Status da aplicação de compósitos à base de resina reforçada com fibra, incluindo aramida, em helicópteros

Resumo

Este artigo apresenta as características relevantes dos compósitos à base de resinas reforçadas com fibras e os tipos e propriedades dos compósitos à base de resinas reforçadas com fibras comumente usados ​​em helicópteros.Descreve as características estruturais dos helicópteros e as peças de aplicação específicas e o status atual dos compósitos à base de resina reforçados com fibras em helicópteros.As características estruturais, a seleção de materiais e as funções dessas peças de aplicação em helicópteros são discutidas, e também são antecipadas as tendências futuras de desenvolvimento de materiais compósitos para helicópteros.A pesquisa mostra que os compósitos à base de resina reforçados com fibras alcançaram ampla aplicação em helicópteros devido às suas excelentes propriedades materiais, desempenhando um papel vital no avanço da tecnologia de helicópteros.

01 Introdução

Materiais compósitos são novos sistemas de materiais formados pela combinação de diversos materiais com diferentes propriedades físicas e químicas, como polímeros orgânicos, não-metais inorgânicos ou metais, por meio de processos compósitos, alcançando diferentes escalas e níveis estruturais (microscópicos, mesoscópicos ou macroscópicos) por meio de combinações espaciais complexas.Os materiais compósitos normalmente usam resinas, metais e cerâmicas como matriz e materiais de reforço de alto desempenho, como fibras, tecidos e bigodes como reforços, fabricados através de processos especiais de materiais compósitos.Os materiais compósitos podem reter as características originais dos materiais constituintes enquanto adquirem novas propriedades, o que é de grande importância para melhorar o desempenho geral dos materiais.Atualmente, os materiais compósitos se desenvolveram em um dos quatro principais sistemas de materiais, juntamente com materiais metálicos, materiais inorgânicos não metálicos e materiais poliméricos.Os materiais compósitos possuem muitas características, como alta resistência específica, alto módulo específico, baixa gravidade específica, peso leve, propriedades projetáveis ​​e propriedades químicas estáveis.Quando aplicados a estruturas de helicópteros, eles podem efetivamente melhorar o desempenho da aeronave, garantir a segurança do voo e alcançar a redução do peso estrutural.Com o rápido desenvolvimento de materiais compósitos, a aplicação e a quantidade de materiais compósitos avançados em peças-chave das aeronaves tornaram-se um dos indicadores importantes para medir o avanço das estruturas das aeronaves.

02 Materiais Compósitos à Base de Resina Reforçados com Fibra

Materiais compósitos reforçados com fibras são materiais compósitos preparados por vários processos de moldagem, como enrolamento, moldagem ou pultrusão de fibras de reforço e materiais de matriz.As fibras, como materiais de reforço, são o principal componente dos materiais compósitos reforçados com fibras.As fibras utilizadas são muito pequenas, geralmente com diâmetro inferior a 10 μm, apresentam poucos defeitos e possuem alta resistência e módulo, tornando-as as principais partes portantes do material compósito.O material da matriz é muitas vezes um material resistente com propriedades viscoelásticas e elastoplásticas, capaz de suportar grandes deformações e servindo para ligar e proteger os materiais fibrosos, desempenhando um papel crucial na manutenção da integridade e consistência da estrutura compósita.Os compósitos reforçados com fibra têm alta resistência específica, alta rigidez específica, bom desempenho de amortecimento e resistência à fadiga, e suas propriedades podem ser projetadas de acordo com os requisitos, tornando-os a principal escolha de material para componentes compósitos no campo de helicópteros.

