Advanced Composites -moniste (I): Laminaatit, kuitutyypit ja sovellukset

LAminoitu rakenne

Komposiitit koostuvat yhdistelmästä materiaaleja, joita sekoitetaan yhteen tiettyjen rakenteellisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. Yksittäiset materiaalit eivät täysin liukene tai sulaudu komposiittiin, vaan ne toimivat yhdessä kokonaisuutena. Usein komponenttien väliset rajapinnat voidaan tunnistaa fyysisesti. Komposiittimateriaalin ominaisuudet ovat parempia kuin yksittäisten materiaalien, joista se koostuu.

Edistyksellinen komposiittimateriaali on valmistettu kuitumateriaalista, joka on liuotettu hartsimatriisiin, yleensä laminoituna vuorotellen suunnatuilla kuiduilla materiaalin lujuuden ja jäykkyyden aikaansaamiseksi. Kuitumateriaalit eivät ole yleisiä; puu on yleisin ihmisen tuntema kuiturakennemateriaali.

Komposiittien sovelluksia lentokoneissa ovat mm

- Deflektori

-Lennonohjauspinnat

- Laskutelineen ovet

- Siipi- ja stabilointilevyt, etu- ja takareunapaneelit

-Sisäiset komponentit

- Lattiapalkit ja lattiapaneelit

-Pysty- ja vaakasuuntaiset stabilaattorin perusrakenteet suurille lentokoneille

-Uuden sukupolven suurten lentokoneiden tärkeimmät siipi- ja runkorakenteet

-Turbiinimoottorin tuulettimen siivet

-Potkuri

Laminaattien pääkomponentit

Isotrooppisella materiaalilla on tasaiset ominaisuudet kaikkiin suuntiin (eli saman materiaalin isotrooppisia ominaisuuksia). Isotrooppisten materiaalien mitatut ominaisuudet ovat riippumattomia testiakselista. Alumiinia ja titaania, jotka ovat metallimateriaaleja, käytetään esimerkkeinä havainnollistamaan isotrooppisten materiaalien kuvaamista.

Kuidut ovat komposiittien tärkeimpiä kantavia elementtejä. Komposiiteilla on lujuutta ja jäykkyyttä vain kuitujen suunnassa. Yksisuuntaisilla komposiiteilla on pääasiassa mekaanisia ominaisuuksia yhteen suuntaan, eli anisotropiaksi, jossa mekaaniset tai fysikaaliset ominaisuudet poikkeavat materiaalille ominaisen luonnollisen vertailuakselin suunnasta. Kuituvahvisteisista komposiiteista valmistetut komponentit voidaan suunnitella niin, että kuituorientaatio tuottaa parhaat mekaaniset ominaisuudet, mutta ne voivat lähestyä vain metallien, kuten alumiinin ja titaanin, aidosti isotrooppisia ominaisuuksia.

Komposiittimatriisi tukee kuituja ja sitoo ne komposiittiin. Matriisi siirtää kuituihin kohdistuvat kuormat, pitää kuidut paikoillaan ja valitussa suunnassa, antaa komposiitin ympäristönkestävyyden ja määrittää komposiitin maksimikäyttölämpötilan.

Ominaisuudet

Komposiittilaminaattien rakenteelliset ominaisuudet, kuten jäykkyys, mittastabiilisuus ja lujuus, riippuvat laminointien pinoamisjärjestyksestä. Pinoamisjärjestys kuvaa layout-suuntausten jakautumista laminaatin paksuudessa. Kun tasojen määrä valituilla suunnilla kasvaa, pinoamisjärjestykset ovat mahdollisia. Esimerkiksi symmetrisellä kahdeksankerroksisella laminaatilla, jossa on neljä eri asettelusuuntaa, on 24 eri pinoamisjärjestystä.

