Uzlaboto kompozītmateriālu izdales materiāls (I): lamināti, šķiedru veidi un pielietojumi

Laminēta struktūra

Kompozītmateriāli sastāv no materiālu kombinācijas, kas tiek sajaukti kopā, lai iegūtu īpašas struktūras īpašības. Atsevišķi materiāli pilnībā neizšķīst vai nesaplūst kompozītā, bet tie darbosies kopā kā veselums. Bieži vien komponentu saskarnes var fiziski atpazīt. Kompozītmateriāla īpašības ir pārākas par atsevišķu materiālu īpašībām, no kuriem tas ir izgatavots.

Uzlabots kompozītmateriāls ir izgatavots no šķiedru materiāla, kas izšķīdināts sveķu matricā, parasti laminēts ar pārmaiņus orientētām šķiedrām, lai nodrošinātu materiāla izturību un stingrību. Šķiedru materiāli nav izplatīti; koks ir visizplatītākais cilvēkiem zināmais šķiedru strukturālais materiāls.

Kompozītmateriālu pielietojumi lidmašīnās ietver

-Deflektors

- Lidojuma vadības virsmas

-Šasejas durvis

-Spārnu un stabilizatoru priekšējās un aizmugurējās malas paneļi

- Iekšējās sastāvdaļas

-Grīdas sijas un grīdas paneļi

-Vertikālo un horizontālo stabilizatoru primārās konstrukcijas lieliem gaisa kuģiem

-Jaunās paaudzes lielo lidmašīnu galvenās spārnu un fizelāžas konstrukcijas

-Turbīnas dzinēja ventilatora lāpstiņas

- Propellers

Laminātu galvenās sastāvdaļas

Izotropam materiālam ir vienādas īpašības visos virzienos (tas nozīmē viena un tā paša materiāla izotropās īpašības). Izotropo materiālu izmērītās īpašības nav atkarīgas no testa ass. Alumīnijs un titāns, kas ir metāliski materiāli, tiek izmantoti kā piemēri, lai ilustrētu izotropo materiālu ilustrāciju.

Šķiedras ir galvenie kompozītmateriālu nesošie elementi. Kompozītmateriāliem ir izturība un stingrība tikai šķiedru virzienā. Vienvirziena kompozītmateriāliem pārsvarā ir mehāniskās īpašības vienā virzienā, ko sauc par anizotropiju, kur mehāniskās vai fizikālās īpašības atšķiras no materiālam raksturīgās dabiskās atskaites ass virziena. Sastāvdaļas, kas izgatavotas no šķiedru pastiprinātiem kompozītmateriāliem, var konstruēt tā, lai šķiedru orientācija nodrošinātu vislabākās mehāniskās īpašības, taču tās var tuvoties tikai metālu, piemēram, alumīnija un titāna, patiesi izotropiskajām īpašībām.

Kompozīta matrica atbalsta šķiedras un saista tās kompozītmateriālā. Matrica pārnes visas pieliktās slodzes uz šķiedrām, notur šķiedras savā pozīcijā un izvēlētajā orientācijā, piešķir kompozītmateriālam vides noturību un nosaka kompozītmateriāla maksimālo ekspluatācijas temperatūru.

Īpašības

Kompozītmateriālu laminātu strukturālās īpašības, piemēram, stingrība, izmēru stabilitāte un izturība, ir atkarīgas no laminātu sakraušanas secības. Kraušanas secība apraksta izkārtojuma orientāciju sadalījumu lamināta biezumā. Palielinoties slāņu skaitam ar izvēlētām orientācijām, ir iespējams veikt vairāk sakraušanas pasūtījumu. Piemēram, simetriskam astoņu slāņu laminātam ar četrām dažādām izkārtojuma orientācijām ir 24 dažādi sakraušanas pasūtījumi.

