Proiect Materiale compozite

Cuprins

Capitolul 1. Introducere..................................................................................................................3

Capitolul 2. Materiale compozite cu aplicații în industria militară………………..……………...6

2.1. Materiale compozite pentru blindaje…………………………………………………7

2.2. Materiale compozite folosite în construcția de aeronave militare..............................14

2.3. Materiale compozite folosite în construcția rachetelor cu combustibil solid……….19

2.4 Humvee, mașina de război elicopter-avion..................................................................22

Capitolul 3. Concluzii....................................................................................................................24

Bibliografie....................................................................................................................................25

Proiect Structuri Compozite

Capitolul 1. Introducere

Definit în sens larg, un material compozit este un ansamblu de materiale distincte, care are caracteristici pe care nu le au materialele constituente în parte. În multe cazuri, materialele, naturale sau sintetice, se găsesc în combinaţie cu alte materiale şi nu acţionând în mod individual. Este cazul corpului uman, construit din carne şi oase sau al betonului armat, unde cimentul este turnat pe un cadru metalic. Compozitele sintetice au apărut prima oară în industria aerospaţială, din necesitatea controlării şi îmbunătăţirii proprietăţilor materialelor, în conformitate cu cerinţele impuse de destinaţie.

Există mai multe variante de definiţie a materialelor compozite. Cea mai cuprinzătoare, caracterizând cel mai bine natura acestora este cea dată de P. Mallick. Conform lui Mallick, ”un material compozit este o combinaţie între două sau mai multe materiale diferite din punct de vedere chimic, cu o interfaţă între ele. Materialele constituente îşi menţin identitatea separată (cel puţin la nivel macroscopic) în compozit, totuşi combinarea lor generează ansamblului proprietăţi şi caracteristici diferite de cele ale materialelor componente în parte. Unul din materiale se numeşte matrice şi este definit ca formând faza continuă. Celălalt element principal poartă numele de ranforsare (armatura) şi se adaugă matricei pentru a-i îmbunătăţi sau modifica proprietăţile. Ranforsarea reprezintă faza discontinuă, distribuită uniform în întregul volum al matricei.”

Fibrele sunt elementul care conferă ansamblului caracteristicile de rezistenţă la solicitări. În comparaţie cu matricea, efortul care poate fi preluat este net superior, în timp ce alungirea corespunzătoare este redusă. Matricea prezintă o alungire şi o rezilienţă la rupere mult mai mari, care asigură că fibrele se rup înainte ca matricea să cedeze. Trebuie insa subliniat faptul că materialul compozit este un ansamblu unitar, în care cele două faze acţionează împreună, aşa cum sugerează curba efort – alungire pentru compozit.

2


Sistemele de ranforsare pentru materiale compozite pot fi obţinute utilizând toate tehnologiile textile: ţesere, tricotare, braiding, procese pentru materiale neţesute, asamblare prin coasere. La acestea se pot adăuga şi procesele caracterizate de producerea ranforsării şi a materialului compozit în aceeaşi etapă, cum sunt înfăşurarea filamentelor şi poltruderea. Criteriile utilizate în alegerea procesului tehnologic pentru fabricarea ranforsării se referă la stabilitatea dimensională, la proprietăţile mecanice impuse, precum şi la proprietăţile de drapaj / formabilitate ale sistemului de ranforsare.

Avantajele materialelor compozite sunt următoarele:

greutate scăzută în comparaţie cu materialele clasice

rezistenţa mare la uzură, coroziune

caracteristici mecanice în concordanţă cu necesitatea ulterioară a produsului.

Costul mai ridicat al acestor materiale se justifică prin precizia, calitatea produselor obţinute, iar funcţionarea acestora conduce la o mărire a fiabilităţii, mentenanţei, şi dacă este vorba de industria automobilelor şi a aeronauticii, de un consum scăzut de energie.

Ştiinţa materialelor compozite a apărut din necesitatea unor studii multidisciplinare, pornind de la faptul că elaborarea acestora este complexă, condiţiile de operare în care aceste materiale trebuie să funcţioneze sunt severe, proprietăţile fizice, chimice, magnetice, electrice şi mecanice sunt influenţate de compatibilitatea şi modul de dispunere a elementelor componente. Efortul oamenilor de ştiinţa se orientează către materialele noi, şi implicit asupra tehnicilor de prelucrare şi proiectare analitică a elementelor active necesare prelucrării acestora. Studiul unor tehnologii au scos la iveală că acestea ar putea fi aplicate la scară industrială pentru avantajele economice, performanţa şi simplitatea proiectării.

Din punct de vedere istoric, conceptul de material compozit este foarte vechi. În Egiptul antic cărămizile de argilă erau întărite cu paie; la Muzeul Britanic din Londra, este expus un vas de depozitare din perioada merovingienilor 900 d.H de pe teritoriul Scoţiei, realizat dintr-un material format din fibră de sticlă întărită cu o răşină, ceea ce ar corespunde astăzi unui compozit de tip răşină epoxidică întărită cu fibră de sticlă.