Os materiais comumente usados ​​em helicópteros são compósitos à base de resina reforçados com fibras, onde o reforço é um material de fibra de alto desempenho e a matriz é um material de resina de alto desempenho.O tipo, a orientação e a quantidade de fibras de reforço afetam significativamente a densidade, a resistência e o desempenho à fadiga do material compósito.Os materiais de reforço de fibra comumente usados ​​incluem fibra de carbono, fibra de vidro e fibra de aramida.O papel da matriz de resina é unir os materiais de reforço, proteger as fibras de fatores físicos e químicos externos e também impedir a propagação de trincas quando as fibras quebram.A seleção do material da matriz de resina determina a tenacidade, a resistência ao envelhecimento por calor úmido e a temperatura de serviço do material compósito.As matrizes de resina são geralmente classificadas em tipos termofixos e termoplásticos.As resinas termoendurecíveis referem-se principalmente a resinas epóxi, resinas de bismaleimida e resinas de poliimida;resinas termoplásticas incluem etileno, náilon, politetrafluoroetileno e polieteretercetona (PEEK).As resinas termoendurecíveis têm uma longa história de aplicação, enquanto as resinas termoplásticas foram introduzidas posteriormente.No entanto, o seu desenvolvimento tem sido rápido nos últimos anos e a sua característica de ser reversível após a cura melhora muito a reciclabilidade dos materiais compósitos.Atualmente, materiais compósitos reforçados com fibras termoplásticas são utilizados em muitos helicópteros no exterior.Este artigo apresenta vários tipos de materiais compósitos à base de resina reforçados com fibra, comumente usados ​​em helicópteros atualmente.

2.1 Materiais Compósitos à Base de Resina Reforçados com Fibra de Carbono

A fibra de carbono é um material fibroso de grafite microcristalina com um teor de carbono de aproximadamente 95%.É produzido principalmente pela carbonização e grafitização de fibras orgânicas em altas temperaturas de 1300 ℃ ~ 1800 ℃ sob proteção de gás inerte.A fibra de carbono possui excelentes propriedades, como alta resistência, alto módulo, baixa densidade, sem fluência, resistência a altas temperaturas em ambientes não oxidantes, boa resistência à fadiga, boa resistência à corrosão e boa condutividade elétrica e térmica.Atualmente é o material de reforço mais utilizado e mais importante.Entre eles, os compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de carbono, formados pela combinação de fibra de carbono com materiais de resina, apresentam o melhor desempenho abrangente entre os materiais estruturais existentes e são mais amplamente utilizados em helicópteros, sendo os compósitos de matriz de resina epóxi reforçada com fibra de carbono um exemplo típico.Após anos de verificação, as matrizes de resina epóxi possuem inúmeras vantagens, como excelente desempenho abrangente, boa processabilidade e baixo custo.Para melhorar ainda mais o desempenho e a qualidade dos materiais compósitos, resinas de bismaleimida e resinas de poliimida resistentes a altas temperaturas foram desenvolvidas sucessivamente.Compósitos reforçados com fibra de carbono feitos com resinas de bismaleimida e outros materiais como matrizes estão sendo gradativamente aplicados em helicópteros, melhorando sua adaptabilidade e durabilidade em ambientes agressivos, como altas temperaturas e altas temperaturas.

2.2 Compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de vidro

A fibra de vidro é um material inorgânico não metálico de alto desempenho com alta resistência e elasticidade, além de vantagens como forte resistência ao calor, bom isolamento e resistência à corrosão.Materiais compósitos feitos com fibra de vidro como material de reforço podem efetivamente melhorar o desempenho e a densidade do material.Os compósitos de matriz de resina epóxi de fibra de vidro são usados ​​principalmente em helicópteros.Materiais compósitos feitos de diferentes tipos de fibras de vidro possuem diferentes propriedades e aplicações.Com base nos requisitos práticos de aplicação, compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de vidro feitos de tecido de fibra de vidro, fita de vidro e fibras picadas são comumente usados ​​na fabricação de componentes de helicópteros.

2.3 Compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de aramida

A fibra de aramida é um novo tipo de material de fibra sintética de alto desempenho, também conhecido como fibra de poliamida aromática.A fibra de aramida possui excelente resistência a altas temperaturas e propriedades antienvelhecimento.É leve, mas de alta resistência, pesando apenas cerca de 1/5 do peso do fio de aço, mas com uma resistência de 5 a 6 vezes a do fio de aço.A fibra Kevlar produzida pela DuPont é um exemplo típico de fibra de aramida.O desempenho de resistência e o design leve fornecidos pelos compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de aramida melhoram efetivamente a capacidade de resposta e a letalidade do helicóptero.

