Усъвършенствани композитни материали (I): Ламинати, видове влакна и приложения

Lаминирана структура

Композитите се състоят от комбинация от материали, които са смесени заедно за постигане на специфични структурни свойства. Отделните материали не се разтварят напълно или се сливат в композита, но те ще действат заедно като едно цяло. Често интерфейсите между компонентите могат да бъдат физически разпознати. Свойствата на един композитен материал превъзхождат свойствата на отделните материали, от които е съставен.

Усъвършенстван композитен материал е направен от влакнест материал, разтворен в матрица от смола, обикновено ламиниран от алтернативно ориентирани влакна, за да осигури здравина и твърдост на материала. Влакнестите материали не са често срещани; дървото е най-разпространеният влакнест структурен материал, познат на човека.

Приложенията на композитите в самолетите включват

-Дефлектор

-Повърхности за управление на полета

-Врати на колесника

-Панели на предния и задния ръб на крилото и стабилизатора

-Вътрешни компоненти

-Подови греди и подови панели

- Основни структури на вертикален и хоризонтален стабилизатор за големи самолети

- Основни конструкции на крилото и фюзелажа на новото поколение големи самолети

-Лопатки на вентилатора на турбинния двигател

-Витло

Основни компоненти на ламинати

Изотропният материал има еднакви свойства във всички посоки (което означава изотропни свойства на един и същи материал). Измерените свойства на изотропните материали са независими от тестовата ос. Алуминият и титанът, които са метални материали, се използват като примери за илюстрация на изотропни материали.

Влакната са основните носещи елементи на композитите. Композитите имат здравина и твърдост само по посока на влакната. Еднопосочните композити имат предимно механични свойства в една посока, известни като анизотропия, където механичните или физичните свойства се различават от посоката на естествената референтна ос, присъща на материала. Компонентите, направени от подсилени с влакна композити, могат да бъдат проектирани така, че ориентацията на влакната да произвежда най-добрите механични свойства, но те могат да се доближат само до истински изотропните свойства на метали, като алуминий и титан.

Композитната матрица поддържа влакната и ги свързва в композита. Матрицата прехвърля всички приложени натоварвания към влакната, поддържа влакната в тяхната позиция и избрана ориентация, дава устойчивостта на околната среда на композита и определя максималната работна температура на композита.

Свойства

Структурните свойства на композитните ламинати, като твърдост, стабилност на размерите и здравина, зависят от реда на подреждане на ламинатите. Редът на подреждане описва разпределението на ориентациите на подреждане в дебелината на ламината. Тъй като броят на слоевете с избрани ориентации се увеличава, са възможни повече поръчки за подреждане. Например, симетричен осемслоен ламинат с четири различни ориентации на подреждане има 24 различни реда на подреждане.

Посока на влакната

Силата и твърдостта на композита зависи от реда, в който са ориентирани слоевете. Действителната якост и твърдост на въглеродните влакна варира от ниски до високи стойности, като тези, осигурени от стъклени влакна, до високи стойности на якост и твърдост, осигурени от титаниеви влакна. Този диапазон от стойности се определя от ориентацията на ламината към приложеното натоварване. При усъвършенстваните композити е необходим правилен избор на ориентация на подреждането, за да се осигури ефективен дизайн на структурата. Частта може да изисква реактивни аксиални натоварвания на слоя от 0 градуса, реактивни натоварвания на срязване на слоя от ±45 градуса и реактивни странични натоварвания на слоя от 90 градуса. Тъй като проектните изисквания за якост са функция от посоката на приложените натоварвания, ориентацията на пластовете и последователността на слоевете трябва да са правилни. По време на процеса на ремонт е изключително важно да замените всеки повреден слой със слой от същия материал и ориентация.

Влакната в монолитния материал се движат в една посока, като силата и твърдостта са само в посоката на влакната. Препрег (препрег филм) лентите са пример за еднопосочна ориентация на наслагване.

Влакната в двупосочен материал протичат в две посоки, обикновено на 90 градуса едно от друго. Обикновените структури са пример за двупосочни посоки на подреждане. Тези посоки на подреждане имат сила и в двете посоки, но не непременно същата сила. Както е показано на фигура 1

Квазиизотропните подреждания имат последователности от слоеве от 0 градуса, -45 градуса, 45 градуса и 90 градуса или 0 градуса, -60 градуса и 60 градуса. Тези типове ориентации на пластове симулират свойствата на изотропни материали, както е показано на Фигура 2. Много авиационни композитни структури са направени от квазиизотропни материали.

