Раздаточный материал по продвинутым композитам (I): ламинаты, типы волокон и области применения

Lаминированная структура

Композиты состоят из комбинации материалов, которые смешиваются вместе для достижения определенных структурных свойств. Отдельные материалы не растворяются полностью или не сплавляются в композит, но они будут действовать вместе как единое целое. Часто интерфейсы между компонентами можно физически распознать. Свойства композитного материала превосходят свойства отдельных материалов, из которых он состоит.

Современный композитный материал изготавливается из волокнистого материала, растворенного в смоляной матрице, обычно ламинированного попеременно ориентированными волокнами для придания прочности и жесткости материалу. Волокнистые материалы не распространены; дерево является наиболее распространенным волокнистым конструкционным материалом, известным человеку.

Применение композитов в самолетостроении включает:

-Дефлектор

-Поверхности управления полетом

-Дверцы шасси

-Панели передней и задней кромки крыла и стабилизатора

-Внутренние компоненты

- Балки перекрытия и панели перекрытия

-Основные конструкции вертикального и горизонтального стабилизатора для больших самолетов

-Основные конструкции крыла и фюзеляжа нового поколения больших самолетов

-Лопатки вентилятора турбинного двигателя

-Пропеллер

Основные компоненты ламинатов

Изотропный материал имеет однородные свойства во всех направлениях (то есть изотропные свойства одного и того же материала). Измеренные свойства изотропных материалов не зависят от оси испытания. Алюминий и титан, которые являются металлическими материалами, используются в качестве примеров для иллюстрации иллюстрации изотропных материалов.

Волокна являются основными несущими элементами композитов. Композиты обладают прочностью и жесткостью только в направлении волокон. Однонаправленные композиты имеют преимущественно механические свойства в одном направлении, известном как анизотропия, где механические или физические свойства отличаются от направления естественной опорной оси, присущей материалу. Компоненты, изготовленные из армированных волокнами композитов, могут быть спроектированы таким образом, чтобы ориентация волокон обеспечивала наилучшие механические свойства, но они могут приближаться только к действительно изотропным свойствам металлов, таких как алюминий и титан.

Композитная матрица поддерживает волокна и связывает их в композите. Матрица передает любые приложенные нагрузки на волокна, удерживает волокна в их положении и выбранной ориентации, придает композиту устойчивость к воздействию окружающей среды и определяет максимальную рабочую температуру композита.

Характеристики

Структурные свойства композитных ламинатов, такие как жесткость, размерная стабильность и прочность, зависят от порядка укладки ламинатов. Порядок укладки описывает распределение ориентаций укладки в толщине ламината. По мере увеличения количества слоев с выбранными ориентациями возможны и другие порядки укладки. Например, симметричный восьмислойный ламинат с четырьмя различными ориентациями укладки имеет 24 различных порядка укладки.

Направление волокон

Прочность и жесткость композита зависят от порядка, в котором ориентированы слои. Фактическая прочность и жесткость углеродных волокон варьируются от низких до высоких значений, таких как обеспечиваемые стеклянными волокнами, до высоких значений прочности и жесткости, обеспечиваемых титановыми волокнами. Этот диапазон значений определяется ориентацией ламината относительно приложенной нагрузки. В современных композитах правильный выбор ориентации укладки необходим для обеспечения эффективной конструкции конструкции. Деталь может потребовать 0 градусов слоев реактивных осевых нагрузок, ±45 градусов слоев реактивных сдвиговых нагрузок и 90 градусов слоев реактивных боковых нагрузок. Поскольку требования к расчету прочности являются функцией направления приложенных нагрузок, ориентация слоев и последовательность слоев должны быть правильными. В процессе ремонта критически важно заменить каждый поврежденный слой слоем из того же материала и ориентации.

Волокна в монолитном материале движутся в одном направлении, при этом прочность и жесткость проявляются только в направлении волокон. Ленты препрега (пленка препрега) являются примером однонаправленной ориентации укладки.

Волокна в двунаправленном материале текут в двух направлениях, обычно под углом 90 градусов друг к другу. Простые структуры являются примером двунаправленных направлений укладки. Эти направления укладки имеют прочность в обоих направлениях, но не обязательно одинаковую прочность. Как показано на рисунке 1

Квазиизотропные слои имеют последовательности слоев 0 степени, -45 степени, 45 степени и 90 степени или 0 степени, -60 степени и 60 степени. Эти типы ориентации слоев имитируют свойства изотропных материалов, как показано на рисунке 2. Многие аэрокосмические композитные конструкции изготовлены из квазиизотропных материалов.

