2.10.6. Процессы выполнения комбинированных соединений.

В самолето- и вертолетостроении часто применяются комбинированные соединения: клеесварные, клее-клепанные, клеевинтовые, клееболтовые, которые успешно сочетают многие положительные качества тех и других, повышают прочность и эксплуатационные характеристики конструкций.

Клеесварные соединения выполняются одним из следующих способов:

_{- точечной сваркой по слою жидкого или пастообразного клея;}

- введение клеев в зазоры между сваренными поверхностями.

Технологический процесс по первому способу включает операции: предварительная сборка, подготовка поверхностей, нанесения клея, сборка, сварка, полимеризация клея, нанесение антикоррозионных покрытий.

Для этого способа пригодны клеи ВК-1МС, ВК-1, ВК-9, ВК-32-ЭМ и ряд других, способных выжиматься с контактных поверхностей под давлением электродов, не препятствуя образованию сварной точки требуемого качества. Сварка производится на обычных точечных сварочных машинах. Существенное преимущество сварки по клею – гарантированное высокое качество заполнения клеем сварного шва.

При втором способе под кромки, выполненного контактной сваркой соединения, с помощью специального шприца вводят клей невысокой вязкости (рис.2.26.)

Технологический процесс включает операции: предварительная сборка, подготовка поверхностей под сварку, сборка и постановка технологических болтов, сварка, контроль качества сварки, подготовка поверхностей под склеивание, введение клея в нахлестку, постановка контрольных заклепок, отверждение клея.

_{Рис 2.26. Введение клея в зазоры}

1 – сварная точка; 2 – клей; 3 – шприц; 4–свариваемые детали.

Клей проникает в зазор между пластинами, расположенными на расстоянии d под действием силы капиллярного давления Р, которое приближенно определяется из выражения

_Р= ,

где θ- краевой угол, α- коэффициент поверхностного натяжения.

Установлено, что гарантированное заполнение зазоров достигается при нахлестке не более 12мм и с зазорами не более 0,08 мм для клея КЛН-1, а для клеев ВК-1МС, ВК-9 величина нахлестки до 30 мм, минимальный зазор – 0,03 мм.

_{На практике применяют нахлестку 15…18 мм, зазор 0,05…0,15} мм.

Клеемеханические соединения (клеезаклепочные, клеевинтовые, клееболтовые) могут выполняться по двум схемам:

- установкой элементов механического крепления по ранее выполненному клеевому соединению;

- установкой элементов механического крепления по незатвердевшему клею с последующим отвердением клея в комбинированном соединении.

Комбинированные соединения отличаются герметичностью, антикоррозионной стойкостью, высокой ударной и усталостной прочностью, надежностью при длительной эксплуатации.

Это интересно.

Конструкционные и функциональные наноматериалы.

Наноматериалы – объекты с размером менее 100 нм. Объекты с наноразмерами имеют уникальные свойства вследствие значительной роли поверхностных прессов.

Нанотехнология – это набор технологий и методик, манипулирующих с отдельными атомами и молекулами в масштабах 1-100 нм(рис 2.27).

Рис.2.27. Примеры практического использования нанотехнологий

Один нанометр – одна миллиардная часть метра. Это пограничная точка на шкале изменений двух материальных объектов – сделанных человеком массивных материалов и отдельными атомами и молекулами, созданными природой. Физическая природа такого порогового значения нанометрового диапазона размеров состоит в том, что в таких объектах начинают проявляться квантово-механические свойства вещества. Это приводит к резкому изменению основных характеристик материалов. В наномире фундаментальные свойства материалов, такие как проводимость, точка плавления, твердость, зависят от размеров так, как не зависят ни в одном другом диапазоне размеров. Другими словами, наноструктурированные материалы могут иметь физику и химию, отличающуюся от обычных объемных материалов. Такая связь размеров объекта с физическими, химическими, электрическими свойствами является фундаментальной для понимания природы наноструктур.

Наука о наноматериалах находится только в начале своего становления. На основании расчетов, выполненных с помощью молекулярной термодинамики, показано, что микроструктура наноматериалов состоит и кристаллических зерен и аморфных межзеренных прослоек однородной толщины. Отношение объемной доли зернограничных прослоек к объемной доле нанозрен оставляет 50:50. Дислокаций в объеме нанозерн практически нет, а деформация реализуется главным образом за счет ротационного механизма.

Наноструктуры, которые могут быть использованы в качестве конструкционных или функциональных материалов, имеют различную химическую основу (рис. 2.28)

Рис.2.28. Классификация наноструктурных материалов по химическому составу

По типу макроскопического объекта, имеющего наноструктуру, материалы подразделяются на:

• Нанофазные – порошковые, из которых могут формироваться объемные образцы, называемые ультрамелкодиспрсными материалами (УДМ);

• Нанокристаллические объемные материалы – твердые тела с наноразмерной струкрутой, полчаемые из легированных сталей, сплавов и чистых метало (величина зерна при этом составляет 10-100 нм);

• Гетеронанослойные - наноламинаты, составляющие из периодически расположенных слоев различных материалов нанометровой толщины (10-20 нм);

• Нанокристаллические покрытия – нанопленки;

• Нанотрбки (диаметр до 2 нм, длина – дол микрометра).

