Advanced Composites Handout (I): Laminater, fibertyper og applikationer

Lamineret struktur

Kompositmaterialer består af en kombination af materialer, der blandes sammen for at opnå specifikke strukturelle egenskaber. De enkelte materialer opløses eller smelter ikke helt sammen i kompositten, men de vil fungere sammen som en helhed. Ofte kan grænsefladerne mellem komponenter fysisk genkendes. Egenskaberne af et kompositmateriale er bedre end egenskaberne af de enkelte materialer, som det er sammensat af.

Et avanceret kompositmateriale er lavet af et fibrøst materiale opløst i en harpiksmatrix, sædvanligvis lamineret af skiftevis orienterede fibre for at give styrke og stivhed til materialet. Fibrøse materialer er ikke almindelige; træ er det mest almindelige fibrøse strukturmateriale kendt af mennesket.

Anvendelser af kompositter i fly omfatter

- Deflektor

-Flyvekontrolflader

- Landings gear døre

- Vinge og stabilisator for- og bagkantpaneler

- Interne komponenter

- Gulvbjælker og gulvpaneler

-Lodret og vandret stabilisator primære strukturer til store fly

- Primære vinge- og skrogstrukturer i den nye generation af store fly

-Blæserblade til turbinemotorer

-Propel

Hovedkomponenter i laminater

Et isotropt materiale har ensartede egenskaber i alle retninger (hvilket betyder isotrope egenskaber af det samme materiale). De målte egenskaber af isotrope materialer er uafhængige af testaksen. Aluminium og titanium, som er metalliske materialer, bruges som eksempler for at illustrere illustrationen af ​​isotrope materialer.

Fibre er de vigtigste bærende elementer i kompositter. Kompositter har kun styrke og stivhed i fibrenes retning. Ensrettede kompositter har overvejende mekaniske egenskaber i én retning, kendt som anisotropi, hvor de mekaniske eller fysiske egenskaber adskiller sig fra retningen af ​​den naturlige referenceakse, der er iboende i materialet. Komponenter fremstillet af fiberforstærkede kompositter kan designes, så fiberorienteringen giver de bedste mekaniske egenskaber, men de kan kun nærme sig de virkelig isotrope egenskaber af metaller, såsom aluminium og titanium.

Kompositmatrixen understøtter fibrene og binder dem i kompositten. Matrixen overfører enhver påført belastning til fibrene, holder fibrene i deres position og valgte orientering, giver komposittens miljømæssige modstand og bestemmer komposittens maksimale driftstemperatur.

Egenskaber

De strukturelle egenskaber af kompositlaminater, såsom stivhed, dimensionsstabilitet og styrke, afhænger af laminaternes stablingsrækkefølge. Stablingsrækkefølgen beskriver fordelingen af ​​layup-orienteringer i laminatets tykkelse. Efterhånden som antallet af lag med udvalgte orienteringer stiger, er flere stablingsordrer mulige. For eksempel har et symmetrisk 8-lags laminat med fire forskellige layup-orienteringer 24 forskellige stablingsrækkefølger.

Fiberretning

Styrken og stivheden af ​​en komposit afhænger af den rækkefølge, lagene er orienteret i. Den faktiske styrke og stivhed af kulfibre spænder fra lave til høje værdier, såsom dem, der leveres af glasfibre, til høje værdier af styrke og stivhed, der leveres af titaniumfibre. Dette værdiinterval bestemmes af orienteringen af ​​laminatet i forhold til den påførte belastning. I avancerede kompositmaterialer er korrekt valg af layup-orientering nødvendigt for at give et effektivt design af strukturen. Delen kan kræve 0 graders lag reaktive aksiale belastninger, ±45 grader lags reaktive forskydningsbelastninger og 90 graders lag reaktive sidebelastninger. Da styrkedesignkravene er en funktion af retningen af ​​påførte belastninger, skal lagorienteringen og lagrækkefølgen være korrekte. Under reparationsprocessen er det afgørende at erstatte hvert beskadiget lag med et lag af samme materiale og samme orientering.