Рисунок 1: Двунаправленные и однонаправленные свойства дорожного покрытия

Рисунок 2: Симметричные изотропные слои материала

Wнаправление арпа

Направление основы относится к продольным волокнам ткани. Из-за прямолинейности волокон направление основы является направлением высокой прочности. Направление основы основы используется для описания направления волокон на диаграмме, листе спецификаций или листе производителя. Если на ткани нет направления основы, направление основы по умолчанию равно нулю, когда ткань сходит с рулона. Таким образом, 90 градусов к нулю — это ширина ткани. Как показано на рисунке 3

Рисунок 3: Поворотный замок

Fконфигурация iber

Все формы продукта обычно начинаются с однонаправленной линии сырых волокон, которые упакованы в непрерывные пряди. Отдельное волокно называется филаментом. Термин «нить» также используется для обозначения отдельного стекловолокна. Связанные нити можно разделить на пряденые нити, пряжи или ровинги. Стекловолоконные нити скручены, тогда как нити из кевлара® — нет. Пучки нитей и ровинги не имеют никакой скрутки. Большинство волокон являются сухими волокнами и должны быть пропитаны смолой перед использованием (предварительная пропитка) или предварительно пропитанным материалом, когда смола уже нанесена на волокна.

Грубые волокна (пучки пряжи)

Ровинг — это группа нитей или концов волокон, например, 20- или 60-концевой стеклянный ровинг. Все нити ориентированы в одном направлении и не скручены. Ровинги из углеродного волокна обычно обозначаются как ровинги 3K, 6K или 12K, где K обозначает 1000 нитей. В большинстве случаев применения ровинга используется оправка для намотки волокон, а затем отверждение смолы до конечной конфигурации.

Однонаправленный (с)

Однонаправленные препреговые ленты были стандартом в аэрокосмической промышленности в течение многих лет, а волокна обычно пропитываются термореактивной смолой. Наиболее распространенный метод подготовки включает в себя протягивание коллимированных сырых (сухих) прядей в пропиточную машину, где термоплавкая смола связывается с прядями посредством тепла и давления. Ленточный продукт имеет высокую прочность в направлении волокон и почти не имеет прочности в волокнах. Волокна удерживаются на месте смолой. Ленты прочнее тканых материалов. Как показано на рисунке 4

Рисунок 4: Ленты и тканевые изделия

Ткань

Для сложных ламинатов большинство конструкций тканей обеспечивают большую гибкость, чем прямые однонаправленные ленты. Ткани предлагают возможность пропитки смолой через раствор или процесс горячего расплава. Обычно ткани для структурных применений используют волокна или пряди одинакового веса или выхода как в направлении основы (продольном), так и в направлении утка (поперечном). Для аэрокосмических конструкций плотно сотканные ткани часто являются выбором, позволяющим экономить вес, уменьшая размер смоляных пустот и сохраняя ориентацию волокон во время производства.

Структура ткани обычно состоит из армированных армирующих пучков, прядей или пряж, которые переплетаются в процессе ткачества. Более распространенными стилями ткани являются полотняное переплетение или атласное переплетение. Структуры полотняного переплетения образуются путем чередования волокон выше и ниже каждой пересекающейся нити (пучок, связка или пряжа). В обычных стилях атласного переплетения, таких как 5- или 8-пучок, нити волокон движутся вперед и назад в направлении основы и реже в направлении утка.

Эти атласные ткани менее извитые и более легко деформируются, чем простые ткани. В простых переплетениях и большинстве тканей с 5 или 8 пучками в направлениях основы и утка имеется одинаковое количество волокон. Например: простые переплетения 3K обычно имеют дополнительное название, например 12 x 12, что означает 12 прядей на дюйм в каждом направлении. Это обозначение количества можно изменить, чтобы увеличить или уменьшить вес ткани или разместить различные волокна в разных весах. Как показано на рисунке 5

Рисунок 5: Типичный стиль плетения ткани

Нетканые материалы (тканые или сшитые)

Тканые или сшитые ткани могут предложить многие механические преимущества однонаправленной ленты. Размещение волокон может быть прямым или однонаправленным, без поворотов вверх-вниз, как у тканых тканей. После предварительно выбранной ориентации одного или нескольких слоев гипсокартона волокна сшиваются вместе тонкими нитями или пряжей, чтобы удерживать волокна на месте. Эти типы тканей обеспечивают широкий диапазон многослойных ориентаций. Хотя может быть добавлен некоторый вес или некоторые из конечных армирующих свойств волокон могут быть потеряны, может быть достигнуто некоторое улучшение свойств межслойного сдвига и прочности. Некоторые распространенные швейные нити - это полиэстер, арамид или термопластик. Как показано на рисунке 6

Рисунок 6: Нетканые материалы (сшивание)

Типы волокон

Gволокно lass

Стекловолокно обычно используется во вторичных конструкциях самолетов, таких как обтекатели, обтекатели и законцовки крыльев. Стекловолокно также используется в лопастях вертолетных винтов. Существует несколько типов стекловолокна, используемых в аэрокосмической промышленности. Электронное стекловолокно, или E-стекло, признано для таких электронных применений. Оно имеет высокое сопротивление электрическим токам. E-стекло изготавливается из боросиликатных стеклянных волокон. S-стекло и S2-стекло являются структурными стеклянными волокнами, которые имеют более высокую прочность, чем E-стекло. Стекловолокна S-стекла изготавливаются из магниево-алюминиевых силикатов. Преимуществами стекловолокна являются более низкая стоимость по сравнению с другими композитами, химическая или электрическая стойкость и электрические свойства (стекловолокно не проводит электричество). Стекловолокно имеет белый цвет и может использоваться в качестве сухих волокнистых тканей или препрегов.