3


În secolul al XIX-lea vergelele de fier erau folosite pentru zidărie punându-se bazele materialelor armate pentru construcţii.

Prima ambarcaţiune din fibră de sticlă a fost realizată în 1942 şi de asemenea, la acel timp, acest material a fost utilizat în aeronautică şi pentru componentele electrice.

Primele fibre de bor şi de carbon, cu rezistenţă mare la rupere, au apărut la sfârşitul anului 1960 fiind aplicate în materialele avansate folosite la componente de avion, prin 1968.

Materialele compozite cu matrice metalică au fost introduse în 1970. Dupont a realizat fibrele de Kevlar (sau aramid) în 1973.

La sfârşitul anilor ‘70 materialele compozite s-au extins în aeronautică, la automobile, articole sportive şi medicină.

Sfârşitul anilor 1980 a marcat o creştere semnificativă în utilizarea materialelor cu fibre având modul de elasticitate ridicat, astfel, s-au dezvoltat materiale care să răspundă cerinţelor funcţionării, deci s-a introdus conceptul de proiectare a materialului plecând de la cerinţele tehnice ale produsului.

În ultimii ani, pe de o parte datorită creşterii spectaculoase a consumurilor de material şi, pe de altă parte, datorită rezultatelor cercetării ştiinţifice, a studiilor privind proprietăţile intime ale unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite, numite de specialişti “de generaţia a II-a” care prezintă o serie de avantaje certe pentru o mare gamă de produse, avantaje dintre care menţionăm:

masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu răşini epoxidice armate cu fibre de Si, B, C, au masă volumică sub 2 g/cm3);

rezistenţa la tracţiune sporită Rm (compozitul Kevlar are Rm de două ori mai mare decât al sticlei);

coeficient de dilatare mic în raport cu metalele;

rezistenţa la şoc ridicată;

durabilitate mare în funcţionare (în aceleaşi condiţii de funcţionare, 1kg de Kevlar înlocuieşte 5 kg de oţel, la o durată egală de funcţionare);

4


capacitate mare de amortizare a vibraţiilor;

siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din compozit nu produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul materialelor clasice);

consum energetic scăzut la elaborare, în comparaţie cu metalele (pentru obţinerea polietilenei se consuma 23 kcal/cm3, iar pentru oţel 158 kcal/cm3;

rezistenţă la coroziune;

stabilitate termică şi rezistenţă mare la temperatura ridicată (fibrele de Kevlar, teflon, Hyfil sunt stabile până la 500 oC, iar fibrele ceramice tip SiC, Si3Ni4, Al2O3 sunt stabile până la 1400 oC – 2000 oC.

5


Capitolul 2. Materiale compozite cu aplicații în industria militară

În industria militară se folosesc urmatoarele tipuri de fibre:

– Fibrele de carbon conţin 80…95% C, sunt uşoare, rezistente la acţiunea agenţilor chimici şi a mediului înconjurător, stabile la temperaturi înalte, bune conducătoare de căldură şi electricitate şi rezistente la tracţiune şi compresiune.

Se obţin din materii prime solide (cărbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice), lichide (gudron, petrol, uleiuri aromatice) sau gazoase (acetilenă, hidrocarburi) care se supun unui proces de combustie incompletă (piroliză con-trolată). Dacă arderea are loc la 1000…1500 oC se obţin fibre de înaltă rezistenţă, iar la 1.800…2.000 oC se obţin fibre cu module de elasticitate foarte bune.

Fibrele de carbon se utilizează în construcţia avioanelor militare şi a vehiculelor de înaltă performanţă (discuri de frână), a articolelor sportive (undiţe de pescuit, crose de golf, rachete de tenis, schiuri, arcuri de tir, cadre de biciclete), precum şi a filtrelor de gaze pentru temperaturi înalte.

– Fibrele de aramide provin din poliamide aromatice şi au fost introduse pe piaţă în 1973 de către firma DuPont, sub numele de kevlar. Sunt rezistente la tracţiune, la şoc şi la abraziune. De asemenea, sunt rezistente la foc şi la căldură (nu se topesc), precum şi la acţiunea solvenţilor organici.

6


Se folosesc în construcţii aeronautice cu aplicaţii militare, la fabricarea unor ambarcaţiuni uşoare sau piese pentru vapoare (cârme, catarge, rezervoare şi spărgătoare de valuri), la fabricarea vestelor antiglonţ şi a căştilor de protecţie.

– Fibrele de bor au fost obţinute în 1959 de firma Texaco din SUA şi utilizate pentru armarea unor compozite folosite de aviaţia militară. Ele au un miez de wolfram pe care se depune, prin vaporizare, un strat subţire de bor şi prezintă rezistenţe la rupere şi la compresiune foarte bune, precum şi un modul de elasticitate înalt şi o rezistenţă la oboseală excepţională.

Utilizarea lor este limitată de costul ridicat, de fragilitatea şi duritatea care au valori mari. Duritatea ridicată îngreunează prelucrările mecanice ulterioare care necesită scule armate cu diamant. Pentru înlăturarea acestor dezavantaje, fibrele de bor ce combină cu fibre de sticlă şi de carbon şi se utilizează în aviaţia militară (lonjeroane, voleţi, panouri de fuselaj) sau la fabricarea unor articole sportive de performanţă (rachete de tenis, undiţe de pescuit).