Fibrene i et monolitisk materiale bevæger sig i én retning, med styrke og stivhed kun i fibrenes retning. Prepreg (prepreg film) bånd er et eksempel på ensrettet layup orientering.

Fibre i et tovejs materiale flyder i to retninger, normalt 90 grader fra hinanden. Almindelige strukturer er et eksempel på tovejs oplægningsretninger. Disse layup-retninger har styrke i begge retninger, men ikke nødvendigvis den samme styrke. Som vist i figur 1

De kvasi-isotrope layups har lagsekvenser på 0 grader, -45 grader, 45 grader og 90 grader eller 0 grader, -60 grader og 60 grader. Disse typer af lagorienteringer simulerer egenskaberne af isotrope materialer som vist i figur 2. Mange kompositstrukturer til rumfart er lavet af kvasi-isotrope materialer.

Figur 1: Tovejs og ensrettet belægningsmaterialeegenskaber

Figur 2: Symmetriske isotrope materialelayups

Warp retning

Kædningsretningen refererer til stoffets langsgående fibre. På grund af fibrenes ligehed er kæderetning retningen af ​​høj styrke. Warp warp-retning bruges til at beskrive fibrenes retning på et diagram, specifikationsark eller producentens ark. Hvis der ikke er nogen kæderetning på stoffet, er kæderetningen som standard nul, når stoffet kommer af rullen. Derfor er 90 grader til nul stoffets bredde. Som vist i figur 3

Figur 3: Twist Lock

Fiber konfiguration

Alle produktformer starter normalt med en ensrettet linje af råfibre, der er pakket i kontinuerlige tråde. En individuel fiber kaldes en filament. Udtrykket "tråd" bruges også til at betegne en individuel glasfiber. De bundtede filamenter kan kategoriseres som spundet garn, garn eller rovings. Glasfibergarn er snoet, hvorimod kevlar®-garner ikke er det. Filamentbundter og rovings har ikke nogen snoning. De fleste fibre er tørre fibre og skal imprægneres med harpiks før brug (forimprægnering) eller med præimprægneret materiale, hvor harpiksen allerede er påført fibrene.

Grove fibre (garnbundter)

En roving er en gruppe af filamenter eller fiberender, som f.eks. 20- eller 60-endeglas. Alle filamenter er orienteret i samme retning og er ikke snoet. Kulfiberrovings er normalt identificeret som 3K, 6K eller 12K rovings, hvor K angiver 1000 filamenter. De fleste anvendelser af roving-produkter anvender en dorn til fibervikling og derefter harpikshærdning til den endelige konfiguration.

Ensrettet (med)

Ensrettede prepreg-tape har været standarden i flyindustrien i mange år, og fibrene er normalt imprægneret med en termohærdende harpiks. Den mest almindelige forberedelsesmetode går ud på at trække kollimerede rå (tørre) tråde ind i en imprægneringsmaskine, hvor hotmelt-harpiksen bindes til trådene ved varme og tryk. Tapeproduktet har høj styrke i fibrenes retning og næsten ingen styrke i fibrene. Fibrene holdes på plads af harpiksen. Tape er stærkere end vævede stoffer. Som vist i figur 4

Figur 4: Tape og stofprodukter

Stof

Til komplekst formede lamineringer tilbyder de fleste stofkonstruktioner mere fleksibilitet end lige ensrettede tape. Stoffer giver mulighed for at imprægnere harpiksen gennem en opløsning eller varmsmelteproces. Typisk bruger stoffer til strukturelle anvendelser fibre eller tråde med samme vægt eller udbytte i både kæde- (længde-) og skud- (tværgående) retninger. Til rumfartsstrukturer er tætvævede stoffer ofte det vægtbesparende valg, hvilket reducerer størrelsen af ​​harpikshulrum og bibeholder fiberorienteringen under fremstillingen.