Kuitujen suunta

Komposiitin lujuus ja jäykkyys riippuu siitä, missä järjestyksessä kerrokset on suunnattu. Hiilikuitujen todellinen lujuus ja jäykkyys vaihtelevat matalista korkeisiin arvoihin, kuten lasikuitujen tuottamiin arvoihin, titaanikuitujen tarjoamiin suuriin lujuus- ja jäykkyysarvoihin. Tämä arvoalue määräytyy laminaatin suunnan mukaan kohdistettuun kuormaan. Edistyneissä komposiiteissa layup-suunnan oikea valinta on välttämätöntä rakenteen tehokkaan suunnittelun aikaansaamiseksi. Osa saattaa vaatia 0 asteen kerroksen reaktiivisia aksiaalikuormia, ±45 asteen kerroksen reaktiivisia leikkauskuormia ja 90 asteen kerroksen reaktiivisia sivukuormia. Koska lujuussuunnitteluvaatimukset riippuvat kohdistettujen kuormien suunnasta, kerroksen suuntauksen ja järjestyksen on oltava oikea. Korjausprosessin aikana on tärkeää korvata jokainen vaurioitunut kerros samaa materiaalia ja suuntausta olevalla kerroksella.

Monoliittisessa materiaalissa kuidut liikkuvat yhteen suuntaan, lujuudella ja jäykkyydellä vain kuitujen suuntaan. Prepreg (prepreg film) -nauhat ovat esimerkki yksisuuntaisesta asettelun suuntauksesta.

Kaksisuuntaisen materiaalin kuidut virtaavat kahteen suuntaan, yleensä 90 astetta toisistaan. Yksinkertaiset rakenteet ovat esimerkki kaksisuuntaisista lay-up-suunnista. Näillä asettelusuunnalla on vahvuus molempiin suuntiin, mutta ei välttämättä sama vahvuus. Kuten kuvassa 1 näkyy

Kvasiisotrooppisilla asetteluilla on kerrossekvenssit 0 astetta, -45 astetta, 45 astetta ja 90 astetta tai 0 astetta, -60 astetta ja 60 astetta. Tämäntyyppiset kerrosorientaatiot simuloivat isotrooppisten materiaalien ominaisuuksia, kuten kuvassa 2 on esitetty. Monet ilmailu-avaruuskomposiittirakenteet on valmistettu kvasi-isotrooppisista materiaaleista.

Kuva 1: Kaksisuuntaisen ja yksisuuntaisen päällystysmateriaalin ominaisuudet

Kuva 2: Symmetrinen isotrooppinen materiaaliasetelma

Warp suunta

Loimisuunta viittaa kankaan pituussuuntaisiin kuituihin. Kuitujen suoruudesta johtuen loimisuunta on suuren lujuuden suunta. Loimiloimisuuntaa käytetään kuvaamaan kuitujen suuntaa kaaviossa, spesifikaatiolomakkeessa tai valmistajan arkissa. Jos kankaalla ei ole loimisuuntaa, loimisuunta on oletuksena nolla, kun kangas irtoaa rullalta. Siksi 90 astetta nollaan on kankaan leveys. Kuten kuvasta 3 näkyy

Kuva 3: Twist Lock

Fiber-kokoonpano

Kaikki tuotemuodot alkavat yleensä yksisuuntaisesta raakakuitulinjasta, joka pakataan jatkuviin säikeisiin. Yksittäistä kuitua kutsutaan filamentiksi. Termiä "lanka" käytetään myös merkitsemään yksittäistä lasikuitua. Niputetut filamentit voidaan luokitella kehrätyiksi langoiksi, langoiksi tai rovingiksi. Lasikuitulangat ovat kierrettyjä, kun taas kevlar®-langat eivät. Filamenttikimpuissa ja rovingissa ei ole kierteitä. Useimmat kuidut ovat kuivia kuituja, ja ne on kyllästettävä hartsilla ennen käyttöä (esikyllästys) tai esikyllästetyllä materiaalilla, jos hartsi on jo levitetty kuiduille.