Объемные нанокристаллические материалы, которые могут играть роль при создании авиаконструкций, получаются несколькими способами:

• Интенсивной пластической деформации (ИПД);

• Путем создания аморфных металлических объектов при сверхбыстрой закалке сплавов (АСМ) с последующей частичной кристаллизацией, приводящей к образованию наноструктур внутри объектов;

• Консолидацией ультрадисперсных порошков (УДМ).

Наноструктурированные многослойные материалы подразделяются на нанопленки и нанламинаты.

Нанопленки изготавливаются разнообразными газофазными методами, такими как осаждение напылением и химическое осаждение паров, а также гальваническим методом. Такие слоистые материалы имеют очень высокую твердость и износостойкость. Твердость повышается при уменьшении периода слоистости (т. е суммарной толщины двух слоев разных материалов). Причина повышенной твердости – несовпадение кристаллических структур соседних слоев. Чем более разятся параметры кристаллических решеток и сами типы решеток двух соседних слоев, тем выше твердость наноматериала.

Наноламинаты получают при прокате фольги различных материалов, но в основном чистых металлов. Кол-во этапов прокатки может достигать сотни раз. При следующих отжигах в слоях формируется наноструктура с размерами зерен 10-50 нм.

При получении наноматериалов существуют два принципиально различных подхода к созданию планируемых изделий: «сверху вниз» и «снизу вверх».

Подход «сверху вниз» основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов с субмикроспокпическими или нанокристаллическими параметрами.

Идея технологии «снизу - вверх» заключается в том, что наноструктура может быть получены непосредственно из атомов, молекул. Аким образом, могут быт получены вещества при помощи сканирующего туннельного микроскопа, когда происходит поштучная укладка атомов на кристаллической поверхности.

В изделиях авиационной техники перспективны следующие нанообъеты: объемные материалы для деталей небольших размеров, листовые детали на основе наноламинатов, Нанопленки как на металлических, так и на полимерных композиционные материалах. Уникальные свойства наноматериалов, реализуемые при помощи специальных нанотехнологий, необходимы в авиационной технике для создания следующих групп материалов (рис.2.29):

• Высокожаропрочные материалы на основе керамических композитов дл деталей двигателя (до 1200-1600С);

• Сверхпрочные материалы, в том числе композиционные с титановой и железной матрицами, для силовых деталей;

• Сверхлегкие материалы на основе алюминия, титана, магния, ПКМ для конструкций планера, материалы с повышенной коррозионной стойкостью для конструкций планера;

• Термостойкий полимеры и композиты, выдерживающие температуры в 200-400С;

• «Интеллектуальные» функциональнее материалы.

Рис.2.29. Схема возможного применения наноматериалов в авиационной и космической технике

Нанотехнологии и наноматериалы.

В настоящее время технологическая гонка в сфере нанотехнологий приобрела мировой масштаб.

Наноматериалы обладают значительно большей удельной площадью поверхности в сравнении с традиционными материалами. Эта особенность привлекает внимание химиков возможностью превращать инертные материалы, не обладающие каталитическими свойствами, в суперкатализаторы. В наноструктурных материалах можно в несколько раз улучшить электрические и тепловые свойства по сравнению с традиционными материалами. По мере обнаружения уникальных свойств наноматериалов специалисты все более нетерпеливо ожидают их практического использования.

Для удобства рассмотрения наноматериалы можно упрощенно подразделить на конструкционные (преимущественно металлы, сплавы, композиты), функциональные и так называемые активные материалы.

Композиционные материалы уже давно использовались в оборонной промышленности. Развитие нанотехнологий привело в последние годы к возникновению совершенно нового класса таких материалов с повышенными характеристиками, а именно нанокомпозитов или композитов с нанопримесями. Например, оказалось, что введение в термопластичные материалы добавок в виде слоистых силикатов сразу значительно повышает огнестойкость исходных веществ, делая их весьма ценным материалом для изготовления изоляционных покрытий силовых кабелей электропитания и другой важной аппаратуры.

В некоторых композиционных материалах введение нановолокон позволяет почти вдвое повысить коэффициенты упругости, увеличить на 50% прочность на растяжение и вязкость на растяжение, а также в 10 раз снизить их проницаемость для различий жидких веществ.

Введение нанотрубок в качестве наполнителя придает некоторым композиционным материалам электропроводность и другие важные свойства. Кроме того, введение наночастиц в полимерную матрицу иногда повышает механические характеристики даже так называемых длинноволокнистых композитов, хотя механизм этого явления и степень влияния остаются неясными.

Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих прочность вещества, является размер составляющих его кристаллов, поэтому неудивительно, что нанотруктурные металлы и сплавы обладают очень высокими механическими характеристиками. Структура обычных литых металлических материалов обычно состоит из зерен с размерами не ниже нескольких микрон, и лишь специальные методы порошковой металлургии позволяют получать нанострктурные беспористые материалы. Их упругие свойства остаются практически неизменными, но прочность и твердость увеличивается весьма существенно.

