Trenutno so kompozitni materiali postali eden od štirih glavnih sistemov materialov poleg kovinskih materialov, polimernih materialov in anorganskih ne{0}}kovinskih materialov. Raven nacionalne industrije kompozitnih materialov je postala ključni pokazatelj njene znanstvene, tehnološke in gospodarske moči. Napredni kompozitni materiali so vir konkurenčne prednosti za nacionalno varnost in gospodarstvo. Predvideva se, da bodo do leta 2020 le kompozitni materiali lahko dosegli 20–25-odstotno izboljšanje učinkovitosti.
1. Uporaba v konstrukcijah trupa letal
Napredni kompozitni materiali se uporabljajo za izdelavo primarnih obremenitev-nosilnih struktur in sekundarnih obremenitev-nosilnih struktur, ki nudijo togost in trdnost, primerljivo ali večjo kot pri aluminijevih zlitinah. Ti materiali se zdaj široko uporabljajo pri izdelavi struktur trupov letal in integriranih struktur majhnih brezpilotnih letal (UAV). Združene države so v veliki meri sprejele kompozite v bojnih letalih in bojnih letalih. V šestdesetih letih 20. stoletja so ZDA prve uporabile z-ogljičnimi vlakni ojačano plastiko (CFRP) v vojaških letalih za komponente, kot so kabinska vrata, dostopne plošče, obloge in krmilne površine (npr. krilca in krmila) z nizkim oz. zahteve za ne{11}}nosilnost-. Do zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja so kompoziti napredovali v sestavne dele repa, kot so navpični in vodoravni stabilizatorji (sekundarne nosilne-strukture), kot je razvidno iz letal, kot so F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 in Mirage 4000. V tej fazi je uporaba kompozitov ostala omejena. v poznih osemdesetih letih prejšnjega stoletja so lovci četrte generacije, kot sta F-22 in F-35 JSF, začeli vgrajevati kompozite v glavne nosilne strukture, kot so krila in trupi, s čimer so pospešili integracijo kompozitov v vojaška letala. Uporaba kompozitnih materialov se je še naprej povečevala (tabela 1-2), ki zdaj predstavlja 20–50 % strukturne mase v sodobnih vojaških letalih.
Britansko podjetje ICI je uporabilo GF/PA (verjetno poliamid, ojačan s-steklenimi vlakni) za izdelavo ventilov za bojna letala, s čimer je zagotovilo, da ti ventili ohranijo zmogljivost in dimenzijsko stabilnost tudi po dolgotrajni izpostavljenosti gorivu v širokem temperaturnem območju. Du Pont je uporabil tudi materiale, kot so GF, KF/PA in PPS (polifenilen sulfid) za izdelavo komponent za vojaška letala.
Če za primer vzamemo lovca četrte-generacije F/A-22, kompoziti predstavljajo 24,2 % njegovih strukturnih materialov. Med temi predstavljajo termoreaktivni kompoziti 23,8 %, termoplastični kompoziti pa približno 0,4 %. Približno 70 % termoreaktivnih kompozitov temelji na smoli bismaleimid (BMI), ki se uporablja za proizvodnjo več kot 200 vrst kompleksnih komponent. Preostali termoreaktivni materiali so v glavnem sestavljeni iz kompozitov-na osnovi epoksi smol, z dodatno uporabo kompozitov na osnovi cianatnega estra in-termoplastičnih smol. Ključna področja uporabe vključujejo krila, obloge srednjega dela trupa, okvirje in repne dele.
Tudi vojaški rotorski zrakoplovi v veliki meri uporabljajo kompozite. Na primer, letalo V-22 Osprey s tiltrotorjem uporablja kompozite za več kot 40 % svoje strukturne mase, vključno s trupom, krili, repom in rotacijskimi mehanizmi, skupaj več kot 3000 kg kompozitnih materialov. Najnovejši evropski jurišni helikopter Eurocopter Tiger ima 80 % strukturnih komponent iz kompozitnih materialov, kar se približuje popolnoma kompozitnemu ogrodju letala. V nasprotju s tem vojaška transportna letala uporabljajo manj kompozitov-C-17 pri 8 % in C-130J pri samo 2 % – čeprav vojaški transportni zrakoplov Airbus A400M vključuje v celoti kompozitno krilo, pri čemer kompoziti predstavljajo 35 % njegove strukturne mase, ko je prazno.
V civilnem letalstvu so v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja v ZDA -izdelana-enopilotna lahka letala Star舟 imela strukturno maso približno 1800 kg, kompoziti pa so presegali 1200 kg. Lahko letalo Voyager iz leta 1986, katerega več kot 90 % strukture je sestavljeno iz kompozitov iz ogljikovih vlaken, je postavilo svetovni rekord v devet-dnevnem neprekinjenem-letu okoli sveta brez postankov. Danes se je rivalstvo med vesoljskima velikanoma Boeingom in Airbusom okrepilo, s ključnim poudarkom na povečani uporabi kompozitnih materialov (slika 1-2).
