Композитная отрасль и тенденции развития новых производственных технологий
Научно-исследовательский институт – Республиканский исследовательский научно-консультационный центр экспертизы (ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ) с привлечением экспертов Федерального реестра представил анализ уровня и тенденций развития новых производственных технологий. Среди направлений данных технологий отводится новым материалам и конструкциям на основе композитов для различных отраслей. Приводим выдержку данного документа.
Устройства для создания крупномерных пространственных тканных структур
Данная технология позволяет получать крупномерные цельнотканые структуры для создания композиционных материалов применяемых в авиации, судостроении и других отраслях. Выпуск трехмерных тканей затруднен вследствие особенностей их формирования и ограниченного количества специализированного ткацкого оборудования. Данные конструкционные материалы широко используются при изготовлении различных транспортных средств (автомобилей, яхт, авиационной техники). Однако следует отметить, что не имеется публикаций, свидетельствующих, что используемые наполнители имели значительную толщину. Как правило, данный показатель армирующих наполнителей достигается за счет склеивания однослойных и многослойных тканей небольшой толщины. Требуемая форма композиционных материалов получается за счет их дополнительной обработки. Эти обстоятельства ведут к большим энергозатратам, чрезмерному расходу дорогостоящего сырья.
Сверхвысокотемпературные композиционные материалы на основе систем ZrB2-SiC и HfB2-SiC
В настоящее время наблюдается интенсивное развитие технологий создания ультравысокотемпературных материалов на основе боридов циркония и гафния с добавкой карбида кремния или силицидов тугоплавких металлов, которые считаются перспективными для изготовления термонагруженных узлов летательных аппаратов, в том числе и гиперзвуковых.
Технология контроля качества композитных и наноструктурированных материалов с помощью излучения терагерцового диапазона частот
Излучение ТГц диапазона частот находит широкое применение во многих областях науки и техники благодаря его высокой чувствительности к диалектическим и магнитным свойствам полупроводниковых, наноструктурированных и композитных материалов. Диалектические свойства объемных материалов и тонких пленок в терагерцовом диапазоне частот определяются параметрами электрической проводимости материала, их магнитными свойствами, трехмерным распределением плотности материала и его диалектическими динамическими потерями в нем. Такая чувствительность позволяет разрабатывать неповреждающие методы контроля качества полупроводниковых материалов в микроэлектронной промышленности, тонких лакокрасочных покрытий в автомобильной промышленности, ранней диагностике онкологических заболеваний и в других областях техники, технологии и медицины.
Сверхтвердые универсальные композиты с использованием природных алмазных нанополикристаллов и кубического нитрида бора
Сверхтвердые композиты на основе алмаза и алмазоподобного нитрида бора широко используются в процессах механической обработки твердых сталей, спецсплавов, различных композитов, дерево и камнеобработке, буровой технике и электронике.
Основными тенденциями развития этого направления в настоящее время является снижение размерности частиц в композитах до субмикро- или наноуровня, универсализация, увеличение размеров композита при синтезе или спекании с целью его последующего раскроя на элементы требуемой геометрии. При синтезе поликристаллических сверхтвердых композитов наиболее широкое распространение получают способы консолидации высокодиспесных порошков при высоких давлениях и температурах. В частности, все чаще используются шестипуансонные прессовые установки с кубической ячейкой.
Технологии разработки нового поколения судов, летательных аппаратов и двигателей с улучшенными тактико-техническими данными, экономичностью, ресурсом, удобством обслуживания и их сопровождения при эксплуатации
В настоящее время во всех передовых странах при создании судов и летательных аппаратов новых поколений, их двигателей и движителей, силовых установок (СУ) и вспомогательных силовых установок (ВСУ), большое внимание уделяется повышению тактико-технических данных, надежности, удобства эксплуатации и сокращению эксплуатационных затрат. Это достигается за счет создания судов и летательных аппаратов и двигателей новых поколений с улучшенными тактико-техническими данными, экономичностью, ресурсом, удобством обслуживания и поддержки в эксплуатации (в зарубежной терминологии sepot – «поддерживаемость»). Лопаточные машины (ЛМ) являются основным элементом современных судовых и авиационных двигателей и движителей. Их характеристики, надежность, удобство эксплуатации в существенной мере определяют соответствующие характеристики двигателей, судов и ЛА в целом.
