Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ

Để máy bay và tàu vũ trụ có thể hoạt động tốt và ổn định với vận tốc mong muốn thì ảnh hưởng của các vật liệu làm các chi tiết trên máy bay và tàu vũ trụ là rất lớn, đạc biệt là hệ thống khung vỏ. Yêu cầu phải có của hệ thống khung vỏ máy bay và tàu vũ trụ là phải nhẹ nhất có thể, bền và chịu được sự thay đổi của nhiệt độ. Dưới đây là những vật liệu được sử dụng để chế tạo:

ĐỀ TÀI

Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ? Ưu và nhược điểm của các loại vật liệu này?

A VÀI NÉT VỀ NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ

Từ lâu, con người đã có ước mơ chinh phục được khoảng không gian rộng lớn là bầu trời, xa hơn nữa là vũ trụ bao la

Diều là khí cụ bay đầu tiên tiền thân cho máy bay ngày nay đã được người Trung Quốc sử dụng

từ hơn 2000 năm trước và theo thời gian được sử dụng đưa người lên cao và do thám tiếp tế, thông tin thời tiết… Và diều đã trở thành cảm hứng cho nhà phát minh người anh George Cayley trong thiết kế mô hình tàu lượn đầu tiên trên thế giới Những nhà hàng không đầu tiên như Percy Pilcher (Anh), Otto Lilienthanl (Đức) dùng diều để triển khai các tàu lượn của họ Otto Lilienthanl được coi như một nhà hàng không thực sự đầu tiên trên thế giới Ông bay lên bằng các tàu lượn tự tạo, và thực hiện hơn 2500 chuyến bay trên nhiều tàu lượn

Ngày 15-6-1783 hai anh em người Pháp Joseph và Etienne Montogofier chế tạo khí cầu bằng giấy và vải, hai ông thả nó bay bằng cách đốt nóng đóng lửa để làm nóng không khí bên trong

Có rất nhiều ý tưởng cho nghững chiếc máy bay nhưng đa số đều không thể thành công tuy nhiên những thiết kế ấy đã đóng góp rất nhiều cho các nhà hàng không sau này tiếp bước Sự ra đời động

cơ hơi nước vào thế kỉ 19 đã đưa tới những dự định nghiêm túc về việc chế tạo máy bay Năm 1842 William Henson chế tạo một mô hình máy bay có gắn một động cơ hơi nước nhỏ làm quay cánh quạt Tuy chỉ là mô hình nhưng nhiều nét trong thiết kế của ông vẫn còn được sử dụng trong thiết kế máy bay hiện nay

Năm 1894 Hiram Maxim chế tạo một máy bay 3 tầng cánh và trang bị hai động cơ hơi nước nhưng cỗ máy này chỉ nâng những người đứng trên nó khỏi đường ray

Hình 1: Mô hình máy bay của anh em nhà Wright Sau đó máy bay được cải tiến dần Hiện nay, do được thừa hưởng các thành tựu khoa học - kĩ thuật, đặc biệt là công nghệ vật liệu với những vật liệu mới bền, nhẹ, các máy bay có thê bay nhanh hơn, ổn định hơn, chuyên chở được nhiều người và hàng hóa hơn Chính những điề này đã thúc đẩy cho ngành hàng không phát triển mạnh mẽ

Hình 2: Vệ tinh nhân tạo Sputnik

Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người, Sputnik đã được người Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất vào ngày 4/10/1957 Sputnik là một quả cầu kim loại có kích thước 58cm, và nặng khoảng

83,6kg Mặc dù Sputnik dường như rất nghèo nàn so với các tiêu chuẩn ngày nay nhưng đó là một thành tựu đáng ghi nhớ Ngày nay, nhiều tàu vũ trụ đã được phóng lên để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như các trạm vệ tin, tàu thám hiểm…

