Welche Kriterien bestimmen die Wahl zwischen Titan, Verbundwerkstoffen und gängigeren Materialien wie Aluminium?

In den neuesten großen Verkehrsflugzeugen scheinen Verbundwerkstoffe der letzte Schrei zu sein. Als Erstes wollte ich wissen, warum man sich für Verbundwerkstoffe anstelle von Titan entschieden hat? Wenn ich mich nicht irre, hat Titan eine noch spezifischere Zugfestigkeit.

Lassen Sie uns auch klarstellen, was genau Composites sind. "Composite" bedeutet einfach eine Mischung aus zwei oder mehr Materialien, und in der Luft- und Raumfahrt ist es überwiegend autoklavgehärtetes Kohlenstoff-Epoxid.

Letztendlich wäre es gut, die Kriterien zu verstehen, die jede Wahl zwischen Titan, Verbundwerkstoffen und Aluminium bestimmen. Welche Bereiche des Flugzeugs sind insbesondere Kandidaten für ein fortschrittliches Material? und warum? Welche Faktoren bestimmen die Entscheidung?

Zu Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt gehören neben Kohlenstoff Glasfasern, Harze, Epoxide und Phenolharze.
Die Auswahl zwischen all diesen Materialien ist sehr groß... Gibt es eine bestimmte Anwendung, die Sie interessiert?
Die Kosten für ein Flugzeug aus Titan wären lächerlich ...
@RonBeyer Warum genau das? Titan war früher selten, aber heute haben wir billigere Raffinationsverfahren erfunden, und IIRC, Titanoxid, ist die neunthäufigste Verbindung in der Erdkruste.
Bisher habe ich 7 Ansichten, 4 enge Stimmen und keine Erklärung(en) warum.
@foot eine bestimmte Anwendung? Nun ja, die Anwendung von Flugzeugen natürlich. Ganz oben auf meinem Kopf denke ich, dass häufige Orte für Titan die Vorderkanten der Flügel, die Nasenspitze und das Innere des Motors sind. Das ist wahrscheinlich ein ebenso guter Ausgangspunkt wie jeder andere.
Titan kostet etwa 4,20 USD/kg, während Aluminium etwa 1,20 USD/kg kostet. Verbundwerkstoffe sind sogar noch billiger, ganz zu schweigen vom geringeren Gewicht. Ich würde das Problem nicht allein auf die Zugfestigkeit stützen, Kosten, Werkzeuge, Reparierbarkeit, Verfügbarkeit und Gewicht sind große Faktoren. Der Grund, warum ich ein knappes Votum als zu breit abgegeben habe, ist, dass diese Frage eigentlich einen Kurs über Materialwissenschaften zusammen mit dem Flugzeugdesign erfordern würde und nicht in wenigen Absätzen prägnant beantwortet werden kann.
@RonBeyer Ich denke nicht, dass es zu breit ist. Woher wissen wir, dass es nicht prägnant beantwortet werden kann, es sei denn, wir geben jemandem die Chance, es zu versuchen? Das Schließen der Frage würde diese Chance schließen.
Wenn man bedenkt, dass eine Legierung ein Verbundstoff aus zwei oder mehr verschiedenen Metallen ist, werden Flugzeuge fast ausschließlich aus Verbundwerkstoffen gebaut.

Antworten (3)

Welche Kriterien bestimmen die Wahl zwischen Titan, Verbundwerkstoffen und gängigeren Materialien wie Aluminium?

Drei Hauptkriterien: Kosten, Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Dauerfestigkeit.

  • Kosten. Von den dreien war Aluminium früher der klare Gewinner, wobei Verbundwerkstoffe aufgrund verbesserter Herstellungsverfahren große Fortschritte gemacht haben. Titan ist das teuerste und schwierig zu bearbeiten.
  • Stärke-zu-Gewicht.
    • Knicken . Titanlegierungen haben ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis als Aluminium (diese Antwort , mehr zur Temperatur weiter unten), aber Aluminium ist leichter und das gibt ihm einen Vorteil in Strukturen, die mit Druckspannungen belastet sind: Die Knickfestigkeit ist auch eine Funktion der Querschnittsabmessung. Für die Flügeloberseite wäre Aluminium trotz geringerer spezifischer Festigkeit leichter als Titan. Composites haben die höchste spezifische Festigkeit von allen.
    • Temperatur . Die Grafik in der verlinkten Antwort zeigt auch den Einfluss der Temperatur auf die spezifische Festigkeit von Materialien: Aluminium fällt zuerst ab, und bei höheren Temperaturen ist Titan die beste nächste Wahl, wie aus dem Kommentar von @PeterKämpf hervorgeht.

