I. Pamatnes materiāli
1.1 Sveķi
1.1.1. Termoreaktīvie sveķi
Sveķi ir vispārīgs termins polimēriem. Sveķi un to ķīmiskais sastāvs un fizikālās īpašības būtiski ietekmē kompozītmateriāla apstrādi, ražošanu un galīgās īpašības. Termoreaktīvie sveķi ir visdažādākie un visplašāk izmantotie no visiem mākslīgajiem materiāliem. To ir viegli izliet vai veidot jebkurā formā, tas ir saderīgs ar lielāko daļu citu materiālu un viegli sacietē (ar karstumu vai katalizatoriem) līdz nešķīstošai cietai vielai. Termoreaktīvie sveķi ir arī lielisks adhezīvs un saistviela.
1.1.2. Poliestera sveķi
Poliestera sveķi ir salīdzinoši lēti un viegli apstrādājami sveķi, ko bieži izmanto zemu izmaksu lietojumos. Zemu dūmu poliestera sveķi tiek izmantoti gaisa kuģu iekšējām daļām. Ar šķiedru-pastiprinātu poliesteru var apstrādāt dažādos veidos. Izplatītas apstrādes metodes ietver saskaņotu metāla veidņu formēšanu, slapjo klājumu laminēšanu (vakuuma maisos), iesmidzināšanu, šķiedru uztīšanu, pultrūziju un augstspiediena tvaiku.
1.1.3. Vinila esteru sveķi
Vinilestera sveķiem ir tāds pats izskats, apstrādes īpašības un sacietēšanas īpašības kā parastajiem sveķiem kā poliestera sveķiem. Tomēr vinilestera kompozītmateriālu izturība pret koroziju un mehāniskās īpašības ir daudz labākas nekā standarta poliestera sveķu kompozītmateriāli.
1.1.4. Fenola sveķi
Fenola sveķus pirmo reizi komerciāli izmantoja tirgū 20. gadsimta sākumā. Karbamīda formaldehīds un melamīna formaldehīds parādījās 1920. un 1930. gados kā lētākas alternatīvas lietošanai zemā temperatūrā. Fenola sveķi tiek izmantoti iekštelpu komponentiem, jo tiem ir maz dūmu un zemas uzliesmojamības īpašības.
1.1.5. Epoksīda sveķi
Epoksīda sveķi ir polimerizējami termoreaktīvi sveķi, kuriem ir plašs viskozitātes diapazons no šķidriem līdz cietiem. Izmantojot dažādus epoksīda sveķu veidus, tehniķim ir jāizmanto apkopes rokasgrāmata, lai izvēlētos pareizo veidu konkrētam remontam. Epoksīda sveķus plaši izmanto prepregs un strukturālās līmēs. Epoksīdu priekšrocības ir augsta izturība un modulis, zems gaistošo vielu saturs, laba saķere, zema saraušanās, laba ķīmiskā izturība un viegla apstrāde. Tās galvenie trūkumi ir trauslums un īpašību pasliktināšanās mitruma klātbūtnē. Epoksīda sveķi tiek apstrādāti vai sacietēt lēnāk nekā poliestera sveķi. Apstrādes metodes ietver autoklāvu formēšanu, šķiedru uztīšanu, formēšanu, iepakošanu vakuumā, sveķu pārneses formēšanu un pultrūzijas formēšanu. Sacietēšanas temperatūra svārstās no istabas temperatūras līdz aptuveni 350 grādiem F (180 grādiem). Visizplatītākais sacietēšanas temperatūras diapazons ir no 250 grādiem līdz 350 grādiem F (120–180 grādi). Kā parādīts 10. attēlā.
10. attēls. Abas mitrās epoksīda dozatoru izvietojuma sistēmas ar sūkņiem
1.1.6. Poliimīda sveķi
Poliimīda sveķi ir izcili{0}}augstas temperatūras vidē, kur to karstumizturība, oksidatīvā stabilitāte, zemais termiskās izplešanās koeficients un šķīdinātāja izturība atvieglo projektēšanu. Tās galvenie lietojumi ir shēmas plates, siltumdzinēji un lidmašīnu korpusu konstrukcijas. Poliimīda sveķi var būt termoreaktīvi vai termoplastiski. Poliimīda sveķiem ir nepieciešama augsta cietēšanas temperatūra, parasti virs 550 grādiem F (290 grādiem). Rezultātā parastie epoksīda kompozītmateriālu iepakošanas materiāli nav pieejami, un tērauda instrumenti kļūst par nepieciešamību. Ir ļoti svarīgi izmantot poliimīda iepakošanas un atbrīvošanas plēves, piemēram, Kapton®. Upilex®, nevis lētākas neilona uzmavas un politetrafluoretilēna (PTFE) plēves, ir izplatīta procedūra epoksīda kompozītmateriālu apstrādei.
