کامپوزیت‌ها و کاربرد آن در صنایع هوافضا

اشتیاق بی‌وقفه صنعت هوافضا برای ارتقای عملکرد هواپیماهای تجاری و نظامی، دائماً باعث توسعه و بهبود مواد ساختاری با کارایی بالا می‌شود. مواد کامپوزیتی یکی از این دسته از مواد هستند که نقش مهمی در اجزای فعلی و آینده هوافضا دارند. مواد کامپوزیتی به دلیل استحکام استثنایی و نسبت سختی به چگالی و خواص فیزیکی برتر، برای کاربردهای هوانوردی و هوافضا جذابیت خاصی دارند.

یک ماده کامپوزیت معمولاً از الیاف نسبتاً محکم و سفت در یک ماتریس رزین تشکیل شده است. چوب و استخوان مواد کامپوزیتی طبیعی هستند: چوب از الیاف سلولز در ماتریس لیگنین و استخوان از ذرات هیدروکسی آپاتیت در ماتریکس کلاژن تشکیل شده است. مواد کامپوزیت ساخته دست بشر که در صنایع هوافضا و سایر صنایع استفاده می شوند، پلاستیک تقویت شده با فیبرکربن و فیبر شیشه (به ترتیب CFRP و GFRP) هستند که از الیاف کربن و شیشه تشکیل شده‌اند که هر دو سفت و محکم هستند‌ (بخاطر چگالیشون)، اما در یک ماتریس پلیمری (که سخت است اما سفت و قوی نیست) شکننده هستند. به طور بسیار ساده، با ترکیب مواد با خواص مکمل به این روش، یک ماده کامپوزیتی با بیشتر مزایا (استحکام بالا، سختی، چقرمگی و چگالی کم) و نقاط ضعف بسیار کم هر یک از مواد تشکیل دهنده به دست می‌آید.

CFRP و GFRP مواد کامپوزیتی فیبری هستند. دسته دیگری از مواد کامپوزیت، کامپوزیت های ذره‌ای هستند. کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC) که در حال حاضر در صنعت هوانوردی و هوافضا در حال توسعه و استفاده هستند، نمونه هایی از کامپوزیت های ذرات هستند و معمولاً از ذرات غیرفلزی در یک ماتریس فلز تشکیل شده اند. به عنوان مثال ذرات کاربید سیلیکون ترکیب شده با آلیاژ آلومینیوم.

احتمالاً مهمترین تفاوت بین کامپوزیت های الیافی و ذره‌ای و در واقع بین کامپوزیت های الیافی و مواد فلزی معمولی در کامپوزیت های ذره ای و به خواص مربوط می‌شود. کامپوزیت‌های ذره‌ای و مواد فلزی معمولی ایزوتروپیک هستند، یعنی خواص آنها (مقاومت، سختی، و غیره) در همه جهات یکسان است، کامپوزیت های فیبری غیرایزوتروپیک هستند، یعنی خواص آنها بسته به جهت بار با توجه به جهت الیاف متفاوت است. یک ورقه کوچک از چوب بالسا را ​​تصور کنید: خم کردن (و شکستن) آن در امتداد و موازی الیاف نسبت به عمود بر الیاف بسیار آسان‌تر است. این غیرایزوتروپیک بودن همراه با انباشت لایه‌ها روی هم، که هر کدام اغلب تنها کسری از یک میلی‌متر ضخامت دارند، ودر زوایای مختلف جهت‌دهی شده‌اند، یک لمینیت را تشکیل می دهد. به جز در موارد بسیار خاص، لمینیت همچنان غیرایزوتروپیک خواهد بود، اما تغییرات در خواص با توجه به جهت الیاف شدت کمتری خواهد داشت.  در بیشتر کاربردهای هوافضایی، این رویکرد یک مرحله جلوتر گرفته می‌شود و لایه‌های با جهت‌گیری متفاوت (از تعداد بسیار کم تا چند صد لایه) در یک توالی خاص روی هم چیده می‌شوند تا ویژگی‌های لمینیت را به گونه‌ای تنظیم کنند که بهترین بار را تحمل کنند. به این ترتیب می‌توان در مواد و در نتیجه وزن صرفه جویی کرد که در صنعت هوانوردی و هوافضا از اهمیت بالایی برخوردار است.

مزیت دیگر مواد کامپوزیتی این است که به طور کلی می‌توان آنها را به اشکال پیچیده‌تری نسبت به همتایان فلزی خود درآورداین نه تنها تعداد قطعات تشکیل دهنده یک سیستم را کاهش می‌دهد، بلکه نیاز به اتصال دهنده ها و اتصالات را نیز کاهش می دهد، که مزایای آن دوچندان است: اتصال دهنده ها و اتصالات ممکن است نقاط ضعف یک سیستم باشند ، زیرا میخ و پرچی که به سوراخی نیاز دارد مسبب افزایش نقاط بحرانی تنش و در نتیجه محل شروع ترک بالقوه است، و همچنین بست‌ها و اتصالات کمتر می‌تواند به معنای مونتاژ کوتاه‌تر باشد. برای تولید یک جزء کامپوزیت، لایه‌ها که اغلب با ماتریس رزین از قبل آغشته می‌شوند به شکل‌های مورد نیاز خود برش داده می‌شوند و سپس روی هم چیده می‌شوند. در توالی مشخص شده روی یک فُرمِر (فرمر یک سازه جامد یا قاب است که برای نگه داشتن لایه‌ها در شکل مورد نیاز استفاده می‌شود). سپس این مجموعه در معرض یک سری دما و فشار قرار می گیرد تا ماده را "سخت" کند. سپس محصول به طور کامل بررسی می‌شود تا هم اطمینان حاصل شود که تلورانس‌های ابعادی برآورده شده‌اند و هم فرآیند پخت موفقیت‌آمیز بوده است (مثلاً ممکن است حباب‌ها یا حفره‌هایی در لمینیت ایجاد شده باشد).