Stofstrukturen består normalt af forstærkede forstærkningsbundter, tråde eller garner, der sammenflettes under vævningsprocessen. De mere almindelige stoftyper er almindelig vævning eller satinvævning. Plainvævede strukturer dannes af vekslende fibre over og under hver krydsende streng (bundt, bundt eller garn). I almindelige satinvævningstyper, såsom 5- eller 8-bundt, bevæger fibertrådene sig sjældnere frem og tilbage i kæderetningen og skudretningen.

Disse satinstoffer er mindre krympede og deformeres lettere end almindelige stoffer. I almindelig vævning og de fleste 5 eller 8 bundte stoffer er der lige mange fibertråde i kæde- og skudretningen. For eksempel: 3K almindelig vævning har normalt et ekstra navn, såsom 12 x 12, hvilket betyder 12 træk pr. tomme i hver retning. Denne tællebetegnelse kan ændres for at øge eller mindske vægten af ​​stoffet eller for at rumme forskellige fibre i forskellige vægte. Som vist i figur 5

Figur 5: Typisk stofvævestil

Ikke-vævede stoffer (vævede eller syede)

Vævede eller syede stoffer kan tilbyde mange af de mekaniske fordele ved ensrettet tape. Fiberplacering kan være lige eller ensrettet, uden op-og-ned-vendinger af vævede stoffer. Efter forudvalgt orientering af et eller flere lag gipsplader, sys fibrene sammen med fine garn eller tråde for at holde fibrene på plads. Disse typer stoffer giver en bred vifte af flerlagsorienteringer. Mens en vis vægt kan tilføjes, eller nogle af de endelige forstærkningsfiberegenskaber kan gå tabt, kan der opnås en vis forbedring i interlaminære forskydnings- og sejhedsegenskaber. Nogle almindelige sygarner er polyester, aramid eller termoplast. Som vist i figur 6

Figur 6: Ikke-vævede materialer (syning)

Typer af fibre

Gpige fiber

Glasfiber er almindeligt anvendt i sekundære strukturer af fly, såsom kåber, radomer og vingespidser. Glasfibre bruges også i helikopterrotorblade. Der er flere typer glasfibre, der bruges i flyindustrien. Elektronisk glasfiber, eller E-glas, er anerkendt til sådanne elektroniske applikationer. Det har en høj modstand mod elektriske strømme. E-glas er lavet af borosilikatglasfibre.S-glas og S2-glas er strukturelle glasfibre, der har højere styrke end E-glas.S-glasglasfibre er lavet af magnesium-aluminiumsilikater. Fordelene ved glasfibre er lavere omkostninger end andre kompositter, kemisk eller elektrisk modstand og elektriske egenskaber (glasfibre leder ikke elektricitet). Glasfibre er hvide i farven og kan bruges som tørre fiberstoffer eller prepregs.

Aramid fiber

Kevlar er navnet på DuPonts aramidfiber. Aramidfibre er lette, stærke og seje. To typer aramidfibre anvendes i flyindustrien; Kevlar® 49 har høj stivhed og Kevlar® 29 har lav stivhed. En fordel ved aramidfibre er, at de er meget modstandsdygtige over for stødskader, så de bruges ofte i områder, der er modtagelige for stødskader. Den største ulempe ved aramidfibre er deres generelle mangler i kompressibilitet og fugtabsorption. Servicerapporter viser, at nogle dele lavet af kevlar® absorberer op til 8 % af deres vægt i vand. Dele fremstillet af aramidfibre skal derfor beskyttes mod miljøet. En anden ulempe er, at kevlarfibre er svære at bore og skære. Fibrene fnugrer let og kræver en speciel saks for at klippe dem.

Kevlar er almindeligt anvendt i militær ballistiske og kropsrustningsapplikationer. Den har en naturlig gul farve og fås som tørt stof og prepreg. Størrelsen af ​​et aramidfiberbundt afhænger ikke af antallet af fibre som kul- eller glasfibre, men derimod af vægten.

