'aeronaus i promou enormement el desenvolupament de la tecnologia aeroespacial.
El progrés dels materials aeroespacials depèn dels tres factors següents:
A més de les forces d'estrès i inercia elevades, els materials aeroespacials estan sotmesos a càrregues de xoc i càrregues alternes causades per factors com l'enlairament i l'aterratge, la vibració del motor, la rotació a alta velocitat de les peces giratòries, les maniobres de vol i els vents sobtats. El gas del motor i la irradiació solar fan que l'aeronau es trobi en un entorn d'alta temperatura i, a mesura que augmenta la velocitat de vol, l'efecte d'escalfament aerodinàmic passa a primer pla, donant lloc a "barreres tèrmiques". A més, també subjectes a temperatures alternes, a l'estratosfera a velocitats subsòniques, la temperatura de la superfície baixarà a uns -50 ℃, el cercle polar dins del territori de l'entorn hivernal sever serà inferior a -40 ℃, els components metàl·lics o els pneumàtics de goma són propensos al fenomen de fragilització. La gasolina, el querosè i altres combustibles i diversos lubricants, l'oli hidràulic, la majoria dels materials metàl·lics produeixen corrosió, els materials no metàl·lics produeixen inflor, i la irradiació solar, l'erosió del vent i la pluja, l'entorn humit subterrani per a l'emmagatzematge a llarg termini del motlle acceleraran el procés d'envelliment dels materials polimèrics.
Els vehicles aeroespacials operen a l'atmosfera o a l'espai exterior durant molt de temps i serveixen en entorns extrems, però també tenen una fiabilitat i seguretat extremadament altes, un vol i una maniobrabilitat excel·lents, a més d'optimitzar l'estructura per satisfer les necessitats aerodinàmiques, els requisits de processabilitat i els requisits de manteniment, però també depenen de les excel·lents característiques i funcions del material.
Per reduir la massa de l'estructura, una reducció del 30% en la densitat és més útil que un augment del 50% en la resistència. Els aliatges d'alumini, els aliatges de titani i els materials compostos són els principals materials estructurals aeroespacials amb una alta resistència específica i rigidesa, que poden millorar la càrrega útil, la maniobrabilitat i l'abast del vehicle, alhora que redueixen el cost del vol.
L'acer d'ultraalta resistència (límit elàstic > 1380 MPa) no s'utilitzarà en més del 10% de l'enginyeria aeroespacial. Per a avions moderns com ara caces supersònics, la quantitat d'acer d'ultraalta resistència s'estabilitza entre el 5% i el 10%, i la seva resistència a la tracció és de 600 a 1850 MPa, de vegades fins a 1950 MPa, amb una tenacitat a la fractura KIc = 78 a 91 MPa-m1/2. En els medis corrosius actius utilitzats en les peces estructurals que porten càrrega del fuselatge, generalment s'utilitza acer resistent a la corrosió d'alta resistència, equipat amb motors de combustible d'hidrogen per triar l'aeronau acer resistent a la corrosió sense carboni com a material component per al servei en hidrogen líquid i medi d'hidrogen.
Els compostos de matriu metàl·lica, els compostos de matriu de resina d'alta temperatura, els compostos de matriu ceràmica i els compostos de carboni/carboni han tingut un paper cada cop més important en el camp aeroespacial. Els compostos de carboni/carboni combinen la refractarietat del carboni amb l'alta resistència i rigidesa de la fibra de carboni, tenen una estabilitat tèrmica superior i una excel·lent conductivitat tèrmica, i encara tenen una resistència i tenacitat considerables a 2500 °C, i la densitat és només 1/4 de la dels aliatges d'alta temperatura. Els compostos híbrids han rebut una atenció creixent, com ara l'addició de fibra de vidre als compostos de fibra de carboni pot millorar les seves propietats d'impacte, mentre que l'addició de fibra de carboni al plàstic reforçat amb fibra de vidre pot augmentar la seva rigidesa.
