Avancerade kompositmaterial (I): Laminat, fibertyper och tillämpningar

Laminerad struktur

Kompositer består av en kombination av material som blandas samman för att uppnå specifika strukturella egenskaper. De enskilda materialen löses inte helt upp eller smälter samman i kompositen, utan de kommer att fungera tillsammans som en helhet. Ofta kan gränssnitten mellan komponenter fysiskt kännas igen. Egenskaperna hos ett kompositmaterial är överlägsna egenskaperna hos de enskilda material som det är sammansatt av.

Ett avancerat kompositmaterial är tillverkat av ett fibröst material löst i en hartsmatris, vanligtvis laminerad av växelvis orienterade fibrer för att ge styrka och styvhet till materialet. Fibrösa material är inte vanliga; trä är det vanligaste fibrösa konstruktionsmaterialet som människan känner till.

Tillämpningar av kompositer i flygplan inkluderar

-Deflektor

- Flygkontrollytor

-Landningsställsdörrar

- Vinge och stabilisator fram- och bakkantspaneler

- Interna komponenter

-Golvbjälkar och golvpaneler

-Vertikala och horisontella stabiliserande primärstrukturer för stora flygplan

-Huvudvikts- och flygkroppsstrukturer för den nya generationen av stora flygplan

-Turbinmotorns fläktblad

-Propeller

Huvudkomponenter i laminat

Ett isotropt material har enhetliga egenskaper i alla riktningar (vilket betyder isotropa egenskaper hos samma material). De uppmätta egenskaperna hos isotropa material är oberoende av testaxeln. Aluminium och titan, som är metalliska material, används som exempel för att illustrera illustrationen av isotropa material.

Fibrer är de viktigaste bärande elementen i kompositer. Kompositer har styrka och styvhet endast i fibrernas riktning. Enkelriktade kompositer har övervägande mekaniska egenskaper i en riktning, känd som anisotropi, där de mekaniska eller fysikaliska egenskaperna skiljer sig från riktningen för den naturliga referensaxeln som är inneboende i materialet. Komponenter gjorda av fiberförstärkta kompositer kan utformas så att fiberorienteringen ger de bästa mekaniska egenskaperna, men de kan bara närma sig de verkligt isotropa egenskaperna hos metaller, såsom aluminium och titan.

Kompositmatrisen stöder fibrerna och binder dem i kompositen. Matrisen överför alla applicerade belastningar till fibrerna, håller fibrerna i sin position och valda orientering, ger kompositens miljöbeständighet och bestämmer den maximala driftstemperaturen för kompositen.

Egenskaper

De strukturella egenskaperna hos kompositlaminat, såsom styvhet, dimensionsstabilitet och hållfasthet, beror på staplingsordningen för laminaten. Staplingsordningen beskriver fördelningen av uppläggningsorienteringarna i laminatets tjocklek. När antalet lager med valda orienteringar ökar, är fler staplingsordningar möjliga. Till exempel har ett symmetriskt åttaskiktslaminat med fyra olika uppläggningsorienteringar 24 olika staplingsordningar.

Fiberriktning

Styrkan och styvheten hos en komposit beror på i vilken ordning skikten är orienterade. Den faktiska styrkan och styvheten hos kolfibrer sträcker sig från låga till höga värden, såsom de som tillhandahålls av glasfibrer, till höga värden på styrka och styvhet som tillhandahålls av titanfibrer. Detta värdeintervall bestäms av laminatets orientering mot den applicerade belastningen. I avancerade kompositer är korrekt val av uppläggningsorientering nödvändigt för att ge en effektiv design av strukturen. Delen kan kräva 0 graders reaktiva axiella belastningar på skiktet, ±45 graders reaktiva skjuvbelastningar i skiktet och reaktiva sidobelastningar på 90 grader. Eftersom hållfasthetsdesignkraven är en funktion av riktningen för applicerade belastningar måste skiktets orientering och skiktsekvensen vara korrekta. Under reparationsprocessen är det viktigt att ersätta varje skadat lager med ett lager av samma material och orientering.

Fibrerna i ett monolitiskt material rör sig i en riktning, med styrka och styvhet endast i fibrernas riktning. Prepreg-tejper (prepreg-film) är ett exempel på enkelriktad layup-orientering.

Fibrer i ett dubbelriktat material flyter i två riktningar, vanligtvis 90 graders isär. Släta strukturer är ett exempel på dubbelriktade uppläggningsriktningar. Dessa uppläggningsriktningar har styrka i båda riktningarna, men inte nödvändigtvis samma styrka. Som visas i figur 1

De kvasi-isotropa uppläggen har lagersekvenser på 0 grader, -45 grader, 45 grader och 90 grader eller 0 grader, -60 grader och 60 grader. Dessa typer av skiktorienteringar simulerar egenskaperna hos isotropa material som visas i figur 2. Många kompositstrukturer för flyg- och rymdindustrin är gjorda av kvasiisotropa material.