Stikla šķiedras virskārta poliestera šķiedru zemās kušanas temperatūras dēļ ir jāaizstāj ar izvadošu elpojošu materiālu kā gultas materiālu.
1.1.7. Polibenzimidazola sveķi (PBI)
PBI tiek izmantots augstas temperatūras izturīgos materiālos, jo tas ir ļoti izturīgs pret augstu temperatūru. Sveķus izmanto kā līmvielas un šķiedras.
1.1.8. Bismaleimīda sveķi (ĶMI)
ĶMI ir augstāka temperatūras izturība un augstāka stingrība nekā epoksīdsveķiem, un tas nodrošina izcilu veiktspēju gan apkārtējā, gan paaugstinātā temperatūrā. ĶMI tiek apstrādāts līdzīgi kā epoksīdsveķi. ĶMI tiek izmantots aviācijas-dzinējos un augstas temperatūras{3}}komponentos. BMI ir piemērotas standarta karstās -preses kārbu apstrādei, iesmidzināšanai, sveķu liešanai un formētai kompozītmateriālai formēšanai (SMC).
1.1.9. Termoplastiskie sveķi
Termoplastiskus materiālus var atkārtoti mīkstināt, paaugstinot temperatūru, un atkārtoti sacietēt, pazeminot temperatūru. Apstrādes ātrums ir galvenā termoplastisko materiālu priekšrocība. Apstrādes laikā nenotiek ķīmiska sacietēšana, un materiālus var veidot vai izspiest, kad tie ir mīksti.
1.1.10. Daļēji-kristāliska termoplastika
Pus{0}}kristāliskajai termoplastai ir fiksētas liesmas slāpēšanas īpašības, izcila stingrība, labas augstas temperatūras un pēc-trieciena mehāniskās īpašības un zema mitruma absorbcija. Tos izmanto sekundārajās un primārajās gaisa kuģu konstrukcijās. Kombinācijā ar stiegrojošām šķiedrām tās var izmantot iesmidzināšanas lējuma maisījumiem, presformētām nejauši veidotām loksnēm, vienvirziena veidnēm, iepriekš sagatavotiem audumiem, kas izgatavoti no iepriekš sagatavotām grīstām (prepreg), un audumu prepregiem. Šķiedras, kas piesūcinātas ar puskristāliskiem termoplastiem, ietver oglekļa šķiedras, niķelētu{5} oglekli, aramīdu, stikla šķiedras, kvarcu un citas.
1.1.11. Amorfā termoplastika
Amorfās termoplastikas ir pieejamas dažādās fizikālās formās, tostarp plēvēs, pavedienos un pulveros. Kombinācijā ar stiegrojošām šķiedrām tās izmanto arī iesmidzināmajos kompozītmateriālos, presējamās nejaušās loksnēs, vienvirziena gumijas veidnēs, austos prepregos un citos. Izmantotās šķiedras galvenokārt ir oglekļa, aramīda un stikla šķiedras. Amorfo termoplastu īpašās priekšrocības ir atkarīgas no polimēra. Parasti sveķi ir pazīstami ar vieglu apstrādi, ātrumu, spēju augstā temperatūrā, labām mehāniskajām īpašībām, izcilu stingrību un triecienizturību, kā arī ķīmisko stabilitāti. Stabilitāte nodrošina neierobežotu glabāšanas laiku, novēršot nepieciešamību termoreaktīvo prepregu uzglabāt aukstumā.
1.1.12. Poliētera ēterketons (PEEK)
PEEK ir augstas temperatūras{0}}termoplasts. Šim aromātiskajam ketona materiālam ir izcilas augstas siltuma un degšanas īpašības, un tas ir izturīgs pret plašu šķīdinātāju un patentētu šķīstošo šķidrumu klāstu. PEEK var arī pastiprināt ar stikla un oglekļa šķiedrām.
1.2. Sveķu sacietēšanas stadijas
Termoreaktīvos sveķus sacietē, izmantojot ķīmisku reakciju. Ir trīs konservēšanas posmi, ko sauc par A, B un C.
-A posms: sveķu komponenti (substrāts un cietinātājs) ir sajaukti, bet ķīmiskā reakcija vēl nav sākusies. Slapjā ieklāšanas laikā-sveķi ir A stadijā.