Karkeat kuidut (lankaniput)

Roving on ryhmä filamentteja tai kuitujen päitä, kuten 20- tai 60-päätylasi. Kaikki filamentit on suunnattu samaan suuntaan eivätkä ole kiertyneet. Hiilikuitukankaat tunnistetaan yleensä 3K-, 6K- tai 12K-rovingiksi, ja K tarkoittaa 1000 filamenttia. Useimmat kiertävät tuotesovellukset käyttävät karaa kuidun käämitykseen ja sitten hartsikovetukseen lopulliseen muotoon.

Yksisuuntainen (kanssa)

Yksisuuntaiset prepreg-nauhat ovat olleet standardi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa useiden vuosien ajan, ja kuidut on yleensä kyllästetty lämpökovettuvalla hartsilla. Yleisin valmistusmenetelmä on kollimoitujen raaka (kuivien) säikeiden vetäminen kyllästyskoneeseen, jossa kuumasulahartsi sidotaan säikeihin lämmön ja paineen avulla. Teippituotteella on suuri lujuus kuitujen suunnassa ja lähes olematon kuitujen lujuus. Hartsi pitää kuidut paikoillaan. Teipit ovat vahvempia kuin kudotut kankaat. Kuten kuvasta 4 näkyy

Kuva 4: Teipit ja kangastuotteet

Kangas

Monimutkaisia ​​muotoiltuja laminointeja varten useimmat kangasrakenteet tarjoavat enemmän joustavuutta kuin suorat yksisuuntaiset nauhat. Kankaat tarjoavat mahdollisuuden kyllästää hartsi liuos- tai kuumasulatusprosessilla. Tyypillisesti rakenteellisiin sovelluksiin tarkoitetuissa kankaissa käytetään samanpainoisia tai samankokoisia kuituja tai säikeitä sekä loimen (pitkittäis-) että kude- (poikittaisen) suunnassa. Ilmailu- ja avaruusrakenteissa tiukasti kudotut kankaat ovat usein painoa säästävä valinta, mikä vähentää hartsityhjiöiden kokoa ja säilyttää kuidun suuntauksen valmistuksen aikana.

Kankaan rakenne koostuu yleensä vahvistetuista vahvistuskimpuista, säikeistä tai langoista, jotka punotaan kudontaprosessin aikana. Yleisimmät kangastyylit ovat pelkkä kudos tai satiinikudos. Yksinkertaiset kudosrakenteet muodostetaan vuorotellen kuituja kunkin risteävän säikeen ylä- ja alapuolella (nippu, kimppu tai lanka). Tavallisissa satiinin kudostyyleissä, kuten 5- tai 8-kimppu, kuitulangat liikkuvat edestakaisin loimi- ja kudesuunnassa harvemmin.

Nämä satiinikankaat ovat vähemmän poimutettuja ja helpommin muotoaan kuin tavalliset kankaat. Tavallisissa kudoksissa ja useimmissa 5 tai 8 nippukankaissa on yhtä monta kuitulankaa loimen ja kudesuunnassa. Esimerkki: 3K-palttisilla kudoksilla on yleensä lisänimi, kuten 12 x 12, mikä tarkoittaa 12 touvaa tuumaa kohti kumpaankin suuntaan. Tätä laskentamerkintää voidaan muuttaa kankaan painon lisäämiseksi tai vähentämiseksi tai eri painoisten kuitujen vastaanottamiseksi. Kuten kuvasta 5 näkyy

Kuva 5: Tyypillinen kankaan kudontatyyli

Kuitukankaat (kudotut tai ommeltu)