Figur 1: Dubbelriktade och enkelriktade beläggningsmaterialegenskaper

Figur 2: Symmetriska isotropa materialuppläggningar

Warp riktning

Varpriktningen hänvisar till tygets längsgående fibrer. På grund av fibrernas rakhet är varpriktningen riktningen för hög hållfasthet. Varpvarpriktning används för att beskriva fibrernas riktning på ett diagram, specifikationsblad eller tillverkarens ark. Om det inte finns någon varpriktning på tyget, är varpriktningen som standard noll när tyget lossnar från rullen. Därför är 90 grader till noll tygets bredd. Som visas i figur 3

Figur 3: Twist Lock

Fiber-konfiguration

Alla produktformer börjar vanligtvis med en enkelriktad linje av råfibrer som packas i kontinuerliga strängar. En enskild fiber kallas en filament. Termen "tråd" används också för att beteckna en individuell glasfiber. De buntade filamenten kan kategoriseras som spunnet garn, garn eller rovings. Glasfibergarn är tvinnade, medan kevlar®-garner inte är det. Filamentbuntar och rovings har ingen twist. De flesta fibrer är torra fibrer och behöver impregneras med harts före användning (förimpregnering) eller med förimpregnerat material där hartset redan har applicerats på fibrerna.

Grova fibrer (garnbuntar)

En roving är en grupp av filament eller fiberändar, till exempel 20- eller 60-end glass roving. Alla filament är orienterade i samma riktning och är inte vridna. Kolfiberförgarn identifieras vanligtvis som 3K, 6K eller 12K förgarn, där K betecknar 1000 filament. De flesta applikationer för rovingprodukter använder en dorn för fiberlindning och sedan hartshärdning till den slutliga konfigurationen.

Enkelriktad (med)

Enkelriktade prepreg-tejper har varit standarden inom flygindustrin i många år, och fibrerna är vanligtvis impregnerade med en härdplast. Den vanligaste beredningsmetoden innebär att kollimerade råa (torra) strängar dras in i en impregneringsmaskin, där smälthartsen binds till strängarna genom värme och tryck. Tejpprodukten har hög hållfasthet i fibrernas riktning och nästan ingen hållfasthet i fibrerna. Fibrerna hålls på plats av hartset. Tejper är starkare än vävda tyger. Som visas i figur 4

Figur 4: Tejper och tygprodukter

Tyg

För komplext formade lamineringar erbjuder de flesta tygkonstruktioner mer flexibilitet än raka enkelriktade tejper. Tyger erbjuder möjligheten att impregnera hartset genom en lösning eller smältprocess. Typiskt använder tyger för strukturella tillämpningar fibrer eller trådar med samma vikt eller utbyte i både varp (längsgående) och väft (tvärgående) riktningar. För flygkonstruktioner är tätvävda tyger ofta det viktbesparande valet, vilket minskar storleken på hartshåligheter och bibehåller fiberorienteringen under tillverkningen.

Tygstrukturen består vanligtvis av förstärkta förstärkningsbuntar, trådar eller garn som sammanflätas under vävningsprocessen. De vanligaste tygstilarna är slätväv eller satinväv. Släta vävstrukturer bildas av alternerande fibrer ovanför och under varje korsande sträng (bunt, bunt eller garn). I vanliga satinvävstilar, som 5- eller 8-bunt, rör sig fibertrådarna fram och tillbaka i varpriktningen och väftriktningen mindre ofta.

Dessa satintyger är mindre krusade och deformeras lättare än vanliga tyger. I slätväv och de flesta 5- eller 8-buntstyger finns det lika många fibertrådar i varp- och inslagsriktningarna. Till exempel: 3K slätväv har vanligtvis ett extra namn som 12 x 12, vilket betyder 12 drag per tum i varje riktning. Denna räknebeteckning kan ändras för att öka eller minska tygets vikt, eller för att rymma olika fibrer i olika vikter. Som visas i figur 5

Figur 5: Typisk vävstil

Fibertyg (vävda eller sydda)

Vävda eller sydda tyger kan erbjuda många av de mekaniska fördelarna med enkelriktad tejp. Fiberplacering kan vara rak eller enkelriktad, utan vävda tygers upp- och nedvändningar. Efter förvald orientering av ett eller flera lager av gipsskivor sys fibrerna ihop med fina garn eller trådar för att hålla fibrerna på plats. Dessa typer av tyger ger ett brett utbud av flerskiktsorientering. Även om viss vikt kan läggas till eller en del av de slutliga förstärkningsfiberegenskaperna kan gå förlorade, kan viss förbättring av interlaminära skjuvnings- och seghetsegenskaper uppnås. Några vanliga sygarn är polyester, aramid eller termoplast. Som visas i figur 6

Figur 6: Non-woven material (sömmar)

Typer av fibrer

Glass fiber

Glasfiber används ofta i sekundära strukturer av flygplan, såsom kåpor, radomer och vingspetsar. Glasfibrer används också i helikopterrotorblad. Det finns flera typer av glasfibrer som används inom flygindustrin. Elektronisk glasfiber, eller E-glas, är erkänt för sådana elektroniska tillämpningar. Den har ett högt motstånd mot elektriska strömmar. E-glas är tillverkat av borosilikatglasfibrer.S-glas och S2-glas är strukturella glasfibrer som har högre styrka än E-glas.S-glasglasfibrer är gjorda av magnesium-aluminiumsilikater. Fördelarna med glasfibrer är lägre kostnad än andra kompositer, kemisk eller elektrisk resistans och elektriska egenskaper (glasfibrer leder inte elektricitet). Glasfibrer är vita till färgen och kan användas som torra fibertyger eller prepregs.

