Täiustatud komposiitmaterjalide jaotusmaterjal (I): laminaadid, kiutüübid ja rakendused

Lamineeritud struktuur

Komposiidid koosnevad materjalide kombinatsioonist, mis on omavahel segatud, et saavutada spetsiifilised struktuuriomadused. Üksikud materjalid ei lahustu ega sulandu täielikult komposiidiks, vaid toimivad koos tervikuna. Sageli on komponentidevahelised liidesed füüsiliselt tuvastatavad. Komposiitmaterjali omadused on paremad kui üksikute materjalide omadused, millest see koosneb.

Täiustatud komposiitmaterjal on valmistatud vaigumaatriksisse lahustatud kiudmaterjalist, mis on tavaliselt lamineeritud vaheldumisi orienteeritud kiududega, et anda materjalile tugevust ja jäikust. Kiudmaterjalid ei ole levinud; puit on inimesele kõige levinum kiuline konstruktsioonimaterjal.

Komposiitide rakendused õhusõidukites hõlmavad järgmist

- Deflektor

-Lennujuhtimispinnad

-Teliku uksed

-Tiiva ja stabilisaatori esi- ja tagaservapaneelid

- Sisemised komponendid

-Põrandatalad ja põrandapaneelid

-Suurte lennukite vertikaalsed ja horisontaalsed stabilisaatori põhistruktuurid

-Uue põlvkonna suurte lennukite peamised tiiva- ja kerekonstruktsioonid

-Turbiinmootori ventilaatori labad

- Propeller

Laminaatide põhikomponendid

Isotroopsel materjalil on kõikides suundades ühtsed omadused (see tähendab sama materjali isotroopseid omadusi). Isotroopsete materjalide mõõdetud omadused ei sõltu katseteljest. Alumiiniumi ja titaani, mis on metallmaterjalid, kasutatakse näidetena isotroopsete materjalide illustreerimiseks.

Kiud on komposiitide peamised kandvad elemendid. Komposiitidel on tugevus ja jäikus ainult kiudude suunas. Ühesuunalistel komposiitidel on valdavalt mehaanilised omadused ühes suunas, mida nimetatakse anisotroopiaks, kus mehaanilised või füüsikalised omadused erinevad materjalile omase loomuliku tugitelje suunast. Kiududega tugevdatud komposiitmaterjalidest valmistatud komponendid saab konstrueerida nii, et kiudude orientatsioon annab parimad mehaanilised omadused, kuid need võivad läheneda ainult metallide, nagu alumiinium ja titaan, tõeliselt isotroopsetele omadustele.

Komposiitmaatriks toetab kiude ja seob need komposiidis. Maatriks kannab kiududele üle kõik rakendatud koormused, hoiab kiud oma asendis ja valitud orientatsioonis, annab komposiidi keskkonnakindluse ja määrab komposiidi maksimaalse kasutustemperatuuri.

Omadused

Komposiitlaminaatide struktuursed omadused, nagu jäikus, mõõtmete stabiilsus ja tugevus, sõltuvad laminaatide virnastamisjärjekorrast. Virnastamisjärjekord kirjeldab paigutussuundade jaotust laminaadi paksuses. Kui valitud orientatsiooniga kihtide arv suureneb, on võimalik rohkem virnastamisjärjekordi. Näiteks nelja erineva paigutuse orientatsiooniga sümmeetrilisel kaheksakihilisel laminaadil on 24 erinevat virnastamisjärjekorda.

Kiudude suund

Komposiidi tugevus ja jäikus sõltuvad kihtide orientatsiooni järjekorrast. Süsinikkiudude tegelik tugevus ja jäikus ulatub madalatest kuni kõrgete väärtusteni, näiteks klaaskiudude puhul, kuni titaankiudude kõrgete tugevuse ja jäikuse väärtusteni. Selle väärtuste vahemiku määrab laminaadi orientatsioon rakendatavale koormusele. Täiustatud komposiitide puhul on konstruktsiooni tõhusa disaini tagamiseks vajalik paigutuse õige valik. Osa võib vajada 0-kraadiseid reaktiivseid aksiaalseid koormusi, ±45-kraadiseid reaktiivseid nihkekoormusi ja 90-kraadiseid reaktiivseid külgkoormusi. Kuna tugevuse konstruktsiooninõuded sõltuvad rakendatud koormuse suunast, peab kihtide suund ja kihtide järjestus olema õiged. Remondiprotsessi käigus on ülioluline asendada iga kahjustatud kiht sama materjali ja orientatsiooniga kihiga.