Kudotut tai ommeltu kankaat voivat tarjota monia yksisuuntaisen teipin mekaanisia etuja. Kuitujen sijoitus voi olla suora tai yksisuuntainen ilman kudottujen kankaiden ylös- ja alaskäännöksiä. Yhden tai useamman kipsilevykerroksen ennalta valitun suunnan jälkeen kuidut ommellaan yhteen hienoilla langoilla tai langoilla pitämään kuidut paikoillaan. Tämäntyyppiset kankaat tarjoavat laajan valikoiman monikerroksisia suuntauksia. Vaikka painoa voidaan lisätä tai joitain lopullisista lujitekuidun ominaisuuksista voidaan menettää, voidaan saavuttaa jonkin verran parannuksia kerrosten välisissä leikkaus- ja sitkeysominaisuuksissa. Jotkut yleisimmät ompelulangat ovat polyesteriä, aramidia tai kestomuovia. Kuten kuvasta 6 näkyy

Kuva 6: Kuitukangasmateriaalit (ompeleminen)

Kuitutyypit

Glasikuitua

Lasikuitua käytetään yleisesti lentokoneiden toissijaisissa rakenteissa, kuten suojuksissa, suojakupuissa ja siipien kärjissä. Lasikuituja käytetään myös helikopterin roottorin siivissä. Ilmailuteollisuudessa käytetään useita lasikuitutyyppejä. Elektroninen lasikuitu tai E-lasi tunnetaan tällaisista elektronisista sovelluksista. Sillä on korkea sähkövirtojen vastustuskyky. E-lasi on valmistettu borosilikaattilasikuiduista. S-lasi ja S2-lasi ovat rakenteellisia lasikuituja, joiden lujuus on suurempi kuin E-lasin. S-lasilasikuituja valmistetaan magnesium-alumiinisilikaateista. Lasikuitujen etuja ovat muiden komposiittien alhaisemmat kustannukset, kemiallinen tai sähkövastus sekä sähköiset ominaisuudet (lasikuidut eivät johda sähköä). Lasikuidut ovat väriltään valkoisia ja niitä voidaan käyttää kuivakuitukankaina tai prepregeinä.

Aramid kuitu

Kevlar on DuPontin aramidikuidun nimi. Aramidikuidut ovat kevyitä, vahvoja ja sitkeitä. Ilmailuteollisuudessa käytetään kahdenlaisia ​​aramidikuituja; Kevlar® 49:llä on korkea jäykkyys ja Kevlar® 29:llä alhainen jäykkyys. Aramidikuitujen etuna on, että ne kestävät erittäin hyvin iskuvaurioita, joten niitä käytetään yleisesti iskuvaurioille alttiilla alueilla. Aramidikuitujen suurin haittapuoli on niiden kokoonpuristuvuus ja kosteuden imeytyminen. Huoltoraporttien mukaan jotkin kevlarista® valmistetut osat imevät jopa 8 % painostaan ​​vettä. Aramidikuiduista valmistetut osat on siksi suojattava ympäristöltä. Toinen haittapuoli on, että kevlarkuituja on vaikea porata ja leikata. Kuidut nukkaavat helposti ja vaativat erityisiä saksia niiden leikkaamiseen.

Kevlaria käytetään yleisesti armeijan ballistisissa ja vartalosovelluksissa. Se on väriltään luonnollisen keltainen ja sitä on saatavana kuivakankaana ja prepreg-kankaana. Aramidikuitunipun koko ei riipu kuitujen, kuten hiili- tai lasikuitujen, lukumäärästä, vaan pikemminkin painosta.

Hiili/grafiittikuitu

Ensimmäinen ero tämän kuidun välillä on hiili- ja grafiittikuitujen välillä, vaikka termejä käytetään usein vaihtokelpoisina. Hiili- ja grafiittikuidut perustuvat yksittäisten grafiittikerrosten (kuusikulmainen) verkostoon hiilessä. Materiaali määritellään grafiitiksi, jos yksittäiset grafiittikerrokset tai tasot pinotaan kolmiulotteisessa järjestyksessä. Tämän tilauksen muodostaminen vaatii yleensä pidennettyä aikaa ja lämpötilaa, mikä tekee grafiittikuiduista kalliimpia. Tasojen välinen sidos on heikko. Häiriötä esiintyy usein siten, että kerroksissa on vain kaksiulotteinen järjestys. Tämä materiaali määritellään hiilikuiduksi.

