Inventario de puntos críticos de investigación en materiales compuestos avanzados aeroespaciales
Los materiales compuestos y los metales, los polímeros y las cerámicas se denominan los cuatro materiales principales. Hoy en día, el nivel de la industria de materiales compuestos de un país o región se ha convertido en uno de los indicadores para medir su fortaleza tecnológica y económica. Los materiales compuestos avanzados son una fuente de ventaja competitiva para la seguridad nacional y la economía nacional. Entre ellas, las resinas epoxi son excelentes resinas curables por reacción. En el campo de los materiales compuestos reforzados con fibra, las resinas epoxi juegan un papel importante. Está compuesto con fibra de carbono basada en PAN de fibra de alto rendimiento, fibra de vidrio S o E, fibra de aramida, fibra de polietileno y fibra de basalto, y se convierte en un material de matriz importante e irremplazable y material estructural, que se usa ampliamente en energía electrónica, aeroespacial, equipamiento deportivo, refuerzo de edificios, tuberías a presión, anticorrosión química y otros seis campos. Este documento se centra en el estado nacional y extranjero de los compuestos de matriz de resina avanzada aeroespacial y los problemas y direcciones que China está estudiando.
Fibras de refuerzo utilizadas en materiales compuestos.
La comparación del rendimiento de varios materiales de fibra utilizados en materiales compuestos se muestra en la Tabla 1. Se compararon las propiedades de algunos materiales. En la Tabla 1 se puede ver que la resistencia específica y el módulo específico de la fibra de vidrio solo aumentan en un 540 % y un 31 %, respectivamente, en comparación con los materiales metálicos, y la mejora de la fibra de carbono es aún más significativa. Según los informes de la literatura, la fuerza teórica del grafito monocristalino calculada a partir de la energía de enlace y la densidad de enlace es de hasta 150 GPa. Por lo tanto, el potencial de desarrollo adicional de la fibra de carbono es muy grande. El objetivo a corto plazo de Toray Company de Japón es fabricar fibra de carbono con una resistencia a la tracción de 8,5 GPa, módulo de 730 GPa. No hace falta decir que la fibra de carbono seguirá siendo el material principal para las boquillas y las carcasas de los motores de cohetes sólidos en el futuro.
El desarrollo de otras aplicaciones de los compuestos de fibra de carbono es muy prometedor, como sistemas de frenado de aviones y trenes de alta velocidad, estructuras compuestas de aviones civiles y automóviles, cojinetes de fibra de carbono de alto rendimiento, palas grandes para turbinas eólicas, equipos deportivos (como esquís , raquetas, cañas de pescar), etc. Con la expansión de la escala de producción de fibra de carbono y la disminución gradual de los costos de producción, la aplicación de fibra de carbono en concreto reforzado, nuevos dispositivos de calefacción, nuevos materiales de electrodos e incluso las necesidades diarias también se expandirán rápidamente. Para cooperar con los Juegos Olímpicos de Beijing, mi país planea desarrollar vigorosamente nuevos materiales de construcción de CFRP y nuevos mercados de CFRP de alta tecnología relacionados con la protección ambiental y los bienes de consumo.
La fibra de carbono es un material de alta resistencia y alto módulo. En teoría, la mayoría de las fibras orgánicas se pueden convertir en fibras de carbono. Hay tres tipos principales de fibras orgánicas que se utilizan como materia prima para las fibras de carbono: fibra de viscosa, fibra de brea y fibra de poliacrilonitrilo. La mayoría de las fibras de carbono utilizadas en las piezas estructurales actuales de los motores de cohetes sólidos están hechas de fibras de poliacrilonitrilo.
