Kengaytirilgan kompozitlar bo'yicha qo'llanma (I): Laminatlar, tolalar turlari va ilovalari

Laminatsiyalangan tuzilma

Kompozitlar ma'lum strukturaviy xususiyatlarga erishish uchun bir-biriga aralashtirilgan materiallar kombinatsiyasidan iborat. Alohida materiallar kompozitsiyada to'liq erimaydi yoki birlashmaydi, lekin ular bir butun sifatida birgalikda harakat qiladi. Ko'pincha, komponentlar orasidagi interfeyslarni jismonan tanib olish mumkin. Kompozit materialning xususiyatlari u tuzilgan alohida materiallarning xususiyatlaridan ustundir.

Murakkab kompozitsion material qatron matritsasida erigan tolali materialdan tayyorlanadi, odatda materialning mustahkamligi va qattiqligini ta'minlash uchun muqobil yo'naltirilgan tolalar bilan laminatlanadi. Tolali materiallar keng tarqalgan emas; yog'och insonga ma'lum bo'lgan eng keng tarqalgan tolali strukturaviy materialdir.

Samolyotlarda kompozitlarni qo'llash quyidagilarni o'z ichiga oladi

- Deflektor

- Parvozni boshqarish sirtlari

- qo'nish moslamasi eshiklari

- Qanot va stabilizatorning etakchi va orqa panellari

- ichki qismlar

- Zamin nurlari va taxta panellari

-Yirik samolyotlar uchun vertikal va gorizontal stabilizator birlamchi tuzilmalari

-Yirik samolyotlarning yangi avlodining asosiy qanotlari va fyuzelyaj konstruksiyalari

-Turbinali dvigatel ventilyator pichoqlari

- Parvona

Laminatlarning asosiy komponentlari

Izotrop material barcha yo'nalishlarda bir xil xususiyatlarga ega (bir xil materialning izotrop xususiyatlarini anglatadi). Izotropik materiallarning o'lchangan xususiyatlari sinov o'qiga bog'liq emas. Metall materiallar bo'lgan alyuminiy va titan, izotrop materiallarni tasvirlash uchun misol sifatida ishlatiladi.

Elyaflar kompozitlarning asosiy yuk ko'taruvchi elementlari hisoblanadi. Kompozitlar faqat tolalar yo'nalishi bo'yicha mustahkamlik va qattiqlikka ega. Bir yo'nalishli kompozitlar asosan anizotropiya deb nomlanuvchi bir yo'nalishda mexanik xususiyatlarga ega, bu erda mexanik yoki fizik xususiyatlar materialga xos bo'lgan tabiiy mos yozuvlar o'qi yo'nalishidan farq qiladi. Elyaf bilan mustahkamlangan kompozitlardan tayyorlangan komponentlar tolaning yo'nalishi eng yaxshi mexanik xususiyatlarni keltirib chiqaradigan tarzda ishlab chiqilishi mumkin, ammo ular faqat alyuminiy va titan kabi metallarning haqiqiy izotropik xususiyatlariga yaqinlashishi mumkin.

Kompozit matritsa tolalarni qo'llab-quvvatlaydi va ularni kompozitsiyada bog'laydi. Matritsa har qanday qo'llaniladigan yuklarni tolalarga o'tkazadi, tolalarni o'z holatida va tanlangan yo'nalishda saqlaydi, kompozitning atrof-muhitga chidamliligini beradi va kompozitning maksimal xizmat ko'rsatish haroratini aniqlaydi.

Xususiyatlari

Kompozit laminatlarning strukturaviy xususiyatlari, masalan, qattiqlik, o'lchov barqarorligi va mustahkamligi laminatsiyalarning stacking tartibiga bog'liq. Yig'ish tartibi laminatning qalinligida yotqizish yo'nalishlarining taqsimlanishini tavsiflaydi. Tanlangan yo'nalishlarga ega qatlamlar soni ortib borishi bilan ko'proq stacking buyurtmalari mumkin. Misol uchun, to'rt xil joylashtirish yo'nalishiga ega bo'lgan simmetrik sakkiz qavatli laminat 24 xil stacking tartibiga ega.

