Fișă pentru materiale compozite avansate (I): laminate, tipuri de fibre și aplicații

Lstructura aminata

Compozitele constau dintr-o combinație de materiale care sunt amestecate împreună pentru a obține proprietăți structurale specifice. Materialele individuale nu se dizolvă complet sau se topesc în compozit, dar vor acționa împreună ca un întreg. Adesea, interfețele dintre componente pot fi recunoscute fizic. Proprietățile unui material compozit sunt superioare proprietăților materialelor individuale din care este compus.

Un material compozit avansat este realizat dintr-un material fibros dizolvat într-o matrice de rășină, de obicei laminată cu fibre orientate alternativ pentru a oferi rezistență și rigiditate materialului. Materialele fibroase nu sunt comune; lemnul este cel mai comun material structural fibros cunoscut omului.

Aplicațiile compozitelor în aeronave includ

-Deflector

-Suprafete de control al zborului

-Ușile trenului de aterizare

- Aripi și stabilizatori pentru marginea de avans și de sus

-Componente interne

- Grinzi de pardoseală și panouri de podea

-Structuri primare stabilizatoare verticale si orizontale pentru aeronave mari

- Structuri principale ale aripilor și fuselajului noii generații de avioane mari

-Pale ventilatorului motorului cu turbina

-Elice

Componentele principale ale laminatelor

Un material izotrop are proprietăți uniforme în toate direcțiile (adică proprietăți izotrope ale aceluiași material). Proprietățile măsurate ale materialelor izotrope sunt independente de axa de testare. Aluminiul și titanul, care sunt materiale metalice, sunt folosite ca exemple pentru a ilustra ilustrarea materialelor izotrope.

Fibrele sunt principalele elemente portante ale compozitelor. Compozitele au rezistență și rigiditate numai în direcția fibrelor. Compozitele unidirecționale au proprietăți predominant mecanice într-o singură direcție, cunoscută sub numele de anizotropie, unde proprietățile mecanice sau fizice diferă de direcția axei naturale de referință inerente materialului. Componentele realizate din compozite ranforsate cu fibre pot fi proiectate astfel încât orientarea fibrei să producă cele mai bune proprietăți mecanice, dar se pot apropia doar de proprietățile cu adevărat izotrope ale metalelor, cum ar fi aluminiul și titanul.

Matricea compozită susține fibrele și le leagă în compozit. Matricea transferă orice sarcini aplicate fibrelor, menține fibrele în poziția și orientarea aleasă, dă rezistența mediului compozit și determină temperatura maximă de serviciu a compozitului.

Proprietăți

Proprietățile structurale ale laminatelor compozite, cum ar fi rigiditatea, stabilitatea dimensională și rezistența, depind de ordinea de stivuire a laminatelor. Ordinea de stivuire descrie distribuția orientărilor stratului în grosimea laminatului. Pe măsură ce numărul de straturi cu orientări selectate crește, sunt posibile mai multe comenzi de stivuire. De exemplu, un laminat simetric cu opt straturi cu patru orientări diferite de aranjare are 24 de ordine diferite de stivuire.

Direcția fibrei

Rezistența și rigiditatea unui compozit depind de ordinea în care sunt orientate straturile. Rezistența și rigiditatea efectivă a fibrelor de carbon variază de la valori scăzute la mari, cum ar fi cele furnizate de fibrele de sticlă, până la valori ridicate ale rezistenței și rigidității furnizate de fibrele de titan. Acest interval de valori este determinat de orientarea laminatului la sarcina aplicată. În compozitele avansate, este necesară o selecție adecvată a orientării stratului pentru a oferi un design eficient al structurii. Piesa poate necesita sarcini axiale reactive de 0 grade, sarcini de forfecare reactive de ±45 de grade și sarcini laterale reactive de 90 de grade. Deoarece cerințele de proiectare a rezistenței sunt o funcție de direcția sarcinilor aplicate, orientarea stratului și secvența straturilor trebuie să fie corecte. În timpul procesului de reparație, este esențial să înlocuiți fiecare strat deteriorat cu un strat din același material și orientare.

Fibrele dintr-un material monolit se deplasează într-o singură direcție, cu rezistență și rigiditate doar în direcția fibrelor. Benzile preimpregnate (film preimpregnat) sunt un exemplu de orientare unidirecțională a stratului.