Compuestos de matriz de resina aeroespacial
Según datos relevantes, cada kilogramo de masa de la nave espacial puede reducir el peso del vehículo de lanzamiento en 500 kilogramos, y el costo del lanzamiento de un satélite es de decenas de millones de dólares. El factor de alto costo hace que los materiales estructurales sean livianos y de alto rendimiento. La cubierta de motor sólida a base de epoxi fabricada por el proceso de bobinado de filamentos es resistente a la corrosión, alta temperatura y radiación, y tiene baja densidad, buena rigidez, alta resistencia y tamaño estable. Por ejemplo, las ojivas de misiles y los carenados de satélites, los materiales resistentes al calor para naves espaciales y los sustratos de matrices de células solares están hechos de materiales reforzados con fibra a base de epoxi y epoxi-fenólico. Para la consideración del vuelo aeroespacial y su seguridad, como material estructural, debe tener un peso ligero, alta resistencia, alta confiabilidad y estabilidad, y el material compuesto de fibra de carbono epoxi se ha convertido en un material indispensable.
Los materiales de refuerzo utilizados en los compuestos epoxi de alto rendimiento son principalmente fibras de carbono (CF) y fibras híbridas de CF y fibras de aramida (K-49) o fibras de vidrio de alta resistencia (S-GF). La resina epoxi utilizada como material de matriz representa aproximadamente el 90 por ciento de la resina compuesta de alto rendimiento. El proceso de moldeo de materiales compuestos de alto rendimiento adopta principalmente una disposición en seco de preimpregnado unidireccional y curado y moldeado en autoclave. Los compuestos epoxi de alto rendimiento se han utilizado ampliamente en varios aviones. Tomando a los Estados Unidos como ejemplo, en la década de 1960, los materiales compuestos de boro/epoxi se usaban para revestimientos de aeronaves y superficies operativas. Debido al alto costo de las fibras de boro, los compuestos de carbono/epoxi se convirtieron en compuestos de carbono/epoxi en la década de 1970 y se desarrollaron rápidamente. Se puede dividir aproximadamente en tres etapas. La primera etapa se aplica a componentes con poca fuerza, como varias superficies de control, superficies de timón, spoilers, alerones, flaps, placas de arrastre, puertas de tren de aterrizaje, cubiertas de motor y otras estructuras secundarias. La segunda etapa se aplica a partes estructurales con gran carga, como estabilizadores, colas horizontales de movimiento completo y alas estructurales principales de carga. La tercera etapa se aplica a estructuras estresadas complejas, como el fuselaje, la caja central del ala, etc. Generalmente, la pérdida de peso puede ser del 20 al 30 por ciento. En la actualidad, la cantidad de materiales compuestos en los aviones militares ha alcanzado alrededor del 25 por ciento del peso de la estructura, lo que representa el 80 por ciento de la superficie del cuerpo. Hay muchos ejemplos de aplicación de materiales compuestos epoxi de alto rendimiento en aviones militares y civiles extranjeros.
Además de los materiales compuestos ablativos en la industria aeroespacial, también se utilizan ampliamente materiales compuestos de alto rendimiento. Por ejemplo, después de adoptar C/EP, el cono de la cabina de instrumentos del misil Trident puede reducir el peso entre un 25 y un 30 por ciento y ahorrar mano de obra en un 50 por ciento. También se utiliza como soporte de instrumentos y 55 piezas estructurales auxiliares, como el soporte del giroscopio, el anillo de soporte del cilindro de eyección, el soporte del rodillo de eyección, el soporte interno del dispositivo de inercia y el soporte de la batería en el misil Trident. Debido a la reducción de peso, la autonomía aumenta en 342 km. C/EP también fabrica escudos e interetapas para cohetes Delta. C/EP produce las antenas, los soportes de antena, los marcos de las células solares y los filtros de microondas de los satélites y aviones estadounidenses. C/EP se usa para hacer una estructura de soporte de antena y una gran estructura espacial en Intelsat V. La nave espacial Air Voyager usa K-49/EP para los subreflectores de antena de alta ganancia y las capas interna y externa de la estructura tipo sándwich de panal. El transbordador espacial utiliza materiales compuestos C/EP de panal de abeja Nomex para fabricar grandes escotillas, paneles estructurales de cabina de cola C/EP, etc.