7


2.1. Materiale compozite pentru blindaje

De-a lungul istoriei, încă din Evul Mediu, s-a constatat o creştere a ameninţării asupra protecţiei individuale şi colective a luptătorilor şi în consecinţă s-a impus o îmbunătăţire permanentă a calităţii accesoriilor purtate de aceştia dar şi a materilelor menite a atenua efectele diferitelor mijloace de atac.

Dezvoltarea rapidă a tehnicii începând cu secolul XIX, conflictele armate precum şi amplele mişcări sociale care au caracterizat secolul XX încă din primele decenii, au determinat apariţia şi diversificarea protecţiei individuale prin vestă antiglonţ, impunându-se totodată în mod substanţial şi implicarea industriei constructoare de maşini în dotarea structurilor militare cu maşini de intervenţie şi tehnică de luptă, dotate corespunzător pentru a asigura protecţia luptătorilor [3].

Trebuie subliniat faptul că principalele calităţi ale unui astfel de mijloc intervenţie nu constau numai în gradul de mobilitate şi capacitatea sa de deplasare în orice teren, ci şi în posibilităţile acestuia de protecţie împotriva armelor de foc.

Pentru realizarea protecţiei maşinilor de intervenţie împotriva armelor de foc, este necesar ca acestea să fie înzestrate cu un blindaj relativ rezistent şi uşor. Aceste două proprietăţi – mobilittea şi protecţia prin blindaj – par la prima vedere contradictorii, deoarece pentru a avea o rezistenţă mare placa de blindaj trebuie să fie groasă, iar pentru a fi cât mai uşoară ea trebuie să

8


aibă grosimea cât mai redusă. Problema poate fi rezolvată numai prin realizarea blindajului din materiale de foarte bună calitate, cu rezistenţă ridicată la impact [4].

În timpul războiului din Golf s-a dovedit însă că vehiculele blindate uşoare de luptă dotate cu o protecţie prin blindaj suficientă pentru trupele transportate la bord, au fost în general pe roţi, acest tip de propulsie având un randament scăzut în condiţiile de deşert cu un nisip fin. Pe de altă parte, vehiculele blindate grele întâmpină dificultăţi la executarea marşurilor pe distanţe mari.

S-a ajuns astfel în situaţia de a alege între maşinile de luptă grele pe şenile cu o protecţie optimă prin blindaj şi o mare putere de foc pe câmpul de luptă, şi vehiculele blindate uşoare pentru o desfăşurare cât mai rapidă [5].

Apariţia şi dezvoltarea diverselor tipuri de muniţii capabile să neutralizeze tehnica de blindate au determinat implicit diversificarea cercetărilor în scopul realizării unor noi categorii de blindaje menite să reducă efectul muniţiei la ţintă.

În scopul creşterii rezistenţei la perforare, se realizează blindaje de tip ”sandwich”, la care stratul exterior este din oţel de mare duritate, iar stratul interior, din aliaj de titan, aluminiu, vanadiu şi crom. Între cele două plăci de oţel se interpune o placă din materiale ceramice sau materiale plastice armate cu fibră de sticlă [5].

Prin intermediul blindajului multistrat s-a realizat o protecţie eficientă atât împotriva proiectilelor perforante, cât şi a celor cumulative. Există blindaje de acest tip, în care stratul nemetalic interpus între cele două straturi de oţel este “inert”, de tipul masă plastică armată cu fibră de sticlă sau cauciuc special, dar există şi variante în care stratul din mijloc este o folie de exploziv.

Acest din urmă tip de blindaj este denumit reactiv-exploziv datorită faptului că jetul muniţiilor cumulative trase asupra blindajului provoacă explozia acestui strat din interior şi, prin interacţiune, are loc perturbarea, devierea şi reducerea în mare măsură a capacităţii de penetrare a jetului cumulativ în interiorul carcasei tancului. Această soluţie dă rezultate bune împotriva loviturilor cu energie chimică şi, mai recent, împotriva proiectilelor cu penetrator de tip săgeată (cu energie cinetică).

9


Din categoria materialelor compozite cu destinaţie militară se numără şi o parte din ultimele produse ale firmei American Technology Applications Knowledge (ATAK) Incorporated [8].

ATAK Inc. are ca obiect de activitate obţinerea unor noi materiale compozite avansate bazate pe fibre ranforsate, cu matrice polimerice folosite în industria de apărare pentru forţele terestre, maritime, dar şi aeriene (fig.2.1.1) [8].

Fig. 2.1.1 - Modul de dispunere a fibrelor de ranfors în matricea polimerică

a compozitelor realizate de firma ATAK Inc [8]

Din categoria materialelor compozite cu destinaţie militară realizate de firma ATAK Inc., sunt de menţionat următoarele: ATAK-MAT-1, ATAK-MAT-2, ATAK-MAT-3, ATAK-BLAST-1 şi ATAK-BLAST-2.