Fibrele dintr-un material bidirecțional curg în două direcții, de obicei la 90 de grade unul de celălalt. Structurile simple sunt un exemplu de direcții de aranjare bidirecționale. Aceste direcții de aranjare au putere în ambele direcții, dar nu neapărat aceeași putere. După cum se arată în figura 1

Straturile cvasiizotrope au secvențe de straturi de 0 grade , -45 grade , 45 de grade și 90 grade sau 0 grade , -60 grade și 60 de grade . Aceste tipuri de orientări ale straturilor simulează proprietățile materialelor izotrope, așa cum se arată în Figura 2. Multe structuri compozite aerospațiale sunt realizate din materiale cvasiizotrope.

Figura 1: Proprietăți bidirecționale și unidirecționale ale materialului de pavaj

Figura 2: Straturi de material izotrop simetric

Wdirecția arp

Direcția de urzeală se referă la fibrele longitudinale ale țesăturii. Datorită dreptății fibrelor, direcția urzelii este direcția de înaltă rezistență. Direcția warp este folosită pentru a descrie direcția fibrelor pe o diagramă, o fișă de specificații sau o fișă a producătorului. Dacă nu există nicio direcție de urzeală pe țesătură, direcția de urzeală este implicită la zero atunci când țesătura se desprinde de pe rolă. Prin urmare, 90 de grade până la zero este lățimea țesăturii. După cum se arată în Figura 3

Figura 3: Twist Lock

Fconfigurație iber

Toate formele de produs încep de obicei cu o linie unidirecțională de fibre brute care sunt împachetate în fire continue. O fibră individuală se numește filament. Termenul „fir” este, de asemenea, folosit pentru a desemna o fibră de sticlă individuală. Filamentele grupate pot fi clasificate ca fire filate, fire sau rovings. Firele din fibră de sticlă sunt răsucite, în timp ce firele kevlar® nu sunt. Mănunchiurile de filamente și rovingurile nu au nicio răsucire. Majoritatea fibrelor sunt fibre uscate și trebuie să fie impregnate cu rășină înainte de utilizare (pre-impregnare) sau cu material pre-impregnat unde rășina a fost deja aplicată pe fibre.

Fibre grosiere (mănunchiuri de fire)

Un roving este un grup de filamente sau capete de fibre, cum ar fi 20- sau 60-capete de sticlă. Toate filamentele sunt orientate în aceeași direcție și nu sunt răsucite. Rovings din fibră de carbon sunt de obicei identificate ca 3K, 6K sau 12K, cu K indicând 1000 de filamente. Majoritatea aplicațiilor de produse roving utilizează un dorn pentru înfășurarea fibrelor și apoi întărirea rășinii până la configurația finală.

Unidirecțional (cu)

Benzile unidirecționale preimpregnate au fost standardul în industria aerospațială de mulți ani, iar fibrele sunt de obicei impregnate cu o rășină termorezistentă. Cea mai comună metodă de preparare implică tragerea firelor brute (uscate) colimate într-o mașină de impregnare, unde rășina topită la cald este legată de fire prin căldură și presiune. Produsul cu bandă are rezistență ridicată în direcția fibrelor și aproape deloc rezistență în fibre. Fibrele sunt menținute pe loc de rășină. Benzile sunt mai rezistente decât țesăturile. După cum se arată în Figura 4

Figura 4: Benzi și produse din material textil

Țesătură

Pentru laminările cu forme complexe, majoritatea construcțiilor din material textil oferă mai multă flexibilitate decât benzile drepte unidirecționale. Țesăturile oferă opțiunea de impregnare a rășinii printr-o soluție sau un proces de topire la cald. În mod obișnuit, țesăturile pentru aplicații structurale folosesc fibre sau fire de aceeași greutate sau randament în ambele direcții de urzeală (longitudinale) și bătături (transversale). Pentru structurile aerospațiale, țesăturile strânse sunt adesea alegerea pentru reducerea greutății, reducând dimensiunea golurilor de rășină și menținând orientarea fibrelor în timpul producției.

Structura țesăturii constă, de obicei, din mănunchiuri de armare, fire sau fire care sunt întrețesute în timpul procesului de țesere. Cele mai comune stiluri de țesături sunt țesătură simplă sau țesătură din satin. Structurile de țesătură simplă sunt formate din fibre alternate deasupra și dedesubtul fiecărei șuvițe încrucișate (mănunchi, ciorchine sau fire). În stilurile obișnuite de țesătură din satin, cum ar fi 5- sau 8-mănunchiul, firele de fibre se deplasează mai rar înainte și înapoi în direcția urzelii și în direcția bătăturii.