Aволокно рамида

Кевлар — название арамидного волокна компании DuPont. Арамидные волокна легкие, прочные и жесткие. В аэрокосмической промышленности используются два типа арамидных волокон: Kevlar® 49 имеет высокую жесткость, а Kevlar® 29 — низкую жесткость. Преимущество арамидных волокон заключается в том, что они очень устойчивы к ударным повреждениям, поэтому их обычно используют в областях, подверженных ударным повреждениям. Основным недостатком арамидных волокон является их общая недостаточная сжимаемость и влагопоглощение. Отчеты об обслуживании показывают, что некоторые детали из kevlar® поглощают до 8% воды от своего веса. Поэтому детали из арамидных волокон необходимо защищать от воздействия окружающей среды. Другим недостатком является то, что кевларовые волокна трудно сверлить и резать. Волокна легко распушаются, и для их резки требуются специальные ножницы.

Кевлар обычно используется в военных баллистических и бронежилетных приложениях. Он имеет естественный желтый цвет и доступен в виде сухой ткани и препрега. Размер пучка арамидных волокон зависит не от количества волокон, как углеродных или стеклянных волокон, а от веса.

Углеродное/графитовое волокно

Первое различие между этим волокном заключается в углеродном и графитовом волокне, хотя эти термины часто используются как взаимозаменяемые. Углеродные и графитовые волокна основаны на сети отдельных графитовых (гексагональных) слоев в углероде. Материал определяется как графит, если отдельные графитовые слои или плоскости уложены в трехмерной последовательности. Для формирования этого порядка обычно требуется длительная обработка по времени и температуре, что делает графитовые волокна более дорогими. Связь между плоскостями слабая. Беспорядок часто возникает таким образом, что в слоях существует только двумерный порядок. Этот материал определяется как углеродное волокно.

Углеродное волокно очень прочное и в 3–10 раз жестче стекловолокна. Углеродное волокно используется в конструкциях самолетов, таких как нижние балки, стабилизаторы, органы управления полетом, а также основные конструкции фюзеляжа и крыла. Преимущества включают высокую прочность и коррозионную стойкость. Недостатки включают более низкую электропроводность, чем у алюминия; поэтому для компонентов самолета, которые подвержены ударам молнии, необходимо устанавливать молниезащитную сетку или молниезащитное покрытие. Еще одним недостатком углеродного волокна является его высокая стоимость. Углеродное волокно имеет серый или черный цвет и доступно в виде сухой ткани и препрега. При использовании с металлическими крепежами и конструкциями углеродное волокно имеет высокий потенциал вызывать коррозию гальванических соединений.

Рисунок 7: Стекловолокно (слева), арамидные волокна (посередине), углеродный волокнистый материал (справа)

Bволокно орон

Борные волокна очень твердые и обладают высокой прочностью на растяжение и сжатие. Волокна имеют относительно большой диаметр и плохо гнутся, поэтому их можно использовать только в качестве препреговых ленточных изделий. Матрицы из эпоксидной смолы часто используются с борными волокнами. Борные волокна используются для ремонта треснувших алюминиевых корпусов самолетов, поскольку тепловое расширение бора близко к тепловому расширению алюминия и не имеет потенциала гальванической связи с коррозией. Борные волокна трудно использовать, если поверхность подложки имеет контурную форму. Борные волокна очень дороги и могут быть опасны для персонала. Борные волокна в основном используются в военной авиации.

Cкерамическое волокно

Керамические волокна используются в высокотемпературных приложениях, таких как лопатки турбин для газотурбинных двигателей. Керамические волокна могут использоваться при температурах до 2200 градусов по Фаренгейту.

Lмолниезащитное волокно

Алюминиевые плоскости очень проводящие и могут рассеивать высокие токи от ударов молнии. Углеродное волокно в 1,000 раз более устойчиво к току, чем алюминий, а эпоксидная смола в 1,000,000 раз более устойчива (т. е. перпендикулярно коже). Поверхность внешних композитных компонентов обычно состоит из слоя или слоев проводящего материала для защиты от молнии, поскольку композиты менее проводящие, чем алюминий. Используется множество различных типов проводящих материалов, от никелированной графитовой ткани до металлической сетки, алюминизированных стекловолокон и проводящих покрытий. Материал может использоваться в качестве слоя мокрой укладки или препрега.

В дополнение к обычному структурному ремонту, техники должны воссоздать конструкцию с учетом проводимости компонента. Эти типы ремонта часто требуют проверки проводимости с помощью измерителя сопротивления для проверки минимального сопротивления всей конструкции. При ремонте таких конструкций очень важно использовать только одобренные материалы от авторизованных поставщиков, включая такие вещи, как заливочные компаунды, герметики и клеи. Как показано на рисунках 8 и 9

Рисунок 8: Медная сетка для защиты от молнии

Рисунок 9: Алюминиевая сетка для защиты от молнии