03 Características Estruturais do Helicóptero

Os helicópteros possuem capacidades de voo únicas e formas estruturais distintas, tornando-os a única ferramenta de transporte atualmente capaz de alcançar qualquer terreno.A estrutura do helicóptero consiste principalmente em duas partes: o sistema do rotor e a estrutura da fuselagem.O sistema do rotor do helicóptero consiste em duas partes principais: as pás do rotor e o cubo do rotor.As pás do rotor podem ser divididas em pás do rotor principal e pás do rotor de cauda.O sistema de rotor é uma estrutura de componente móvel única em um helicóptero.A rotação do rotor fornece sustentação, força de controle e impulso para frente, permitindo que o helicóptero execute várias operações aéreas, incluindo decolagem e pouso verticais, voo pairado, vôo para frente, vôo lateral, vôo em U e vôo em baixa altitude.Além disso, no caso de falha do motor, o sistema do rotor pode utilizar a energia cinética rotacional existente e a energia potencial do próprio helicóptero para girar automaticamente o rotor, garantindo uma descida segura e um pouso planado.

A estrutura da fuselagem é um componente crucial que suporta e protege as peças e sistemas do helicóptero, conectando-os num todo unificado.É responsável pelo transporte e transporte de pessoal, equipamentos e suprimentos.O formato da estrutura da fuselagem impacta significativamente o desempenho de voo, o manuseio e a estabilidade do helicóptero.As estruturas da fuselagem dos helicópteros devem priorizar a redução de peso, e os helicópteros militares também devem considerar características de projeto como proteção contra balas, resistência a colisões, furtividade e absorção de energia.Além disso, os helicópteros geralmente voam em altitudes abaixo de 6.000 m, alguns chegando a 15 m, o que os torna aeronaves de baixa a média altitude.Seus principais ambientes operacionais são condições adversas, como úmido/quente, seco/frio, tempestades de areia/chuva e água do mar.Portanto, as fuselagens dos helicópteros normalmente exigem excelente resistência às intempéries e à corrosão para atender aos rigorosos requisitos de diferentes regiões e climas.

04 Aplicação de Materiais Compósitos à Base de Resina Reforçados com Fibra em Helicópteros

4.1 Pás do Rotor

O desenvolvimento inovador de materiais compósitos em helicópteros começou na década de 1960 com o desenvolvimento bem-sucedido de pás de rotor compostas reforçadas com fibra de vidro para helicópteros como o BO-105 da MBB (Messerschmitt-Bolkow-Blohm) na Alemanha Ocidental, o SA341 "Gazelle" da Aerospatiale na França, e o Ka-26 de Kamov na Rússia.Isto marcou o início da aplicação de pás de rotor compostas em helicópteros.

Hoje, a tecnologia dos helicópteros avançou para a terceira e quarta gerações, com pás de rotor amplamente projetadas e fabricadas com materiais compósitos.Em comparação com as pás de metal usadas nos primeiros helicópteros, as pás compostas têm uma vida útil significativamente mais longa, geralmente excedendo 6.000 horas, ao contrário da vida útil típica de 2.000 horas das pás de metal.As lâminas compostas são mais fáceis de reparar, têm custos de manutenção mais baixos, ciclos de manutenção mais curtos e permitem a intercambialidade de uma única lâmina.A aplicação de pás compostas melhorou muito a eficiência operacional e a segurança dos helicópteros, reduziu o custo total de vida útil das pás do rotor do helicóptero e trouxe benefícios econômicos consideráveis.

Compostos de matriz de resina reforçada com fibra, devido ao seu excelente desempenho e designabilidade, têm sido amplamente utilizados em pás compostas de helicópteros, representando aproximadamente 70% do uso atual de pás.Os componentes feitos de compósitos de matriz de resina reforçada com fibra em lâminas compostas incluem principalmente revestimentos, longarinas e preenchimentos de juntas, todos os quais são componentes principais da lâmina.Os compósitos de matriz de resina reforçada com fibra usados ​​na fabricação de lâminas, também conhecidos como pré-impregnados, são feitos pela pré-impregnação de materiais de fibra em uma matriz de resina sob controle rigoroso.