Astfel, produsul ATAK-MAT-1 este un material compozit cu matrice polimerică, armat cu fibre, rezistent la coroziune şi la foc, fiind gândit special pentru aplicaţii unde rezistenţa la rupere, la perforare, precum şi fiabilitatea ridicată sunt caracteristici cerute simultan, depăşind cu mult condiţiile impuse de standardul MIL-L-46197 (fig.2.1.2) [8].

10


Fig. 2.1.2 - Caracteristicile blindajului compozit ATAK-MAT-1 [8]

Compozitul ATAK-MAT-2 depăşeşte în anumite condiţii proprietăţile compozitului ATAK-MAT-1 în ceea ce priveşte rezistenţa, rigiditatea, toleranţa la eforturi ciclice de lovire. Şi acesta la rândul său, este mult superior condiţiilor impuse de standardul MIL-L-46197 (fig.2.1.3) [8].

Fig. 2.1.3 - Caracteristicile blindajului compozit ATAK-MAT-2 [8]

11


ATAK-BLAST-1 este un compozit superior celor menţionate mai sus, produs tot de firma ATAK Inc. Acest material compozit cu matrice polimerică armată cu fibre, a fost conceput special pentru blindajul podelei vehiculelor blindate. Pe lângă toleranţa înaltă la şocuri, acesta a fost proiectat pentru a rezista fragmentării minelor cu efect prin suflu şi schije (fig.2.1.4) [8].

Fig. 4 - Grafic comparativ al materialelor utilizate la fabricarea vehiculelor de luptă

cu podea blindată, pentru protecţie împotriva minelor şi schijelor [8]

Obţinerea unor materiale stratificate cu destinaţie specială utilizând procedeul de placare prin explozie

După cum este cunoscut, datorită efectului lor distructiv, materialele explozive sunt folosite cu precădere în domeniul militar [11]. Astfel, ele intră ca elemente principale în diferite tipuri de muniţie, rachete, în mine terestre sau marine sau ca elemente cu rol divers în construcţia focoaselor. De asemenea, explozivii pot fi utilizaţi la distrugerea unor construcţii, fortificaţii, poduri, linii de cale ferată etc.

12


În jurul anilor 40, cercetarea ştiinţifică a fost atrasă de posibilitatea folosirii explozivilor în scopuri tehnologice, la operaţiile de prelucrare a metalelor. Ca urmare, s-au elaborat mai multe tehnologii noi printre care şi procedeul de sudare şi placare prin explozie.

Procedeul de sudare şi placare prin explozie (în care se încadrează şi placarea prin explozie a unor straturi metalice subţiri), prezintă o serie de avantaje incontestabile: posibilitatea sudării unor combinaţii metalice "incompatibile" prin alt procedeu, rapiditate de execuţie (deci posibilitatea obţinerii unei productivităţi ridicate), dar şi posibilitatea realizării în ţară a amestecurilor explozive necesare, asigurându-se o independenţă faţă de orice instalaţie şi sursă de energie convențională. Ultimele cercetări au arătat că sticle metalice pot fi placate sau sudate pe oţel. Datorită duratei scurte a procesului de sudare, sunt excluse transformările structurale în stratul depus, metoda fiind economică şi putându-se aplica şi pe piese de dimensiuni mari.

Trebuie totuşi menţionat faptul că, în pofida numărului mare de ţări în care există preocupări în domeniu, doar marile puteri industriale ale lumii au reuşit să obţină rezultatele ce permit aplicarea la scară industrială a procedeelor. Motivaţia acestei realităţi nu este greu de intuit: complexitatea fenomenelor, cheltuielile relativ însemnate ale cercetării aplicative, nevoia organismelor şi personalului specializat, riscurile mari ale operaţiilor cu explozivi etc. Dacă mai adăugăm că această nouă tehnologie are aplicaţii în industria "de vârf", avem o primă justificare a întârzierii progreselor în acest domeniu pe plan naţional.

Fig. 2.1.5 - Reprezentarea schematică şi principială a procedeului de sudare prin explozie

13


La sudarea prin explozie are loc un impact oblic între două componente ce trebuiesc sudate, ceea ce produce o comportare hidrodinamică a metalelor în zona de contact. În urma coliziunii oblice ia naştere adesea un jet cu viteză ridicată, acesta formându-se din elementele materiale prezente pe straturile superficiale ale celor două componente [10]. Jetul provoacă o curăţire a zonei de interfaţă urmată de o presare puternică ce duce în final la sudare.

O imagine de ansamblu a procedeului de obţinere a noi materiale stratificate utilizând metoda placării prin explozie, obţinută prin simulare numerică pentru anumite intervale de timp de la momentul generării detonaţiei este prezentată în fig.2.1.6 [11].

Fig. 2.1.6 - Etape secvenţiale ale procedeului de placare prin explozie la diferite intervale de timp t, [ms], [9]

14


Fenomenele ultrarapide, cum sunt şi cele specifice placării prin explozie, devin accesibile şi pot fi tratate secvenţial prin simulare numerică (fig.2.1.6) şi reprezentate ca efect al simulării, fără a se apela la mijloace sofisticate de înregistrare, precum cinematografierea ultrarapidă, fotografierea în radiaţii X şi alte asemenea metode costisitoare.