Za izdelavo prvega-kompozitnega trupa letala 787 je Boeing sprejel metodo namestitve vlaken, podobno tisti, ki jo uporablja Raytheon. S tem postopkom je nastala kompozitna komponenta trupa, ki meri 7 metrov v dolžino in 6 metrov v širino. Ta struktura je bila izdelana s tehnologijo Automatic Fiber Placement (AFP) na masivnem vrtljivem trnu. Trn je bil predhodno -obdelan z utori, ki so se ujemali z obliko in merami stringerjev in longenov trupa. Predoblikovane vrvice in nosilce (izdelane iz prepreg plasti ogljikovih vlaken in utrjene pod tlakom) so pred navijanjem vstavili v te utore. Med proizvodnjo se je trn vrtel vzdolž svoje osi, kar je omogočilo navijanje neprekinjenih vlaken na kalup za oblikovanje ohišja trupa, okenske odprtine pa so ostale nepoložene. Ohišje trupa skupaj z nosilci in nitkami je bilo nato utrjeno-v avtoklavu, da je nastal monoliten kompozitni del trupa, ki je bil pozneje razlit kot končni izdelek.
Kompozitni del trupa letala Boeing 787 ni le največja komponenta trupa,-zvita iz filamentnih vlaken na svetu, ampak je priznana tudi kot največja tlačna posoda iz ogljikovih vlaken, ki je bila kdaj izdelana. Izjemna natezna/obročasta trdnost kompozitnega materiala mu omogoča, da prenese višji tlak v kabini, pri čemer ohranja notranji tlak, ki je enakovreden nadmorski višini 6000 čevljev (1830 metrov)-v primerjavi s tipičnim 7000–9000 čevljev v običajnih letalih-, kar bistveno izboljša udobje potnikov. Poleg tega so kompoziti odporni proti koroziji (glavna slabost kovinskih letalskih okvirjev), kar omogoča, da vlažnost v kabini ostane stabilna pri 10–15 % (v primerjavi s 5–10 % v kovinskih trupih), kar dodatno povečuje udobje.
Pod vse večjim vplivom kompozitne tehnologije je Airbus popolnoma preoblikoval A-350 in ga preimenoval v A-350 XWB (Extra Wide Body). Letalo je povečalo uporabo kompozitnih materialov s prvotnih 40 % na 52 %. Trup letala A-350 XWB je 13 cm širši kot pri 787, kar omogoča konfiguracijo 9 sedežev vzporedno v postavitvi visoke gostote (v primerjavi z največ 8 sedeži pri 787). Tako kot 787 bo tudi A-350 XWB vzdrževal tlak v kabini na višini, ki ustreza 6000 čevljev.
14. junija 2013 je Airbus uspešno izvedel prvi let svojega novega -širokotrupnega letala A350 XWB, ki je po Boeingovem B-787 »Dreamlinerju« označil še en mejnik v svetovni letalski industriji. A350 XWB in B-787 uporabljata 52 % oziroma 50 % kompozitnih materialov, kar pomeni novo dobo v razvoju letalskih in vesoljskih kompozitov.
555-seat A-380, največje letalo na svetu, je doseglo prelomne dosežke v zgodovini letalstva z obsežno uporabo z ogljikovimi vlakni ojačane plastike (CFRP). Kompozitni materiali predstavljajo 25 % mase letala, pri čemer je 22 % CFRP in 3 % GLARE fiber-metal laminate (slojni hibrid kompozitov iz aluminija in steklenih vlaken), slednji se prvič uporablja v civilnih letalih. Komponente CFRP vključujejo: hitrostne zavore, navpične in vodoravne stabilizatorje (ki delujejo kot rezervoarji za gorivo), dvigala, krilca, spojlerje zakrilc, vrata podvozja, obloge, navpične škatle za repne plavuti, zgornje talne nosilce kabine, zadnje tlačne pregrade, zadnje dele trupa, vodoravne stabilizatorje in krilca.
Po pionirski uporabi ogljikovih vlaken v A-340 za gred kobilice in kompozitnih zadnjih tlačnih pregradah-ki je podrl tradicionalne konstrukcijske ovire-je A-380 dodatno izpodbijal inženirske norme s sprejetjem CFRP za svoj osrednji okvir kril (ki povezuje krila s trupom). Sama ta inovacija je zmanjšala težo za 1,5 metrične tone v primerjavi z naprednimi aluminijevimi zlitinami. Prihranek pri teži CFRP v kombinaciji z odpornostjo proti utrujenosti in koroziji je izboljšal učinkovitost porabe goriva za 13 % v primerjavi s konkurenčnimi modeli in zmanjšal emisije. A-380 je postal prvo letalo za dolge razdalje, ki je doseglo pod 3 litre goriva na potnika na 100 km, z operativnimi stroški 15–20 % nižji od najučinkovitejših letal svojega časa.
Poslovno letalo Falcon 7X družbe Dassault Aviation, ki lahko leti na 12.000 metrih z največjo hitrostjo 0,8 Macha, sprejme 8 potnikov in se ponaša z dosegom 10.560 km (5.700 navtičnih milj). Raytheonovo lahko reaktivno letalo Beechcraft Premier 1 doseže potovalno hitrost 835 km/h z dosegom 2759 km-oba imata napreden vse-kompozitni trup.
