«Мы называем наш гибридный материал« наполненный CMF », – говорит Афсане Рабиеи, автор статьи о работе и профессор механической и аэрокосмической инженерии в NC State. «И хотя настоянный CMF примерно такой же вес, как алюминий, он более жесткий и имеет другие характеристики, которые делают его более привлекательным с точки зрения летных характеристик, безопасности и топливной экономичности."
CMF – это пена, состоящая из полых металлических сфер из таких материалов, как нержавеющая сталь или титан, встроенных в металлическую матрицу из стали, алюминия или металлических сплавов. Для этого исследования исследователи использовали CMF сталь-сталь, что означает, что и сферы, и матрица были сделаны из стали. Предыдущие исследования показали, что металлическая пена чрезвычайно прочная: она может выдерживать .50 калибра, выдерживают высокие температуры и блокируют давление взрыва от фугасных зажигательных снарядов.
Пропитанный CMF изготавливается путем погружения CMF сталь-сталь в гидрофобную эпоксидную смолу и использования сил вакуума для втягивания смолы как в полые сферы, так и в гораздо более мелкие поры, обнаруженные в самой стальной матрице. Это приводит к тому, что около 88 процентов пор CMF заполняются эпоксидной смолой.
Затем исследователи протестировали как проплавленный CMF, так и алюминий аэрокосмического качества, чтобы увидеть, как они работают в трех областях: угол контакта, который определяет, насколько быстро вода вытекает из материала; адгезия насекомых, или насколько хорошо части насекомых прилипли к материалу; и износ частиц, или насколько хорошо материал противостоит эрозии. Все эти факторы влияют на характеристики передней кромки крыла самолета.
Угол смачивания – это мера того, насколько хорошо вода попадает на поверхность. Чем меньше угол контакта материала, тем больше вода прилипает к поверхности.
Это актуально для крыльев самолета, поскольку скопление воды на крыле может повлиять на летно-технические характеристики самолета. Исследователи обнаружили, что у настаиваемого CMF угол смачивания на 130% выше, чем у алюминия, что является значительным улучшением.
Адгезия насекомых измеряется двумя способами: по максимальной высоте остатков насекомых, которые накапливаются на материале, и по площади, покрытой остатками насекомых на поверхности материала. Опять же, инфузионный CMF превзошел алюминий – на 60% по максимальной высоте и на 30% по площади покрытой поверхности.
Исследователи также провели эксперименты по дробеструйной очистке, чтобы смоделировать эрозию, вызванную износом, который происходит с течением времени при использовании крыльев самолета. Исследователи обнаружили, что, хотя абразивоструйная очистка действительно увеличивала шероховатость поверхности настаиваемого CMF, он все же работал лучше, чем алюминий. Например, в худшем случае у пропитанного CMF угол смачивания на 50 процентов больше, чем у алюминия.
Другими словами, пропитанный CMF сохранил свои свойства за счет эрозии и износа, что указывает на то, что он продлит срок службы передних компонентов крыла и снизит затраты, связанные с обслуживанием и заменой.
«В настоящее время алюминий является предпочтительным материалом для изготовления передней кромки крыльев самолетов и вертолетов», – говорит Рабие. "Наши результаты показывают, что настоянный CMF может быть ценной заменой, предлагая лучшую производительность при том же весе.
«Точно так же результаты показывают, что мы могли бы использовать различные материалы для матрицы или сфер, чтобы создать комбинацию, которая работает так же хорошо, как и обычный алюминий, при небольшом весе. В любом случае вы улучшаете производительность и топливную экономичность."