Kiud monoliitses materjalis liiguvad ühes suunas, kusjuures tugevus ja jäikus on ainult kiudude suunas. Prepreg (prepreg film) teibid on näide ühesuunalisest paigutuse orientatsioonist.

Kahesuunalise materjali kiud voolavad kahes suunas, tavaliselt 90-kraadise vahega. Tavalised struktuurid on näide kahesuunalistest paigutussuundadest. Nende paigutussuundade tugevus on mõlemas suunas, kuid mitte tingimata sama tugev. Nagu on näidatud joonisel 1

Kvaasiisotroopsetel paigutustel on kihtide järjestused 0 kraadi, -45 kraadi, 45 kraadi ja 90 kraadi või 0 kraadi, -60 kraadi ja 60 kraadi. Seda tüüpi kihtide orientatsioonid simuleerivad isotroopsete materjalide omadusi, nagu on näidatud joonisel 2. Paljud lennunduses kasutatavad komposiitstruktuurid on valmistatud kvaasiisotroopsetest materjalidest.

Joonis 1: Kahe- ja ühesuunalise sillutusmaterjali omadused

Joonis 2: Sümmeetrilised isotroopse materjali paigutused

Warp suund

Lõime suund viitab kanga pikisuunalistele kiududele. Kiudude sirguse tõttu on lõime suund suure tugevuse suund. Lõime lõime suunda kasutatakse kiudude suuna kirjeldamiseks diagrammil, spetsifikatsioonilehel või tootja lehel. Kui kangal ei ole lõime suunda, on lõime suunaks vaikimisi null, kui kangas tuleb rullist lahti. Seetõttu on 90 kraadi nulli kanga laius. Nagu on näidatud joonisel 3

Joonis 3: Twist Lock

Fiberi konfiguratsioon

Kõik tootevormid algavad tavaliselt ühesuunalise toorkiudude reaga, mis on pakitud pidevateks kiududeks. Individuaalset kiudu nimetatakse hõõgniidiks. Mõistet "niit" kasutatakse ka üksiku klaaskiu tähistamiseks. Kimpus olevaid filamente võib liigitada kedratud lõngadeks, lõngadeks või heieteks. Klaaskiust lõngad on keerdunud, kevlar® lõngad aga mitte. Hõõgniitkimpudel ja heietel ei ole keerdu. Enamik kiude on kuivad kiud ja neid tuleb enne kasutamist immutada vaiguga (eelimmutamine) või eelimmutatud materjaliga, kui vaik on juba kiududele kantud.

Jämedad kiud (lõngakimbud)

Heide on filamentide või kiudude otste rühm, näiteks 20- või 60-otsklaasi heietus. Kõik hõõgniidid on orienteeritud samas suunas ega ole keerdunud. Süsinikkiust heieteks nimetatakse tavaliselt 3K, 6K või 12K heidet, kusjuures K tähistab 1000 filamenti. Enamikus rändtoodete rakendustes kasutatakse kiudude mähimiseks ja seejärel vaiguga kõvendamiseks lõplikku konfiguratsiooni.

Ühesuunaline (koos)

Ühesuunalised eelteibid on olnud kosmosetööstuse standard juba aastaid ning kiud on tavaliselt immutatud termoreaktiivse vaiguga. Kõige tavalisem valmistamismeetod seisneb kollimeeritud toore (kuiv) kiudude tõmbamises immutusmasinasse, kus kuumsulav vaik seotakse kiududega kuumuse ja rõhu abil. Linttootel on kiudude suunas suur tugevus ja kiudude tugevus peaaegu puudub. Kiude hoiab paigal vaik. Teibid on tugevamad kui kootud kangad. Nagu on näidatud joonisel 4

Joonis 4: Teibid ja kangatooted

Kangas

Keerulise kujuga lamineerimisel pakuvad enamik kangakonstruktsioone rohkem paindlikkust kui sirged ühesuunalised teibid. Kangad pakuvad võimalust immutada vaiku lahusega või kuumsulatusmeetodil. Tavaliselt kasutatakse struktuursete kangaste puhul sama kaalu või saagikusega kiude või kiude nii lõime (pikisuunas) kui ka koe (ristisuunas) suunas. Lennunduskonstruktsioonide puhul on tihedalt kootud kangad sageli kaalusäästlik valik, mis vähendab vaigu tühimike suurust ja säilitab tootmise ajal kiudude orientatsiooni.

