Napredni kompozitni materijal (I): laminati, vrste vlakana i primjene

Laminirana struktura

Kompoziti se sastoje od kombinacije materijala koji se miješaju kako bi se postigla specifična strukturna svojstva. Pojedinačni materijali se ne rastvaraju u potpunosti ili spajaju u kompozit, ali će djelovati zajedno kao cjelina. Često se interfejsi između komponenti mogu fizički prepoznati. Svojstva kompozitnog materijala su superiornija od svojstava pojedinačnih materijala od kojih je sastavljen.

Napredni kompozitni materijal napravljen je od vlaknastog materijala otopljenog u matrici smole, obično laminiranog naizmjenično orijentiranim vlaknima kako bi se pružila čvrstoća i krutost materijala. Vlaknasti materijali nisu uobičajeni; drvo je najčešći vlaknasti strukturni materijal poznat čovjeku.

Primjena kompozita u zrakoplovima uključuje

-Deflektor

-Površine za kontrolu leta

-Vrata stajnog trapa

- Ploče prednje i zadnje ivice krila i stabilizatora

-Unutrašnje komponente

-Podne grede i podne ploče

-Primarne strukture vertikalnih i horizontalnih stabilizatora za velike avione

-Glavne konstrukcije krila i trupa nove generacije velikih aviona

-Lopatice ventilatora turbinskog motora

-Propeler

Glavne komponente laminata

Izotropni materijal ima ujednačena svojstva u svim smjerovima (što znači izotropna svojstva istog materijala). Izmjerena svojstva izotropnih materijala su nezavisna od ispitne ose. Aluminij i titan, koji su metalni materijali, koriste se kao primjeri za ilustraciju izotropnih materijala.

Vlakna su glavni nosivi elementi kompozita. Kompoziti imaju snagu i krutost samo u smjeru vlakana. Jednosmjerni kompoziti imaju pretežno mehanička svojstva u jednom smjeru, poznata kao anizotropija, gdje se mehanička ili fizička svojstva razlikuju od smjera prirodne referentne ose svojstvene materijalu. Komponente napravljene od kompozita ojačanih vlaknima mogu se dizajnirati tako da orijentacija vlakana daje najbolja mehanička svojstva, ali se mogu približiti samo istinski izotropnim svojstvima metala, kao što su aluminij i titan.

Kompozitna matrica podržava vlakna i spaja ih u kompozit. Matrica prenosi sva primijenjena opterećenja na vlakna, održava vlakna u njihovom položaju i odabranoj orijentaciji, daje otpornost kompozitu na okolinu i određuje maksimalnu radnu temperaturu kompozita.

Svojstva

Strukturna svojstva kompozitnih laminata, kao što su krutost, stabilnost dimenzija i čvrstoća, zavise od redosleda slaganja laminata. Redoslijed slaganja opisuje raspodjelu orijentacija polaganja u debljini laminata. Kako se broj slojeva sa odabranim orijentacijama povećava, moguće je više redosleda slaganja. Na primjer, simetrični osmoslojni laminat sa četiri različite orijentacije polaganja ima 24 različita reda slaganja.

Smjer vlakana

Čvrstoća i krutost kompozita zavise od redosleda kojim su slojevi orijentisani. Stvarna čvrstoća i krutost karbonskih vlakana kreće se od niskih do visokih vrijednosti, kao što su one koje pružaju staklena vlakna, do visokih vrijednosti čvrstoće i krutosti koje pružaju titanijska vlakna. Ovaj raspon vrijednosti određen je orijentacijom laminata prema primijenjenom opterećenju. U naprednim kompozitima, pravilan odabir orijentacije polaganja neophodan je kako bi se obezbijedio efikasan dizajn strukture. Dio može zahtijevati reaktivna aksijalna opterećenja od 0 stepena, reaktivna posmična opterećenja od ±45 stepeni i reaktivna bočna opterećenja od 90 stepeni. Budući da su zahtjevi za projektiranje čvrstoće funkcija smjera primijenjenog opterećenja, orijentacija sloja i redoslijed slojeva moraju biti ispravni. Tokom procesa popravke, ključno je zamijeniti svaki oštećeni sloj slojem istog materijala i orijentacije.