Фигура 1: Двупосочни и еднопосочни свойства на настилка

Фигура 2: Симетрични изотропни подреждания на материали

Warp посока

Посоката на основата се отнася до надлъжните влакна на тъканта. Поради праволинейността на влакната, посоката на основа е посоката на висока якост. Посоката на основата на основата се използва за описание на посоката на влакната върху диаграма, спецификационен лист или лист на производителя. Ако върху тъканта няма посока на основата, посоката на основата по подразбиране е нула, когато тъканта излезе от ролката. Следователно 90 градуса на нула е ширината на тъканта. Както е показано на фигура 3

Фигура 3: Twist Lock

Fiber конфигурация

Всички продуктови форми обикновено започват с еднопосочна линия от сурови влакна, които са пакетирани в непрекъснати нишки. Отделно влакно се нарича нишка. Терминът "нишка" се използва и за обозначаване на отделно стъклено влакно. Снопчетата нишки могат да бъдат категоризирани като предени прежди, прежди или ровинги. Преждите от фибростъкло са усукани, докато преждите от kevlar® не са. Сноповете нишки и ровингите нямат усукване. Повечето влакна са сухи влакна и трябва да бъдат импрегнирани със смола преди употреба (предварително импрегниране) или с предварително импрегниран материал, когато смолата вече е нанесена върху влакната.

Груби влакна (снопове прежда)

Ровингът е група от нишки или краища на влакна, като 20- или 60-крайна стъклена ровинг. Всички нишки са ориентирани в една и съща посока и не са усукани. Ровингите от въглеродни влакна обикновено се идентифицират като 3K, 6K или 12K ровинги, като K означава 1000 нишки. Повечето приложения на ровинг продукти използват дорник за навиване на влакна и след това втвърдяване на смола до крайната конфигурация.

Еднопосочен (с)

Еднопосочните препрег ленти са стандарт в космическата индустрия от много години и влакната обикновено са импрегнирани с термореактивна смола. Най-често срещаният метод за подготовка включва издърпване на колимирани сурови (сухи) нишки в машина за импрегниране, където топимата смола се свързва с нишките чрез топлина и налягане. Продуктът с лента има висока якост по посока на влакната и почти никаква здравина във влакната. Влакната се задържат на място от смолата. Лентите са по-здрави от тъканите. Както е показано на фигура 4

Фигура 4: Ленти и тъкани

Плат

За ламинирания със сложна форма повечето тъкани конструкции предлагат повече гъвкавост от правите еднопосочни ленти. Тъканите предлагат възможност за импрегниране на смолата чрез разтвор или процес на горещо топене. Обикновено тъканите за структурни приложения използват влакна или нишки с еднакво тегло или добив в двете посоки на основа (надлъжна) и вътък (напречна). За аерокосмическите структури плътно тъканите тъкани често са изборът за спестяване на тегло, намалявайки размера на кухините от смола и поддържайки ориентацията на влакната по време на производството.

Структурата на тъканта обикновено се състои от подсилени армиращи снопове, нишки или прежди, които се преплитат по време на процеса на тъкане. По-често срещаните стилове на тъкани са обикновена тъкан или сатенена тъкан. Структурите на обикновена тъкан се образуват от редуващи се влакна над и под всяка пресичаща се нишка (сноп, сноп или прежда). При обичайните стилове на тъкане на сатен, като 5- или 8-сноп, влакнестите нишки се движат напред и назад в посоката на основата и вътъка по-рядко.

Тези сатенени тъкани са по-малко нагънати и по-лесно се деформират от обикновените тъкани. При обикновените тъкани и повечето тъкани от 5 или 8 снопове има равен брой влакнести нишки в посоките на основата и вътъка. Например: 3K обикновени тъкани обикновено имат допълнително име като 12 x 12, което означава 12 тегления на инч във всяка посока. Това обозначение на броя може да бъде променено, за да се увеличи или намали теглото на тъканта или да се поберат различни влакна с различни тегла. Както е показано на фигура 5

Фигура 5: Типичен стил на тъкане на плат

Нетъкан текстил (тъкан или шит)

Тъканите или шити тъкани могат да предложат много от механичните предимства на еднопосочната лента. Поставянето на влакна може да бъде право или еднопосочно, без завъртанията нагоре и надолу на тъканите. След предварително избрана ориентация на един или повече слоя гипсокартон, влакната се зашиват заедно с фини прежди или конци, за да задържат влакната на място. Тези видове тъкани осигуряват широка гама от многослойни ориентации. Въпреки че може да се добави известно тегло или някои от крайните свойства на армиращите влакна могат да бъдат загубени, може да се постигне известно подобрение на свойствата на междупластово срязване и здравина. Някои често срещани прежди за шиене са полиестерни, арамидни или термопластични. Както е показано на фигура 6

Фигура 6: Нетъкан материал (шевове)

Видове влакна

Gласо влакно

Фибростъклото обикновено се използва във вторични конструкции на самолети, като обтекатели, обтекатели и краища на крилата. Стъклените влакна се използват и в роторните перки на хеликоптери. Има няколко вида стъклени влакна, използвани в космическата индустрия. Електронните стъклени влакна или E-стъкло са признати за такива електронни приложения. Има висока устойчивост на електрически ток. E-стъклото е направено от боросиликатни стъклени влакна. S-стъклото и S{3}}стъклото са структурни стъклени влакна, които имат по-висока якост от E-стъклото. S-стъклените влакна са направени от магнезиево-алуминиеви силикати. Предимствата на стъклените влакна са по-ниска цена в сравнение с други композити, химическа или електрическа устойчивост и електрически свойства (стъклените влакна не провеждат електричество). Стъклените влакна са бели на цвят и могат да се използват като тъкани със сухи влакна или препреги.