Elyaf yo'nalishi

Kompozitning mustahkamligi va qattiqligi qatlamlarni yo'naltirish tartibiga bog'liq. Uglerod tolalarining haqiqiy kuchi va qattiqligi pastdan yuqori qiymatlarga, masalan, shisha tolalar bilan ta'minlanganlarga, titanium tolalar tomonidan ta'minlangan mustahkamlik va qattiqlikning yuqori qiymatlarigacha o'zgaradi. Ushbu qiymatlar oralig'i laminatning qo'llaniladigan yukga yo'nalishi bilan belgilanadi. Murakkab kompozitsiyalarda strukturaning samarali dizaynini ta'minlash uchun joylashtirish yo'nalishini to'g'ri tanlash kerak. Qism 0 darajali qatlamli reaktiv eksenel yuklarni, ±45 darajali qatlamli reaktiv kesish yuklarini va 90 darajali qatlamli reaktiv yon yuklarni talab qilishi mumkin. Quvvatni loyihalash talablari qo'llaniladigan yuklarning yo'nalishi funktsiyasi bo'lganligi sababli, qatlam yo'nalishi va qatlamlar ketma-ketligi to'g'ri bo'lishi kerak. Ta'mirlash jarayonida har bir shikastlangan qatlamni bir xil material va yo'nalishdagi qatlam bilan almashtirish juda muhimdir.

Monolitik materialdagi tolalar bir yo'nalishda harakat qiladi, kuch va qattiqlik faqat tolalar yo'nalishi bo'yicha. Prepreg (prepreg plyonkasi) lentalari bir tomonlama yotqizish yo'nalishiga misoldir.

Ikki tomonlama materialdagi tolalar ikki yo'nalishda oqadi, odatda bir-biridan 90 daraja. Oddiy tuzilmalar ikki tomonlama yotqizish yo'nalishlariga misoldir. Ushbu layup yo'nalishlari ikkala yo'nalishda ham kuchga ega, lekin bir xil kuchga ega bo'lishi shart emas. 1-rasmda ko'rsatilganidek

Kvazi-izotropik qatlamlar 0 daraja, -45 daraja, 45 daraja va 90 daraja yoki 0 daraja, -60 daraja va 60 daraja qatlam ketma-ketligiga ega. Ushbu turdagi qatlam yo'nalishlari 2-rasmda ko'rsatilganidek, izotrop materiallarning xususiyatlarini taqlid qiladi. Ko'pgina aerokosmik kompozit tuzilmalar kvazizotropik materiallardan yasalgan.

1-rasm: Ikki tomonlama va bir tomonlama qoplama materialining xususiyatlari

2-rasm: Simmetrik izotropik materiallarning joylashuvi

Warp yo'nalishi

Buzilish yo'nalishi matoning uzunlamasına tolalarini bildiradi. Elyaflarning to'g'riligi tufayli, burilish yo'nalishi yuqori quvvat yo'nalishidir. Qatlamning burilish yo'nalishi tolalar yo'nalishini diagrammada, spetsifikatsiya varag'ida yoki ishlab chiqaruvchi varag'ida tasvirlash uchun ishlatiladi. Agar matoda egri yo'nalish bo'lmasa, mato rulondan chiqqanda egri yo'nalishi sukut bo'yicha nolga teng bo'ladi. Shuning uchun, 90 darajadan nolga teng bo'lgan matoning kengligi. 3-rasmda ko'rsatilganidek

3-rasm: Twist Lock

Fiber konfiguratsiyasi

Barcha mahsulot shakllari odatda uzluksiz iplarga o'ralgan xom tolalarning bir yo'nalishli chizig'idan boshlanadi. Alohida tolaga filament deyiladi. "Ip" atamasi alohida shisha tolani belgilash uchun ham ishlatiladi. Bog'langan filamentlarni yigirilgan iplar, iplar yoki iplar sifatida tasniflash mumkin. Shisha tolali iplar o'ralgan, kevlar® iplari esa emas. Filament to'plamlari va rovinglar hech qanday burilishga ega emas. Ko'pchilik tolalar quruq tolalar bo'lib, ishlatishdan oldin (oldindan emdirish) yoki qatron allaqachon tolalarga qo'llangan bo'lsa, oldindan singdirilgan material bilan singdirilishi kerak.

Dag'al tolalar (ip to'plamlari)

Roving - bu 20- yoki 60-so'nggi shisha tolasi kabi filamentlar yoki tola uchlari guruhi. Barcha filamentlar bir xil yo'nalishda yo'naltirilgan va burilmagan. Uglerod tolali rovinglar odatda 3K, 6K yoki 12K rovinglar sifatida aniqlanadi, K esa 1000 filamentni bildiradi. Ko'pgina aylanma mahsulotlar ilovalari tolalarni o'rash uchun mandreldan foydalanadi va so'ngra oxirgi konfiguratsiyaga qadar qatronni qattiqlashtiradi.