Vlakna u monolitnom materijalu kreću se u jednom smjeru, sa čvrstoćom i krutošću samo u smjeru vlakana. Prepreg (prepreg film) trake su primjer jednosmjerne orijentacije polaganja.

Vlakna u dvosmjernom materijalu teku u dva smjera, obično međusobno udaljena 90 stepeni. Obične strukture su primjer dvosmjernih smjerova polaganja. Ovi pravci polaganja imaju snagu u oba smjera, ali ne nužno istu snagu. Kao što je prikazano na slici 1

Kvazi-izotropni slojevi imaju sekvence slojeva od 0 stepena, -45 stepena, 45 stepeni i 90 stepeni ili 0 stepeni, -60 stepena i 60 stepeni. Ove vrste orijentacija slojeva simuliraju svojstva izotropnih materijala kao što je prikazano na slici 2. Mnoge vazduhoplovne kompozitne strukture su napravljene od kvazi-izotropnih materijala.

Slika 1: Svojstva dvosmjernog i jednosmjernog materijala za popločavanje

Slika 2: Simetrični izotropni slojevi materijala

Warp smjer

Smjer osnove se odnosi na uzdužna vlakna tkanine. Zbog ravnosti vlakana, smjer osnove je pravac velike čvrstoće. Smjer osnove osnove se koristi za opisivanje smjera vlakana na grafikonu, listu specifikacija ili listu proizvođača. Ako nema smjera osnove na tkanini, smjer osnove se po zadanom postavlja na nulu kada se tkanina skida sa rolne. Dakle, 90 stepeni prema nuli je širina tkanine. Kao što je prikazano na slici 3

Slika 3: Twist Lock

Fiber konfiguracija

Svi oblici proizvoda obično počinju jednosmjernom linijom sirovih vlakana koja su pakirana u kontinuirane niti. Pojedinačno vlakno se naziva filament. Termin "nit" se također koristi za označavanje pojedinačnih staklenih vlakana. Složeni filamenti se mogu kategorizirati kao predena pređa, pređa ili roving. Predivo od fiberglasa je upredeno, dok kevlar® pređa nije. Snopovi filamenta i rovingi nemaju nikakvog uvijanja. Većina vlakana su suha vlakna i potrebno ih je impregnirati smolom prije upotrebe (pre-impregnacija) ili prethodno impregniranim materijalom gdje je smola već nanesena na vlakna.

Gruba vlakna (snopovi pređe)

Roving je grupa filamenata ili krajeva vlakana, kao što je 20- ili 60- kraj staklenog rovinga. Svi filamenti su orijentisani u istom pravcu i nisu uvrnuti. Rovingi od karbonskih vlakana se obično identifikuju kao 3K, 6K ili 12K rovings, pri čemu K označava 1000 filamenata. Većina aplikacija za roving proizvode koristi trn za namotavanje vlakana i zatim očvršćavanje smolom do konačne konfiguracije.

Jednosmjerno (sa)

Jednosmjerne prepreg trake su već dugi niz godina standard u zrakoplovnoj industriji, a vlakna su obično impregnirana termoreaktivnom smolom. Najčešći način pripreme uključuje uvlačenje kolimiranih sirovih (suhih) niti u mašinu za impregnaciju, gdje se vruća topljena smola vezuje za niti pomoću topline i pritiska. Proizvod trake ima veliku čvrstoću u smjeru vlakana i gotovo nikakvu čvrstoću u vlaknima. Vlakna se drže na mjestu pomoću smole. Trake su jače od tkanih tkanina. Kao što je prikazano na slici 4

Slika 4: Trake i proizvodi od tkanine

Fabric

Za složene laminacije, većina konstrukcija od tkanine nudi veću fleksibilnost od ravnih jednosmjernih traka. Tkanine nude mogućnost impregniranja smole putem otopine ili procesa vrućeg topljenja. Tipično, tkanine za strukturalne primjene koriste vlakna ili niti iste težine ili popuštanja u oba smjera osnove (uzdužni) i potke (poprečni). Za vazduhoplovne strukture, čvrsto tkane tkanine su često izbor za uštedu težine, smanjujući veličinu šupljina od smole i održavajući orijentaciju vlakana tokom proizvodnje.