Trạm vệ tinh là các loại tàu vũ trụ chỉ được phóng và trở thành một vệ tinh nhân tạo của Trái Đất nhằm làm một trạm có khả năng kết nối với các tàu vũ trụ khác, thực hiện các thí nghiệm không gian, và có thể dùng làm trạm trung chuyển cho các chuyến phi hành có người lái vào khoảng không xa hơn của vũ trụ Một số trạm vũ trụ đang hoạt đông như Skylab, Trạm không gian quốc tế ISS

Tàu thám hiểm là loại tàu vũ trụ có khả năng bay theo một quỹ đạo nào đó hoặc vượt ra khỏi tầm hút của Trái Đất như các tàu con thoi

Hình 3: Tàu con thoi Endeavour được gắn trên lưng chiếc máy bay vận tải Boeing 747

Để máy bay và tàu vũ trụ có thể hoạt động tốt và ổn định với vận tốc mong muốn thì ảnh hưởng của các vật liệu làm các chi tiết trên máy bay và tàu vũ trụ là rất lớn, đạc biệt là hệ thống khung vỏ Yêu cầu phải có của hệ thống khung vỏ máy bay và tàu vũ trụ là phải nhẹ nhất có thể, bền và chịu được sự thay đổi của nhiệt độ Dưới đây là những vật liệu được sử dụng để chế tạo:

B VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

I Nhôm và hợp kim nhôm

Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim của nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép.

Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp không thể thay thế được, đặc biệt là trong ngành hang không, vũ trụ

1 Đặc tính chủ yếu

Nhôm nguyên chất có màu trắng bạc Các tính chất của kim loại nhôm:

Khối lượng riêng nhỏ: 2,7g/cm3, nhẹ hơn sắt khoảng 3 lần Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với các lĩnh vực., khi đòi hởi sự giảm khối lượng của chi tiết và cả hệ thống đến mức nhỏ nhất, ví dụ: trong thiết kế các chi tiết vỏ máy bay, tàu vũ trụ hoặc các phương tiện giao thông vận tải khác Tính dẫn điện cao

Chống ăn mòn tốt nhờ lớp Al2O3 có cấu trúc sít chặt trên bề mặt với độ dày khoảng vài angtrong

Độ bền thấp, độ dẻo cao

Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp

Phân loại

Theo tính công nghệ, hợp kim nhôm gồm hợp kim biến dạng và hợp kim đúc

Theo thành phần hóa học hợp kim nhôm bao gồm các hệ: Cu, Cu-Mg, Mn, Si,

Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Al-Mg, Al-Li…

Bảng 1: Một số hợp kim của nhôm

Hệ Kí hiệu theo TCVN Thành phần (%)

Hợp kim đúc

Al công nghiệp Al99,0 99,0 Al

Al-Cu AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 4,4 Cu, 0,5 Mg, 0,8 Mn

Al-Cu-Mg AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 4,4 Cu, 1,5 Mg, 0,6 Mn

Al-Mg-Si AlMg1Si0,6 1 Mg, 0,6 Si, 0,2 Cr, 0,3 Cu

Al-Zn-Mg AlZn5,4Mg1,4 4,5 Zn, 1,4 Mg, 0,12 Cr, 0,4 Mn, 0,152 Zr Al-Zn-Mg-Cu AlZn5,6Mg2,5Cu1,6 5,6 Zn, 2,5 Mg, 1,6 Cu

Hợp kim đúc

Al-Si-Cu AlSi5,5Cu4,5Đ 5,5 Si, 4,5 Cu

Al-Si-Mg AlSi7Mg0,3Đ 7,0 Si, 0,3 Mg

Al-Si-Mg-Cu AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ 12,0 Si, 1,3 Mg, 2,0 Cu, 0,6 Mn, 1,0 Ni, 0,2 Ti

Một số hợp kim có ứng dụng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ:

a, Hợp kim Al-Cu, Al-Cu-Mg

Loại hợp kim này được sản xuất và ứng dụng sớm nhất Sau biến dạng, tôi và hóa già, chúng có hiệu ứng hóa bền rất cao Trong thực tế người ta gọi loại hợp kim này là dura

Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của dura Chúng tạo ra các pha dạng Cu2FeAl7, gây giòn hợp kim

