Materijali za napredne kompozite (I): Laminati, vrste vlakana i primjene

Laminirana struktura

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

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

Primjena kompozita u zrakoplovima uključuje

-Deflektor

- Kontrolne površine leta

-Vrata stajnog trapa

- Paneli prednjeg i stražnjeg ruba krila i stabilizatora

-Unutarnje komponente

-Podne grede i podne ploče

- Primarne strukture vertikalnog i horizontalnog stabilizatora za velike zrakoplove

-Osnovne strukture krila i trupa nove generacije velikih zrakoplova

- Lopatice ventilatora turbinskog motora

-Propeler

Glavne komponente laminata

Izotropni materijal ima jednaka svojstva u svim smjerovima (što znači izotropna svojstva istog materijala). Izmjerena svojstva izotropnih materijala neovisna su o ispitnoj osi. Aluminij i titan, koji su metalni materijali, koriste se kao primjeri za ilustraciju izotropnih materijala.

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

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

Svojstva

Strukturna svojstva kompozitnih laminata, kao što su krutost, dimenzijska stabilnost i čvrstoća, ovise o redoslijedu slaganja laminata. Redoslijed slaganja opisuje raspodjelu orijentacija polaganja u debljini laminata. Kako se broj slojeva s odabranim usmjerenjima povećava, moguće je više redoslijeda slaganja. Na primjer, simetrični osmoslojni laminat s četiri različite orijentacije polaganja ima 24 različita redoslijeda slaganja.

Smjer vlakana

Čvrstoća i krutost kompozita ovisi o redoslijedu kojim su slojevi usmjereni. Stvarna čvrstoća i krutost karbonskih vlakana kreće se od niskih do visokih vrijednosti, poput onih koje daju staklena vlakna, do visokih vrijednosti čvrstoće i krutosti koje daju titanijska vlakna. Ovaj raspon vrijednosti određen je orijentacijom laminata prema primijenjenom opterećenju. U naprednim kompozitima potreban je pravilan odabir orijentacije polaganja kako bi se osigurao učinkovit dizajn strukture. Dio može zahtijevati reaktivna aksijalna opterećenja od 0 stupnjeva, reaktivna posmična opterećenja od ±45 stupnjeva i reaktivna bočna opterećenja od 90 stupnjeva. Budući da su projektirani zahtjevi čvrstoće funkcija smjera primijenjenih opterećenja, orijentacija slojeva i slijed slojeva moraju biti točni. Tijekom procesa popravka, važno je zamijeniti svaki oštećeni sloj slojem od istog materijala i orijentacije.

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

Vlakna u dvosmjernom materijalu teku u dva smjera, obično pod kutom od 90 stupnjeva. Ravne strukture primjer su dvosmjernih smjerova postavljanja. Ovi pravci polaganja imaju snagu u oba smjera, ali ne nužno istu snagu. Kao što je prikazano na slici 1

Kvazi-izotropni rasporedi imaju nizove slojeva od 0 stupnjeva, -45 stupnjeva, 45 stupnjeva i 90 stupnjeva ili 0 stupnjeva, -60 stupnjeva i 60 stupnjeva. Ove vrste usmjerenja slojeva simuliraju svojstva izotropnih materijala kao što je prikazano na slici 2. Mnoge kompozitne strukture u zrakoplovstvu izrađene su od kvazi-izotropnih materijala.

Slika 1: Dvosmjerna i jednosmjerna svojstva materijala za popločavanje

Slika 2: Simetrični izotropni rasporedi materijala

Warp smjer

Smjer osnove odnosi se na uzdužna vlakna tkanine. Zbog ravnosti vlakana, smjer osnove je smjer velike čvrstoće. Smjer osnove osnove koristi se za opisivanje smjera vlakana na grafikonu, specifikacijskom listu ili proizvođačkom listu. Ako na tkanini nema smjera osnove, smjer osnove je zadani na nuli kada se tkanina skine s role. Prema tome, 90 stupnjeva prema nuli je širina tkanine. Kao što je prikazano na slici 3

Slika 3: Twist Lock

Fiber konfiguracija

Svi oblici proizvoda obično započinju s jednosmjernom linijom sirovih vlakana koja su upakirana u kontinuirane niti. Pojedinačno vlakno naziva se filament. Pojam "nit" također se koristi za označavanje pojedinačnog staklenog vlakna. Snopovi filamenta mogu se kategorizirati kao predena pređa, pređa ili roving pređa. Pređa od stakloplastike je upredena, dok kevlar® pređa nije. Snopovi niti i rovingi nemaju nikakvog uvijanja. Većina vlakana su suha vlakna i potrebno ih je impregnirati smolom prije upotrebe (predimpregnacija) ili prethodno impregniranim materijalom gdje je smola već nanesena na vlakna.