  • Ermüdungsbeständigkeit. Titanlegierungen haben, wie es Stahl zulässt, eine Dauerfestigkeitsgrenze. Bleiben die Belastungen unterhalb dieser Grenze, kann die Konstruktion unendlich viele Zyklen überstehen. Aluminium hat keine Dauerhaltbarkeitsgrenze und wird schließlich selbst bei kleinen Spannungsamplitudenzyklen versagen: Aluminiumkonstruktionen erfordern eine sorgfältige Überwachung und Wartung, um Ermüdungsbruch zu verhindern.

    Von AndrewDressel bei Wikipedia auf Englisch, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6319461

    Verbundwerkstoffe haben keine Dauerhaltbarkeitsgrenze, aber Faserorientierung und Materialauswahl können die Ermüdungslebensdauer verbessern.

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Gute Antwort. Was fehlt, ist Temperatur: Der Festigkeitsverlust von Aluminium mit der Temperatur verbietet seine Verwendung in Bereichen wie in der Nähe des Motorauspuffs, und Titan ist oft die nächstbeste Wahl. Titan ist nicht nur teuer, sondern auch teuer in der Bearbeitung. Es verschleißt Werkzeuge viel schneller und erfordert besondere Aufmerksamkeit beim Schweißen, damit keine erhitzte Oberfläche Sauerstoff ausgesetzt ist.

"Die Anwendung von Flugzeugen" ist äußerst vage. Moderne Flugzeuge verwenden all diese Materialien an vielen verschiedenen Stellen aus vielen verschiedenen Gründen. Jede Komponente hat unterschiedliche Kompromisse, die von vielen Faktoren abhängen. Das Folgende ist eine sehr allgemeine Übersicht.

Aluminium ist ein beliebtes Material in Flugzeugen, da es relativ billig und leicht ist und Legierungen mit guten Materialeigenschaften aufweist. Es ist relativ einfach zu verarbeiten, muss aber vor Korrosion geschützt werden. Geringes Gewicht und niedrige Kosten bedeuten, dass es in großen Bereichen wie Rumpf und Flügelhaut und für einen Großteil der darunter liegenden Struktur verwendet wird.

Titan ist nützlich für seine Fähigkeit, höheren Temperaturen standzuhalten, während es stärker als Aluminium, aber auch schwerer ist. Allerdings ist es deutlich teurer als Aluminium.

Verbundwerkstoffe sind eine große Materialfamilie mit vielen verschiedenen Typen und möglichen Kombinationen. Verbundwerkstoffe können stark und leicht sein, halten aber auch keinen hohen Temperaturen stand. Obwohl Verbundwerkstoffe nicht wie einige Metalle korrodieren, müssen einige Situationen vermieden werden, z. B. wenn Kohlefasern mit Aluminium in Kontakt kommen. Die Einwirkung von UV-Licht oder Feuchtigkeit kann ebenfalls ein Problem sein. Die Herstellung von Verbundwerkstoffen kann je nach verwendetem Material sehr teuer werden. Da Verbundwerkstoffe typischerweise aus mehreren Schichten hergestellt werden, die sandwichartig zusammengefügt werden, eignen sie sich leichter für Anwendungen mit großen und dünnen Querschnitten. Größere und komplexere Teile sind aus Verbundwerkstoffen schwieriger herzustellen. Ein weiterer wichtiger Faktor bei Flugzeugen ist die elektrische Leitfähigkeit. Während Metallteile auf natürliche Weise elektrische Ladung untereinander leiten,

Es gibt auch viele andere Überlegungen. Neben der Streckgrenze müssen viele Materialien in Flugzeugen gute Ermüdungseigenschaften aufweisen, um zyklischen Belastungen im Laufe der Zeit standzuhalten. Materialeigenschaften bei hohen und/oder niedrigen Temperaturen können ebenfalls wichtig sein. Während Metalle dazu neigen, sich zu biegen und Energie abzugeben, bevor sie brechen, neigen Verbundwerkstoffe dazu, plötzlich zu brechen . Metalle sind außerdem einfacher zu inspizieren und zu reparieren, während Verbundwerkstoffe viel komplizierter sein können . Während ein Metall ziemlich gut nach Art und Abmessungen kategorisiert werden kann, sind Verbundwerkstoffe mit ihren mehreren Lagen komplexer. Dies erschwert die Definition und Analyse.