Trên cơ sở Al-Cu-Mg, đưa them đồng thời Fe, Ni theo tỉ lệ 1/1 được các hợp kim nhôm biến dạng bền nóng

Độ bền cao (σb= 450-480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có độ bền riêng (σb/γ) cao, tới 15-16 km so với gang 1,5-6 km

Tính chống ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng có thể khắc phục bằng cách phủ một lớp Al, nguyên chất mỏng ( khoảng 4% chiều dày tấm) lên bề mặt khi cán nóng

Bảng 2: Các hợp kim dung trong hàng không, vũ trụ

Tên

Trạng thái

kĩ thuật

Cơ tính

σ0,2 (MPa) σb (MPa) Ψ (%)

AlCu4,5Mg0,5MnSi 0 100 200 20

Các loại hợp kim trên đều là hợp kim chịu nóng, được ứng dụng làm vỏ tàu vũ trụ, chịu sức nóng do ma sát khi quay trở về khí quyển trái đất

b, Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu

Khi tăng hàm lượng của kẽm và magie lên 8-11%, thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra hợp kimọ bền có độ bền cao nhất (σb ≥550MPa) Thực tế thường dùng Zn trong khoảng từ 4-8%, Mg từ 1-3% Khi đưa thêm Cu, nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền trong pha này Các nguyên tố

Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, nâng cao cơ tính Họ hợp kim này nhiệt luyện dễ, có tốc độ tới hạn nhỏ, đây là dạng hợp kim tiềm năng được khai thác, sử dụng trong hang không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao

Nhược điểm của dạng hợp kim này là xu hướng nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất và thải bền nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C

c, Hợp kim Al- Li

Thực tế hợp kim chỉ gồm Al- Li không được ứng dụng vì nó có tính bị oxi hóa mạnh và cơ tính không cao Trên cơ sở Al-Li có thể đưa thêm Cu và Mg Ưu điểm của hợp kim này là sau khi tôi và hóa già thì có hiệu quả bền khá lớn, đặc biệt chúng có mô đun đàn hồi E vượt trội (76000 MPa so với 70000 MPa của hợp kim Al thông thường)

Thêm 5% Mg được hợp kim AlMg5Li2, là hợp kim nhôm nhẹ nhất Các chỉ tiêu có thể đạt: σb=

560 MPa, σ0,2=290 MPa, ψ = 11%, E=76000 MPa, nên chứng có thể chế tạo ra các vật liệu kết cấu giá trị

Một dạng hợp kim khác của nhôm là hợp kim nhôm đúc, như các hệ Al-Si, Al-Cu, nhưng chúng

ít hoặc không có ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ

II Magie và hợp kim của magie

Khồi lượng riêng của kim loại magie là 1,74 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 651oC

Magie được ứng dụng làm vật liệu kết cấu chủ yếu ở trong các hợp kim Ưu điểm của chúng là nhẹ, có khả năng thấm tốt, nên các hợp kim của magie được chú ý khai thác trong công nghiệp hàng không, vũ trụ, ví dụ như hệ MgZn6Zr0,5, ở trạng thái T5, có σ0,2=285 MPa, σb=350 MPa, ψ= 11%

III Hợp kim titan

Nguyên tố để hợp kim hóa titan vô cùng đa dạng, phong phú Tùy theo các nguyên tố ổn định hai dạng thù hình α (lập phương xếp chặt), β (lập phương tâm diện)

1 Hợp kim titan α

Ngoài Al, còn có một số nguyên tố hòa tan xen kẽ như cacbon, nito, oxi Hợp kim anpha có độ bền chống dão khá tốt (đếm 650oC), chống oxi hóa đến 1100oC, nhưng nhiệt biến dạng nguội kém

và không thể hóa bền bằng nhiệt luyện được

2 Hợp kim titan α-β

Hợp kim hình thành khi tổ hợp các nguyên tố ổn định α và β theo một tỉ lệ nhất định.Sau khi nhiệt luyện, hóa bền, giới hạn bền lớn, độ dẻo dai ở mức cho phép, làm việc tốt đến nhiệt độ 550oC Đây là dạng hợp kim của titan được dung nhiều hơn cả