Если же материалы изготавливаются из нанопорошков, то их точка плавления и температура спекания могут быть существенно снижены (примерно на 25-30%). Для этих материалов также характерна сверхэластичность и, следовательно, легкая формуемость. Путем применения нанопорошков можно также снизить температуру спекания и время затвердевания керамических материалов, что будет способствовать разработке новых технологий по совместной обработке керамики и металлов.

Наноструктурированные керамические композиты могут защищать конструкционные материалы от окисления, использоваться в качестве теплоизоляционных материалов, а также при создании сенсоров, электронных и оптических устройств.

Важными разделами в создании техники являются теплозащита и терморегуляция. В частности, для теплозащиты могут быть эффективны наноструктрированные керамические волокна; матрицы, использующие в качестве компонентов нанопорошки карбида кремния ми оксида алюминия; покрытия волокон, имеющие структуру наномсштаба. В настоящее время ведутся разработки нанофракционных компонентов для пластмасс. Такие пластмассы будут иметь самое широкое применение: от высококачественных смазок для двигателей до водонепроницаемых схемных плат, предназначенных для кораблей и бассейнов.

Следует отметить, что в принципе все основные категории материалов, как, например, металлы, полупроводники, стекло и керамика, полимеры и композитные материалы, могут быть реализованы в наноструктурных конфигурациях. Их оптические, электронные, магнитные, каталитические или механические свойства могут быть определенным образом настроены при помощи управляемого синтеза макроскопических объектов с использованием атомных молекулярных компонентов.

Сегодня одним из основных компонентов нанотехники являются углеродные нанотрубки, которые, будучи в десятки раз прочнее стали, обладают необычайной высокой электропроводностью и эмиссионной способностью, необычными магнитными и оптическими свойствами. Сфера применения таких нанотрубок весьма обширна. На их основе может быть, в частности, изготовлен материал, пригодных для создания торцевых уплотнителей компрессоров, перекачивающих агрессивные жидкости и газы; этот же материал обладает высокими абсорбционными возможностями для поглощения сероводорода, диоксида серы, дисульфидов, диоксида, хлора, фтора, метана; с использованием нанотрубок разрабатываются образцы электропроводящих клеев, красителей, пластмасс, сенсоры для метана и кислорода, реализуются проект по созданию радиопоглощающих материалов, электромагнитных экранов, огнезащитных материалов для конструирования антенн, трансформаторов, фильтров, различного рода мед приборов и т.п.

Следует упомянуть и о других возможных полезных применениях нанотрубок. Так, их высокая прочность, устойчивость к термическому шоку и химически агрессивным средам позволяют создавать материалы для покрытия лопаток турбин, сопел, камер сгорния и других компонентов, где традиционно используются жаропрочные стали. Присущее углеродным нанотрубкам явление нелинейной оптической прозрачности свидетельствует о перспективах их использования в ограничителях оптической энергии. Одно из интересных свойств нанотрубок состоит в возможности их заполнения различными материалами. Если в качестве такого материала выступает металл, то это приводит образованию изолированных проводников с диаметром в несколько нанометров.

Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных конструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволяют уменьшить вес корпусов технологического оборудования.

Для всех без исключения материалов имеют огромное значение разработки технологий, обеспечивающих «самозалечивание» повреждений объектов за счет введения нанодобавок в состав различных веществ. Изготовленные из таких материалов нановолокна вполне могут быть использованы для создания тканей или производстве нанопористых мембран для фильтрации, биологической защиты и.т.п.

К активным материалам относят те, которые способны изменить свою форму или даже создавать внутри себя определенные силы при контролируемом изменении внешних условий. В частности, создан синтетический материал, который обладает возможностью к регенерации самого себя, когда он расколот или сломан. Материал состоит из микрокапсульного средства заживления и специального катализатора, залитого в структурной сложной матрице, что позволяет увеличивать надежность и срок службы термореактивных полимеров, широко используемых в разных сферах от микроэлетроники до космоса. При формировании трещин в пределах полимерных материалов целостность и прочность структуры значительно ослабевает.

Часто эти трещины происходят глубоко в пределах структуры полимера, где обнаружить их довольно трудно, а порой и практически невозможно, не горя уже о возможности ремонта. В новом материале работает процесс саморемонта. Когда образуются трещины, микрокапсулы разрываются и высвобождают заживляющее средство в поврежденную область через капилляры. Поскольку заживляющее средство входит в контакт с залитым катализатором, происходит новое образование слоя полимера, который сцепляется с существующим и закрывает трещины. В проделанных испытаниях на излом регенерируемые соединения восстановились на 75% от их первоначальной прочности. И поскольку микротрещины саморемонтируются, сами полимерные материалы требуют меньшего обслуживания и, следовательно, обладают меньшей стоимостью эксплуатации.

Заполнение микротрещин также смягчит неблагоприятные эффекты от коррозии. Эта технология увеличивает продолжительность жизни изделий в 2 или 3 раз. Также способность к самовосстановлению и восстановлению герметически расширяет срок службы тех полимерных плат с микросхемами, где микротрещины могут приводить к механическим и электрическим неисправностям.