I. Поверхностные материалы
Большинство сотовых структур, используемых в самолетостроении, имеют поверхностные материалы из алюминия, стекловолокна, кевлара® или углеродного волокна. Панели из углеродного волокна нельзя использовать с алюминиевыми сотовыми материалами сердцевины, поскольку это вызывает коррозию алюминия. Титан и сталь используются для специальных применений в высокотемпературных конструкциях. Облицовочные материалы для многих компонентов, таких как спойлеры и органы управления полетом, очень тонкие, иногда всего 3–4 толщины (имеется в виду мм). Параметрические отчеты показали, что эти облицовочные пластины не обладают хорошей ударопрочностью.
Ⅱ. Основные материалы
2.1 Сотовый заполнитель
Каждый материал сотового сердечника может обладать определенными хорошими свойствами. Как показано на рисунке 19, наиболее распространенным материалом сердечника, используемым для сотовых структур самолетов, является арамидная бумага (Nomex® или Korex®). Стекловолокно используется для более прочных применений.
Рисунок 19: Материалы сотового заполнителя
- Крафт-бумага - ее прочность относительно невысока, используется в больших количествах из-за хороших изоляционных свойств и низкой стоимости.
-Термопласт - Его тепловая масса хорошо изолирует, хорошо поглощает или может быть сброшена для ориентации, влажности и химической стойкости. Он экологически совместим, эстетичен и относительно дешев.
Алюминий — оптимальная прочность, высокая удельная масса и поглощение энергии, хорошие теплопередающие свойства, электромагнитные экранирующие свойства, простота обработки, относительно низкая стоимость.
-Сталь - Хорошие теплопередающие свойства, электромагнитные экранирующие свойства и термостойкость.
-Специальные металлы (титан) - с относительно высокой прочностью, удельным весом, хорошими характеристиками теплопередачи, химической стойкостью и термостойкостью к высоким температурам.
-Арамидная бумага - Обладает огнестойкостью, огнестойкостью, хорошими изоляционными свойствами, низкими диэлектрическими свойствами и легко формуется.
-Стекловолокно - легко поддается сдвигу, имеет низкую диэлектрическую проницаемость, хорошую изоляцию и легко формуется.
- Углеродное волокно - сохраняет стабильность углерода, высокую температуру, высокую жесткость и очень низкий коэффициент теплового расширения, легко контролирует теплопроводность, модуль сдвига относительно высок, но дорого.
-Керамика - обладает хорошей термостойкостью, хорошей изоляцией и имеет очень мелкоячеистую структуру, но стоит дорого.
Сотовые сердечники для аэрокосмических приложений обычно имеют шестиугольную форму. Эти сердечники изготавливаются из специально расположенных скрепленных стопкой тонких листов. Сложенные стопкой листы растягиваются в шестиугольную форму. Те, которые простираются в горизонтальном направлении, называются полосовым направлением.
Дихотомический шестиугольный сердечник имеет еще один слой материала, поперечно разрезанный на каждый шестиугольник. Дихроичные соты тверже и прочнее шестиугольного сердечника. Сверхрастянутый сердечник изготавливается путем расширения бумаги для создания шестиугольников. Сверхрастянутые сердечники имеют прямоугольный сердечник. Сверхрастянутые сердечники гибкие перпендикулярно направлению полосы, используя простые изгибы. Колоколообразный сердечник, или изогнутый сердечник, имеет изогнутый материал сердечника, что делает его гибким во всех направлениях. Колоколообразные сердечники используются в направлении панелей со сложными изгибами.
Сотовые сердечники доступны в различных размерах. Меньшие размеры обеспечивают лучшую прочность для сэндвич-панели. Сотовые сердечники также бывают разной плотности. Сотовые сердечники более высокой плотности жестче и прочнее, чем сердечники более низкой плотности. Как показано на рисунке 20.