3 Hợp kim titan β

Loại hợp kim này chịu được biến dạng ở nhiệt độ thường khá tốt, sau tôi và hóa già có độ bền cao Nhược điểm của chúng lầ độ bền nóng nhỏ (<350oC), biến giòn ở nhiệt độ -60oC Việc thêm vào các kim loại đắt, hiếm như V, Mo, Nb, Ta để có được tính chất như mong muốn lại làm nặng hợp kim

Việc đúc hợp kim titan không hề đơn giản vì nó hấp thụ khí mạnh, tác dụng với vật liệu làm khuôn Song hợp kim titan có độ bền riêng cao nhất (σb/γ=22km) tương tự sắt hợp kim nhưng khối lượng riêng chỉ bằng 60% Cùng với đặc tính như bền nóng, chống ăn mòn cao, hợp kim titan được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy bay, tên lửa, đóng tàu và công nghiệp hóa học ở máy bay phản lực, mép trước của cánh, cánh phụ, đầu nhọn, mép trước của bộ ổn định được làm bằng hợp kim titan Thân máy bay siêu âm được làm bằng hợp kim titan có thể bay với vận tốc gấp 3 đến 3,5 lần tốc độ âm thanh khi bề mặt bị nung nóng tới 450-500oC Vỏ tên lửa ở tầng 2, tầng 3 cũng được làm bằng vật liệu này

C VẬT LIỆU VÔ CƠ

I Khái quát chung

Vật liệu vô cơ được chia thành các dạng:

1 Gốm và vật liệu chịu lửa

2 Thủy tinh, gốm thủy tinh

3 Xi măng, bê tông

Trong đó gốm thủy tinh có một số ứng dụng sản xuất các chi tiết trên vỏ máy bay, tàu vũ trụ

II Gốm thủy tinh

Gốm thủy tinh, còn gọi là glass ceramics, vitroceram… có tổ chức kết hợp giữa vô định hình và tinh thể, bao gồm một hoặc nhiều pha tinh thể phân bố trên miền pha vô định hình

Các gốm thủy tinh không giãn nở nhiệt, chứa các pha tinh thể với hệ số giãn nở vì nhiệt đặc biệt nhỏ hoặc có trị số âm như eucryptit LiAlSiO4, spodumen SiAl(Si2O6), thạch anh β- và pha thủy tinh phù hợp để có hệ số giãn nở rất nhỏ hoặc bằng 0 Các vật liệu này có độ bền xung nhiệt cao, ổn định kích thước trong điều kiện nhiệt độ cao nên được ứng dụng làm vật liệu vũ trụ

D VẬT LIỆU HỮU CƠ POLYMER

I Khái quát chung

1 Định nghĩa

Polymer là một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một loại hay nhiều loại nguyên tử hay nhóm nguyên tử, liên kết với nhau với số lượng khá lơn để tạo nên một tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi howacj thêm vào một số đơn vị cấu tạo

2 Phân loại polymer

Theo nguồn gốc hình thành gồm polymer thiên nhiên và polymer tổng hợp

Theo thành phần có polymer vô cơ, polymer hữu cơ, polymer hữu cơ phân tử

Theo cấu trúc có polymer mạch thẳng, mạch nhánh, polymer mạng lưới và polymer không gian Theo tính chịu nhiệt có polymer nhiệt dẻo, polymer nhiệt rắn

Theo lĩnh vực sử dụng có chất dẻo, sợi, cao su, sơn và keo

2 Tính chất của polyme

a, Tính nóng chảy và hòa tan

Do khối lượng phân tử lớn nên polymer không thể biến sang dạng khí Khi nung nóng chúng sẽ chuyển sang dạng chất lỏng có độ nhớt cao Nếu trọng lượng phân tử lớn và độ phân cực mạnh thì chúng không thể hòa tan trong bất kì dung môi nào

b, Cơ tính của polymer

Polymer tinh thể và vô định hình giòn ở nhiệt độ thấp và có độ dai va đập tương đối thấp