-B posms: sveķu komponenti ir sajaukti, un ir sākusies ķīmiskā reakcija. Materiāls kļūst biezs un lipīgs. Prepreg sveķi atrodas B stadijā. Lai novērstu turpmāku sacietēšanu, sveķus ievieto saldētavā 0 ° F temperatūrā. Sasaldētā stāvoklī prepreg sveķi paliek B stadijā. Sacietēšana sākas, kad materiāls tiek izņemts no ledusskapja un atkal uzkarsēts.
-C posms: sveķi ir pilnībā sacietējuši. Daži sveķi sacietē istabas temperatūrā, bet citiem ir nepieciešami augstas temperatūras sacietēšanas cikli, lai pilnībā un adekvāti sacietētu.
1.3. Sagatavošana
Prepreg sastāv no matricas un stiegrojošo šķiedru kombinācijas. Tas ir pieejams vienvirziena formā (viens stiegrojuma virziens) un auduma laminētā veidā (vairāki stiegrojuma virzieni). Visas piecas galvenās matricas sveķu saimes var izmantot dažādu šķiedru formu impregnēšanai. Pēc tam sveķi vairs nav zemas viskozitātes stadijā, bet ir paaugstināti līdz B klases sacietēšanas līmenim, lai nodrošinātu labākas apstrādes īpašības. Sagatavotā veidā ir pieejami šādi produkti: vienvirziena gumijas veidnes, austi šķiedru izstrādājumi, vienlaidus grīstes un griezti paklājiņi. Prepregi jāuzglabā ledusskapī temperatūrā, kas zemāka par 0 ° F, lai palēninātu sacietēšanas procesu. Prepregus sacietē paaugstinātā temperatūrā. Daudzi kosmiskajā aviācijā izmantotie prepregi ir piesūcināti ar epoksīda sveķiem, kas sacietē 250 °F vai 350 °F temperatūrā. Prepregi konservē autoklāvos, krāsnīs vai karstās segās. Parasti tos iegādājas un uzglabā noslēgtā plastmasas maisiņa rullī, lai izvairītos no mitruma piesārņojuma. Kā parādīts 11. attēlā.
11. attēls. Līmplēve un iepriekš sagatavotais audums
1.4. Sausie šķiedru materiāli
Sausās šķiedras materiāli, piemēram, oglekļa šķiedra, stikla šķiedra un kevlar®, tiek izmantoti daudzās gaisa kuģu remonta procedūrās. Pirms remontdarbu sākšanas sausais audums tiek piesūcināts ar sveķiem. Šo procesu bieži sauc par mitro laminēšanu. Galvenā priekšrocība, izmantojot slapjo-uzklāšanas procesu, ir tāda, ka šķiedras un sveķus var uzglabāt istabas temperatūrā ilgu laiku. Kompozītu var sacietēt istabas temperatūrā vai sacietēt augstā temperatūrā, lai paātrinātu cietēšanas procesu un palielinātu izturību. Trūkumi ir tādi, ka process ir netīrs un armētā materiāla īpašības ir zemākas nekā prepreg. Kā parādīts 12. attēlā.
12. attēls. Sausi auduma materiāli (no augšas uz leju: alumīnija zibensaizsardzības materiāls, kevlar®, stikla šķiedra un oglekļa šķiedra)
1.5. Palīgvielas (tiksotropās vielas)
Palīgvielas (tiksotropās vielas) miera stāvoklī ir želejas formā un maisot kļūst šķidras. Šiem materiāliem ir augsta statiskā bīdes izturība un zema dinamiskā bīdes izturība, vienlaikus zaudējot viskozitāti sprieguma apstākļos.