استفاده از کامپوزیت ها در طراحی هواپیما

یکی از اولین کاربردهای مواد کامپوزیت مدرن، حدود 40 سال پیش بود که کامپوزیت اپوکسی تقویت شده با بور برای پوسته های جنگنده های F14 و F15 ایالات متحده استفاده شد. در ابتدا مواد کامپوزیتی فقط در ساختار ثانویه استفاده می‌شد، اما با افزایش دانش و توسعه مواد، استفاده از آن‌ها در سازه‌های اصلی مانند بال‌ها و بدنه‌ها افزایش یافته است. در ابتدا، درصد وزن کامپوزیت‌های مورد استفاده نسبت به کل سازه بسیار اندک بود، مثلاً در F15 حدود دو درصد. با این حال، این درصد رشد قابل توجهی داشته است، 19 درصد در F18 و تا 24 درصد در F22. تصویر زیر، از مرجع 1، توزیع مواد در هواپیمای F18E/F را نشان می دهد.

مواد کامپوزیت به طور گسترده در یوروفایتر استفاده می شود: پوست بال‌ها، بدنه ، فلاپرون‌ها و سکان عمودی همگی از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند. پوسته‌های اپوکسی سفت شده حدود 75 درصد از سطح بیرونی را تشکیل می دهند. در مجموع، حدود 40 درصد وزن سازه یوروفایتر را مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر‌کربن تشکیل می دهد. سایر جنگنده های اروپایی معمولاً بین 20 تا 25 درصد کامپوزیت وزن دارند: 26 درصد برای رافائل و 20 تا 25 درصد برای ساب گریپن و... . بمب افکن رادارگریز B2 مورد جالبی است. شرط پنهان‌کاری به این معنی است که مواد جاذب رادار باید به نمای بیرونی هواپیما اضافه شود (یعنی به ناچار افزایش وزن داریم). بنابراین از مواد کامپوزیتی در سازه اولیه برای جبران این پنالتی وزنی استفاده می شود.

استفاده از مواد کامپوزیت در هواپیماهای حمل و نقل تجاری هم بسیار جذاب است زیرا کاهش وزن بدنه هواپیما باعث صرفه جویی در سوخت می‌شود و بنابراین هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد. اولین استفاده قابل توجه از مواد کامپوزیت در هواپیماهای تجاری توسط ایرباس در سال 1983 در سکان هواپیماهای A300 و A310 و سپس در سال 1985 در فین دم عمودی انجام شد. بعدها برای الویتور A310 از یک هسته لانه زنبوری با صفحات CFRP استفاده شد. به دنبال این موفقیت‌ها، مواد کامپوزیتی برای کل ساختار دم A320 استفاده شد، که همچنین دارای پوسته‌های کامپوزیت بدنه، پنل‌ها و دفلکتورها ، فلپ‌ها، اسپویلرها، آیلرون ها، درهای چرخ، درهای فرینگ و ناسل ها و... بود. علاوه بر این، پنل های کف از GFRP ساخته شده است. در مجموع، کامپوزیت‌ها 28 درصد وزن بدنه هواپیمای A320 را تشکیل می دهند.

نتیجه‌گیری

مواد فلزی «معمولی» و مشتقات آنها همچنان به توسعه و بهبود می‌یابند تا عملکرد روزافزونی را ارائه دهند، و شکی نیست که آنها نقش اساسی در سازه‌های هوافضا و کاربردهای بی‌شماری دارند که در آنها به کار می‌روند. در عین حال، تردیدی وجود ندارد که مزایای قابل توجه ارائه شده توسط کامپوزیت ها هنوز به طور کامل مورد بهره برداری قرار نگرفته است و با رشد دانش ، مواد کامپوزیت نقش مهم تری ایفا خواهند کرد. این نقش نه تنها در نتیجه عملکرد مواد بهبود یافته، بلکه با یافتن ابتکارات انسانی در حوزه‌های بیشتر و متنوعی که مواد کامپوزیتی می‌توانند به طور مفید و سودمند به کار گرفته شوند، گسترش می‌یابد. همانطور که امروزه میبینیم، آلیاژهای حافظه دار و... به سرعت به مواد کاربردی حوزه های مختلف تبدیل شده اند.

مجموعه پارس پژوهان با در نظر داشتن کاربرد مواد کامپوزیتی اقدام به برگزاری دوره های عملی و کارگاهی و همچنین دوره های شبیه سازی های عددی و نرم افزاری برای کاهش گپ بین تئوری‌های دانشگاهی و نیاز صنعت قدم برداشته است. دوره های " کارگاه تئوری و عملی طراحی و ساخت کامپوزیت" و "شبیه سازی سازه های کامپوزیتی در نرم افزار ABAQUS" از جمله مهمترین این دوره ها می‌باشند. البته که دوره های جامع دیگری شامل سرفصلی مخصوص به کامپوزیت‌ها در مجموعه ما توسط اساتید فعال در صنعت تدریس می گردد.