Tendinţele cercetărilor în domeniu constau în găsirea de noi materiale uşoare în scopul asigurării unei mobilităţi ridicate a blindatelor dar ale căror performanţe privind rezistenţa la imact să fie superioare celor folosite în prezent, fiind caracterizate printr-o protecţie ridicată la o gamă căt mai variată de mijloace de perforare.

După cum s-a putut observa şi din materialul prezentat, orientarea specialiştilor în domeniu este direcţionată spre obţinerea de noi materiale compozite, dar şi spre metodele neconvenţionale de obţinere a materialelor stratificate.

Tipurile de materiale prezentate, inclusive cele obţinute prin utilizarea procedeului de placare prin explozie subliniază încă odata faptul că materialele stratificate sunt acelea care, datorită proprietăţilor pe care le deţin, pot satisface în mare măsură cerinţele impuse de beneficiari.

15


2.2. Materiale compozite folosite în construcția de aeronave militare

Timp de mai multe decenii, proiectanţii de aeronave ar fi putut propune soluţii constructive care, la momentul respectiv, nu ar fi putut fi realizate din cauza lipsei materialelor corespunzătoare.

Astfel, naveta spaţială ar fi fost imposibil de realizat fără plăcuţele ceramice din componenţa scutului termic, care să o protejeze în timpul reintrării în atmosferă, iar deşi avantajele aripii cu săgeată inversă erau cunoscute din punct de vedere aerodinamic încă din anii ’40 (prototipul Ju-287 realizat în Germania), utilizarea acesteia la avioane supersonice, precum Grumman X-29 (fig. 2.2.1) sau Suhoi Su-47 Berkut (fig. 2.2.2), nu ar fi putut fi posibilă fără existenţa unor materiale care să prevină deformarea capetelor de plan la viteze mari.

Fig. 2.2.1 Avion Grumman X-29 Fig. 2.2.2 Avion Suhoi Su-47 Berkut

Compozitele sunt cele mai importante materiale adoptate în construcţiile aeronautice după aluminiu, care a fost şi el adoptat în anii ’20.

16


În anii ’60, au devenit disponibile noi materiale compozite, precum fibre de bor sau grafit în matrice de răşină. Atât forţele aeriene americane (USAF), cât şi marina (U.S.Navy) au demarat studii privind folosirea acestor materiale în construcţia suprafeţelor de comandă, precum eleroane sau direcţii.

Prima componentă importantă folosită la construcţia unui avion militar din materiale compozite a fost stabilizatorul avionului Grumman F-14 Tomcat (fig. 2.2.3), realizat din compozit pe bază de fibră de bor.

Fig. 2.2.3 Avionul Grumman F-14 Tomcat

La nivelul anului 1981, avionul cu decolare scurtă şi aterizare verticală British Aerospace McDonnell Douglas AV-8B Harrier II (fig. 2.2.4) avea deja 25% din structura sa din materiale compozite.

17


Fig. 2.2.4 Avionul British Aerospace McDonnell Douglas AV-8B Harrier II

Realizarea structurilor din compozite este mult mai complexă decât realizarea structurilor metalice. Astfel, pentru realizarea unei structuri din compozite, materialul compozit, sub formă de bandă sau pânză, este introdus într-o matriţă la temperaturi şi presiuni ridicate. Răşina din matrice curge şi când se răceşte, se solidifică.

Matriţele pot fi de forme şi dimensiuni diferite, putând fi astfel produse piese dificil sau imposibil de realizat prin tehnologii convenţionale.

În anumite situaţii, fibrele sunt înfăşurate strâns pentru a mări rezistenţa materialului compozit. O altă caracteristică utilă a compozitelor este stratificarea, cu fibrele din fiecare strat orientate în direcţii diferite.

Aceasta a permis realizarea unor materiale care să se comporte într-un anumit mod – de exemplu să se poată deforma pe o anume direcţie, iar pe alta nu. Însă cea mai importantă caracteristică a compozitelor o constituie faptul că sunt uşoare şi rezistente.

La realizarea avioanelor cu aripa în săgeată inversă X-29 (fig. 2.2.1) sau Su-47 (fig. 2.2.2), s-au utilizat astfel de materiale care nu permiteau torsionarea capetelor de plan ale acestor aripi la viteze mari, ca în cazul aripilor construite din metal.

Compozitele prezintă însă şi unele dezavantaje majore – sunt scumpe, deoarece fabricaţia lor implică manoperă multă şi maşini scumpe, inspecţia defectelor este dificilă, iar în caz de

18


deteriorare este necesară înlocuirea imediată. Prin comparaţie, componentele din aluminiu sunt mult mai uşor de fabricat şi reparat.

Totuşi, datorită avantajelor pe care le prezintă materialele compozite şi perfecţionării tehnologiilor de fabricaţie, utilizarea acestora în construcţiile aeronautice a luat amploare în ultimele decenii.