A pele é um componente crucial de sustentação e modelagem da lâmina, proporcionando rigidez torcional e tetânica primária.É composto principalmente de pré-impregnado de fibra de carbono e pré-impregnado de fibra de vidro, e diferentes opções de disposição de revestimento permitem o projeto e a fabricação de lâminas compostas com qualidades de desempenho variadas.As longarinas são o principal componente de suporte de carga da lâmina composta, localizadas no bordo de ataque.Esta área normalmente serve como lado de barlavento durante a rotação da pá e experimenta a maior resistência ao vento, exigindo assim alta resistência estrutural e rigidez.As longarinas são feitas principalmente de material compósito à base de resina reforçado com fibra de vidro de alta resistência, normalmente colocado ao longo da extensão da lâmina.O enchimento de juntas é feito de material compósito à base de resina de fibra picada, geralmente usando fibras de vidro picadas.Localizado na raiz da lâmina, o enchimento da junta precisa ser pré-formado antes da moldagem e montagem da lâmina.A raiz da pá se conecta ao cubo, e todas as cargas dinâmicas e estáticas são transferidas para o cubo através dela, tornando-a a parte mais complexa da estrutura da pá sob tensão.Devido aos numerosos e complexos componentes na raiz da lâmina, o desempenho, a forma e o posicionamento do enchimento da junta afetam diretamente a qualidade e a resistência da moldagem da lâmina.Além disso, as ripas do bordo de fuga, que desempenham um papel crucial na regulação da oscilação da lâmina, são geralmente feitas de compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de vidro de alta resistência.Atualmente, as pás compostas de helicópteros domésticos usam principalmente compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de cura em média temperatura, empregando um método de moldagem por compressão de co-cura única.Lâminas compostas estrangeiras utilizam ligação secundária e processos de cura em alta temperatura durante a fabricação.Com o rápido desenvolvimento de novos materiais, processos e equipamentos, as pás compostas de helicópteros abrirão possibilidades ainda maiores no futuro.

4.2 Cubo da Lâmina

O cubo da pá é um componente vital que monta as pás do rotor e conecta o sistema do rotor aos sistemas de transmissão e controle.Os cubos das pás tradicionais são feitos principalmente de metal, montados a partir de muitas peças de precisão, resultando em uma configuração muito complexa e em altos custos de fabricação e manutenção.Como simplificar o projeto estrutural, reduzir a dificuldade de fabricação e obter redução do peso estrutural, garantindo ao mesmo tempo o desempenho e a qualidade do cubo da pá sempre foi o foco dos esforços de pesquisa.Com o desenvolvimento e aplicação de materiais compósitos, surgiram novos avanços e possibilidades no projeto e fabricação de cubos de rotor com estrutura simples, desempenho estável, seguros e confiáveis ​​e altamente eficientes.

Atualmente, a principal pesquisa de aplicação de materiais compósitos em estruturas de cubos de rotores concentra-se na realização de estruturas de cubos de rotor sem rolamentos, utilizando as propriedades dos materiais compósitos.Os cubos de rotor sem rolamento eliminam as três dobradiças mecânicas de movimentos de oscilação, inclinação e guinada, representando um grande avanço na tecnologia de rotores e significando a direção de desenvolvimento da tecnologia de projeto de rotores.As estruturas de cubo de rotor sem rolamento usam vigas e mangas flexíveis para substituir as dobradiças mecânicas nessas três direções, sendo a viga flexível o componente principal.Em sistemas de rotor sem rolamento, os graus de liberdade para movimentos de oscilação, inclinação e guinada das pás são todos fornecidos pela deformação da viga flexível.O surgimento da viga flexível pode simplificar bastante a estrutura do rotor, reduzir os componentes de montagem e diminuir os custos de manutenção.A construção da viga flexível é muito complexa.Considerando suas rigorosas condições de suporte de carga e requisitos de desempenho, como a deformação admissível dos materiais usados ​​em sua fabricação, os compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de vidro de alto desempenho são selecionados principalmente para a fabricação de vigas flexíveis.A tecnologia de feixe flexível para helicópteros está madura no exterior, e rotores sem rolamentos foram aplicados com sucesso em vários helicópteros, como o EC-135 e o RAH-66.A pesquisa e o desenvolvimento nacionais de tecnologias de design e fabricação de estruturas de vigas flexíveis também estão em andamento, e espera-se que esta nova tecnologia de rotor seja aplicada com sucesso a helicópteros domésticos num futuro próximo.