La majoria dels materials estructurals de les seccions de les naus espacials tripulades són aliatges d'alumini, aliatges de titani i materials compostos, com ara els transbordadors espacials orbitals, majoritàriament fets d'aliatge d'alumini, que suporten l'estructura d'empenta del motor principal feta d'aliatge Chin, part del bastidor principal del fuselatge mitjà utilitza materials compostos de matriu metàl·lica d'aliatge d'alumini reforçat amb fibra de bor, i les portes de la bodega de càrrega utilitzen una estructura especial de sandvitx de bresca de paper per a material compost de resina epoxi reforçada amb fibra de grafit per al panell. El cap del míssil, la superfície externa del mòdul de reentrada de la nau espacial i la superfície interna del motor del coet, per utilitzar materials ablatius, sota l'acció del flux de calor, els materials ablatius poden patir descomposició, fusió, evaporació, sublimació, erosió i altres canvis físics i químics, el consum de massa de la superfície del material elimina molta calor, per tal d'aconseguir l'objectiu d'evitar la reentrada a l'atmosfera quan el flux de calor a l'interior del vehicle, refredant la cambra de combustió del motor del coet i la broqueta. Per mantenir una temperatura de treball adequada a l'interior de la cabina, la secció de la cabina restaurada ha de prendre mesures de protecció contra la radiació tèrmica, la pell exterior està feta d'un aliatge de níquel resistent a altes temperatures o d'una placa de beril·li, l'estructura interna d'un aliatge resistent a la calor, la pell exterior i l'estructura interna s'omplen amb fibra de quars, ceràmica composta de fibra de vidre i altres materials amb bones propietats d'aïllament tèrmic.
Amb la implementació i el desenvolupament continu dels vols espacials tripulats, l'exploració lunar i l'exploració espacial profunda, els satèl·lits d'alta resolució, els vehicles d'hipervelocitat, els vehicles de llançament reutilitzables, els vehicles de maniobra espacial i altres projectes espacials, es presenten nous i més exigents requisits per als materials, que proporcionen noves oportunitats i impulsos per al desenvolupament de nous materials per als vols espacials, i el camp dels materials ha de ser el més aviat possible en la innovació dels sistemes de materials, la protecció independent de les matèries primeres clau i les aplicacions d'enginyeria. El camp dels materials ha de fer un gran avenç en la innovació del sistema de materials, la garantia independent de les matèries primeres clau i les aplicacions d'enginyeria el més aviat possible.
A més, l'aplicació de materials compostos laminats en l'enginyeria aeroespacial s'està estenent cada cop més, com ara l'A380 que utilitza un 3% de GLARE, un nou tipus de laminat. El laminat és un material compost que fa que dos tipus diferents de materials es laminin junts per pressió, generalment compostos per panell superior, capa de cola superior, material central, capa de cola inferior, panell inferior, la resistència i rigidesa dels quals és superior a la del material del panell separat o del material central, i s'ha aplicat a avions de transport i avions de combat. El laminat GLARE es fabrica per pressió (o tanc de premsat en calent) per laminar múltiples capes de plaques primes d'alumini i prepreg de fibra de vidre unidireccional (impregnat amb adhesiu epoxi) laminades i premsades en calent, com es mostra a la Figura 1. La làmina d'alumini es pretracta adequadament per facilitar l'adherència a la capa de prepreg de fibra. La Taula 1 mostra els tipus de laminats GLARE que es poden produir comercialment, que es poden fabricar en diferents gruixos segons les necessitats. Les fibres poden ser de 2, 3, 4 capes, etc., i el contingut i l'orientació de la fibra poden ser d'acord amb la taula, i cada tipus de laminat GLARE pot tenir formes diferents, que es poden ajustar segons les necessitats específiques.
Els materials aeroespacials no només són la garantia material per al desenvolupament i la producció de productes aeroespacials, sinó també la base tècnica per promoure la renovació dels productes aeroespacials. Segons la naturalesa dels materials en si, els materials aeroespacials es divideixen en quatre categories: materials metàl·lics, materials inorgànics no metàl·lics, materials polimèrics i materials compostos avançats; segons l'ús de la funció, es poden dividir en materials estructurals i materials funcionals en 2 categories. Pel que fa als materials estructurals, els requisits més crítics són la lleugeresa i l'alta resistència i la resistència a la corrosió a altes temperatures; els materials funcionals inclouen materials microelectrònics i optoelectrònics, materials d'elements sensibles als sensors, materials ceràmics funcionals, materials de fibra òptica, materials de visualització i emmagatzematge d'informació, materials furtius i materials intel·ligents.
Pel que fa als materials aeroespacials, inclou 3 categories principals de materials: materials per a la carrosseria de l'avió, materials per al motor i materials per a equips aeronàutics. I els materials aeroespacials inclouen materials per a la carrosseria de les fletxes dels vehicles de llançament, materials per al motor de coets, materials per a naus espacials i materials funcionals aeroespacials.