Šķiedru virziens

Kompozītmateriāla stiprība un stingrība ir atkarīga no slāņu orientācijas secības. Oglekļa šķiedru faktiskā izturība un stingrība svārstās no zemām līdz augstām vērtībām, piemēram, tām, ko nodrošina stikla šķiedras, līdz augstām stiprības un stingrības vērtībām, ko nodrošina titāna šķiedras. Šo vērtību diapazonu nosaka lamināta orientācija uz pielietoto slodzi. Uzlabotajos kompozītmateriālos ir nepieciešama pareiza izkārtojuma orientācijas izvēle, lai nodrošinātu efektīvu konstrukcijas dizainu. Detaļai var būt nepieciešamas 0 grādu slāņa reaktīvās aksiālās slodzes, ±45 grādu slāņa reaktīvās bīdes slodzes un 90 grādu slāņa reaktīvās sānu slodzes. Tā kā izturības konstrukcijas prasības ir atkarīgas no pieliktās slodzes virziena, slāņu orientācijai un slāņu secībai jābūt pareizai. Remonta procesā ir ļoti svarīgi nomainīt katru bojāto slāni ar tāda paša materiāla un orientācijas slāni.

Šķiedras monolītā materiālā pārvietojas vienā virzienā, ar izturību un stingrību tikai šķiedru virzienā. Prepreg (prepreg plēves) lentes ir vienvirziena izkārtojuma orientācijas piemērs.

Šķiedras divvirzienu materiālā plūst divos virzienos, parasti 90 grādu attālumā viens no otra. Vienkāršas struktūras ir divvirzienu izvietojuma virzienu piemērs. Šiem izvietojuma virzieniem ir spēks abos virzienos, taču ne vienmēr ir vienāds spēks. Kā parādīts 1. attēlā

Kvazizotropajiem izkārtojumiem ir 0 grādu, -45 grādu, 45 grādu un 90 grādu vai 0 grādu, -60 grādu un 60 grādu slāņu secības. Šāda veida slāņu orientācijas simulē izotropo materiālu īpašības, kā parādīts 2. attēlā. Daudzas aviācijas un kosmosa kompozītmateriālu struktūras ir izgatavotas no kvazizotropiem materiāliem.

1. attēls. Divvirzienu un vienvirziena bruģa materiāla īpašības

2. attēls. Simetrisks izotropu materiālu izkārtojums

Warp virziens

Velku virziens attiecas uz auduma gareniskajām šķiedrām. Pateicoties šķiedru taisnumam, deformācijas virziens ir augstas stiprības virziens. Velku deformācijas virzienu izmanto, lai aprakstītu šķiedru virzienu diagrammā, specifikāciju lapā vai ražotāja lapā. Ja uz auduma nav velku virziena, velku virziens pēc noklusējuma tiek iestatīts uz nulli, kad audums nokrīt no ruļļa. Tāpēc 90 grādi pret nulli ir auduma platums. Kā parādīts 3. attēlā

3. attēls. Twist Lock

Fiber konfigurācija

Visas produktu formas parasti sākas ar vienvirziena neapstrādātu šķiedru līniju, kas ir iepakotas nepārtrauktās šķipsnās. Atsevišķu šķiedru sauc par pavedienu. Termins "pavediens" tiek lietots arī, lai apzīmētu atsevišķu stikla šķiedru. Saliktos pavedienus var klasificēt kā vērptus pavedienus, dzijas vai šķiedru pavedienus. Stikla šķiedras pavedieni ir savīti, savukārt kevlar® pavedieni nav. Kvēldiegu saišķiem un šķiedru šķiedru pavedieniem nav nekādu savību. Lielākā daļa šķiedru ir sausas šķiedras, un pirms lietošanas tās ir jāpiesūc ar sveķiem (iepriekšpiesūcināšana) vai ar iepriekš impregnētu materiālu, ja sveķi jau ir uzklāti uz šķiedrām.