Aрамидно влакно

Kevlar е името на арамидните влакна на DuPont. Арамидните влакна са леки, здрави и здрави. Два вида арамидни влакна се използват в космическата индустрия; Kevlar® 49 има висока твърдост, а Kevlar® 29 има ниска твърдост. Предимство на арамидните влакна е, че те са силно устойчиви на повреди при удар, така че обикновено се използват в зони, податливи на повреди при удар. Основният недостатък на арамидните влакна е техният общ недостатък в свиваемостта и абсорбцията на влага. Сервизните доклади показват, че някои части, направени от kevlar®, абсорбират до 8% от теглото си във вода. Поради това частите, направени от арамидни влакна, трябва да бъдат защитени от околната среда. Друг недостатък е, че кевларовите влакна са трудни за пробиване и рязане. Влакната лесно се мъхят и изискват специални ножици за тяхното рязане.

Кевларът обикновено се използва във военни балистични и бронежилетки. Има естествен жълт цвят и се предлага като суха тъкан и препрег. Размерът на снопа от арамидни влакна не зависи от броя на влакната като въглеродни или стъклени влакна, а по-скоро от теглото.

Въглеродни/графитни влакна

Първата разлика между това влакно е между въглеродните и графитните влакна, въпреки че термините често се използват взаимозаменяемо. Въглеродните и графитните влакна се основават на мрежа от единични графитни (шестоъгълни) слоеве във въглерод. Един материал се определя като графит, ако единичните графитни слоеве или равнини са подредени в триизмерна последователност. Обикновено се изисква удължено време и температурна обработка, за да се оформи тази поръчка, което прави графитните влакна по-скъпи. Връзката между равнините е слаба. Често възниква безпорядък, така че в слоевете съществува само двуизмерен ред. Този материал се определя като въглеродни влакна.

Въглеродните влакна са много здрави и 3 до 10 пъти по-твърди от стъклените влакна. Въглеродните влакна се използват в структурни приложения на самолети, като долни греди, стабилизатори, контроли на полета и основни конструкции на фюзелажа и крилото. Предимствата включват висока якост и устойчивост на корозия. Недостатъците включват по-ниска електрическа проводимост от алуминия; следователно, за компоненти на въздухоплавателни средства, които са податливи на удари от мълния, трябва да се монтира мълниеустойчива решетка или мълниеустойчиво покритие. Друг недостатък на въглеродните влакна е високата им цена. Въглеродните влакна са сиви или черни на цвят и се предлагат като суха тъкан и препрег. Когато се използва с метални крепежни елементи и конструкции, въглеродните влакна имат висок потенциал да причинят корозия на галванично свързване.

Фигура 7: Стъклени влакна (вляво), арамидни влакна (в средата), материал от въглеродни влакна (вдясно)

Bоронови влакна

Борните влакна са много твърди и имат висока якост на опън и натиск. Влакната са с относително голям диаметър и не се огъват добре; следователно те могат да се използват само като предварително импрегнирани лентови продукти. Матрици от епоксидна смола често се използват с борни влакна. Борните влакна се използват за ремонт на напукани алуминиеви корпуси на самолети, тъй като термичното разширение на бора е близко до това на алуминия и няма потенциал за корозия на галванично свързване. Борните влакна са трудни за използване, ако повърхността на субстрата има контурна форма. Борните влакна са много скъпи и могат да бъдат опасни за персонала. Борните влакна се използват предимно във военната авиация.

Cерамично влакно

Керамичните влакна се използват при високотемпературни приложения като турбинни лопатки за газови турбинни двигатели. Керамичните влакна могат да се използват за температури до 2200 градуса F.

Lмълниезащитно влакно

Алуминиевите плоскости са много проводими и могат да разсейват високи токове от удари на мълния. Въглеродните влакна са 1,000 пъти по-устойчиви на ток от алуминия, а епоксидната смола е 1,000,000 пъти по-устойчиви (т.е. перпендикулярно на кожата). Повърхността на външните композитни компоненти обикновено се състои от слой или слоеве проводящ материал за мълниезащита, тъй като композитите са по-малко проводими от алуминия. Използват се много различни видове проводими материали, вариращи от никелирана графитна тъкан през метална мрежа до алуминизирани стъклени влакна до проводими покрития. Материалът може да се използва като слой за мокро полагане или препрег.

В допълнение към нормалните структурни ремонти, техниците трябва да пресъздадат дизайна спрямо проводимостта на компонента. Тези видове ремонти често изискват тестване на проводимостта с измервател на съпротивлението, за да се провери минималното съпротивление на цялата конструкция. Когато ремонтирате тези видове конструкции, е много важно да използвате само одобрени материали от оторизирани доставчици, включително такива неща като смеси за саксии, уплътнители и лепила. Както е показано на фигури 8 и 9

Фигура 8: Материал за мълниезащита от медна мрежа

Фигура 9: Алуминиева мрежа от мълниезащитен материал