Aceste țesături din satin sunt mai puțin ondulate și mai ușor deformate decât țesăturile simple. În țesăturile simple și în majoritatea țesăturilor cu 5 sau 8 mănunchiuri, există un număr egal de fire de fibre în direcțiile de urzeală și bătătură. De exemplu: țesăturile simple 3K au, de obicei, un nume suplimentar, cum ar fi 12 x 12, ceea ce înseamnă 12 câlți pe inch în fiecare direcție. Această desemnare a numărului poate fi modificată pentru a crește sau a reduce greutatea țesăturii sau pentru a acomoda diferite fibre în diferite greutăți. După cum se arată în Figura 5

Figura 5: Stilul tipic de țesut al țesăturii

Țesături nețesute (țesute sau cusute)

Țesăturile țesute sau cusute pot oferi multe dintre avantajele mecanice ale benzii unidirecționale. Amplasarea fibrelor poate fi dreaptă sau unidirecțională, fără învârtirile în sus și în jos ale țesăturilor. După orientarea preselectată a unuia sau mai multor straturi de gips-carton, fibrele sunt cusute împreună cu fire fine sau fire pentru a menține fibrele pe loc. Aceste tipuri de țesături oferă o gamă largă de orientări cu mai multe straturi. În timp ce poate fi adăugată o anumită greutate sau unele dintre proprietățile finale ale fibrei de armare pot fi pierdute, se poate obține o oarecare îmbunătățire a proprietăților de forfecare interlaminară și de tenacitate. Unele fire de cusut comune sunt poliester, aramid sau termoplastic. După cum se arată în Figura 6

Figura 6: Materiale nețesute (cusături)

Tipuri de fibre

Gfibră de fetiță

Fibra de sticlă este folosită în mod obișnuit în structurile secundare ale aeronavelor, cum ar fi carenele, radomurile și vârfurile aripilor. Fibrele de sticlă sunt, de asemenea, utilizate în palele rotorului elicopterului. Există mai multe tipuri de fibre de sticlă folosite în industria aerospațială. Fibra de sticlă electronică, sau E-glass, este recunoscută pentru astfel de aplicații electronice. Are o rezistență ridicată la curenții electrici. Sticla E este fabricată din fibre de sticlă borosilicată. Sticla S și S2-sticlă sunt fibre de sticlă structurale care au o rezistență mai mare decât sticla E. Fibrele de sticlă S-sticlă sunt fabricate din silicați de magneziu-aluminiu. Avantajele fibrelor de sticlă sunt costul mai mic decât al altor compozite, rezistența chimică sau electrică și proprietățile electrice (fibrele de sticlă nu conduc electricitatea). Fibrele de sticlă sunt de culoare albă și pot fi folosite ca țesături din fibre uscate sau preimpregnate.

Afibră ramidă

Kevlar este numele fibrei de aramidă de la DuPont. Fibrele de aramidă sunt ușoare, puternice și dure. Două tipuri de fibre de aramidă sunt utilizate în industria aerospațială; Kevlar® 49 are o rigiditate ridicată, iar Kevlar® 29 are o rigiditate scăzută. Un avantaj al fibrelor de aramidă este că sunt foarte rezistente la deteriorarea impactului, deci sunt utilizate în mod obișnuit în zonele susceptibile la deteriorarea impactului. Principalul dezavantaj al fibrelor aramide este deficiențele lor generale în compresibilitate și absorbție a umidității. Rapoartele de service indică faptul că unele piese din kevlar® absorb până la 8% din greutatea lor în apă. Piesele fabricate din fibre de aramidă trebuie, prin urmare, să fie protejate de mediu. Un alt dezavantaj este că fibrele de kevlar sunt greu de găurit și tăiat. Fibrele lasă scame ușor și necesită foarfece speciale pentru a le tăia.

Kevlarul este folosit în mod obișnuit în aplicații militare balistice și de armătură. Are o culoare galbenă naturală și este disponibilă ca material uscat și preimpregnat. Mărimea unui fascicul de fibre de aramid nu depinde de numărul de fibre precum fibrele de carbon sau de sticlă, ci mai degrabă de greutate.