4.3 Estrutura da Fuselagem

As fuselagens dos helicópteros possuem grandes superfícies curvas, tornando-as adequadas para fabricação com compósitos de matriz de resina reforçada com fibra.Devido às numerosas superfícies curvas complexas e de paredes finas, um grande número de componentes, como o cockpit, a carenagem de ponta e a carenagem da lança traseira, utilizam estruturas em sanduíche em forma de favo de mel feitas de compósitos de matriz de resina reforçada com fibra.Os helicópteros operam em ambientes externos agressivos, especialmente helicópteros militares, que são frequentemente expostos a altas temperaturas, alta umidade, chuva e névoa salina.Considerando o impacto de ambientes quentes e úmidos, a cura em alta temperatura garante uma cura completa, minimizando o impacto ambiental e reduzindo a degradação do desempenho.Os principais componentes de suporte de carga da estrutura da fuselagem são feitos principalmente de compósitos de matriz de resina reforçada com fibra curada em alta temperatura, enquanto os componentes secundários de suporte de carga são frequentemente feitos de compósitos curados em média temperatura.Além dos compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de carbono e fibra de vidro comumente usados, os compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de aramida também são amplamente utilizados em componentes de helicópteros, como estabilizadores horizontais, carenagens, carenagens de cauda e tampas de acesso de manutenção.O compartimento do motor do helicóptero e as áreas adjacentes, como o bocal de exaustão do motor, as entradas de ar e as carenagens do compartimento do motor, agora são fabricados com compósitos de matriz de resina reforçada com fibra de vidro resistente a altas temperaturas, substituindo as tradicionais ligas de titânio.A aplicação deste tipo de material dificulta efetivamente a propagação do fogo em situações perigosas, garantindo a segurança e confiabilidade do helicóptero.

05 Conclusão

Compósitos com matriz de resina reforçada com fibra têm sido amplamente utilizados em estruturas de helicópteros devido às suas excelentes propriedades materiais, contribuindo significativamente para o avanço da tecnologia de helicópteros.O desenvolvimento futuro da tecnologia de helicópteros domésticos buscará alta eficiência, longa vida útil, alta confiabilidade e baixo custo, levando a requisitos cada vez mais rigorosos para materiais e estruturas e criando uma necessidade urgente de materiais compósitos de alto desempenho, tecnologias avançadas de design e processos de fabricação.Com o avanço da pesquisa e desenvolvimento de tecnologias de materiais compósitos estruturais de alto desempenho, representados por fibras de carbono de alta resistência e alto módulo de grau T1100 e matrizes de resina termoplástica de alto desempenho, é possível alcançar a redução do peso estrutural e a reciclagem de compósitos de matriz de resina reforçada com fibra, garantindo ao mesmo tempo o desempenho estrutural dos materiais compósitos de helicópteros.A aplicação de tecnologia avançada de simulação digital à fabricação de estruturas de materiais compósitos pode garantir melhor qualidade das peças e reduzir significativamente o desperdício de materiais e recursos.A ampla aplicação de tecnologias automatizadas de moldagem de materiais compósitos de baixo custo, como a colocação automatizada de fibras, também ajuda a reduzir os custos de fabricação e a melhorar a eficiência da produção.

Além disso, a localização de materiais de aplicação em helicópteros continua a ser uma direção pela qual continuamos a lutar e uma tendência de desenvolvimento futuro.Ao mesmo tempo que melhoram a variedade e o desempenho dos materiais, os materiais compósitos nacionais de alto desempenho precisam se alinhar ainda mais com as tecnologias internacionais avançadas de materiais compósitos.Acredita-se que com o avanço da pesquisa e desenvolvimento e o esforço conjunto de todos, a aplicação de compósitos com matriz de resina reforçada com fibra para helicópteros em meu país abrirá um novo capítulo.