Específicament a nivell de materials, els materials aeroespacials cobreixen una àmplia gamma, incloent-hi aliatges d'alumini, aliatges de titani, aliatges de magnesi i altres aliatges lleugers, acers d'ultraalta resistència, aliatges de titani d'alta temperatura, aliatges d'alta temperatura a base de níquel, compostos intermetàl·lics (sistema titani-alumini, sistema niobi-alumini, sistema molibdè-silici). Metalls refractaris i els seus aliatges i altres materials d'estructura metàl·lica d'alta temperatura, fibra de vidre, fibra de carboni, fibra d'amida aromàtica, fibra heterocíclica aromàtica, fibra de polietilè de pes molecular ultraalt i altres materials de reforç compostos, resina epoxi, resina de bismaleimida, resina de poliimida termoestable, resina fenòlica, resina de cianat, resina de poliaril acetilè i altres materials matricials compostos, compostos avançats a base de metall i inorgànics no metàl·lics, compostos avançats a base de compostos intermetàl·lics, materials ceràmics avançats, compostos avançats de carboni/carboni i materials funcionals avançats.
La predicció de la relació de composició dels materials estructurals del fuselatge dels avions mostra que el material dominant a principis del segle XXI és l'aliatge d'alumini. El primer problema a resoldre en desenvolupar aliatges d'alumini per a la tecnologia aeroespacial és com reduir la massa estructural alhora que es garanteix una alta fiabilitat operativa i una bona mà d'obra. El problema urgent a resoldre és el desenvolupament d'aliatges d'alumini d'alta resistència amb bones propietats de soldadura i el seu ús en la fabricació d'estructures soldades monolítiques. La manera d'augmentar la càrrega útil del vehicle és augmentar la resistència o reduir la densitat (sense reduir la resistència).
L'aliatge d'alumini amb liti redueix la densitat de l'aliatge i augmenta el mòdul d'elasticitat. Les làmines d'aliatge d'alumini-liti (Al-Li), incloses les làmines primes de menys de 0.5 mm de gruix, s'han produït mitjançant laminació de bobines de banda.
L'ús de compostos de capa base d'alumini pot millorar significativament la fiabilitat, la vida útil i la càrrega útil dels revestiments d'aeronaus, que es caracteritzen per taxes d'expansió de fissures excepcionalment baixes (1/20 ~ 1/10 de materials convencionals), alta resistència (augment del 50% al 100%) i tenacitat a la fractura, i baixa densitat (reducció del 10% al 15%). El material de reblons esquerdats és molt prometedor.
En les estructures d'aeronaus modernes, l'ús d'acer és estable entre el 5% i el 10%, mentre que en algunes aeronaus, com ara els caces supersònics, l'acer és un material per a un propòsit específic.
Els acers d'alta resistència s'utilitzen normalment en components estructurals que requereixen una alta rigidesa, una alta resistència específica i una alta vida útil a la fatiga, així com una bona resistència a temperatura mitjana, resistència a la corrosió i una sèrie d'altres paràmetres. L'acer és un material irreemplaçable, tant en la producció de productes semielaborats com en la fabricació de peces estructurals complexes, especialment en la producció de peces estructurals soldades on la soldadura és el procés final.
Durant molt de temps, l'acer més utilitzat en la indústria de fabricació d'aeronaus és l'acer d'alta resistència d'aliatge mitjà amb un nivell de resistència de 1600 ~ 1850MPa i una tenacitat a la fractura d'uns 77.5 ~ 91MPa/m2. Actualment, mantenint el mateix índex de tenacitat a la fractura, el nivell mínim de resistència de l'acer s'ha augmentat a 1950MPa, però també s'ha desenvolupat un nou aliatge econòmic d'alta resistència a les esquerdes i acer estructural soldat d'alta resistència.
La direcció de desenvolupament de l'acer d'alta resistència és millorar encara més el procés de producció metal·lúrgica, seleccionar la millor composició química i especificacions de tractament tèrmic per desenvolupar un nivell de rendiment de resistència de 2100 ~ 2200 MPa d'acer estructural d'alta fiabilitat.