Kulstof/grafitfiber

Den første forskel mellem denne fiber er mellem kul- og grafitfibre, selvom begreberne ofte bruges i flæng. Kulstof- og grafitfibre er baseret på et netværk af enkelte grafitlag (sekskantet) i kulstof. Et materiale defineres som grafit, hvis de enkelte grafitlag eller -planer er stablet i en tredimensionel sekvens. Forlænget tid og temperaturbehandling er normalt påkrævet for at danne denne rækkefølge, hvilket gør grafitfibre dyrere. Binding mellem fly er svag. Uorden opstår ofte sådan, at der kun eksisterer en todimensionel orden i lagene. Dette materiale er defineret som kulfiber.

Kulfiber er meget sejt og 3 til 10 gange stivere end glasfiber. Kulfiber bruges i flystrukturelle applikationer såsom bundbjælker, stabilisatorer, flyvekontroller og hovedkroppe og vingestrukturer. Fordelene omfatter høj styrke og korrosionsbestandighed. Ulemper omfatter lavere elektrisk ledningsevne end aluminium; For flykomponenter, der er modtagelige for lynnedslag, skal der derfor installeres et lyngitter eller en lynafvisende belægning. En anden ulempe ved kulfiber er dens høje omkostninger. Kulfiber er grå eller sort i farven og fås som tørt stof og prepreg. Når det bruges sammen med metalbefæstelser og strukturer, har kulfiber et stort potentiale til at forårsage galvanisk koblingskorrosion.

Figur 7: Glasfibre (venstre), aramidfibre (midten), kulfibermateriale (højre)

BOron fiber

Borfibre er meget hårde og har høj træk- og trykstyrke. Fibrene er relativt store i diameter og bøjer ikke godt; derfor kan de kun bruges som prepreg-tapeprodukter. Epoxyharpiksmatricer bruges ofte sammen med borfibre. Borfibre bruges til at reparere revnede aluminiumskabinetter, fordi bors termiske udvidelse er tæt på aluminiums og ikke har noget galvanisk koblingskorrosionspotentiale. Borfibre er vanskelige at bruge, hvis underlagets overflade har en konturform. Borfibre er meget dyre og kan være farlige for personalet. Borfibre bruges primært i militær luftfart.

Ceramisk fiber

Keramiske fibre bruges i højtemperaturapplikationer såsom turbinevinger til gasturbinemotorer. Keramiske fibre kan bruges til temperaturer op til 2200 grader F.

Llynbeskyttelsesfiber

Aluminiumsfly er meget ledende og kan sprede høje strømme fra lynnedslag. Kulfiber er 1,000 gange mere modstandsdygtig over for strøm end aluminium, og epoxyharpiks er 1,000,000 gange mere modstandsdygtig (dvs. vinkelret på huden). Overfladen af ​​eksterne kompositkomponenter består normalt af et eller flere lag af ledende materiale til lynbeskyttelse, fordi kompositter er mindre ledende end aluminium. Der anvendes mange forskellige typer ledende materialer, lige fra nikkelbelagt grafitdug til metalnet til aluminiserede glasfibre til ledende belægninger. Materialet kan bruges som et våd lay-up lag eller prepreg.

Ud over normale strukturelle reparationer skal teknikere genskabe designet til komponentens ledningsevne. Disse typer reparationer kræver ofte konduktivitetstest med en modstandsmåler for at verificere minimumsmodstanden for hele strukturen. Ved reparation af disse typer konstruktioner er det meget vigtigt kun at bruge godkendte materialer fra autoriserede leverandører, herunder ting som pottemasser, fugemasser og klæbemidler. Som vist i figur 8 og 9

Figur 8: Lynbeskyttelsesmateriale af kobbernet

Figur 9: Lynbeskyttelsesmateriale af aluminiumsnet