Bir tomonlama (bilan)

Bir tomonlama prepreg lentalari ko'p yillar davomida aviatsiya sanoatida standart bo'lib kelgan va tolalar odatda termoset qatroni bilan singdirilgan. Eng keng tarqalgan tayyorlash usuli kollimatsiyalangan xom (quruq) iplarni emdirish mashinasiga tortishni o'z ichiga oladi, bu erda issiq eritilgan qatronlar issiqlik va bosim bilan iplar bilan bog'lanadi. Lenta mahsuloti tolalar yo'nalishi bo'yicha yuqori quvvatga ega va tolalarda deyarli kuchga ega emas. Elyaflar qatronlar tomonidan ushlab turiladi. Lentalar to'qilgan matolarga qaraganda kuchliroqdir. 4-rasmda ko'rsatilganidek

4-rasm: Lentalar va mato mahsulotlari

Mato

Murakkab shaklli laminatsiya uchun mato konstruktsiyalarining ko'pchiligi tekis bir tomonlama lentalarga qaraganda ko'proq moslashuvchanlikni ta'minlaydi. Matolar eritma yoki issiq eritma jarayoni orqali qatronni singdirish variantini taklif qiladi. Odatda, konstruktiv ilovalar uchun matolar bir xil og'irlikdagi yoki hosildorlikdagi tolalar yoki iplardan ikkala halqa (bo'ylama) va to'quv (ko'ndalang) yo'nalishlarda foydalanadi. Aerokosmik tuzilmalar uchun mahkam to'qilgan matolar ko'pincha og'irlikni tejaydigan tanlov bo'lib, qatronlar bo'shliqlarining hajmini kamaytiradi va ishlab chiqarish jarayonida tolaning yo'nalishini saqlaydi.

Mato tuzilishi, odatda, to'quv jarayonida bir-biriga bog'langan mustahkamlangan mustahkamlovchi to'plamlar, iplar yoki iplardan iborat. Eng keng tarqalgan mato uslublari - oddiy to'quv yoki atlas to'quv. To'g'ri to'quv konstruktsiyalari har bir kesishuvchi ipning (to'plam, to'da yoki ip) ustidagi va ostidagi o'zgaruvchan tolalar orqali hosil bo'ladi. 5- yoki 8- toʻplam kabi keng tarqalgan atlas toʻquv uslublarida tola iplari egri yoʻnalishda oldinga va orqaga, toʻqmoq yoʻnalishida esa kamroq harakatlanadi.

Ushbu atlas matolar oddiy matolarga qaraganda kamroq qiyshiq va oson deformatsiyalanadi. Oddiy to‘quvlarda va ko‘pchilik 5 yoki 8 tup gazlamalarda egri va to‘quv yo‘nalishlarida teng miqdordagi tola iplari mavjud. Misol uchun: 3K tekis to'quv odatda 12 x 12 kabi qo'shimcha nomga ega, bu har bir yo'nalishda dyuymga 12 ta tortishni bildiradi. Ushbu hisoblash belgisi matoning og'irligini oshirish yoki kamaytirish yoki turli og'irlikdagi turli tolalarni joylashtirish uchun o'zgartirilishi mumkin. 5-rasmda ko'rsatilganidek

5-rasm: Odatda mato to'qish uslubi

To'qilmagan matolar (to'quv yoki tikilgan)

To'qilgan yoki tikilgan matolar bir tomonlama lentaning ko'plab mexanik afzalliklarini taklif qilishi mumkin. Elyafni joylashtirish to'g'ridan-to'g'ri yoki bir yo'nalishli bo'lishi mumkin, to'qilgan matolarning yuqoriga va pastga burilishlarisiz. Gipsokartonning bir yoki bir nechta qatlamini oldindan tanlangan yo'nalishdan so'ng, tolalarni ushlab turish uchun tolalar nozik iplar yoki iplar bilan tikiladi. Ushbu turdagi matolar ko'p qatlamli yo'nalishlarning keng doirasini ta'minlaydi. Bir oz og'irlik qo'shilishi yoki yakuniy mustahkamlovchi tolaning ba'zi xususiyatlari yo'qolishi mumkin bo'lsa-da, interlaminar kesish va mustahkamlik xususiyatlarining biroz yaxshilanishiga erishish mumkin. Ba'zi keng tarqalgan tikuv iplari polyester, aramid yoki termoplastikdir. 6-rasmda ko'rsatilganidek

6-rasm: To'qilmagan materiallar (tikuv)