En el paper dels mitjans corrosius actius utilitzats en les peces estructurals del cos, especialment en totes les condicions meteorològiques en l'ús de peces estructurals del rodament, l'ús generalitzat d'acer resistent a la corrosió d'alta resistència, el nivell de resistència d'aquest acer és similar al de l'acer estructural d'aliatge, els paràmetres de fiabilitat (tenacitat a la fractura, resistència a la corrosió, etc.) superen amb escreix l'acer estructural d'aliatge.
Els avantatges de l'acer d'alta resistència són: es poden utilitzar diferents mètodes de soldadura per implementar la soldadura, soldar peces estructurals portants, després de la soldadura sense tractament tèrmic, ja sigui en estat calent o en estat fred, tenir una bona punxonabilitat, etc.
L'aplicació més prometedora dels materials d'acer d'alta resistència és el tipus martensític, d'acer resistent a la corrosió amb baixa dispersió de carboni i el tipus de transició austenític-martensític. La investigació demostra que, mantenint una alta fiabilitat i bones condicions de fabricació, es pot augmentar significativament el nivell de resistència de l'acer resistent a la corrosió d'alta resistència.
La tecnologia i els equips de baixa temperatura són un camp d'aplicació especial de l'acer resistent a la corrosió d'alta resistència i la direcció del desenvolupament, equipats amb motors de combustible d'hidrogen per a avions amb bones perspectives de desenvolupament, hauria de ser en el medi d'hidrogen i hidrogen líquid per treballar en l'acer resistent a la corrosió sense carboni com a direcció de la investigació.
El potencial per millorar la proporció d'aliatge de titani a les parts del fuselatge és força gran. Segons les previsions, la proporció d'aliatge de titani en el fuselatge dels avions de passatgers arribarà al 20%, mentre que la proporció d'aplicacions en fuselatge d'avions militars augmentarà fins al 50%? La premissa és garantir això.
L'aliatge de titani té una major resistència i fiabilitat; millora encara més l'ús de la temperatura; amb un alt rendiment del procés i una bona soldabilitat; pot produir una varietat de productes semielaborats; millora la forma de l'estructura, desenvolupa noves solucions de disseny, tant com sigui possible en l'estructura de l'ús d'aliatges i processos madurs.
L'ús d'aliatges de titani d'alta resistència pot reduir la massa de l'estructura, alhora que millora l'eficiència del pes, la fiabilitat i la processabilitat de l'estructura. Tenim previst desenvolupar un aliatge de planxes amb alta resistència (1350 MPa) i alta processabilitat, que serà quatre vegades més resistent que el ferro pur industrial i tindrà característiques de procés similars al titani pur industrial; també desenvoluparem i utilitzarem un aliatge de titani tèrmicament resistent "quasi alfa" amb major resistència tèrmica, estabilitat tèrmica i vida útil.
Una de les direccions de desenvolupament dels aliatges de titani és desenvolupar i utilitzar una alta resistència tèrmica, especialment amb una alta estabilitat i una llarga vida útil de l'aliatge de titani de resistència tèrmica "quasi alfa". El motor aeronàutic de 6a generació utilitzarà plaques d'aliatge de titani reforçades amb solucions sòlides i compostos intermetàl·lics.
L'aliatge basat en compostos de titani-alumini és la futura direcció de recerca. L'aliatge "γ" té una resistència tèrmica específica a una temperatura de 700 ~ 900 ℃ que l'acer i l'aliatge de resistència tèrmica, però la plasticitat és deficient.
La nova direcció en el desenvolupament d'aliatges de titani tèrmicament resistents és l'ús de compostos intermetàl·lics reforçats amb aliatges basats en solucions sòlides β. Aquest aliatge es caracteritza per una alta resistència tèrmica i unes propietats de plasticitat satisfactòries a temperatures de 600 ~ 700 °C. En comparació amb els aliatges de titani existents, el desenvolupament d'aquest tipus d'aliatge de titani pot resultar en un augment del 25% al 30% en la resistència i la resistència tèrmica.
Cal posar èmfasi en l'optimització de la química dels aliatges, la fosa i els processos de deformació. La selecció d'especificacions òptimes de tractament tèrmic i l'adopció de nous mètodes de disseny de peces permetran l'ús de compostos intermetàl·lics en l'estructura dels motors aeronàutics i els equips de tecnologia aeroespacial, on l'augment de la temperatura de servei i la reducció de la massa són factors decisius.