Rupjas šķiedras (dzijas saišķi)

Rovings ir pavedienu vai šķiedru galu grupa, piemēram, 20- vai 60-gala stikla šķiedru šūšana. Visi pavedieni ir orientēti vienā virzienā un nav savīti. Oglekļa šķiedras šķiedru šķiedru pavedieni parasti tiek identificēti kā 3K, 6K vai 12K šķiedrām, kur K apzīmē 1000 pavedienus. Lielākajā daļā šķiedru izstrādājumu lietojumu izmanto serdi šķiedru uztīšanai un pēc tam sveķu konservēšanai līdz galīgajai konfigurācijai.

Vienvirziena (ar)

Vienvirziena prepreg lentes ir standarts kosmosa nozarē daudzus gadus, un šķiedras parasti ir piesūcinātas ar termoreaktīviem sveķiem. Visizplatītākā sagatavošanas metode ietver kolimētu neapstrādātu (sausu) dzīslu ievilkšanu impregnēšanas mašīnā, kur karsti kausētie sveķi tiek savienoti ar dzīslām ar karstumu un spiedienu. Lentes izstrādājumam ir augsta izturība šķiedru virzienā un gandrīz nav šķiedru stiprības. Šķiedras notur sveķi. Lentes ir stiprākas nekā audumi. Kā parādīts 4. attēlā

4. attēls. Lentes un auduma izstrādājumi

Audums

Sarežģītas formas laminēšanai lielākā daļa auduma konstrukciju piedāvā lielāku elastību nekā taisnas vienvirziena lentes. Audumi piedāvā iespēju impregnēt sveķus, izmantojot šķīdumu vai karstās kausēšanas procesu. Parasti strukturāliem audumiem tiek izmantotas tāda paša svara vai ražas šķiedras vai pavedieni gan šķēru (gareniskā), gan audu (šķērsvirzienā) virzienā. Aviācijas un kosmosa konstrukcijām blīvi austi audumi bieži ir svara taupīšanas izvēle, kas samazina sveķu tukšumu izmēru un saglabā šķiedru orientāciju ražošanas laikā.

Auduma struktūra parasti sastāv no pastiprinātiem stiegrojuma saišķiem, pavedieniem vai pavedieniem, kas tiek savīti aušanas procesā. Visizplatītākie audumu stili ir vienkāršā vai satīna aušana. Vienkāršas pinuma struktūras tiek veidotas, mainot šķiedras virs un zem katras krustojošās šķipsnas (saišķis, ķekars vai dzijas). Parastajos satīna aušanas veidos, piemēram, 5- vai 8-saišķis, šķiedru pavedieni pārvietojas uz priekšu un atpakaļ velku virzienā un audu virzienā retāk.

Šie satīna audumi ir mazāk gofrēti un vieglāk deformējami nekā parastie audumi. Vienkāršā pinumā un lielākajā daļā 5 vai 8 ķekaru audumu šķēru un audu virzienā ir vienāds skaits šķiedru pavedienu. Piemēram: 3K vienkāršām pinumiem parasti ir papildu nosaukums, piemēram, 12 x 12, kas nozīmē 12 grīstes uz collu katrā virzienā. Šo skaitīšanas apzīmējumu var mainīt, lai palielinātu vai samazinātu auduma svaru vai pielāgotu dažādas šķiedras dažādos svaros. Kā parādīts 5. attēlā

5. attēls: tipisks auduma aušanas stils

Neaustie audumi (austi vai šūti)

Austi vai šūti audumi var piedāvāt daudzas vienvirziena lentes mehāniskās priekšrocības. Šķiedru novietošana var būt taisna vai vienvirziena, bez audumu pagriezieniem uz augšu un uz leju. Pēc iepriekš izvēlētas viena vai vairāku drywall slāņu orientācijas šķiedras tiek sašūtas kopā ar smalkiem pavedieniem vai pavedieniem, lai šķiedras noturētu vietā. Šāda veida audumi nodrošina plašu daudzslāņu orientāciju klāstu. Lai gan var tikt pievienots neliels svars vai dažas galīgās pastiprinošās šķiedras īpašības var tikt zaudētas, var panākt zināmu starpslāņu bīdes un izturības īpašību uzlabošanos. Dažas izplatītākās šūšanas dzijas ir poliesters, aramīds vai termoplastiska. Kā parādīts 6. attēlā