Die erste Frage ist anständig zu beantworten.

Komposite haben die schöne Eigenschaft, dass sie im mesoskopischen Maßstab nicht homogen sind. Dass kleine Risse in belasteten Materialien entstehen, ist fast unvermeidlich. Dies geschieht in Aluminium, Titan und Verbundwerkstoffen gleichermaßen. Dies ist nicht gefährlich, wenn es etwas gibt, das sie am Wachsen hindert. Bei Luft- und Raumfahrtverbundwerkstoffen stoppen die lokalen Materialgrenzen das Risswachstum. Praktisch bedeutet dies für einen Schichtverbund, dass eine Schicht einen Riss bekommen kann. Die beiden benachbarten Schichten bleiben an beiden Seiten des Risses geklebt und halten die Platte zusammen.

Verbundwerkstoffe sind für einige spezifische Zwecke auch einfacher zu konstruieren, wie z. B. höhere Zugfestigkeiten in kritischen Richtungen. Das ist bei Titan nicht unmöglich, aber enorm teuer. Sie müssen einen Einkristall aus Titan züchten und schneiden. Im Vergleich dazu kommt es bei einem Carbon-Composite nur darauf an, die Faserlagen auszurichten.

Können Sie genau erklären, was „einen Einkristall aus Titan züchten und schneiden“ bedeutet? Kann Titan nicht einfach geschweißt werden?
@ DrZ214: Sie können dies tun, aber die resultierende Struktur wird ein Sammelsurium aus vielen kleinen Kristallen sein, die in alle verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind. Viele bis die meisten, wenn nicht alle kristallinen Materialien sind am stärksten gegen Kräfte, die parallel zu einer ihrer Kristallachsen wirken. Wenn Ihre Strukturplatte aus einem einzigen riesigen Kristall oder aus mehreren Kristallen mit der gleichen Ausrichtung bearbeitet wird, ist die Platte in einer bestimmten Richtung am stärksten, und Sie können die Platte so ausrichten, dass die Richtung, in der die Platte am meisten erfährt Stress ist auch die Richtung, in der (1/3)
Das Panel ist am stärksten. Wenn andererseits die Platte aus vielen kleinen Kristallen mit zufälliger Ausrichtung besteht, zeigen die stärksten Achsen der Kristalle in alle verschiedenen Richtungen, und die Platte hat in jeder Richtung die gleiche Stärke - was geringer ist als die Stärke der monokristallinen (oder polykristallinen mit ausgerichteten Kristallen) Platte in ihrer stärksten Richtung. Eine monokristalline Platte oder eine polykristalline Platte, bei der alle Kristalle in die gleiche Richtung zeigen, kann so hergestellt werden, dass sie in der Richtung am stärksten ist, in der sie am stärksten sein muss (2/4).
anstatt Kraft in Richtungen zu verschwenden, in denen sie nicht benötigt wird. Im Gegensatz dazu hat eine polykristalline Platte mit isotrop ausgerichteten Kristallen in jeder Richtung die gleiche Festigkeit – die in einigen Richtungen stärker ist, als sie sein muss, aber nicht so stark, wie sie in den Richtungen sein könnte, in denen sie am stärksten sein muss in. Wenn wir schließlich ein monokristallines Panel mit einem polykristallinen Panel mit identisch ausgerichteten Kristallen vergleichen, ist das monokristalline Panel stärker (und damit überlegen) als das polykristalline Panel, da es aus einem einzigen starken Kristall besteht, während (3/4)
Die polykristalline Platte besteht aus einem Bündel separater Kristalle, die an den Rändern zusammengeklebt sind, wodurch Schwachstellen an den Grenzen zwischen den Kristallen entstehen. (4/4)
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