Gruba vlakna (snopovi pređe)

Roving je skupina filamenata ili krajeva vlakana, kao što je 20- ili 60-end glass roving. Sve su niti usmjerene u istom smjeru i nisu upletene. Rovingi od karbonskih vlakana obično se identificiraju kao 3K, 6K ili 12K rovingi, pri čemu K označava 1000 filamenata. Većina primjena roving proizvoda koristi trn za namotavanje vlakana i zatim stvrdnjavanje smole do konačne konfiguracije.

Jednosmjerno (sa)

Jednosmjerne prepreg trake već su godinama standard u zrakoplovnoj industriji, a vlakna su obično impregnirana termoreaktivnom smolom. Najčešća metoda pripreme uključuje uvlačenje kolimiranih sirovih (suhih) niti u stroj za impregnaciju, gdje se smola koja se topi na vrućoj temperaturi veže za niti pomoću topline i pritiska. Proizvod trake ima veliku čvrstoću u smjeru vlakana i gotovo nikakvu čvrstoću u vlaknima. Vlakna na mjestu drži smola. Trake su jače od tkanine. Kao što je prikazano na slici 4

Slika 4: Trake i proizvodi od tkanine

Tkanina

Za laminate složenog oblika, većina konstrukcija tkanine nudi veću fleksibilnost od ravnih jednosmjernih traka. Tkanine nude mogućnost impregnacije smole otopinom ili postupkom vrućeg taljenja. Uobičajeno, tkanine za strukturalne primjene koriste vlakna ili niti iste težine ili istezanja u smjeru osnove (uzdužno) i potke (poprečno). Za zrakoplovne strukture, čvrsto tkane tkanine često su izbor za uštedu težine, smanjujući veličinu šupljina smole i održavajući orijentaciju vlakana tijekom proizvodnje.

Struktura tkanine obično se sastoji od ojačanih snopova za pojačanje, niti ili pređe koje se isprepliću tijekom procesa tkanja. Češći stilovi tkanina su ravno tkanje ili satensko tkanje. Strukture ravnog tkanja formiraju se izmjeničnim vlaknima iznad i ispod svake križajuće niti (snop, snop ili pređa). U uobičajenim stilovima satenskog tkanja, kao što je 5- ili 8-snop, vlaknaste niti se pomiču naprijed-natrag u smjeru osnove i smjeru potke rjeđe.

Ove satenske tkanine su manje naborane i lakše se deformiraju od običnih tkanina. U ravnim tkanjima i većini tkanina s 5 ili 8 hrpa, postoji jednak broj niti vlakana u smjeru osnove i potke. Na primjer: 3K platno tkanje obično ima dodatni naziv kao što je 12 x 12, što znači 12 pramenova po inču u svakom smjeru. Ova oznaka brojanja može se promijeniti kako bi se povećala ili smanjila težina tkanine ili kako bi se prilagodila različitim vlaknima u različitim težinama. Kao što je prikazano na slici 5

Slika 5: Tipični stil tkanja tkanine

Netkane tkanine (tkane ili šivane)

Tkane ili šivane tkanine mogu ponuditi mnoge mehaničke prednosti jednosmjerne trake. Postavljanje vlakana može biti ravno ili jednosmjerno, bez skretanja gore-dolje tkanih tkanina. Nakon unaprijed odabrane orijentacije jednog ili više slojeva suhozida, vlakna se spajaju finim nitima ili nitima kako bi se vlakna držala na mjestu. Ove vrste tkanina pružaju širok raspon višeslojnih orijentacija. Iako se može dodati nešto težine ili se mogu izgubiti neka od konačnih svojstava ojačavajućih vlakana, može se postići određeno poboljšanje međulaminarnog smicanja i svojstava čvrstoće. Neki uobičajeni konci za šivanje su poliester, aramid ili termoplast. Kao što je prikazano na slici 6

Slika 6: Netkani materijali (šivanje)

Vrste vlakana

Gdjevojka vlakna

Stakloplastika se obično koristi u sekundarnim strukturama zrakoplova, kao što su oplate, kupole i vrhovi krila. Staklena vlakna se također koriste u lopaticama rotora helikoptera. Postoji nekoliko vrsta staklenih vlakana koja se koriste u zrakoplovnoj industriji. Elektronička staklena vlakna, ili E-staklo, prepoznata su za takve elektroničke primjene. Ima visoku otpornost na električne struje. E-staklo je napravljeno od borosilikatnih staklenih vlakana. S-staklo i S2-staklo su strukturna staklena vlakna koja imaju veću čvrstoću od E-stakla. Staklena vlakna S-stakla izrađena su od magnezij-aluminijevih silikata. Prednosti staklenih vlakana su niža cijena u odnosu na druge kompozite, kemijska ili električna otpornost i električna svojstva (staklena vlakna ne provode struju). Staklena vlakna su bijele boje i mogu se koristiti kao tkanine od suhih vlakana ili preprezi.