6. attēls. Neaustie materiāli (šuves)

Šķiedru veidi

Glasšķiedras

Stikla šķiedru parasti izmanto gaisa kuģu sekundārajās konstrukcijās, piemēram, apvalkos, aptecējos un spārnu galos. Stikla šķiedras tiek izmantotas arī helikopteru rotoru lāpstiņās. Aviācijas un kosmosa rūpniecībā tiek izmantoti vairāki stikla šķiedras veidi. Elektroniskā stikla šķiedra jeb E-stikls ir atzīta šādām elektroniskām lietojumprogrammām. Tam ir augsta izturība pret elektrisko strāvu. E-stikls ir izgatavots no borsilikāta stikla šķiedrām. S-stikls un S2-stikls ir strukturālas stikla šķiedras, kurām ir lielāka izturība nekā E-stiklam. S-stikla stikla šķiedras ir izgatavotas no magnija-alumīnija silikātiem. Stikla šķiedru priekšrocības ir zemākas izmaksas nekā citiem kompozītmateriāliem, ķīmiskā vai elektriskā pretestība un elektriskās īpašības (stikla šķiedras nevada elektrību). Stikla šķiedras ir baltā krāsā, un tās var izmantot kā sausu šķiedru audumus vai prepregus.

Aramīda šķiedra

Kevlar ir DuPont aramīda šķiedras nosaukums. Aramīda šķiedras ir vieglas, izturīgas un izturīgas. Aviācijas un kosmosa rūpniecībā tiek izmantotas divu veidu aramīda šķiedras; Kevlar® 49 ir ​​augsta stingrība, un Kevlar® 29 ir zema stingrība. Aramīda šķiedru priekšrocība ir tā, ka tās ir ļoti izturīgas pret trieciena bojājumiem, tāpēc tās parasti izmanto vietās, kas ir pakļautas trieciena bojājumiem. Galvenais aramīda šķiedru trūkums ir to vispārējie saspiežamības un mitruma absorbcijas trūkumi. Servisa ziņojumos norādīts, ka dažas no kevlar® izgatavotās detaļas absorbē ūdeni līdz 8% no to svara. Tāpēc detaļas, kas izgatavotas no aramīda šķiedrām, ir jāaizsargā no apkārtējās vides ietekmes. Vēl viens trūkums ir tas, ka kevlāra šķiedras ir grūti urbt un griezt. Šķiedras viegli sapūkst, un to griešanai ir nepieciešamas īpašas šķēres.

Kevlaru parasti izmanto militārās ballistikas un bruņuvestu lietojumos. Tam ir dabiska dzeltena krāsa, un tas ir pieejams kā sauss audums un prepreg. Aramīda šķiedru saišķa izmērs nav atkarīgs no šķiedru, piemēram, oglekļa vai stikla šķiedras, skaita, bet gan no svara.

Oglekļa/grafīta šķiedra

Pirmā atšķirība starp šo šķiedru ir starp oglekļa un grafīta šķiedrām, lai gan termini bieži tiek lietoti kā sinonīmi. Oglekļa un grafīta šķiedras ir balstītas uz atsevišķu grafīta (sešstūra) slāņu tīklu ogleklī. Materiāls tiek definēts kā grafīts, ja atsevišķi grafīta slāņi vai plaknes ir sakrautas trīsdimensiju secībā. Lai izveidotu šo pasūtījumu, parasti ir nepieciešama pagarināta laika un temperatūras apstrāde, padarot grafīta šķiedras dārgākas. Saikne starp plaknēm ir vāja. Traucējumi bieži rodas tā, ka slāņos pastāv tikai divdimensiju kārtība. Šis materiāls ir definēts kā oglekļa šķiedra.