Astfel, aproximativ o treime din structura avionului de luptă american F-22 Raptor (fig. 2.2.5) este realizată din materiale compozite.

Fig. 2.2.5 Avionul F-22 Raptor

Materialele termoplastice înlocuiesc în prezent materialele cu priză termică pentru matricea materialelor compozite. Acestea sunt mai uşor de produs şi mai durabile decât cele cu priză termică, mai ales în cazul deteriorărilor produse în urma unui impact uşor.

În anii ’80, începuse să ia amploare utilizarea materialelor ceramice în construcţia motoarelor aeroreactive uşoare, datorită toleranţei ridicate a acestora la temperaturi ridicate. Dar, datorită faptului că sunt casante şi dificil de produs, în anii ’90 acestea au intrat în declin.

Deşi la început, utilizarea noilor materiale era doar apanajul marilor firme producătoare din SUA şi Europa de Vest, de la sfârşitul anilor ’70, acestea au fost utilizate şi în construcţia aparatelor realizate în fostul bloc răsăritean. Este demn de menţionat aici avionul MiG-29 (fig. 2.2.6), în construcţia căruia s-au folosit atât materiale compozite pe bază de fibre de carbon, în proporţie de aproximativ 7% din masă (învelişuri, derive, stabilizatoare, suprafeţe de comandă), precum şi aliaje aluminiu-litiu (în construcţia fuzelajului central).

19


Fig. 2.2.6 Avionul Mikoian-Gurevici MiG-29

O altă utilizare a materialelor compozite în aeronautică este bombardierul invizibil B2,

care are în componenţă peste 60 % materiale compozite. Cerinţele proiectului de “Invizibilitate”

la radar au fost îmbunătăţite semnificativ datorită materialelor compozite utilizate.

Fig. 2.2.7 Bombardierul invizibil Northrop Grumman B-2 Spirit

Elicopterele constituie o categorie mai puţin dezvoltată decât avioanele, dar ţinând cont de specificul acestor aparate, cadenţa de implementare a materialelor compozite este mai ridicată şi ocupă procentaje mai importante decât în cazul avioanelor.

20


În figura 2.2.8 sunt prezentate câteva dintre componentele elicopterului Aerospatiale, realizate din materiale compozite.

Fig. 2.2.8 Componente ale elicopterului Aerospatiale realizate din materiale compozite

Aeronava V-22 (fig. 2.2.9) (decolare verticală şi dublu rol: avion şi elicopter) are fuselajul realizat din compozite, aceste materiale contribuind la o reducere a greutăţii cu aproximativ 50%.

Fig. 2.2.9 Aeronava Bell Boeing V-22 Osprey

21


Pornind de la programele aflate în prezent în derulare şi tendinţele generale de dezvoltare în industria aeronautică pe plan mondial, în paralel cu perfecţionarea şi ieftinirea tehnologiilor de producere, prelucrare şi întreţinere ale acestor materiale noi, este de aşteptat ca utilizarea acestora să ia o amploare şi mai mare decât până în prezent.

22


2.3. Materiale compozite folosite în construcția rachetelor cu combustibil solid

Materialele cele mai des folosite în construcția rachetelor cu combustibil solid sunt: metalele de înalta rezistență și materialele compozite.

În construcția rachetelor cu combustibil solid, au căpătat o frecventa întrebuințare materialele compozite îndeosebi materialele compozite fibroase de înaltă rezistență. Aceste materiale au îmbunătățit considerabil parametrii rachetelor ducând la micșorarea masei pasive a motorului rachetă cu combustibil solid (MRCS). Materialele compozite fibroase au caracteristici de rezistență superioare uneori aliajelor metalice și ele fac posibilă realizarea unor structuri de rezistență care să raspundă cel mai bine specificului și conditiilor de funcționare în domeniul tehnicii reactive.

Cea mai mare răspândire au căpătat-o materialele compozite cu matrici polimerice (mase plastice) armate cu fibre din bor, care prezinta următoarele caracteristici: rezistență la rupere 175 kgf/mm2; modulul de elasticitate E=2,2×104 MPa.

O altă categorie de materiale compozite folosite în construcția structurilor de rezistență a MRCS sunt materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon. Ele se realizează, în special, cu folosirea lianților epoxidici și au urmatoarele proprietăți: densitate (1,5…1,6)x103 kgf/m3; rezistență la rupere 41-310 kgf/mm2; modulul de elasticitate (1,3…1,9)x106 MPa. De asemenea, materialele compozite cu matrici polimerice armate cu fibre de carbon posedă o rezistență la oboseala statica foarte mare si proprietăți de amortizare și rezistență la vibrații mult superioare decât metalele. Conductibilitatea termică superioară a fibrelor de carbon asigură masei plastice un coeficient de dilatație termică foarte mic de (1,5…5)x10 -6 la 10 C la temperaturi cuprinse intre 20 – 3000 C.