Un símbol important que representa el nivell de desenvolupament de la tecnologia aeroespacial és el nombre de compostos polimèrics utilitzats. Els compostos polimèrics tenen una superioritat molt òbvia pel que fa a la resistència específica i la rigidesa específica, combinades amb bones propietats estructurals i propietats especials. En el camp de l'aviació s'han utilitzat àmpliament? Els avions Airbus A3XX utilitzaran compostos polimèrics fins a un 25%.
L'ús de compostos polimèrics amb plàstics reforçats amb fibra de carboni com a matriu és una de les mesures efectives per reduir la massa estructural. Els compostos polimèrics solen referir-se a plàstics reforçats amb fibra de carboni d'alt mòdul elàstic, caracteritzats per una alta rigidesa (mòdul elàstic 196 GPa) i una estabilitat dimensional a alta temperatura, alhora que mantenen una alta resistència a la compressió (1000 MPa). L'ús de plàstics reforçats amb fibra de carboni en la nova generació d'equips de tecnologia aeroespacial pot millorar la rigidesa aerodinàmica dels components de la cua, especialment els components de la punta de la cua, reduir la massa estructural i garantir la qualitat de la tecnologia de vol requerida. Aquestes propietats dels plàstics reforçats amb fibra de carboni d'alt mòdul, combinades amb una baixa densitat, permeten la fabricació de manipuladors per al muntatge i manteniment d'estacions espacials. Els problemes que s'han de resoldre en els propers anys inclouen: una millora addicional de les propietats estructurals i les propietats especials dels plàstics reforçats amb fibra de carboni, especialment per augmentar la temperatura de funcionament a 400 ℃.
Com a material estructural, els nous materials compostos (els plàstics orgànics) tindran un paper cada cop més important. En els darrers anys, s'ha desenvolupat la segona generació de plàstics orgànics, el valor σb (resistència a la tracció) dels plàstics orgànics d'un sol ús va arribar als 2 ~ 3000 MPa, i el valor E va augmentar fins a 3200 G Pa. La investigació experimental demostra que és possible obtenir el mòdul elàstic dels plàstics orgànics de 130 ~ 200 GPa, i cal tenir en compte que això en realitat amplia el rang de temperatura de treball per un factor d'250 (1 ~ 205 ℃). També és possible reduir significativament l'absorció d'aigua del compost. Pel que fa a la resistència específica i el mòdul d'elasticitat, els plàstics orgànics moderns, i especialment els del futur, superaran tots els compostos de matriu ceràmica, metàl·lica i de polímer coneguts.
Actualment, les peces estructurals de plàstic reforçat amb fibra de vidre i de plàstic reforçat amb fibra de carboni fabricades mitjançant el procés de prepreg s'utilitzen cada cop més. Quan s'utilitza aquest procés, es poden fabricar peces amb curvatura normal i complexa en un sol procés. En comparació amb els compostos de polímer convencionals, els compostos basats en prepreg es caracteritzen per un augment del 40% al 50% en la resistència a les esquerdes. La resistència al cisallament augmenta entre un 20% i un 50%? Augment del 20% al 35% en la resistència a la fatiga i la resistència duradora? Amb aquest material compost, el consum de mà d'obra i energia es pot reduir a la meitat; la massa estructural (especialment en el cas del farciment de bresca) es pot reduir en un 1% i la segellabilitat estructural es pot millorar fins a 2 vegades.
El desenvolupament d'aliatges especials amb el millor mètode d'aliatge i organització pot millorar significativament el rendiment de la fulla de monocristall. Un dels aliatges més prometedors és l'aliatge de zinc de níquel de resistència en calent.
Els aliatges que contenen níquel tenen temperatures de funcionament més elevades i propietats de resistència més elevades, i s'han obtingut valors rècord de resistència de σ1000100> 300 MPa per a aliatges de prova que contenen del 6% al 7%, garantint així el desenvolupament de pales de monocristall amb canals de refrigeració per a motors de 6a generació. Mitjançant l'ús d'aliatges que contenen níquel, la temperatura d'entrada de la turbina es pot augmentar fins a 2000 ~ 2100K, el consum d'aire de refrigeració es pot reduir en un 30% ~ 50% i la vida útil de les pales es pot allargar d'1 a 3 vegades quan el consum d'aire de refrigeració és el mateix.