Fibră de carbon/grafit

Prima diferență între această fibră este între fibrele de carbon și cele de grafit, deși termenii sunt adesea folosiți interschimbabil. Fibrele de carbon și de grafit se bazează pe o rețea de straturi unice de grafit (hexagonale) din carbon. Un material este definit ca grafit dacă straturile sau planurile unice de grafit sunt stivuite într-o secvență tridimensională. Procesarea prelungită a timpului și a temperaturii este de obicei necesară pentru a forma această ordine, ceea ce face fibrele de grafit mai scumpe. Legătura dintre avioane este slabă. Dezordinea apare adesea astfel încât să existe doar o ordine bidimensională în straturi. Acest material este definit ca fibră de carbon.

Fibra de carbon este foarte rezistentă și de 3 până la 10 ori mai rigidă decât fibra de sticlă. Fibra de carbon este utilizată în aplicații structurale aeronavelor, cum ar fi grinzile inferioare, stabilizatorii, comenzile de zbor și structurile principale ale fuselajului și aripilor. Avantajele includ rezistența ridicată și rezistența la coroziune. Dezavantajele includ o conductivitate electrică mai mică decât aluminiul; prin urmare, pentru componentele aeronavei care sunt susceptibile la lovituri de trăsnet, trebuie instalată o rețea de trăsnet sau un strat rezistent la trăsnet. Un alt dezavantaj al fibrei de carbon este costul ridicat al acesteia. Fibra de carbon este de culoare gri sau neagră și este disponibilă ca material uscat și preimpregnat. Când este utilizată cu elemente de fixare și structuri metalice, fibra de carbon are un potențial ridicat de a provoca coroziune galvanică a cuplajului.

Figura 7: Fibre de sticlă (stânga), fibre de aramid (de mijloc), material din fibră de carbon (dreapta)

Bfibră de oron

Fibrele de bor sunt foarte dure și au o rezistență ridicată la tracțiune și compresiune. Fibrele sunt relativ mari în diametru și nu se îndoaie bine; prin urmare, ele pot fi utilizate numai ca produse de bandă preimpregnată. Matricele de rășini epoxidice sunt adesea folosite cu fibre de bor. Fibrele de bor sunt folosite pentru a repara carcasele aeronavelor fisurate din aluminiu, deoarece dilatarea termică a borului este apropiată de cea a aluminiului și nu are potențial de coroziune a cuplajului galvanic. Fibrele de bor sunt dificil de utilizat dacă suprafața substratului are o formă conturată. Fibrele de bor sunt foarte scumpe și pot fi periculoase pentru personal. Fibrele de bor sunt utilizate în principal în aviația militară.

Cfibra eramica

Fibrele ceramice sunt utilizate în aplicații la temperaturi înalte, cum ar fi paletele de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz. Fibrele ceramice pot fi folosite pentru temperaturi de până la 2200 de grade F.

Lfibra de protectie la fulgere

Avioanele din aluminiu sunt foarte conductoare și pot disipa curenți mari de la loviturile de fulger. Fibra de carbon este de 1,000 ori mai rezistentă la curent decât aluminiul, iar rășina epoxidică este de 1,000,000 ori mai rezistentă (adică, perpendicular pe piele). Suprafața componentelor compozite externe constă de obicei dintr-un strat sau straturi de material conductiv pentru protecția împotriva trăsnetului, deoarece compozitele sunt mai puțin conductoare decât aluminiul. Sunt utilizate multe tipuri diferite de materiale conductoare, de la pânză grafit placată cu nichel la plasă metalică la fibre de sticlă aluminizate până la acoperiri conductoare. Materialul poate fi folosit ca strat umed sau preimpregnat.

În plus față de reparațiile structurale normale, tehnicienii trebuie să recreeze designul la conductibilitatea componentei. Aceste tipuri de reparații necesită adesea testarea conductibilității cu un contor de rezistență pentru a verifica rezistența minimă a întregii structuri. Când reparați aceste tipuri de structuri, este foarte important să folosiți numai materiale aprobate de la furnizori autorizați, inclusiv lucruri precum compuși pentru ghiveci, etanșanți și adezivi. După cum se arată în figurile 8 și 9

Figura 8: Material de protecție împotriva trăsnetului din plasă de cupru

Figura 9: Material de protecție împotriva trăsnetului din plasă de aluminiu