Struktura tkanine se obično sastoji od ojačanih snopova ojačanja, niti ili niti koji se isprepliću tokom procesa tkanja. Češći stilovi tkanina su obično ili satensko tkanje. Strukture ravnog tkanja formiraju se naizmjeničnim vlaknima iznad i ispod svake ukrštene niti (snop, snop ili pređa). U uobičajenim stilovima satenskog tkanja, kao što su 5- ili 8-snop, vlakna se rjeđe pomiču naprijed-nazad u smjeru osnove i potke.

Ove satenske tkanine se manje savijaju i lakše se deformiraju od običnih tkanina. U običnim tkanjima i većini tkanina od 5 ili 8 snopova, postoji jednak broj vlakana u smjeru osnove i potke. Na primjer: 3K obična tkanja obično imaju dodatni naziv kao što je 12 x 12, što znači 12 vuča po inču u svakom smjeru. Ova oznaka broja može se promijeniti kako bi se povećala ili smanjila težina tkanine, ili da bi se prilagodila različita vlakna različite težine. Kao što je prikazano na slici 5

Slika 5: Tipičan stil tkanja tkanine

Netkane tkanine (tkane ili šivene)

Tkane ili šivene tkanine mogu ponuditi mnoge od mehaničkih prednosti jednosmjerne trake. Postavljanje vlakana može biti ravno ili jednosmjerno, bez okretanja tkanih tkanina gore-dolje. Nakon prethodno odabrane orijentacije jednog ili više slojeva suhozida, vlakna se šivaju zajedno s finim nitima ili nitima kako bi se vlakna držala na mjestu. Ove vrste tkanina pružaju širok raspon višeslojnih orijentacija. Iako se može dodati određena težina ili se mogu izgubiti neka od konačnih svojstava vlakana za ojačanje, mogu se postići određena poboljšanja u svojstvima interlaminarnog smicanja i čvrstoće. Neka uobičajena šivaća pređa su poliesterska, aramidna ili termoplastična. Kao što je prikazano na slici 6

Slika 6: Netkani materijali (šivanje)

Vrste vlakana

Glass fiber

Fiberglas se obično koristi u sekundarnim strukturama aviona, kao što su oklopi, radom i vrhovi krila. Staklena vlakna se također koriste u lopaticama rotora helikoptera. Postoji nekoliko vrsta staklenih vlakana koji se koriste u avio industriji. Elektronska staklena vlakna, ili E-staklo, prepoznata su za takve elektronske aplikacije. Ima visoku otpornost na električne struje. E-staklo je napravljeno od borosilikatnih staklenih vlakana.S-staklo i S2-staklo su strukturalna staklena vlakna koja imaju veću čvrstoću od E-stakla.S-staklena vlakna su napravljena od magnezijum-aluminijum silikata. Prednosti staklenih vlakana su niža cijena od ostalih kompozita, kemijska ili električna otpornost i električna svojstva (staklena vlakna ne provode električnu energiju). Staklena vlakna su bijele boje i mogu se koristiti kao tkanine od suhih vlakana ili prepregovi.

Aramidno vlakno

Kevlar je naziv DuPontovog aramidnog vlakna. Aramidna vlakna su lagana, jaka i čvrsta. Dvije vrste aramidnih vlakana koriste se u zrakoplovnoj industriji; Kevlar® 49 ima visoku krutost, a Kevlar® 29 nisku krutost. Prednost aramidnih vlakana je u tome što su vrlo otporna na oštećenja od udara, tako da se obično koriste u područjima podložnim oštećenju od udarca. Glavni nedostatak aramidnih vlakana je njihov opći nedostatak u stišljivosti i apsorpciji vlage. Servisni izvještaji pokazuju da neki dijelovi napravljeni od kevlara® apsorbiraju do 8% svoje težine u vodi. Dijelovi napravljeni od aramidnih vlakana stoga moraju biti zaštićeni od okoline. Još jedan nedostatak je što se vlakna kevlara teško buše i seku. Vlakna se lako skupljaju i zahtijevaju posebne makaze za njihovo rezanje.

Kevlar se obično koristi u vojnim balističkim i tjelesnim oklopima. Prirodne je žute boje i dostupan je kao suha tkanina i prepreg. Veličina snopa aramidnih vlakana ne ovisi o broju vlakana poput karbonskih ili staklenih vlakana, već o težini.

