Příklady použití kompozitních materiálů
Podpěrný nosník AVCO Systems
●
●
Staré řešení vlevo – nosník 20 x 20 mm, tl 3 mm, plocha 374 mm2, AL slitina, váha 1,05 kg/m Nové řešení vpravo – dole Al + 50 % B vláken 3,2 x 15 mm, zbytek Al slitina tloušťky 2 mm, plocha kompozitu 48 mm2, Al slitiny 219 mm2, váha 0,70 kg/m
Podlahový panel AVCO systems
● ● ●
Podlahový panel letadla 1,5 x 10 m Původní řešení 80 výztuží 20 x 20 mm z Al slitiny Nové řešení jen 59 nových výztuží 7,5 x 12,5 mm zpevněných na čele Al + 50 % B vláken, pokles hmoty panelu o 40 kg
Podlahový nosník Boeing 707
● ● ●
Nosník výška 180, šířka 60, délka 6 m Staré řešení – AlMg5 Nové řešení – 1 – plech TiAl6V4, 3 – Al + 50 % B vláken, 4 – Al voština
Tu – mez kluzu
Řešení
W mm4
Ru GPa
Tu GPa
M kg
staré
4,9*106
0,35
0,1
7,5
nové
3,4 *106
2,15
0,3
4,2
Povrchový panel křídla letadla
● ●
●
Panel 300 x 300mm má tři výztuhy Staré řešení výztuh vlevo – Al slitina, hmotnost panelu 2,16 kg Nové řešení výztuh vpravo – v panelu tři výztuže Al + 50 % B vláken (tmavě), hmotnost panelu 1,01 kg
Nosníky na letadle B - 1
● ●
●
●
●
Záměna nosníků z různých kovů A – horní nosník – 12 m, 50 x 70 mm, původně ocelový, teď epoxid + B vlákno, váha klesla o 44 % B – podlahový nosník – 4m, podobný průřez, původně Ti slitina, teď epoxid + B vlákno, váha klesla o 28 %. V letadle jsou dva. C – ocelový nosník 6 m, podobný průřez, původně ocelový, teď epoxid + B vlákno, váha klesla o 29 %. V letadle jsou dva Použitím 200 kg kompozitu se snížila celková váha nosníků o 538 kg
Optimální výška nosníku - Boeing ●
●
●
●
1 – konstantní pevnost, AlCu4Mg 2 – konstantní pevnost, Al + B vlákna 3 – konstantní průhyb, AlCu4Mg 4 – konstantní průhyb, Al + B vlákna Šipky dole – minimální váha
Efekt použití kompozitů ● ●
●
●
Podklady NASA Langley Zpočátku efekt snižování hmotnosti velký, později se již nevyplatí Optimum je 50 % kompozitů Užito např. na draku F – 111, má 376 kg, z toho polovina jsou kompozity : Al – B, epoxy – grafit epoxy - B
Namáhání lopatky turbiny ●
● ●
● ●
●
Měření namáhání lopatky turbiny leteckého motoru 1 – náběhová hrana 2 – oblast maximální tloušťky 3 – odtoková hrana Vzniká v lopatce silný kroutící moment Velmi složité namáhání
Lopatka turbočerpadla ●
● ●
●
●
Malý tlak a nízká teplota 1 – střed, AlCu4Mg 2 – Al + 50 % podélných B vláken 3 – Al + vlákna B orientace+-30 o 4 – vlastní tvar lopatky – epoxy + grafitové vlákno
Lopatka turbokompresoru ● ● ●
Teploty do 600 oC 1 – TiAl6V4 2 až 5 – vrstvy Al + 50 % Borsic vláken, orientace 0, +30, -30, 0 o
●
●
Na povrch folie z nerez oceli - dává hladký povrch Vrstvy kompozitů tlakově svařované
Specifická pevnost turbokompresorových lopatek ●
● ● ●
●
●
● ●
Požadavky pro různé obvodové rychlosti 1 – Ti + 50 % Borsic 2 – Al + 50 % Borsic 3 – Ti + 50 % ocel – těžké, levné 4 – Ti + 50 % Be – velmi drahé 5 – Al + 50 % ocel – těžké, levné Svisle- mez pro Al, Ti Nutná vysoká specifická tuhost – určuje rezonanční frekvenci – co nejvyšší
Lopatka plynové turbiny ●
●
● ●
●
●
Požadavky na mez tečení a teplotu podle obrázku A – B ….. Pracovní oblast lopatek 3 – žárupevné slitiny 2 – usměrněná eutektika – MMC 1 – FeCrAlY + vlákna W-ThO2 difuzní bariera Bez difuzní bariery použitelnost W jen do 1150 oC
Turbinové kompozity ●
● ●
●
●
●
Potíže s výrobou těchto kompozitů – těžkotavitelné Typ Ni + W vlákna A- infiltrace roztaveného kovu (plně) B – prášková metalurgie (čárkovaně) – horší pro nižší teploty 1 – 15 %, 2 – 25 %, 3 – 40 %, 4 – čistá vlákna W Stačí 25 % vláken, dál neefektivní
Jiná technologie výroby ●
●
●
●
●
●
Vtlačování matrice do vláken – podobné HIP Matrice – slitiny Cr, Ta, Nb Uvnitř W vlákna, při vtlačování se ztenčí 1 – níže tavitelný kov, později se odleptá 2 – jakkoliv složitý tvar výrobku Teplota vtlačování 800 až 900 oC
Změna celého proudového motoru ●
●
Podle Pratt and Whitney Aircraftsnížení váhy o 36 % Všude snížení počtu lopatek na polovinu – zjednoduší se i uložení a zmenší rozměry motoru
Disk turbokompresoru ●
●
●
●
●
Kromě lopatek možno měnit i disk A – klasické provedení z Ti slitiny B – 1 …Ti + W vlákna, 2 … Ti slitina Požadavky : otáčky 12000 za minutu, minimální deformace na obvodu Nová konstrukce- napětí na povrchu 1,58 GPa, průměr disku se zvětší o 0,84 mm. Váha klesla o 23 %.
List rotoru vrtulníku Boeing Vertol
● ● ●
2 – epoxy + skleněné vlákno 4 – Al + B vlákno 5 – Al + grafitové vlákno
List rotoru vrtulníku Fiber Science Inc.
● ● ● ●
1 – TiAl6V4 2 – epoxy + skleněné vlákno 3 – Al voština Levnější řešení
Kontaktní materiály ●
●
●
●
Na kontakty pro dopravní semafory Stříbro a 10 až 40 % vláken niklu Jen nepatrné snížení vodivosti, malý opal a ztráty třením Protlačováním se vytvoří trubka, která obalí vlákna
Jiné příklady ●
● ●
●
Průměrná hmotnost kompozitů v autě: rok 2000 – 33,5 kg, rok 2005 – 37,2 kg NGK Japan – výfuky kordierit + vlákna SiC AUDI – reflektory PBT + skelné vlákno – použitelné do 160 oC Nový lak na auta – nanočástice keramiky ke zlepšení otěruvzdornosti - snaha o samoopravitelnost – extrémně dobrá smáčivost, plastický lak - mikrokapsle
