Передние кромки крыльев самолетов должны соответствовать очень требовательному набору характеристик. Новые исследования показывают, что комбинация стальной композитной металлической пены (CMF) и эпоксидной смолы обладает более желательными характеристиками для использования в качестве передового материала, чем алюминий, широко используемый в настоящее время.
«Мы называем наш гибридный материал «инфузионная CMF», - говорит Афсане Раби, профессор механического и аэрокосмического машиностроения в NC State. «И, хотя масса CMF примерно такая же, что и у алюминия, она более прочная и обладает другими характеристиками, которые делают ее более привлекательной с точки зрения летных характеристик, безопасности и эффективности использования топлива».
CMF - это пена, которая состоит из полых металлических сфер, изготовленных из таких материалов, как нержавеющая сталь или титан, в металлической матрице из стали, алюминия или металлических сплавов. Для этого исследования исследователи использовали «сталь-сталь» CMF, а это означает, что сферы и матрица были сделаны из стали. Предыдущая работа показала, что металлическая пена удивительно прочная: она может выдержать патроны калибра .50, противостоять высоким температурам и блокировать взрывное давление от взрывоопасных зажигательных патронов.
Инфузированную CMF получают путем погружения стального стального CMF в гидрофобную эпоксидную смолу и использования вакуумных сил для втягивания смолы как в полые сферы, так и в поры гораздо меньших размеров, присутствующие в самой стальной матрице. Это приводит к тому, что около 88 процентов пор CMF заполнены эпоксидной смолой.
Затем исследователи проверили как инфузионную CMF, так и алюминий аэрокосмического качества, чтобы увидеть, как они работают в трех областях: угол контакта, который определяет, как быстро стекает вода из материала; адгезия насекомых или то, насколько хорошо кусочки насекомых прилипли к материалу; износ частиц, или насколько хорошо материал противостоит эрозии. Все эти факторы влияют на характеристики передней кромки крыла самолета.
Угол смачивания является мерой того, насколько хорошо вода накапливается на поверхности. Чем ниже угол контакта материала, тем больше вода прилипает к поверхности. Это относится к крыльям самолета, потому что накопление воды на крыле может повлиять на характеристики полета. Исследователи обнаружили, что инфузионная CMF имел угол контакта на 130% выше, чем у алюминия, а это значительное улучшение.
Адгезия насекомых измеряется двумя способами: по максимальной высоте остатков насекомых, которые накапливаются на материале, и по площади поверхности, покрытой остатками насекомых на поверхности материала. Опять же, инфузированная CMF превзошла алюминий - на 60% по максимальной высоте и на 30% по отношению к покрытой площади.
Исследователи также провели эксперименты по дробеструйной обработке, чтобы смоделировать эрозию, вызванную износом, который происходит во время использования крыльев самолета. Исследователи обнаружили, что, хотя пескоструйная обработка увеличивала шероховатость поверхности для инфузированной CMF, она все же была лучше, чем алюминий. Например, в худшем случае инфузионная CMF все еще имела угол контакта на 50% выше, чем у алюминия.
Другими словами, пена сохранила свои свойства благодаря эрозии и износу, что указывает на то, что она продлит срок службы передних компонентов крыла и сократит расходы, связанные с техническим обслуживанием и заменой.
«Алюминий в настоящее время является предпочтительным материалом для изготовления передних кромок крыльев самолетов с неподвижным и вращающимся крылом», - говорит Рабией. «Наши результаты показывают, что инфузионная CMF может быть ценной заменой, предлагая лучшую производительность при том же весе».