Aramid fiber

Kevlar är namnet på DuPonts aramidfiber. Aramidfibrer är lätta, starka och sega. Två typer av aramidfibrer används inom flygindustrin; Kevlar® 49 har hög styvhet och Kevlar® 29 har låg styvhet. En fördel med aramidfibrer är att de är mycket motståndskraftiga mot stötskador, så de används ofta i områden som är känsliga för stötskador. Den största nackdelen med aramidfibrer är deras allmänna brister i kompressibilitet och fuktabsorption. Servicerapporter visar att vissa delar gjorda av kevlar® absorberar upp till 8 % av sin vikt i vatten. Delar tillverkade av aramidfibrer behöver därför skyddas från miljön. En annan nackdel är att kevlarfibrer är svåra att borra och skära. Fibrerna luddar lätt och kräver speciell sax för att klippa dem.

Kevlar används ofta i militära ballistiska och kroppsrustningsapplikationer. Den har en naturlig gul färg och finns som torrt tyg och prepreg. Storleken på en aramidfiberbunt beror inte på antalet fibrer som kol- eller glasfibrer, utan snarare på vikten.

Kol/grafitfiber

Den första skillnaden mellan denna fiber är mellan kol- och grafitfibrer, även om termerna ofta används omväxlande. Kol- och grafitfibrer är baserade på ett nätverk av enkla grafit (hexagonala) lager i kol. Ett material definieras som grafit om de enskilda grafitskikten eller -planen är staplade i en tredimensionell sekvens. Förlängd tid och temperaturbearbetning krävs vanligtvis för att bilda denna ordning, vilket gör grafitfibrer dyrare. Bindningen mellan plan är svag. Störning uppstår ofta så att endast en tvådimensionell ordning finns i lagren. Detta material definieras som kolfiber.

Kolfiber är mycket segt och 3 till 10 gånger styvare än glasfiber. Kolfiber används i strukturella tillämpningar för flygplan som bottenbalkar, stabilisatorer, flygkontroller och huvudkroppar och vingstrukturer. Fördelarna inkluderar hög hållfasthet och korrosionsbeständighet. Nackdelar inkluderar lägre elektrisk ledningsförmåga än aluminium; därför, för flygplanskomponenter som är känsliga för blixtnedslag, måste ett blixtnät eller blixtbeständig beläggning installeras. En annan nackdel med kolfiber är dess höga kostnad. Kolfiber är grå eller svart till färgen och finns som torrt tyg och prepreg. När den används med metallfästen och strukturer har kolfiber en hög potential att orsaka galvanisk kopplingskorrosion.

Figur 7: Glasfibrer (vänster), aramidfibrer (mitten), kolfibermaterial (höger)

Boron fiber

Borfibrer är mycket hårda och har hög drag- och tryckhållfasthet. Fibrerna är relativt stora i diameter och böjer sig inte bra; därför kan de endast användas som prepreg-tejpprodukter. Epoxihartsmatriser används ofta med borfibrer. Borfibrer används för att reparera spruckna aluminiumflygplanshöljen eftersom bors termiska expansion är nära den för aluminium och inte har någon galvanisk kopplingskorrosionspotential. Borfibrer är svåra att använda om substratytan har en konturform. Borfibrer är mycket dyra och kan vara farliga för personalen. Borfibrer används främst inom militärflyget.

Ceramisk fiber

Keramiska fibrer används i högtemperaturapplikationer som turbinblad för gasturbinmotorer. Keramiska fibrer kan användas för temperaturer upp till 2200 grader F.

Låtskyddsfiber

Aluminiumplan är mycket ledande och kan avleda höga strömmar från blixtnedslag. Kolfiber är 1,000 gånger mer motståndskraftig mot ström än aluminium, och epoxiharts är 1,000,000 gånger mer motståndskraftig (dvs. vinkelrätt mot huden). Ytan på externa kompositkomponenter består vanligtvis av ett eller flera lager av ledande material för åskskydd eftersom kompositer är mindre ledande än aluminium. Många olika typer av ledande material används, allt från nickelpläterad grafitduk till metallnät till aluminiserade glasfibrer till ledande beläggningar. Materialet kan användas som ett våt lay-up lager eller prepreg.

Förutom normala strukturella reparationer måste tekniker återskapa designen till komponentens konduktivitet. Dessa typer av reparationer kräver ofta konduktivitetstestning med en motståndsmätare för att verifiera hela strukturens minsta motstånd. Vid reparation av dessa typer av strukturer är det mycket viktigt att endast använda godkända material från auktoriserade leverantörer, inklusive sådant som ingjutningsmassa, tätningsmedel och lim. Som visas i figurerna 8 och 9

Bild 8: Åskskyddsmaterial av kopparnät

Bild 9: Åskskyddsmaterial av aluminiumnät