Els requisits per als materials del disc del motor de turbina de gas són lleugerament diferents dels requisits per als materials de les pales: en primer lloc, la temperatura de treball del disc de la turbina és inferior a la de la pala; en segon lloc, els requisits de fiabilitat del material augmenten. Els requisits anteriors per millorar el rendiment dels aliatges del disc de la turbina s'han de resoldre mitjançant un enfocament integral, com ara desenvolupar el principi de l'aliatge, millorar el mecanisme de reforç i desenvolupar nous mètodes tecnològics per a la fusió, la deformació i el tractament tèrmic.
El problema especial que afronta la indústria de fabricació de motors aeronàutics avui dia és desenvolupar, per exemple, carregadors soldats, tubs de foc i una gamma d'altres components estructurals soldats en camp calent. El principal problema en el desenvolupament de materials per a tubs de foc és millorar la seva rigidesa estructural, i la solució a aquest problema també ha de complir una sèrie de requisits de procés exigents i complets: bona soldabilitat, alta plasticitat del procés, etc. L'ús dels aliatges esmentats anteriorment pot augmentar la temperatura de treball del tub de foc en 150 ~ 200 ℃, allargar la fiabilitat i la vida útil en un 50% ~ 100% i augmentar substancialment la resistència específica del casset soldat, alhora que redueix la massa en un 15%.
L'ús d'un recobriment protector antioxidant és un factor important per allargar la vida útil dels aliatges de reforç tèrmic (en primer lloc, les pales de les turbines).
Actualment, s'han introduït nous processos i recobriments amb diverses composicions complexes com a tecnologia alternativa al procés de producció de recobriments protectors mitjançant aluminització per difusió en pols mixtes. Els investigadors han desenvolupat un nou mètode de recobriment al buit per plasma amb diferents ions elementals com a matriu. En el cas d'aproximadament el mateix gruix de recobriment (50 ~ 70 μm), l'aliatge original ruixat amb aliatge pot protegir eficaçment la fulla dels sulfurs, la corrosió per òxid i pot allargar la vida útil de la fulla en un ordre de magnitud en comparació amb els recobriments aluminitzats produïts en massa.
En el nou mètode de recobriment de materials multicomponents amb un procés de plasma de buit d'alta energia, l'acció del flux de plasma d'alta velocitat sobre la superfície sòlida resulta en un enfortiment decidit de la composició, l'organització, la microgeometria i les propietats fisicoquímiques de la superfície tractada. Els principals avantatges del procés són: alta qualitat del recobriment, densitat i no porosa, bona plasticitat, forta adherència (més de 100 M P a); bona versatilitat, es poden aplicar tot tipus de recobriments protectors en un dispositiu industrial; alta precisió de deposició.
El cost del recobriment, l'equip de recobriment i el procés és baix, utilitzant materials multicomponents amb un procés de plasma de buit d'alta energia per aplicar recobriments, es poden obtenir una varietat de recobriments, tant recobriments de difusió, recobriments cohesius com recobriments cohesius de difusió?
La urgència per millorar encara més la temperatura de funcionament i la vida útil parcial dels motors de turbina de gas ha plantejat una demanda en la cerca d'una nova matriu d'aliatge amb millor estabilitat que la solució sòlida reforçada amb fase de matriu de níquel. La nova matriu d'aliatge és adequada per utilitzar compostos intermetàl·lics de tipus Ni3Al, i l'enllaç covalent del compost intermetàl·lic pot resoldre el problema de la resistència tèrmica de l'aliatge de manera més eficaç que l'enllaç metàl·lic ordinari de la solució sòlida. El nivell de resistència tèrmica d'aquests aliatges es pot ajustar segons l'aliatge suplementari de la matriu de Ni3Al i l'organització de la fosa determinada pel procés de fosa. En aquest cas, la resistència tèrmica de l'aliatge augmenta a mesura que es fa la transició de l'organització equiaxial a la columnar i després a la monocristallina.
Els aliatges intermetàl·lics monocristallins tenen un millor rendiment general. Al mateix nivell de resistència tèrmica (temperatura 1100 °C), la quantitat de metalls refractaris rars i preciosos com el tungstè (W) i el molibdè (M o) continguts en l'aliatge intermetàl·lic és significativament menor.