Рисунок 20: Сотовый сердечник
2.2 Пена
Пенопластовый сердечник используется в жилищном строительстве и легких самолетах для обеспечения поддержки и формы законцовок крыла, органов управления полетом, секций фюзеляжа, крыльев и нервюр крыла. Пенопластовый сердечник обычно не используется в коммерческих самолетах. Пенопласт обычно тяжелее и менее прочный, чем сотовые сердечники. Различные пенопласты, которые могут использоваться в качестве материала сердечника, включают:
- Полистирол (более известный как пенополистирол) - пенополистирол аэрокосмического класса с плотно закрытой ячеистой структурой сердцевины без пустот между ячейками; высокая прочность на сжатие и хорошая устойчивость к проникновению воды; можно резать горячей проволокой и придавать ему форму крыльев.
- Фенольные - Хорошая огнестойкость, могут иметь очень низкую плотность, но их механические свойства относительно низкие.
- Полиуретан - используется в производстве фюзеляжей, законцовок крыльев и других изогнутых деталей для небольших самолетов; относительно недорогой, огнестойкий и совместим с большинством клеев; полиуретановую пену нельзя резать горячей проволокой; легко контурировать большими ножами и шлифовальным оборудованием.
-Полипропилен - используется для создания крылатых фигур; можно резать горячей проволокой; совместим с большинством клеев и эпоксидных смол; не предназначен для использования с полиэфирными смолами, растворяется в топливе и растворителях.
-Поливинилхлорид (ПВХ) (Divinycell, Klegecell и Airex) — это пенопласт средней и высокой плотности с закрытыми ячейками, высокой прочностью на сжатие, долговечностью и превосходной огнестойкостью; может подвергаться вакуумному формованию в композитные формы и формоваться методом термоформования; совместим с полиэфирными, винилэфирными и эпоксидными смолами.
-Поли(метакрилимид) (Rohacell) - пенопласт с закрытыми ячейками для легких сэндвич-структур; превосходные механические свойства, устойчив к высоким температурам, хорошая стойкость к растворителям, выдающаяся стойкость к сжатию при ползучести; дороже других типов пенопластов, но с превосходными механическими свойствами.
III. Повреждения при изготовлении и использовании
3.1 Производственные дефекты
К производственным дефектам относятся:
-Расслаивание (расслоение)
-Зоны с дефицитом смолы
-Области избытка смолы
-Волдыри, пузыри
-Морщины
-Впадины
-Термическое разложение
Производственный ущерб охватывает такие аномалии, как пористость, микротрещины и расслоение, вызванные различиями в обработке. Он также включает такие вопросы, как непреднамеренные порезы кромок, поверхностные выемки и царапины, поврежденные отверстия для крепежа и ударные повреждения. Примерами дефектов, возникающих в процессе производства, являются загрязненные связующие поверхности или включения, такие как препреговые подкладки или разделительные пленки, которые непреднамеренно остаются между слоями во время процесса выкладки. Непреднамеренное (не связанное с обработкой) повреждение деталей или компонентов может произойти во время сборки, транспортировки или обработки.
Если в детали используется слишком много смолы, она может быть перегружена смолой, что не обязательно плохо для неструктурных применений, но добавляет вес. Если слишком много смолы вытекает в процессе отверждения или если недостаточно смолы нанесено в процессе мокрой выкладки, говорят, что деталь испытывает недостаток смолы. Области, лишенные смолы, видны на поверхности волокон. Оптимальным считается соотношение волокон и смолы 60:40.
Источниками производственных дефектов являются:
-Неправильная обработка или засолка
-Неправильная обработка
-Неправильное обращение
-Неправильное сверление
- Капли с инструментов
-Загрязнение
-Неправильная шлифовка
-Неквалифицированные материалы
-Неподходящие инструменты
-Проблемы с отверстием вала или деталировкой
В структурных конфигурациях композитов повреждение может происходить в нескольких слоях. Это варьируется от повреждения матрицы и волокон до разрушения сломанных элементов и склеенных или болтовых соединений. Степень повреждения контролирует срок службы при повторяющейся нагрузке и остаточную прочность и имеет решающее значение для устойчивости к повреждениям.