В настоящее время развиваются новые подходы к проектированию лопаточных машин (МОС – метод отслеживания струй), использование подвижных Лагранжевых сеток, использование обобщения экспериментальных данных для выявления закономерностей протекания характеристик решеток профилей, ступеней, каскадов и ЛМ, их использования при планировании новых экспериментов и испытаний, при диагностике состояния ЛМ и т.д.). Все шире используются новые конструкторские решения – широкохордные и полые лопатки, рабочие моноколеса (блиски). Возможность их применения тесно связана с использованием новых материалов – композиционных (с полимерной и металлической матрицей), наноструктурных и т.д., а также новых технологий изготовления – сварка трением при изготовлении моноколес (блисков), специальные технологии изготовления полых лопаток и лопаток из композиционных материалов.
Поэтому целесообразно начать разработку методов и средств, обеспечивающих проектирование и изготовление судовых и авиационных лопаточных машин для движителей и двигателей с использованием новых подходов, новых материалов, конструкторских решений и технологий. Для этого есть соответствующие условия. В России в ЦКТИ, ЦНИИ им. Крылова, в ЦИАМ, в ряде судостроительных, самолетных, авиамоторных, энергомашиностроительных и агрегатных ОКБ и заводов (ОАО Аэросила, ОАО Гидравлика, НПП Мотор), в авиационных и судостроительных университетах (в том числе в НИЛ САПР-Д, на кафедрах АД, АТиТ, ПГМ УГАТУ) имеются группы квалифицированных разработчиков, работающих в этой области, включая ведущих специалистов, докторов и кандидатов технических наук, аспирантов, докторантов и соискателей (работающих в промышленности). Создан существенный задел в области моделирования рабочих процессов и автоматизированного проектирования лопаточных машин, создания средств для организации разработки и эксплуатации судовых и авиационных СУ и ВСУ различных типов, их узлов и систем. При этом будет использован имеющийся опыт разработки и эксплуатации судовых и авиационных ГТД и лопаточных машин в их составе.
Создание опережающих технологий в этой области позволяет не только догнать, но и опередить западных конкурентов.
Композиционные материалы для производства развертываемых космических конструкций большого объема
В рамках международных проектов INTAS 94-700/701 и INTAS 00-0652 в 1994-2005 гг. проведены совместные исследования со специалистами Беларуси, Германии, Испании и Франции в области теплофизики высокотемпературных теплозащитных материалов для перспективных многоразовых космических аппаратов, результаты которых имеют мировой уровень. Научно-технический задел имеется в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
В результате проведенных ранее исследований совместно с РКК «Энергия» им. С.П. Королева был получены уникальные результаты моделирования температурного и напряженно деформированного состояния крупногабаритных космических конструкций типа фермы «СОФОРА» орбитального комплекса «МИР», крупногабаритного рефлектора (диаметр 14 м) антенны перспективного спутника связи, для работы на геостационарной орбите. Для моделирования использовались собственные оригинальные программы конечно-элементного анализа пакета «CAR». Были получены теоретические данные о температурных полях, напряжениях и деформациях в тонкостенных элементах композитных конструкций сложной формы, свидетельствующие о сложной динамике термомеханического поведения конструкций. Существенно, что полученные результаты хорошо совпали с результатами независимых расчетов, проведенных в рамках международной кооперации с итальянскими специалистами из фирмы Alenia Spacio по вычислительным программам Европейского космического агентства ESATAN EASARAD и с экспериментальными данными, полученными при тепловых испытаниях в Европейском центре космических исследований и технологий в г. Нордвейк, Нидерланды.
Для выполнения задач настоящего проекта весьма полезен также опыт испытания элементов натурных стержневых космических конструкций, проведенных по методикам МГТУ им. Н.Э. Баумана на испытательных установках и стендах в ОАО «НПП «Технология», г. Обнинск, ОАО «НПО «Молния», «ОАО «ВПК «НПО машиностроения», г. Реутов.