Els aliatges basats en compostos intermetàl·lics es poden utilitzar eficaçment per fabricar àleps guia de broquets refrigerats i no refrigerats, tubs de foc i peces de broquets en el rang de temperatura de funcionament de 900 ~ 1150 °C. Els darrers assoliments científics de la ciutat poden augmentar la resistència tèrmica de l'aliatge a més de 50 ~ 70 MPa.
Més avenços en el camp de la investigació de materials de resistència tèrmica (augment de la temperatura de treball a més de 1300 ℃) depenen dels compostos metàl·lics per garantir-ho. La matriu dels compostos metàl·lics pot estar feta de diferents materials, com ara titani, compostos intermetàl·lics, etc., mentre que els materials de reforç poden estar fets de cristalls filamentosos, partícules de compostos refractaris difusos, incloent partícules de carbur de silici, fibres d'òxid o fibres de tungstè.
Els compostos especials són els anomenats compostos naturals, que es fabriquen segons un procés de cristal·lització direccional d'aliatges eutèctics. Cada fase eutèctica en aquests aliatges creix perpendicularment a la línia de cristal·lització, de manera que es pot obtenir una organització fibrosa amb una determinada orientació movent la línia de cristal·lització plana. L'agent de reforç d'aquest material és un esquelet continu de cristalls filamentosos de monocristalls de carbur metàl·lic refractari (TaC, NbC) agitats entre si. El material compost natural desenvolupat pot mantenir alts nivells de resistència duradora (σ1200b> 70 MPa) a altes temperatures de 1200 °C. Es preveu que la proporció de materials compostos en motors de turbina de gas avançats augmentarà significativament (fins a un 40%).
Diversos medis i entorns atmosfèrics influeixen en el paper dels materials que es manifesten en la corrosió i l'envelliment. Els materials aeroespacials en contacte amb els medis són el combustible d'avions (com ara la gasolina i el querosè), els propulsors de coets (com ara l'àcid nítric concentrat, l'òxid nitrós, la hidrazina) i una varietat de lubricants, fluids hidràulics, etc., la majoria dels quals tenen un fort efecte corrosiu o inflor de materials metàl·lics i no metàl·lics. La irradiació solar a l'atmosfera, l'erosió del vent i la pluja, la humitat subterrània i l'emmagatzematge a llarg termini del motlle acceleren l'envelliment dels materials polimèrics. El procés, la resistència a la corrosió, el rendiment antienvelliment i el rendiment antimotlle són materials aeroespacials que han de tenir bones característiques.
El paper de l'entorn espacial en els materials es manifesta principalment en l'alt buit (1.33 × 10⁻⁵Pa) i la influència de la irradiació de raigs còsmics. Els materials metàl·lics en alt buit entren en contacte entre si, ja que la superfície es purifica per l'entorn d'alt buit i accelera el procés de difusió molecular, fenomen de "soldadura en fred"; els materials no metàl·lics en alt buit i irradiació de raigs còsmics acceleren la volatilització i l'envelliment, i de vegades aquest fenomen fa que la lent òptica a causa de la deposició i la contaminació volàtils, segelli l'estructura a causa de l'envelliment i es faci malbé. Els materials espacials generalment es seleccionen i es desenvolupen mitjançant proves de simulació a terra per adaptar-se a l'entorn espacial.
Per tal de reduir la massa estructural del vehicle, es considera que l'objectiu del disseny del vehicle és seleccionar el marge de seguretat més petit possible i aconseguir una vida útil absolutament fiable. Per a vehicles que s'utilitzen una vegada en poc temps, com ara míssils o vehicles de llançament, les persones s'esforcen per maximitzar el rendiment del material fins al límit. Per tal d'aprofitar al màxim la resistència del material i garantir la seguretat, s'ha utilitzat el "principi de disseny de tolerància a danys" per a materials metàl·lics, que requereix no només una alta resistència específica, sinó també una alta tenacitat a la fractura. En condicions d'ús simulades, es mesuren la vida útil d'inici de l'esquerda i la velocitat d'expansió de l'esquerda del material, i la longitud d'esquerda admissible i la vida útil corresponent es calculen com a base important per al disseny, la producció i l'ús. Per als materials orgànics no metàl·lics, es requereixen proves d'envelliment natural i d'envelliment accelerat artificial per determinar el període d'assegurança de la seva vida útil, el patró de trencament dels materials compostos, la vida útil i la seguretat també són un tema de recerca important.