3.2 Разрыв волокна
Разрыв волокна может быть критическим, поскольку структуры обычно проектируются с доминированием волокон (т. е. волокна несут большую часть нагрузки). К счастью, разрыв волокна обычно ограничивается областью вблизи точки удара и ограничивается размером и энергией ударного объекта. Только несколько элементов, связанных с обслуживанием предыдущего блока, могут привести к обширному повреждению волокна.
3.3 Нестандартная матрица (неоднородная ячейка)
Дефекты матрицы обычно возникают на границе матрица-волокно или на матрице, параллельной волокнам. Эти дефекты немного ухудшают некоторые свойства материала, но редко оказывают критическое влияние на структуру, если только деградация матрицы не является широко распространенной.
Накопление трещин в матрице может привести к ухудшению свойств, в которых доминирует матрица. Для ламинатов, предназначенных для передачи нагрузок с помощью волокон (с доминированием волокон), также наблюдается лишь незначительное ухудшение свойств, когда матрица сильно повреждена. Растрескивание матрицы или микротрещины могут значительно ухудшить свойства, зависящие от смолы или интерфейса волокно-смола, такие как прочность на сдвиг и сжатие между слоями. Микротрещины могут оказывать очень пагубное влияние на эксплуатационные характеристики высокотемпературных смол. Дефекты матрицы могут перерасти в расслоения, более серьезный тип повреждений.
3.4 Расслоение и отклеивание
Расслоение образуется на границе между слоями в ламинате. Расслоения могут быть образованы трещинами матрицы или низкоэнергетическими ударами, которые простираются от основания до промежуточного слоя. Связи также могут быть образованы производственным процессом вдоль линии склеивания между двумя элементами и начать расслаиваться (деламинат) в соседних ламинатах. При определенных условиях расслоение или склеивание могут расти во время повторной нагрузки и могут привести к катастрофическим повреждениям при нагрузке ламината. Критичность расслоения или склеивания зависит от:
-Размеры.
-Количество расслоений в заданном месте.
-Расположение - в толще ламината, в конструкции, вблизи свободных кромок, зон концентрации напряжений, геометрических разрывов и т. д.
- Нагрузки - Поведение расслоения и склеивания зависит от типа нагрузки. Они мало влияют на реакцию ламината на растяжение. Однако при сжимающей или сдвиговой нагрузке подслои, прилегающие к расслоившимся или отслоившимся элементам, могут прогибаться и приводить к механизмам перераспределения нагрузки, которые могут привести к структурным повреждениям.
3.5 Комбинации повреждений
Как правило, ударные события могут вызывать различные повреждения. Высокоэнергетические удары от крупных объектов (например, лопаток турбины) могут привести к фрагментации компонента или отказу крепления. Полученные повреждения могут включать значительный разрыв волокна, растрескивание матрицы, расслоение, поломку крепежа и снятие компонентов. Повреждения от низкоэнергетических ударов контролировать легче, но они также могут включать комбинацию разрыва волокна, растрескивания матрицы и множественных расслоений.
3.6 Дефекты отверстий под крепеж
Неправильно просверленные отверстия, плохо установленные крепежи и отсутствующие крепежи могут возникнуть в процессе производства. В процессе эксплуатации может произойти удлинение отверстий деталей из-за повторяющихся циклов нагрузки.
