Inventarisasi Hotspot Penelitian di Bahan Komposit Lanjutan Aerospace
Bahan komposit dan logam, polimer, dan keramik disebut empat bahan utama. Dewasa ini, tingkat industri material komposit suatu negara atau wilayah menjadi salah satu indikator untuk mengukur kekuatan teknologi dan ekonominya. Material komposit canggih merupakan sumber keunggulan kompetitif bagi keamanan nasional dan ekonomi nasional. Di antara mereka, resin epoksi adalah resin yang dapat disembuhkan dengan reaksi yang sangat baik. Di bidang bahan komposit yang diperkuat serat, resin epoksi memainkan peran besar. Ini diperparah dengan serat karbon berbasis PAN serat berkinerja tinggi, serat kaca S atau E, serat aramid, serat polietilen, dan serat basal, dan menjadi bahan matriks dan bahan struktural penting yang tak tergantikan, yang banyak digunakan dalam tenaga elektronik, kedirgantaraan, Peralatan olahraga, penguatan bangunan, pipa tekanan, anti korosi kimia dan enam bidang lainnya. Makalah ini berfokus pada status domestik dan asing komposit matriks resin canggih kedirgantaraan dan masalah serta arah yang sedang dipelajari China.
Serat penguat yang digunakan dalam material komposit
Perbandingan kinerja berbagai bahan serat yang digunakan dalam bahan komposit ditunjukkan pada Tabel 1. Sifat beberapa bahan dibandingkan. Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa kekuatan spesifik dan modulus spesifik serat kaca saja meningkat masing-masing sebesar 540 persen dan 31 persen , dibandingkan dengan bahan logam, dan peningkatan serat karbon bahkan lebih signifikan. Menurut laporan literatur, kekuatan teoritis grafit kristal tunggal dihitung dari energi ikatan dan kepadatan ikatan setinggi 150 GPa. Oleh karena itu, potensi pengembangan lebih lanjut dari serat karbon sangat besar. Tujuan jangka pendek Perusahaan Toray Jepang adalah membuat kekuatan tarik serat karbon sebesar 8.5GPa, modulus 730GPa. Tak perlu dikatakan, serat karbon masih akan menjadi bahan utama untuk casing dan nozel motor roket padat di masa depan.
Pengembangan aplikasi lain dari komposit serat karbon sangat menjanjikan, seperti sistem pengereman pesawat dan kereta api berkecepatan tinggi, pesawat sipil dan struktur komposit otomotif, bantalan serat karbon kinerja tinggi, bilah besar untuk turbin angin, peralatan olahraga (seperti ski , raket, joran), dll. Dengan perluasan skala produksi serat karbon dan penurunan biaya produksi secara bertahap, penerapan serat karbon pada beton bertulang, perangkat pemanas baru, bahan elektroda baru dan bahkan kebutuhan sehari-hari juga akan berkembang pesat. Untuk bekerja sama dengan Olimpiade Beijing, negara saya berencana untuk mengembangkan bahan bangunan CFRP baru dan pasar CFRP berteknologi tinggi baru yang terkait dengan perlindungan lingkungan dan barang-barang konsumen dengan penuh semangat.
Serat karbon adalah bahan berkekuatan tinggi dan bermodulus tinggi. Secara teori, sebagian besar serat organik dapat dibuat menjadi serat karbon. Ada tiga jenis utama serat organik yang sebenarnya digunakan sebagai bahan baku serat karbon: serat viscose, serat pitch, dan serat poliakrilonitril. Sebagian besar serat karbon yang digunakan pada bagian struktural motor roket padat saat ini terbuat dari serat poliakrilonitril.