El progrés dels materials aeroespacials depèn dels 3 factors següents, i només després que tots 3 s'hagin desenvolupat fins a una fase madura és possible aplicar-los a vehicles voladors. Per tant, els països de tot el món han donat prioritat al desenvolupament de materials aeroespacials.
Amb el ràpid desenvolupament de la indústria espacial, els materials estructurals per a naus espacials també estaran en desenvolupament continu a llarg termini. La proporció de nous aliatges lleugers utilitzats en estructures de naus espacials està augmentant gradualment, i l'aplicació de materials compostos ha contribuït al canvi de materials utilitzats en les estructures de naus espacials i està en ràpid desenvolupament. Els compostos de matriu metàl·lica, que combinen les excel·lents propietats dels metalls i els materials inorgànics/orgànics, també han entrat en la visió dels investigadors d'estructures aeroespacials. A més, els materials estructurals són inseparables del disseny estructural, i algunes estructures complexes tradicionals estan sent substituïdes per noves estructures multifuncionals (MFC) i estructures impreses en 3D. En el futur, els materials estructurals per a naus espacials mostraran una tendència de diversificació i alt rendiment.
Els aliatges lleugers tradicionals encara dominen, i els nous aliatges lleugers s'aplicaran gradualment per adaptar-se als requisits dels satèl·lits moderns d'alt rendiment i estructura lleugera. Els materials d'aliatge tendeixen a ser substituïts gradualment per materials compostos. Especialment quan els materials compostos en el camp de l'automoció i l'aviació han tingut un gran èxit, també van començar a fer un salt en el camp aeroespacial amb requisits més alts de lleugeresa del material. Tanmateix, amb l'aprofundiment de la investigació, s'ha descobert que els compostos a base de resina que s'utilitzen habitualment tenen alguns defectes inherents, com ara poca tenacitat, baix rendiment de processament secundari, baixa resistència a la calor i la humitat, poca adaptabilitat a l'entorn espacial, etc. És difícil aplicar-los en una àrea gran en naus espacials en poc temps, cosa que proporciona espai i oportunitats per a l'aplicació i el desenvolupament de materials d'aliatge en el camp aeroespacial.
L'impuls de desenvolupament dels materials compostos és bo i l'abast de l'aplicació continuarà augmentant. El temps de desenvolupament dels materials compostos és relativament curt, però la seva ràpida tendència de desenvolupament és suficient per fer creure a la gent que té grans perspectives d'aplicació. Els compostos sempre han estat per davant de les aplicacions aeroespacials en el camp de l'aviació. La seva aplicació en aeronaus s'ha desenvolupat des de materials estructurals secundaris fins a materials estructurals principals. La quantitat de materials compostos per a peces estructurals de grans avions al món, com ara el Boeing 787 i l'Airbus 380, representa del 40% al 50%, i la quantitat de materials compostos per a peces estructurals d'helicòpters avançats fins i tot representa més del 80%. Les dades d'investigació pública de Boeing i Airbus mostren que el 2020 les peces estructurals dels seus avions utilitzaran totes materials compostos. Per analogia, els materials compostos en el camp aeroespacial tindran un enorme espai de desenvolupament i perspectives. Això també es demostra pel fet que les unions de bigues d'aliatge d'alumini que anteriorment s'utilitzaven àmpliament en les bigues de satèl·lit estan sent substituïdes per unions compostes de fibra de carboni. La figura 2 mostra una unió composta típica de fibra de carboni. Fins ara, els compostos d'alt rendiment de fibra de carboni continuen sent el focus de la investigació i l'aplicació de compostos. Per tal de reduir la bretxa amb el nivell avançat internacional, la Xina presta molta atenció a la investigació avançada de materials compostos. Amb el desenvolupament de tecnologia de fabricació integrada de baix cost, la creixent maduresa dels equips de fabricació automatitzats, a gran escala i d'alta precisió, i la millora contínua del rendiment de la resina matricial i la fibra de carboni, la resistència a la humitat i la calor i l'allargament a la ruptura dels compostos de matriu de resina reforçada amb fibra de carboni s'han millorat significativament, i la quantitat de materials compostos en les estructures de les naus espacials sens dubte augmentarà encara més.
Si us plau, no dubteu a omplir el formulari següent i ens posarem en contacte amb vosaltres en breu.
Easiahome ofereix distribució mundial de tot l'acer inoxidable. Amb la nostra àmplia gamma de productes, oferim assessorament expert en mercat i treballs complets del metall.