Độ bền mỏi: polymer có thể bị phá hủy mỏi dưới tác dụng của lực có chu kì

Độ bền xé, độ cứng

c, Lý tính

Khối lượng riêng không cao lắm Polymer đơn giản như PE, PP: 0,9-1,1 g/cm3, khi có các nguyên tử khác như O, F, Cl, khối lượng riêng tăng lên, ví dụ như PVC: 1,2-1,5 g/cm3

Độ dẫn nhiệt thấp Bọt polyuretan, polystiren, PVC, poly phemol-fomandehit có độ dẫn nhiệt thấp vào khoảng 0,035 W/moC

Thông thường các polymer không có phân tử tích điện nên có điện trở rất cao, được dùng làm chất cách điện tốt

II Các loại polymer thông dụng và có ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ

1 Chất dẻo

a, Polymetylmet-acrylat (PMA)

Tên thương mại là plexigalass

Được dùng làm cửa máy bay

b, Phenolic

Tên thương mại là epon, araldite

c, Nhựa epoxy

d, Vinyl este

e, Bismelamide

E VẬT LIỆU COMPOSITE

I Khái quát

Vật liệu composite hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ Những vật liệu composite đơn giản đã có từ rất xa xưa Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng Và điền hình về composite chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập

Ngày nay trong điều kiện khoa học kỹ thuật phát triển, sản xuất ngày một nâng cao trình độ, việc phát triển các loại vật liệu mới nhằm phục vụ tốt nhất cho sản xuất kỹ thuật, dân dụng, phục vụ nhu cầu con người Composite là một loại vật liệu đáp ứng được nhiều yếu tố trong sản xuất

II Các thành phần cốt của vật liệu composite

Các thành phần cốt của composite phải thoả mãn được những đòi hỏi về khai thác và công nghệ Đòi hỏi về khai thác là những đòi hỏi như yêu cầu về độ bền, độ cứng, khối lượng riêng,

độ bền trong một khoảng nhiệt độ nào đó, bền ăn mòn trong môi trường Còn đòi hỏi về công nghệ là những đòi hỏi về khả năng công nghệ để sản xuất ra các thành phần cốt này Hiện nay, thành phần cốt của composite trên cơ sở những cốt thường dùng là các sở ngắn, các sợi dài đơn, các dạng sợi tết, các cốt lưới, vải, các băng dải sợi và các loại bảng với tính năng cơ lý đã được xác định

Hiện nay, với các vật liệu composite polyme có pha nền là nhựa tổng hợp, các cốt thường là vải hoặc sợi thuỷ tinh, sợi anamit, sợi cacbon, sợi bor hoặc cốt sợi tạp lai

Trên thực tế, thành phần cốt luôn chiếm không quá 60-65% thể tích của vật liệu composite Theo tính toán nếu thành phần cốt chiếm quá liều lượng trên (tức là khi các thành phần cốt quá sít gần nhau) giữa chúng sẽ nảy sinh tương tác dẫn đến sự tập trung ứng suất làm giảm sức bền của vật liệu

1 Sợi thuỷ tinh

Sợi thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite polyme Ưu điểm của sợi thuỷ tinh là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định với các tác động hoá - sinh, có độ bền cơ lý cao và độ dẫn nhiệt thấp

Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê , tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao) Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt Sợi thuỷ tinh có hai dạng điển hình: Sợi dài và sợi ngắn thông thường chúng có hình trụ tròn, ngoài ra, cũng gặp sợi thuỷ tinh có thiết diện ngang hình tam giác, hình vuông, lục giác Sợi thuỷ tinh có những ưu điểm nổi trội là giá thành rẻ Chúng được dùng rộng rãi trong sản xuất composite polyme được chế tạo các chi tiết vỏ máy bay, tầu tải trọng nhẹ

2 Sợi bazan

Sợi bazan được chế tạo từ nguyên liệu đá bazan Đá bazan có nguồn góc nham thạch do các núi lửa khi hoạt động phan ra rồi kết tinh lại Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ lý hoá