Kangastruktuur koosneb tavaliselt tugevdatud tugevduskimpudest, -kiududest või -lõngadest, mis on kudumisprotsessi käigus põimitud. Levinumad kangastiilid on tavaline koe või satiinkude. Lihtkoelised struktuurid moodustuvad kiudude vaheldumisel iga ristuva ahela (kimp, kobar või lõng) kohal ja all. Tavalistes satiinist kudumisstiilides, nagu 5- või 8-kimp, liiguvad kiud harvemini edasi-tagasi lõime ja koe suunas.

Need satiinkangad on vähem kurrutatud ja kergemini deformeeruvad kui tavalised kangad. Lihtsas koes ja enamikus 5 või 8 kimpkangas on lõime ja koe suunas võrdne arv kiudusid. Näiteks: 3K tavalisel kudumisel on tavaliselt lisanimi, näiteks 12 x 12, mis tähendab 12 takut tolli kohta kummaski suunas. Seda arvu tähistust saab muuta, et suurendada või vähendada kanga kaalu või mahutada erinevaid kiude erineva raskusega. Nagu on näidatud joonisel 5

Joonis 5: Tüüpiline kangakudumisstiil

Lausriie (kootud või õmmeldud)

Kootud või õmmeldud kangad võivad pakkuda paljusid ühesuunalise lindi mehaanilisi eeliseid. Kiudude paigutus võib olla sirge või ühesuunaline, ilma kootud kangaste üles-alla pööreteta. Pärast ühe või mitme kipsplaadi kihi eelvalitud orientatsiooni õmmeldakse kiud kokku peenete lõngade või niitidega, et kiud paigal hoida. Seda tüüpi kangad pakuvad laia valikut mitmekihilisi orientatsioone. Kuigi kaal võib lisanduda või mõned lõplikud tugevdava kiu omadused võivad kaduda, võib kihtidevahelisi nihke- ja tugevusomadusi mõnevõrra parandada. Mõned tavalised õmbluslõngad on polüester, aramiid või termoplast. Nagu on näidatud joonisel 6

Joonis 6: Lausmaterjalid (õmblemine)

Kiudude tüübid

Glass kiud

Klaaskiudu kasutatakse tavaliselt õhusõidukite sekundaarsetes struktuurides, nagu katted, radoomid ja tiivaotsad. Klaaskiude kasutatakse ka helikopteri rootori labades. Lennundustööstuses kasutatakse mitut tüüpi klaaskiudu. Elektrooniline klaaskiud ehk E-klaas on selliste elektrooniliste rakenduste jaoks tunnustatud. Sellel on kõrge vastupidavus elektrivooludele. E-klaas on valmistatud boorsilikaatklaaskiududest.S-klaas ja S2-klaas on struktuursed klaaskiud, millel on suurem tugevus kui E-klaasil.S-klaasi klaaskiud on valmistatud magneesium-alumiiniumsilikaatidest. Klaaskiudude eelisteks on teistest komposiitidest madalam hind, keemiline või elektriline takistus ning elektrilised omadused (klaaskiud ei juhi elektrit). Klaaskiud on valget värvi ja neid saab kasutada kuiva kiudkangana või prepregmaterjalina.

Aramidkiud

Kevlar on DuPonti aramiidkiu nimi. Aramiidkiud on kerged, tugevad ja sitked. Lennundustööstuses kasutatakse kahte tüüpi aramiidkiude; Kevlar® 49 on suure jäikusega ja Kevlar® 29 on madala jäikusega. Aramiidkiudude eeliseks on see, et need on väga vastupidavad löögikahjustustele, mistõttu kasutatakse neid tavaliselt piirkondades, mis on vastuvõtlikud löögikahjustustele. Aramiidkiudude peamiseks puuduseks on nende kokkusurutavuse ja niiskuse neeldumise üldised puudujäägid. Hooldusaruanded näitavad, et mõned kevlar®-ist valmistatud osad imavad vett kuni 8% oma massist. Seetõttu tuleb aramiidkiududest valmistatud osi kaitsta keskkonna eest. Teine puudus on see, et kevlarkiude on raske puurida ja lõigata. Kiud kihistuvad kergesti ja nende lõikamiseks on vaja spetsiaalseid kääre.

Kevlarit kasutatakse tavaliselt sõjalistes ballistilistes ja soomusvestides. Sellel on naturaalne kollane värv ja see on saadaval kuivkangana ja prepregmaterjalina. Aramiidkiu kimbu suurus ei sõltu kiudude (nt süsinik- või klaaskiud) arvust, vaid pigem kaalust.