II. Līmes
2.1 Plēves līmes
Strukturālās līmes, kas paredzētas kosmosa vajadzībām, parasti tiek piegādātas plēves veidā, balstītas uz atbrīvošanas papīra un uzglabātas ledusskapī (-18 grādi vai 0 °F). Plēvju līmēs var izmantot augstas temperatūras aromātiskos amīnus vai katalizētus cietinātājus ar plašu elastīgo un cietinātāju klāstu. Ar gumiju rūdītas epoksīda plēves līmvielas plaši izmanto kosmosa rūpniecībā. Augšējā temperatūras robeža 121-177 grādi (250-350 grādi F) parasti ir atkarīga no nepieciešamās rūdīšanas pakāpes un kopējās sveķu un cietinātāja izvēles. Parasti rūdīti sveķi rada zemāku ekspluatācijas temperatūru. Plēves materiāls parasti tiek atbalstīts ar šķiedrām, lai uzlabotu plēves apstrādi pirms sacietēšanas, lai kontrolētu līmes plūsmu līmēšanas procesā un palīdzētu kontrolēt savienojuma līnijas biezumu. Šķiedras var izgatavot nejauši orientētos štāpeļšķiedru paklājos vai austos audumos. Parastās šķiedras ir poliesters, poliamīds (neilons) un stikla šķiedras. Līmes, kas satur audumus, var nedaudz pasliktināt vidi, jo šķiedras absorbē ūdeni. Nejaušs matējums nav tik efektīvs kā audumi, lai kontrolētu plēves biezumu, jo neierobežotās šķiedras savienošanas procesā pārvietojas. Spunlace neaustie audumi nepārvietojas un tāpēc tiek plaši izmantoti. Kā parādīts 13. un 14. attēlā.
13. attēls: plēvju līmju, Kevlar®, stikla šķiedras un oglekļa šķiedras izmantošana
14. attēls. Līmplēve
2.2 Līmes
Līmes tiek izmantotas kā plēvju līmju aizstājējs. Tos bieži izmanto sekundārajai līmēšanai, lai labotu bojātās ielāpu daļas, un vietās, kur ir grūti uzklāt plēves līmes. Epoksīda sveķu gadījumā galvenokārt izmanto pastu, lai pielīmētu strukturālo saistvielu. Ir pieejamas vienas-daļas un divu-daļiņu sistēmas. Pasta līmju priekšrocība ir tā, ka tās var uzglabāt istabas temperatūrā un tām ir ilgs glabāšanas laiks. Trūkums ir tāds, ka savienojuma līnijas biezumu ir grūti kontrolēt, kas ietekmē saites stiprību.
Uzklājot līmi, audumu var noturēt pielīmētu līmēšanas procesā. Kā parādīts 15. attēlā.
15. attēls. Līmvielas
2.3. Putu līmes
Lielākā daļa putu līmju ir B klases epoksīdsveķi, kuru biezums ir no 0,025-collu līdz 0,10 collu. Putu līmes sacietē 250 ° F (121 grādi) vai 350 ° F (176 grādi). Sacietēšanas cikla laikā putu līme izvēršas. Putu līmes ir jāuzglabā ledusskapī, un tām, tāpat kā prepregiem, ir ierobežots glabāšanas laiks. Pirmsremontā putu līmi izmanto, lai uzlīmētu uz šūnveida sviestmaizes konstrukcijā un salabotu esošajā serdē. Kā parādīts 16. attēlā.
16. attēls. Putu līmes izmantošana
III. Sviestmaižu struktūras apraksts (sviestmaižu struktūras apraksts)
Teorētiski sendviča konstrukcija ir strukturāla paneļa koncepcija, kas sastāv no divām relatīvi plānām, paralēlām apšuvumiem, kas atdalītas ar salīdzinoši biezu vai vieglu serdi. Kodols atbalsta virsmu pret lieci un pret paš-plaknām bīdes slodzēm. Kodolam jābūt ar augstu bīdes izturību un spiedes stingrību. Kompozītu sviestmaižu konstrukcijas parasti ražo, konservējot autoklāvā, presē vai vakuuma maisā. Ādas laminēšanu var iepriekš-sacietēt un pēc tam apvienot kop-cietēšanas operācijā vai abu metožu kombinācijā. Šūnveida konstrukciju piemēri: spārnu spoileri, talks, eleroni, atloki, naceles, grīdas un stūres. Kā parādīts 17. attēlā.
17. attēls. Šūnveida sviestmaizes struktūra
IV. Performance
Salīdzinot alumīnija un kompozītmateriālu lamināta konstrukcijas, sendviča konstrukciju lieces stīvums ir ļoti augsts. Lielākā daļa šūnveida ir anizotropas, ti, īpašības ir orientētas. Šūnveida konstrukciju izmantošanas priekšrocības ir ilustrētas 18. attēlā. Serdes biezuma palielināšana ievērojami palielina šūnveida struktūras stingrību ar minimālu svara pieaugumu. Pateicoties šūnveida struktūras augstajai stingrībai, nav nepieciešams izmantot ārējās kokšķiedras plātnes, kā tas ir sijas rāmja gadījumā.
18. attēls. Šūnveida sendvičmateriālu izturība un stingrība salīdzinājumā ar cietās laminēšanas vērtībām