Aramidno vlakno

Kevlar je naziv DuPontovog aramidnog vlakna. Aramidna vlakna su lagana, jaka i žilava. 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 udarca, pa se obično koriste u područjima osjetljivim na oštećenja od udarca. Glavni nedostatak aramidnih vlakana je njihov opći nedostatak u kompresivnosti i apsorpciji vlage. Servisna izvješća pokazuju da neki dijelovi izrađeni od kevlara® apsorbiraju do 8% svoje težine u vodi. Dijelove izrađene od aramidnih vlakana stoga je potrebno zaštititi od okoliša. Još jedan nedostatak je što je kevlar vlakna teško bušiti i rezati. Vlakna se lako ostavljaju i zahtijevaju posebne škare za rezanje.

Kevlar se obično koristi u vojnim balističkim aplikacijama i pancirima. Ima prirodnu žutu boju 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.

Karbonska/grafitna vlakna

Prva razlika između ovog vlakna je između karbonskih i grafitnih vlakana, iako se ti izrazi često koriste kao sinonimi. Karbonska i grafitna vlakna temelje se na mreži pojedinačnih grafitnih (heksagonalnih) slojeva u ugljiku. Materijal se definira kao grafit ako su pojedinačni grafitni slojevi ili ravnine složeni u trodimenzionalnom nizu. Za formiranje ove narudžbe obično je potrebno duže vrijeme i temperatura obrade, što grafitna vlakna čini skupljima. Veza između ravnina je slaba. Nered se često javlja tako da u slojevima postoji samo dvodimenzionalni red. Ovaj materijal je definiran kao karbonska vlakna.

Karbonska vlakna su vrlo čvrsta i 3 do 10 puta tvrđa od staklenih vlakana. Ugljična vlakna koriste se u konstrukcijskim primjenama zrakoplova kao što su donje grede, stabilizatori, kontrole leta i glavne konstrukcije trupa i krila. Prednosti uključuju visoku čvrstoću i otpornost na koroziju. Nedostaci uključuju manju električnu vodljivost od aluminija; stoga, za komponente zrakoplova koje su osjetljive na udar groma, mora se ugraditi gromobranska rešetka ili premaz otporan na munje. Drugi nedostatak karbonskih vlakana je njihova 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, ugljična vlakna imaju visok potencijal da izazovu koroziju galvanske spojke.

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

Boronsko vlakno

Vlakna bora su vrlo tvrda i imaju veliku vlačnu i tlačnu čvrstoću. Vlakna su relativno velikog promjera i slabo se savijaju; stoga se mogu koristiti samo kao proizvodi prepreg trake. Matrice od epoksidne smole često se koriste s borovim vlaknima. Borova vlakna koriste se za popravak napuknutih aluminijskih kućišta zrakoplova jer je toplinska ekspanzija bora bliska aluminiju i nema potencijal korozije galvanskim spojem. Borova vlakna je teško koristiti ako površina supstrata ima konturni oblik. Borna vlakna su vrlo skupa i mogu biti opasna za osoblje. Borna vlakna prvenstveno se koriste u vojnom zrakoplovstvu.

Ckeramičko vlakno

Keramička vlakna se koriste u visokotemperaturnim aplikacijama kao što su turbinske lopatice za plinskoturbinske motore. Keramička vlakna mogu se koristiti za temperature do 2200 stupnjeva F.

Lvlakno za zaštitu od munje

Aluminijske ploče su vrlo vodljive i mogu raspršiti jake struje od udara groma. Karbonska vlakna su 1,000 puta otpornija na struju od aluminija, a epoksi smola je 1,000,000 puta otpornija (tj. okomito na kožu). Površina vanjskih kompozitnih komponenti obično se sastoji od sloja ili slojeva vodljivog materijala za zaštitu od munje jer su kompoziti manje vodljivi od aluminija. Koriste se mnoge različite vrste vodljivih materijala, u rasponu od poniklane grafitne tkanine preko metalne mreže do aluminiziranih staklenih vlakana do vodljivih premaza. Materijal se može koristiti kao mokri sloj za polaganje ili predpreg.

Osim normalnih strukturalnih popravaka, tehničari moraju ponovno izraditi dizajn prema vodljivosti komponente. Ove vrste popravaka često zahtijevaju ispitivanje vodljivosti s mjeračem otpora kako bi se provjerio minimalni otpor cijele strukture. Prilikom popravka ovih vrsta konstrukcija vrlo je važno koristiti samo odobrene materijale od ovlaštenih dobavljača, uključujući takve stvari kao što su mase za zalivanje, brtvila i ljepila. Kao što je prikazano na slikama 8 i 9

Slika 8: Materijal za zaštitu od munje s bakrenom mrežom

Slika 9: Aluminijski mrežasti materijal za zaštitu od munje