Hiilikuitu on erittäin sitkeää ja 3-10 kertaa jäykempi kuin lasikuitu. Hiilikuitua käytetään lentokoneiden rakennesovelluksissa, kuten pohjapalkeissa, stabilaattoreissa, lennonohjauksissa sekä päärungossa ja siipirakenteissa. Edut ovat korkea lujuus ja korroosionkestävyys. Haittoja ovat alumiinia alhaisempi sähkönjohtavuus; siksi salamaniskuille alttiisiin lentokoneen osiin on asennettava salamaverkko tai salamankestävä pinnoite. Toinen hiilikuidun haittapuoli on sen korkea hinta. Hiilikuitu on väriltään harmaa tai musta ja sitä on saatavana kuivakankaana ja prepreg-kankaana. Käytettäessä metallikiinnittimien ja -rakenteiden kanssa hiilikuidulla on suuri mahdollisuus aiheuttaa galvaanisen kytkimen korroosiota.

Kuva 7: Lasikuidut (vasemmalla), aramidikuidut (keskellä), hiilikuitumateriaali (oikealla)

Boron kuitua

Boorikuidut ovat erittäin kovia ja niillä on korkea veto- ja puristuslujuus. Kuidut ovat halkaisijaltaan suhteellisen suuria eivätkä taipu hyvin; siksi niitä voidaan käyttää vain prepreg-teippituotteina. Epoksihartsimatriiseja käytetään usein boorikuitujen kanssa. Boorikuituja käytetään halkeilevien alumiinisten lentokoneiden koteloiden korjaamiseen, koska boorin lämpölaajeneminen on lähellä alumiinin lämpölaajenemista eikä sillä ole galvaanisen kytkennän korroosiopotentiaalia. Boorikuituja on vaikea käyttää, jos alustan pinnalla on muotoiltu muoto. Boorikuidut ovat erittäin kalliita ja voivat olla vaarallisia henkilökunnalle. Boorikuituja käytetään pääasiassa sotilasilmailussa.

Ceraminen kuitu

Keraamisia kuituja käytetään korkeissa lämpötiloissa, kuten kaasuturbiinimoottorien turbiinien siivissä. Keraamisia kuituja voidaan käyttää jopa 2200 asteen lämpötiloissa.

Lsalamansuojakuitu

Alumiinitasot ovat erittäin johtavia ja voivat haihduttaa suuria virtoja salamaniskuista. Hiilikuitu kestää 1,000 kertaa enemmän virtaa kuin alumiini, ja epoksihartsi on 1,000,000 kertaa kestävämpi (eli kohtisuorassa ihoa vastaan). Ulkoisten komposiittikomponenttien pinta koostuu yleensä kerroksesta tai kerroksista johtavaa materiaalia ukkossuojausta varten, koska komposiitit ovat vähemmän johtavia kuin alumiini. Käytössä on monia erilaisia ​​johtavia materiaaleja nikkelipinnoitetusta grafiittikankaasta metalliverkkoon aluminoiduista lasikuiduista johtaviin pinnoitteisiin. Materiaalia voidaan käyttää märkäkerroksena tai prepreginä.

Normaalien rakenteellisten korjausten lisäksi teknikoiden on luotava suunnittelu uudelleen komponentin johtavuuden mukaan. Tämän tyyppiset korjaukset vaativat usein johtavuustestauksen vastusmittarilla koko rakenteen vähimmäisresistanssin tarkistamiseksi. Tällaisia ​​rakenteita korjattaessa on erittäin tärkeää käyttää vain valtuutettujen toimittajien hyväksyttyjä materiaaleja, mukaan lukien esimerkiksi valumassat, tiivisteet ja liimat. Kuten kuvista 8 ja 9 näkyy

Kuva 8: Kupariverkko-ukkossuojamateriaali

Kuva 9: ​​Alumiiniverkko-ukkossuojamateriaali