Novo japonsko transportno letalo ALELEX vključuje tudi pomembne kompozite iz ogljikovih vlaken.
Kitajska je tudi v veliki meri uporabljala kompozitne materiale pri oblikovanju in proizvodnji letal. Na primer, QY8911/HT3 enosmerni prepreg iz ogljikovih vlaken in kompozitni material, ki ga je razvil in izdelal raziskovalni inštitut za letalsko proizvodno tehnologijo v Pekingu, sta bila uporabljena za komponente, kot so prednji del trupa, navpični stabilizator repa, zunanje plošče kril, spojlerji in poenostavljeni oklepi letal. Enosmerni prepreg in kompozitni material iz termoplastične smole PEEK/AS4C iz ogljikovih vlaken, ki ga je razvil Pekinški inštitut za letalske materiale, izkazujeta izjemno žilavost lomljenja, vodoodpornost, odpornost proti staranju, odpornost proti gorenju in odpornost proti utrujenosti. Ti materiali, ki so primerni za proizvodnjo-primarnih nosilnih struktur letal, lahko delujejo dolgo-pri 120 stopinjah in so bili uporabljeni v sprednjih oblogah plošč podvozja letal.
Kitajsko vojaško letalo "Flying Leopard", ki vključuje pomembne sestavne dele iz ogljikovih vlaken, ima skupno dolžino približno 22,3 metra, razpon kril 12,7 metra, največjo vzletno težo 28,4 tone, največjo zunanjo nosilnost 6,5 tone, največjo hitrost 1,70 Macha in doseg trajekta okoli 3600 kilometrov. Z bojnimi zmogljivostmi, ki presegajo zmogljivosti letal Jaguar, Tornado in Su-24, Flying Leopard izkazuje lastnosti, skladne z bojnimi letali tretje generacije.
2. Uporaba kompozitnih materialov v letalih Stealth
V zadnjih desetletjih je bil dosežen znaten napredek v raziskavah prikritih kompozitnih materialov, ki se razvijajo proti značilnostim "tankosti, lahkotnosti, širokopasovne (spektralne) absorpcije in trdnosti (odpornost na udarce, visoka-temperaturna odpornost)." Kompoziti, ojačani z-ogljikovimi vlakni, niso samo lahki in visoko{3}}trdni strukturni materiali, ampak imajo tudi kritično prikrito funkcionalnost. Na primer, CF/PEEK ali CF/PPS izkazujeta odlično širokopasovno absorpcijsko zmogljivost, ki učinkovito absorbira radarske valove. Združene države so bile pionirke pri uporabi nevidnih materialov v letalih, pri čemer sta bila F-117 in F-22 najbolj prevlečena. Prikrita prevleka na F-117 je bila zelo zapletena in je vključevala do sedem različnih materialov.
Primarna zgradba ameriškega F{3}}22 nadzvočnega lovca uporablja srednje{4}}modul ogljikovih vlaken-ojačano posebno inženirsko plastiko. Podobno so prevleke padal za zaviranje lovca Mirage III in komponente katapultnega sedeža izdelane iz takih materialov, ki so bili uspešno uporabljeni za dele,-ki absorbirajo radar, kot so rebra, obloge, konektorji in pritrdilni elementi letala. Ohišje križarskega izstrelka Tomahawk, podlaga letalskega ogrodja nevidnega bombnika B-2 in deli nevidnega letala F-117A prav tako uporabljajo materiale, ki absorbirajo radar iz polimera, modificiranega z ogljikovimi vlakni.
Leta 2000 so ameriške zračne sile nadgradile prikrite materiale letala F-117 in nadomestile prvotno sedem-slojno prevleko z enim samim materialom. Ta sprememba standardizira vzdrževalne postopke in materiale,-ki absorbirajo radar v vseh F-117, s čimer se tehnične specifikacije zmanjšajo za približno 50 %. Po-nadgradnji se je čas vzdrževanja na uro letenja za F-117 skrajšal za več kot polovico, letni stroški vzdrževanja za vseh 52 F-117s pa so padli s 14,5 milijona, 6,9 milijona. Za razliko od F-117 se F-22 izogiba prevleki za absorpcijo radarja po celem telesu, ampak uporablja feritne prevleke za absorpcijo radarja na vse notranje in zunanje kovinske komponente. Ta premaz je trpežen, odporen proti obrabi in lažji za nanašanje v primerjavi s sistemom F-117.
Strokovnjaki napovedujejo, da bodo do 2030 napredni kompoziti, kot so prevodni polimerni elektrokromni materiali, hibridni polprevodniški materiali, nanokompoziti in inteligentne prikrite tehnologije, praktično implementirani v letala. Te inovacije bi lahko temeljito preoblikovale sisteme letalske elektronike in metodologije nadzora letal.
Vir:Letalski kompozitni materiali in njihova mehanska analizaavtorja Haitao Cui in Zhigang Sun (ur.)