Oglekļa šķiedra ir ļoti izturīga un 3 līdz 10 reizes stingrāka nekā stikla šķiedra. Oglekļa šķiedru izmanto gaisa kuģu konstrukcijās, piemēram, apakšējās sijās, stabilizatoros, lidojuma vadīklās un galvenajās fizelāžas un spārnu konstrukcijās. Priekšrocības ietver augstu izturību un izturību pret koroziju. Trūkumi ietver zemāku elektrovadītspēju nekā alumīnijam; tādēļ gaisa kuģa sastāvdaļām, kas ir jutīgas pret zibens spērieniem, ir jāuzstāda zibens režģis vai zibensizturīgs pārklājums. Vēl viens oglekļa šķiedras trūkums ir tā augstās izmaksas. Oglekļa šķiedra ir pelēkā vai melnā krāsā, un tā ir pieejama kā sausa auduma un prepreg. Lietojot kopā ar metāla stiprinājumiem un konstrukcijām, oglekļa šķiedrai ir liels potenciāls izraisīt galvaniskās sakabes koroziju.

7. attēls: stikla šķiedras (pa kreisi), aramīda šķiedras (vidū), oglekļa šķiedras materiāls (pa labi)

Borona šķiedra

Bora šķiedras ir ļoti cietas, un tām ir augsta stiepes un spiedes izturība. Šķiedras ir salīdzinoši liela diametrā un slikti liecas; tādēļ tos var izmantot tikai kā prepreg lentes izstrādājumus. Epoksīda sveķu matricas bieži izmanto ar bora šķiedrām. Bora šķiedras izmanto saplaisājušu alumīnija lidmašīnu korpusu remontam, jo ​​bora termiskā izplešanās ir tuva alumīnija siltuma izplešanās spējai un tai nav galvaniskās sakabes korozijas potenciāla. Bora šķiedras ir grūti izmantot, ja substrāta virsmai ir konturēta forma. Bora šķiedras ir ļoti dārgas un var būt bīstamas personālam. Bora šķiedras galvenokārt izmanto militārajā aviācijā.

Ceramiskā šķiedra

Keramikas šķiedras izmanto augstas temperatūras lietojumos, piemēram, gāzturbīnu dzinēju turbīnu lāpstiņās. Keramikas šķiedras var izmantot temperatūrā līdz 2200 grādiem F.

Lzibens aizsardzības šķiedra

Alumīnija plaknes ir ļoti vadošas un var izkliedēt lielas strāvas no zibens spērieniem. Oglekļa šķiedra ir 1,000 reizes izturīgāka pret strāvu nekā alumīnijs, un epoksīdsveķi ir 1,000,000 reizes izturīgāki (ti, perpendikulāri ādai). Ārējo kompozītkomponentu virsma parasti sastāv no vadoša materiāla slāņa vai slāņiem zibensaizsardzībai, jo kompozītmateriāli ir mazāk vadoši nekā alumīnijs. Tiek izmantoti dažādi vadošu materiālu veidi, sākot no niķelēta grafīta auduma līdz metāla sietam un beidzot ar aluminizētām stikla šķiedrām līdz vadošiem pārklājumiem. Materiālu var izmantot kā slapjo uzklāšanas slāni vai prepreg.

Papildus parastajiem konstrukcijas remontiem tehniķiem ir jāpārveido dizains atbilstoši komponenta vadītspējai. Šāda veida remontdarbiem bieži ir nepieciešama vadītspējas pārbaude ar pretestības mērītāju, lai pārbaudītu visas konstrukcijas minimālo pretestību. Remontējot šāda veida konstrukcijas, ir ļoti svarīgi izmantot tikai apstiprinātus materiālus no pilnvarotiem piegādātājiem, tostarp tādas lietas kā trauki, hermētiķi un līmvielas. Kā parādīts 8. un 9. attēlā

8. attēls. Vara sieta zibensaizsardzības materiāls

9. attēls. Alumīnija sieta zibensaizsardzības materiāls