Karbon/grafita vlakna

Prva razlika između ovog vlakna je između karbonskih i grafitnih vlakana, iako se termini često koriste naizmjenično. Ugljična i grafitna vlakna temelje se na mreži pojedinačnih grafitnih (heksagonalnih) slojeva u ugljiku. Materijal se definiše kao grafit ako su pojedinačni grafitni slojevi ili ravni složeni u trodimenzionalni niz. Za formiranje ove narudžbe obično je potrebno produženo vrijeme i temperaturna obrada, što čini grafitna vlakna skupljima. Veza između aviona je slaba. Poremećaj se često javlja tako da u slojevima postoji samo dvodimenzionalni poredak. Ovaj materijal je definiran kao karbonska vlakna.

Ugljična vlakna su vrlo čvrsta i 3 do 10 puta čvršća od staklenih vlakana. Ugljična vlakna se koriste u konstrukcijskim aplikacijama aviona kao što su donje grede, stabilizatori, kontrole leta i glavne strukture trupa i krila. Prednosti uključuju visoku čvrstoću i otpornost na koroziju. Nedostaci uključuju nižu električnu provodljivost od aluminija; stoga, za komponente aviona koje su podložne udarima groma, mora se postaviti gromobranska mreža ili premaz otporan na munje. Još jedan nedostatak karbonskih vlakana je njegova visoka cijena. Karbonska vlakna su sive ili crne boje i dostupna su kao suha tkanina i prepreg. Kada se koristi s metalnim zatvaračima i strukturama, karbonska vlakna imaju veliki potencijal da izazovu koroziju galvanske spojnice.

Slika 7: Staklena vlakna (lijevo), aramidna vlakna (sredina), materijal od karbonskih vlakana (desno)

Boronova vlakna

Borna vlakna su vrlo tvrda i imaju visoku vlačnu i tlačnu čvrstoću. Vlakna su relativno velikog prečnika i ne savijaju se dobro; stoga se mogu koristiti samo kao proizvodi za prepreg traku. Matrice od epoksidne smole često se koriste s vlaknima bora. Borna vlakna se koriste za popravku napuklog aluminijumskog kućišta aviona jer je termičko širenje bora blisko toplotnom širenju aluminijuma i nema potencijal korozije galvanske sprege. Borna vlakna se teško koriste ako površina podloge ima konturiran oblik. Borna vlakna su veoma skupa i mogu biti opasna za osoblje. Borna vlakna se prvenstveno koriste u vojnoj avijaciji.

Ceramsko vlakno

Keramička vlakna se koriste u aplikacijama na visokim temperaturama, kao što su lopatice turbina za gasnoturbinske motore. Keramička vlakna se mogu koristiti za temperature do 2200 stepeni F.

Lvlakna za zaštitu od groma

Aluminijske ravnine su vrlo provodljive i mogu raspršiti velike struje od udara groma. Ugljična vlakna su 1,000 puta otpornija na struju od aluminijuma, a epoksidna smola je 1,000,000 puta otpornija (tj. okomita na kožu). Površina vanjskih kompozitnih komponenti obično se sastoji od sloja ili slojeva provodnog materijala za zaštitu od groma jer su kompoziti manje provodljivi od aluminija. Koriste se mnoge različite vrste provodljivih materijala, od niklovane grafitne tkanine do metalne mreže do aluminiziranih staklenih vlakana do provodljivih premaza. Materijal se može koristiti kao mokri sloj za polaganje ili prepreg.

Pored uobičajenih strukturalnih popravki, tehničari moraju ponovo kreirati dizajn prema provodljivosti komponente. Ove vrste popravaka često zahtijevaju ispitivanje provodljivosti pomoću mjerača otpora kako bi se provjerio minimalni otpor cijele konstrukcije. Prilikom popravke ovakvih konstrukcija, vrlo je važno koristiti samo odobrene materijale od ovlaštenih dobavljača, uključujući takve stvari kao što su smjese za zalivanje, zaptivne mase i ljepila. Kao što je prikazano na slikama 8 i 9

Slika 8: Zaštitni materijal od bakrene mreže

Slika 9: Aluminijumska mrežasta gromobranska zaštita