Komposit matriks resin ruang angkasa
Menurut data yang relevan, setiap 1 kilogram massa pesawat ruang angkasa dapat mengurangi berat kendaraan peluncuran hingga 500 kilogram, dan biaya peluncuran satelit adalah puluhan juta dolar. Faktor biaya tinggi membuat bahan struktural ringan dan berkinerja tinggi. Penutup mesin padat berbasis epoksi yang diproduksi oleh proses penggulungan filamen tahan terhadap korosi, suhu tinggi dan radiasi, dan memiliki kepadatan rendah, kekakuan yang baik, kekuatan tinggi dan ukuran yang stabil. Misalnya, hulu ledak rudal dan fairing satelit, bahan tahan panas untuk pesawat ruang angkasa, dan substrat susunan sel surya semuanya terbuat dari bahan yang diperkuat serat berbasis epoksi dan epoksi-fenolik. Untuk pertimbangan penerbangan dirgantara dan keamanannya, sebagai bahan struktural, ia harus memiliki bobot yang ringan, kekuatan tinggi, keandalan dan stabilitas tinggi, dan bahan komposit serat karbon epoksi telah menjadi bahan yang sangat diperlukan.
Bahan penguat yang digunakan dalam komposit epoksi kinerja tinggi terutama serat karbon (CF) dan serat hibrida CF dan serat aramid (K-49) atau serat kaca kekuatan tinggi (S-GF). Resin epoksi yang digunakan sebagai bahan matriks menyumbang sekitar 90 persen dari resin komposit kinerja tinggi. Proses pencetakan bahan komposit berkinerja tinggi sebagian besar mengadopsi layup kering prepreg searah, dan pengawetan dan pencetakan autoklaf. Komposit epoksi kinerja tinggi telah banyak digunakan di berbagai pesawat. Mengambil Amerika Serikat sebagai contoh, pada 1960-an, bahan komposit boron/epoksi digunakan untuk kulit pesawat dan permukaan operasi. Karena tingginya biaya serat boron, komposit karbon/epoksi diubah menjadi komposit karbon/epoksi pada 1970-an dan berkembang pesat. Secara kasar dapat dibagi menjadi tiga tahap. Tahap pertama diterapkan pada komponen dengan kekuatan kecil, seperti berbagai permukaan kontrol, permukaan kemudi, spoiler, aileron, flap, pelat tarik, pintu roda pendarat, penutup mesin, dan struktur sekunder lainnya. Tahap kedua diterapkan pada bagian struktural dengan beban besar, seperti stabilisator, ekor horizontal gerak penuh, dan sayap struktural penahan beban utama. Tahap ketiga diterapkan pada struktur stres yang kompleks, seperti badan pesawat, kotak sayap tengah, dll. Umumnya, penurunan berat badan bisa 20 persen hingga 30 persen . Saat ini, jumlah material komposit pada pesawat militer telah mencapai sekitar 25 persen dari berat struktur, terhitung 80 persen dari luas permukaan tubuh. Ada banyak contoh aplikasi bahan komposit epoksi kinerja tinggi di pesawat militer dan sipil asing.
Selain material komposit ablatif dalam industri kedirgantaraan, material komposit berperforma tinggi juga banyak digunakan. Misalnya, setelah mengadopsi C/EP, kerucut kabin instrumen rudal Trident dapat mengurangi berat sebesar 25 persen hingga 30 persen dan menghemat tenaga kerja sekitar 50 persen . Hal ini juga digunakan sebagai pendukung instrumen dan 55 bagian struktural tambahan seperti dukungan gyro, cincin dukungan silinder ejeksi, dukungan roller ejeksi, dukungan perangkat inersia dan dukungan baterai pada rudal Trident. Karena pengurangan berat, jangkauannya meningkat 342km. Perisai dan interstages untuk roket Delta juga diproduksi oleh C/EP. Antena, braket antena, bingkai sel surya, dan filter gelombang mikro pada satelit dan pesawat Amerika semuanya diproduksi oleh C/EP. C/EP digunakan untuk membuat struktur pendukung antena dan struktur ruang besar pada Intelsat V. Pesawat ruang angkasa Air Voyager menggunakan K-49/EP untuk subreflektor antena gain tinggi dan kulit dalam dan luar struktur sandwich sarang lebah. Pesawat ulang-alik menggunakan bahan komposit Nomex honeycomb C/EP untuk membuat palka besar, panel struktural kabin ekor C/EP, dll.