S-au elaborat materiale compozite de tipul carbon – carbon pentru construirea structurilor de rezistență a MRCS, la care în calitate de liant pentru fibrele din carbon se folosesc matrici de carbon grafitizate. Astfel de materiale au proprietati termoprotectoare superioare, cu acțiune chimica inerta si care pastrează caracteristicile de rezistență la temperaturi foarte mari. Ele au

23


urmatoarele caracteristici principale: densitatea 1,46×103 kgf/m3; rezistență la rupere: la 200 C – 2181 kgf/mm2 si la 25000 C – 274 kgf/mm2. Compozitele carbon-carbon se folosesc îndeosebi, pentru construcția părților divergente ale aliajelor MRCS. Materialele compozite cu matrice metalică (Al, Mg, Ni) ranforsate cu fibre de carbon reprezintă o altă categorie de materiale compozite utilizate in construcția MRCS. Ele sunt ieftine și prezintă tehnologii simple și eficiente de fabricație. De exemplu, compozitele cu matrice din nichel ranforsate cu fibre din carbon prezintă urmatoarele proprietăți: densitatea 4,7×103 kgf/m3; rezistența la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 2,66×108 MPa.

Materialele compozite cu matrice polimerică ranforsată cu fibre de sticlă, fac parte din categoria materialelor compozite termoizolante care își pastrează proprietățile până la temperatura de 10000 C, materiale care se folosesc cu succes în construirea diferitelor elemente componente ale MRCS. Pentru aceste materiale, fibrele de sticlă se pot înlocui cu fibre de silice și de cuarț, care își păstrează proprietățile până la temperaturi de aproximativ 12000 C. Prezintă interes, de asemenea, materialele compozite obținute prin combinarea matricilor polimerice (mase plastice) cu fibre organice. Fibrele organice sunt fibre polimer de înalta rezistență care au urmatoarele proprietăți: densitatea 1,45×103 kg/m3; rezistența la rupere 80 kgf/mm2; modulul de elasticitate 1,3×108 MPa. Ele au rezistență la acțiunea substantelor chimice cu 20 – 30 % mai mare decat fibrele din sticlă, rezistență la deteriorari superficiale, sunt bune conducatoare de electricitate și au calități termoizolatoare superioare, își păstrează rezistența până la temperatura de 2900 C. Alegerea materialului necesar obținerii structurilor de rezistență ale MRCS trebuie să fie precedată de calcule privind eforturile și solicitările la care sunt supuse diversele elemente ale rachetelor, precum și de un calcul tehnico-economic și o analiză a posibilităților tehnologice. În tabelul 2.3.1 sunt date caracteristicile comparative ale materialelor compozite principalele folosite în construcția structurii de rezistență a MRCS.

Alegerea materialelor pentru construcția elementelor ajutajului (blocului cu ajutaje) este determinată de doua criterii de bază: repartizarea temperaturii de-a lungul ajutajului pe timpul funcționării motorului și acțiunea chimică și erozivă a produselor de ardere asupra ajutajului.

24


Tabelul 2.3.1

Materialele pentru ajutajele MRCS trebuie să îndeplinească urmatoarele proprietăți: rezistență la temperaturi înalte de până la 3500 K0, rezistență mare la rupere (tenacitate ridicată), rezistență la eroziunea gazelor care curg cu viteză supersonică la temperaturi foarte înalte, densitatea scăzută și compatibilitatea privind aderența cu straturile de acoperire interior și exterior. Ajutajul suficient de ușor poate fi obținut numai prin întrebuințarea în construcția sa a principiului stratificației (cand fiecare start separat îndeplinește strict o funcție determinată, iar tot ansamblul, în intregime, asigură capacitatea de lucru cu performanțe satisfăcătoare. Pentru confecționarea ajutajelor MRCS este larg folosit grafitul și materialele compozite de tipul carbon-carbon.

Grafitul se caracterizează prin: rezistență ridicată la solicitări termice, conductibilitate termică foarte mare și o rezistență superioară la coroziune si eroziune. Există mai multe tipuri de grafit industrial, din care cel mai raspandit pentru executarea elementelor ajutajelor este grafitul policristalin (dens). Grafitul policristalin are densitatea mare (1,8 – 2,0)x103 kg/m3 și se caracterizează printr-o rezistență suficient de mare la eroziune. Grafitul cementat cu siliciu are o

25

http://www.compozite.net/wp-content/uploads/2010/12/proprietati-fizice-materiale-compozite.jpg


rezistență foarte înaltă la eroziune, rezistență mecanică suficientă și un coeficient de dilatație termică mic. Datorită faptului că, atât grafitul, cât și siliciu, nu sunt materiale deficitare, tehnologia de prelucrare a lor este relativ simplă și acestea sunt întrebuințate destul de mult la construcția ajutajelor (blocurilor cu ajutaje) ale MRCS. În prezent, se foloseste tot mai mult grafitul pirolitic, care are o densitate aproape identică cu cea a grafitului policristalin și este foarte rezistent la temperaturi înalte (3500K). Caracteristicile principale ale grafitului pirolitic și a celui cementat cu siliciu sunt prezentate in tabelul 2.3.2.