3.7 Дефекты в обслуживании
К дефектам обслуживания относятся:
- Ущерб окружающей среде
- Ударный ущерб
- Усталость
- Трещины, вызванные локальными перегрузками
- Расклеивание (склеивание)
- Расслоение
- Разрыв волокна
- Коррозия
Большинство сотовых конструкций, таких как спойлеры крыльев, обтекатели, органы управления полетом и створки шасси, имеют очень тонкие поверхностные панели. Испытывая проблемы с прочностью, их можно в целом разделить на три группы: низкая ударопрочность, попадание жидкости и эрозия (коррозия). Эти конструкции обладают достаточной жесткостью и прочностью, но менее устойчивы к условиям эксплуатации, когда по деталям ползают, инструменты роняют, а обслуживающий персонал обычно не осознает уязвимости тонкостенных сэндвич-компонентов. Повреждения этих компонентов, такие как раздавливание сердечника, повреждение от удара и смещение, обычно легко обнаруживаются при визуальном осмотре из-за их тонкой поверхности. Однако иногда их упускают из виду или повреждают обслуживающий персонал, который не хочет задерживать вылеты самолетов или привлекать внимание к авариям, которые могут повлиять на их показатели производительности. В результате повреждения иногда остаются неконтролируемыми, что часто приводит к увеличению повреждений из-за попадания жидкости в сердечник. Непрочные детали конструкции (например, неправильно обрезанные края сотового сердечника) также могут привести к попаданию жидкости.
Восстановление из-за попадания жидкостей в деталь может варьироваться от жидкости к жидкости, чаще всего это вода или гидравлическая жидкость. Вода имеет тенденцию вызывать дополнительные повреждения в отремонтированных деталях, если из детали не удалена вся влага. Большинство систем восстановительных материалов отверждаются при температурах выше точки кипения воды, что может привести к отслоению на границе оболочка-сердечник, что приводит к скоплению воды повсюду. По этой причине сушка цикла сердечника обычно выполняется перед любым восстановлением. Некоторые операторы предпринимают дополнительный шаг, высушивая поврежденные, но не отремонтированные детали в баке высокого давления, чтобы предотвратить возникновение дополнительных повреждений во время ремонта. Гидравлическая жидкость — это другая проблема. После того, как сердечник сэндвич-панели пропитается, практически невозможно полностью удалить гидравлическую жидкость. Даже во время процесса отверждения секция будет продолжать пропускать жидкость, пока утечка загрязнения не будет полностью удалена. Удаление загрязненного сотового сердечника и клея настоятельно рекомендуется в качестве части восстановления. Как показано на рисунке 21
Рисунок 21: Повреждение сотовой сэндвич-структуры обтекателя
Известно, что композиты обладают меньшей эрозионной способностью, чем алюминий, поэтому их часто избегают применять для поверхностей наконечников. Однако композиты использовались в очень сложных геометриях, но обычно в сочетании с антикоррозионными покрытиями. Некоторые антикоррозионные покрытия не идеальны для стойкости к истиранию или обслуживания. Другая проблема, не такая очевидная, как первая, — это эрозия краев дверей или панелей, если они подвергаются воздействию воздушных потоков. Эта эрозия может быть вызвана конструкцией или установкой (неправильная установка). С другой стороны, металлические конструкции, контактирующие с этими композитными компонентами или находящиеся поблизости от них, могут иметь коррозионные повреждения из-за неправильного выбора алюминиевых сплавов, повреждения металлических компонентов коррозионным герметиком во время сборки или сращивания, недостаточного количества герметика или отсутствия стекловолоконного барьера на стыке балок, ребер и фитингов. Как показано на рисунке 22
Рисунок 22: Коррозионное повреждение законцовки крыла (наконечника)
3.8 Коррозия
Большинство деталей из стекловолокна и кевлара® имеют превосходную алюминиевую сетку для защиты от молний. Эта алюминиевая сетка часто корродирует вокруг отверстий для болтов или винтов. Коррозия влияет на электрическое соединение панели и требует удаления алюминиевой сетки и установки новой сетки для восстановления электрического соединения панели. Как показано на рисунке 23
Рисунок 23: Коррозия алюминиевой молниезащитной сетки
Ультрафиолетовые лучи влияют на прочность композитов. Композитные конструкции необходимо защищать от воздействия ультрафиолетового света верхним слоем. Для защиты композитов были разработаны специальные УФ-грунтовки и покрытия.