Süsinik-/grafiitkiud

Esimene erinevus selle kiu vahel on süsinik- ja grafiitkiudude vahel, kuigi termineid kasutatakse sageli vaheldumisi. Süsinik- ja grafiitkiud põhinevad üksikute grafiidi (kuusnurksete) kihtide võrgustikul süsinikus. Materjali määratletakse grafiidina, kui üksikud grafiidikihid või tasapinnad on virnastatud kolmemõõtmelises järjestuses. Selle tellimuse moodustamiseks on tavaliselt vaja pikemat aega ja temperatuuri töötlemist, mis muudab grafiitkiud kallimaks. Tasapindadevaheline side on nõrk. Häire tekib sageli nii, et kihtides on ainult kahemõõtmeline järjekord. See materjal on määratletud kui süsinikkiud.

Süsinikkiud on väga sitke ja 3–10 korda jäigem kui klaaskiud. Süsinikkiudu kasutatakse õhusõidukite konstruktsioonirakendustes, nagu põhjatalad, stabilisaatorid, lennujuhtimisseadmed ning peamised kere- ja tiivakonstruktsioonid. Eelised hõlmavad suurt tugevust ja korrosioonikindlust. Puudused hõlmavad madalamat elektrijuhtivust kui alumiiniumist; seetõttu tuleb pikselöögile vastuvõtlikele lennukikomponentidele paigaldada piksevõrk või piksekindel kate. Teine süsinikkiu puudus on selle kõrge hind. Süsinikkiud on halli või musta värvi ning on saadaval kuivkangana ja prepregmaterjalina. Metallist kinnitusdetailide ja -konstruktsioonidega kasutamisel on süsinikkiul suur potentsiaal põhjustada galvaanilise siduri korrosiooni.

Joonis 7: klaaskiud (vasakul), aramiidkiud (keskel), süsinikkiudmaterjal (paremal)

Boron kiud

Boorkiud on väga kõvad ning neil on kõrge tõmbe- ja survetugevus. Kiud on suhteliselt suure läbimõõduga ja ei paindu hästi; seetõttu saab neid kasutada ainult prepreg linttoodetena. Boorkiududega kasutatakse sageli epoksüvaigu maatrikseid. Boorikiude kasutatakse pragunenud alumiiniumist lennukikorpuste parandamiseks, kuna boori soojuspaisumine on lähedane alumiiniumi omale ja sellel puudub galvaanilise sideme korrosioonipotentsiaal. Boorikiude on raske kasutada, kui aluspinna pind on kontuuriga. Boorkiud on väga kallid ja võivad olla personalile ohtlikud. Boorikiude kasutatakse peamiselt sõjalennunduses.

Ceraamiline kiud

Keraamilisi kiude kasutatakse kõrge temperatuuriga rakendustes, näiteks gaasiturbiinmootorite turbiinilabades. Keraamilisi kiude saab kasutada temperatuuridel kuni 2200 kraadi F.

Lpiksekaitsekiud

Alumiiniumtasapinnad on väga juhtivad ja võivad hajutada pikselöögist tingitud suuri voolusid. Süsinikkiud on 1,000 korda vastupidavam voolule kui alumiinium ja epoksüvaik on 1,000,000 korda vastupidavam (st nahaga risti). Väliste komposiitkomponentide pind koosneb tavaliselt piksekaitseks juhtiva materjali kihist või kihtidest, kuna komposiidid on alumiiniumist vähem juhtivad. Kasutatakse palju erinevat tüüpi juhtivaid materjale, alates nikeldatud grafiitkangast kuni metallvõrguni ja lõpetades aluminiseeritud klaaskiududega ja lõpetades juhtivate kattekihtidega. Materjali saab kasutada märja kattekihina või prepreg-kihina.

Lisaks tavalistele konstruktsiooniremonditöödele peavad tehnikud konstruktsiooni uuesti looma vastavalt komponendi juhtivusele. Seda tüüpi remonditööd nõuavad sageli juhtivuse testimist takistusmõõturiga, et kontrollida kogu konstruktsiooni minimaalset takistust. Seda tüüpi konstruktsioonide parandamisel on väga oluline kasutada ainult volitatud tarnijate heakskiidetud materjale, sealhulgas selliseid materjale nagu pottsegud, hermeetikud ja liimid. Nagu on näidatud joonistel 8 ja 9

Joonis 8: Vaskvõrgust piksekaitsematerjal

Joonis 9: Alumiiniumvõrgust piksekaitsematerjal