Tabelul 2.3.2

26

http://www.compozite.net/wp-content/uploads/2010/12/proprietati-grafit.jpg


2.4 Humvee, mașina de război elicopter-avion

Cel mai nou proiect al DARPA (Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată de Apărare a Pentagonului) este în valoare de 67.580.000 dolari și are un aspect fantezist, fiind destinat trupelor care luptă în Afghanistan. Va putea transporata patru soldați complet echipați și tehnica de luptă din dotare.

Revoluționarul mijloc de transport rutier militar, noul humvee se poate transforma în elicopter la acționarea unui singur buton, permițându-i vehiculului sa își ia zborul pe deasupra obstacolelor și a pericolelor iminente de pe câmpul de luptă.

Fig. 2.4.1 Humvee, mașina de război elicopter-avion

De asemenea, humvee-ul le va permite soldaților sa evadeze rapid și eficient, pe calea aerului, dintr-o eventuală ambuscadă a inamicilor, precum și evacuarea în viteză a răniților care necesită ajutor medical.

27


Fig. 2.4.2 Humvee, mașina de război elicopter-avion

Vehiculul, cu o armură din materiale compozite pentru protecția echipajului în fata focului de mitralieră, a exploziilor și a unor rachete, va avea o autonomie, atât pe sol cât și în aer, de aproximativ 450 de kilometri. El poate decola și ateriza vertical, asemenea avioanelor de vânătoare britanice Harrier, pentru a spori posibilitățile de acces în zone cu teren accidentat.

28


Capitolul 3. Concluzii

Deşi există şi factori care pot opri folosirea pe scară largă a materialelor compozite (costuri ridicate, programe de cercetare complicate, lipsa standardelor de testare etc.) totuşi, având în vedere avantajele create de utilizarea acestor materiale, se va constata, la nivel mondial, o sporire considerabilă a aplicaţiilor realizate din materiale compozite.

Perspectiva folosirii pe scară largă a unor asemenea materiale în România impune efectuarea unor cercetări care să completeze informaţiile accesibile din literatura de specialitate.

Numărul mare de lucrări apărute în acest domeniu este datorat nu numai importanţei pe care o au materialele compozite ci, mai ales, complexităţii problemelor lor de rezolvat.

29


Bibliografie

1. http://www.compozite.net/

2. BOLUNDUŢ, I.-L., Materiale şi tehnologii neconvenţionale, Editura Tehnica-Info, Chişinău, 2012. Pag. 86-91.

3. BURILEANU, ŞT., Metalurgia fontei, fierului şi oţelului, Bucureşti 1926, pag. 550-562.

4. GOGA D. A., Contribuţii cu privire la sudarea prin explozie a plăcilor metalice subţiri, Rezumatul tezei de doctorat, Bucureşti, 1999.

5. PLEŞANU, T., Organizarea generală a blindatelor, Editura Academiei Tehnice Militare, Bucureşti, 1998.

6. * * * Armed Forces Journal – International, U.S.A., March 1999.

7. CULLER, T., FOSS, C., F., Jane’s – Armour and artillery upgrades, Ninth Edition, 1996-1997, U.K.

8. www.netcom.com/~atak.dew - ATAK Material Technologies.

9. BELMAS R., PLOTARD J. P., BIANCHI C., LEROY M., Un modèle de points chauds fondé sur l'implosion de la porosite microstructurale, Propellants explosives and pyrotechnics, 1996-18, pag. 217-222.

10. BOILEAU J., Réunion scientifique de travail sur la comprehension de la détonation au niveau moleculaire, RSTD nr.14/1991-4.

11. MUSTAŢĂ, ŞT. M., Contribuţii asupra obţinerii unor materiale stratificate cu proprietăţi şi destinaţii speciale, Teză de doctorat, Bucureşti, 2003.

12. http://www.roaf.ro/ro/cer_senin/arhiva/2007/articles_4_2007.php?art=26

30

http://www.compozite.net/


13. Anglin, J. M., Aircraft Applications, Engineered Materials Handbook – Composites, Vol. 1, 1989

14. Dumitras C., Opran C., Prelucrarea materialelor compozite, ceramice si minerale, Editura Tehnica, Bucuresti, 1994

15. Stefanescu F., Neagu G., Mihai A., Materiale compozite, Editura didactica si pedagogica, Bucuresti, 1996

16. Ispas St., Materiale compozite, Editura Tehnica, Bucuresti, 1987

17. Craciunescu M., Materiale compozite, Editura SEDONA, Timisoara, 1998.

18. Toma V., Posibilitati de modernizare a rachetelor cu combustibil solid, Academia Tehnica Militara, 1996.

19. Iacobescu A., Procedee si tehnologii de prelucrare a materialelor compozite, ceramice si minerale, Referatul nr. 2 – Doctorat, Universitatea „Lucian Blaga” – Facultatea de Inginerie, Sibiu, 1999.

20. http://pilotmagazin.ro/2011/11/humvee-masina-de-razboi-elicopter-avion-o-alta-gaselnita-americana-in-diversificarea-tehnicii-de-lupta-a-razboiului-din-afganistan/

31

Documents

Proiect Materiale compozite