Композитные материалы, которые широко используются в новых самолетах, лучше противостоят столкновениям с птицами?

Из коробки нет. Они хуже справляются с ударами птиц. Но если подумать, их можно сделать намного лучше.

Все материалы имеют диапазон упругой деформации, и если его не превысить, они примут свою первоначальную форму без повреждений. Композиты терпят неудачу, если этот диапазон превышен. Сначала выходят из строя волокна с наибольшим удлинением, что позволяет другим волокнам воспринимать большую нагрузку, но в какой-то момент остается слишком мало волокон, и часть катастрофически выходит из строя. Это слышно: первые небольшие сбои вызывают слабый треск, а возможный сбой - громкий хлопок.

Металлы добавляют пластическую деформацию перед окончательным разрушением, и это позволяет им поглощать много энергии в процессе. Поскольку энергия равна силе, умноженной на расстояние, небольшая упругая деформация не будет поглощать много энергии. Однако пластическая деформация на порядок больше и делает металлы гораздо лучшими поглотителями энергии. Даже деформированная конструкция может воспринимать значительную долю нагрузки, которую она принимала до деформации. Удар птицы вызовет вмятину, но остальная часть конструкции не испытает большой нагрузки, поскольку образование вмятины может поглотить много энергии. Однако измененный контур может спровоцировать изменение аэродинамических нагрузок, что может привести к возникновению новых режимов отказа.

Ударные нагрузки на композиты имеют второй недостаток: удар создает ударные волны, которые проходят через структуру и вызывают расслоение (разделение волокон и полимерной матрицы), когда они сталкиваются с границей. Поэтому самые большие повреждения возникают на противоположной стороне удара. Столкновение с птицей может не оставить видимой вмятины снаружи, но может разрушить материал на противоположной стороне, так что конструкция разрушится при небольшой нагрузке, которую она выдержала бы без столкновения с птицей.

Поэтому в некоторых композитных крыльях используются металлические передние кромки для защиты композитной конструкции от ударов птиц. Но также можно улучшить и саму композитную структуру: если использовать очень прочные волокна, такие как кевлар или Spectra ,добавлены, энергия удара не сломает эти волокна, и нагрузка будет распределена по большей части полимерной матрицы. Это задержит расслоение, а когда оно произойдет, оно распространится на большую площадь и вызовет разрыв волокон в нескольких местах. Энергия, необходимая для повсеместного расслоения и множественных отказов волокна, резко увеличивает поглощение энергии. Эта конструкция должна быть спроектирована как защитная броня, чтобы нижняя несущая конструкция не пострадала. Надлежащая ударопрочная конструкция из композитов позволяет сделать конструкцию еще более прочной, чем аналогичная металлическая конструкция.

В целом композиционные материалы уступают металлам по ударопрочности (в целом композиты плохо противостоят сжимающим нагрузкам). Это связано с тем, что металлы и композиты по-разному реагируют на удар.

В случае металлов большая часть энергии удара поглощается металлами за счет пластической деформации. Поскольку область пластичности довольно велика по сравнению с областью упругости, это означает, что они обладают хорошей ударопрочностью.

Источник: www.spaceflight.esa.int

Однако (армированные волокном) композиты претерпевают небольшую пластическую деформацию. Отклик композитов при ударе зависит от ряда характеристик, таких как скорость удара, ориентация волокон и т. д. При малоинтенсивном ударе вблизи места удара могут появиться упругие деформации. Однако удар с высокой скоростью вызывает ухудшение качества материала, в том числе отделение волокон от матрицы, растрескивание матрицы и разрыв волокон.

Сравнение кривых деформации композитов и металлов. Изображение круглых и квадратных бетонных колонн, внешне ограниченных композитным углепластиком: экспериментальное исследование и модели эффективной прочности , автор Riad Benzaid et. др.

Энергия, поглощенная в результате удара, зависит, среди прочего, от сопротивления связи волокно-смола. Если эта связь сильная, по материалу может пройти сплошная трещина. В случае слабого звена образовавшаяся трещина может иметь неправильную форму, приводящую к быстрому отрыву волокон от матрицы и к значительной энергии поглощения. Однако адгезия между волокнами и матрицей не должна быть слишком слабой, так как низкое сопротивление сдвигу также негативно влияет на ударные характеристики.

Основной механизм заключается в том, что волокна подвергаются изгибу, что приводит к их разрыву, в результате чего нагрузка передается на смоляную основу, которая обычно трескается. Нагрузка передается на другие волокна, которые повреждаются.

Есть несколько способов повысить ударопрочность композитов, например, использовать такие материалы, как кевлар, который обладает более высокой ударопрочностью. Эти прочные материалы имеют более высокие нагрузки на разрушение, что помогает поглощать ударную нагрузку и передавать ее матрице из смолы (которая несет сжимающую нагрузку).

Ударная вязкость различных композитов, из The Impact Behavior of Composite Materials by Chircor Mihael et. др.

Композиты также могут быть адаптированы для повышения ударопрочности. Кроме того, места, где ожидаются удары, например, передние кромки, могут быть выполнены из металла. Интересно, что и A350XWB, и Boeing 787 используют металлы в передних кромках крыла, хотя я не уверен, насколько это связано с ударопрочностью.

Источник: www.1001crash.com

Может быть, лучше ответить на вопрос наоборот. Есть правила, которые нужно соблюдать. Это также включает столкновения с птицами. Для получения сертификата необходимо выполнить все требования.

Причина, по которой используются новые материалы, заключается в том, что они обладают желаемыми характеристиками (например, они легче или, возможно, дешевле) при достижении требуемых свойств.

Это не только специфическое свойство материала, которое делает его выдерживающим столкновение с птицей, но и то, как инженеры спроектировали всю деталь. В зависимости от материала этот процесс проектирования может быть различным и может включать в себя определенные проблемы. Тем не менее, финальная часть будет настолько сильной, насколько этого требуют правила. Это справедливо для алюминия, титана или композитных материалов.