Tolalar turlari

Gtolasi

Fiberglas odatda samolyotlarning ikkinchi darajali tuzilmalarida, masalan, yarmarkalar, radomlar va qanot uchlarida qo'llaniladi. Shisha tolalar vertolyotning rotor pichoqlarida ham qo'llaniladi. Aerokosmik sanoatda ishlatiladigan shisha tolalarning bir nechta turlari mavjud. Elektron shisha tolasi yoki E-shisha bunday elektron ilovalar uchun tan olingan. Elektr tokiga nisbatan yuqori qarshilikka ega. E-shisha borosilikat shisha tolalardan tayyorlanadi.S-shisha va S{3}}shisha E-glassga qaraganda yuqori mustahkamlikka ega strukturaviy shisha tolalardir.S-shisha tolalari magniy-alyuminiy silikatlardan tayyorlanadi. Shisha tolalarning afzalliklari boshqa kompozitsiyalarga qaraganda arzonroq, kimyoviy yoki elektr qarshilik va elektr xususiyatlari (shisha tolalar elektr tokini o'tkazmaydi). Shisha tolalar oq rangga ega va ular quruq tolali matolar yoki prepreglar sifatida ishlatilishi mumkin.

Aramid tolasi

Kevlar - DuPontning aramid tolasining nomi. Aramid tolalari engil, kuchli va qattiqdir. Aerokosmik sanoatida ikki turdagi aramid tolalari qo'llaniladi; Kevlar® 49 yuqori qattiqlikka ega, Kevlar® 29 esa past qattiqlikka ega. Aramid tolalarining afzalligi shundaki, ular zarba shikastlanishiga juda chidamli, shuning uchun ular odatda zarba shikastlanishiga moyil bo'lgan joylarda qo'llaniladi. Aramid tolalarining asosiy kamchiliklari ularning siqilish va namlikni yutishdagi umumiy kamchiliklaridir. Xizmat ma'lumotlariga ko'ra, kevlar® dan tayyorlangan ba'zi qismlar o'z vaznining 8% gacha suvni o'zlashtiradi. Shuning uchun aramid tolalaridan tayyorlangan qismlar atrof-muhitdan himoyalangan bo'lishi kerak. Yana bir kamchilik shundaki, kevlar tolalarini burg'ulash va kesish qiyin. Elyaflar osongina tuklanadi va ularni kesish uchun maxsus qaychi kerak bo'ladi.

Kevlar odatda harbiy ballistik va tana zirhlarida qo'llaniladi. Tabiiy sariq rangga ega va quruq mato va prepreg sifatida mavjud. Aramid tolasi to'plamining o'lchami uglerod yoki shisha tolalar kabi tolalar soniga bog'liq emas, balki og'irligiga bog'liq.

Uglerod/grafit tolasi

Ushbu tola o'rtasidagi birinchi farq uglerod va grafit tolalari o'rtasida, garchi atamalar ko'pincha bir-birining o'rnida ishlatiladi. Uglerod va grafit tolalari ugleroddagi yagona grafit (olti burchakli) qatlamlar tarmog'iga asoslangan. Agar bitta grafit qatlamlari yoki tekisliklari uch o'lchamli ketma-ketlikda yig'ilsa, material grafit sifatida aniqlanadi. Ushbu tartibni shakllantirish uchun odatda uzaytirilgan vaqt va haroratni qayta ishlash talab qilinadi, bu esa grafit tolalarini qimmatroq qiladi. Samolyotlar orasidagi bog'lanish zaif. Buzilish ko'pincha shunday bo'ladiki, qatlamlarda faqat ikki o'lchovli tartib mavjud. Ushbu material uglerod tolasi sifatida aniqlanadi.

Uglerod tolasi juda qattiq va shisha tolaga qaraganda 3-10 baravar qattiqroq. Uglerod tolasi pastki nurlar, stabilizatorlar, parvozlarni boshqarish va asosiy fyuzelyaj va qanot tuzilmalari kabi samolyot konstruktiv ilovalarida qo'llaniladi. Afzalliklar orasida yuqori quvvat va korroziyaga chidamlilik mavjud. Kamchiliklari alyuminiyga qaraganda pastroq elektr o'tkazuvchanligini o'z ichiga oladi; shuning uchun chaqmoq urishiga moyil bo'lgan samolyot komponentlari uchun chaqmoq panjarasi yoki chaqmoqqa chidamli qoplama o'rnatilishi kerak. Uglerod tolasining yana bir kamchiligi uning yuqori narxidir. Uglerod tolasi kulrang yoki qora rangga ega va quruq mato va prepreg sifatida mavjud. Metall mahkamlagichlar va tuzilmalar bilan foydalanilganda, uglerod tolasi galvanik birikma korroziyasini keltirib chiqarishi mumkin.

7-rasm: Shisha tolalar (chapda), aramid tolalari (o'rtada), uglerod tolasi materiallari (o'ngda)

Boron tolasi

Bor tolalari juda qattiq va yuqori kuchlanish va bosim kuchiga ega. Elyaflar diametri nisbatan katta va yaxshi bukilmaydi; shuning uchun ular faqat prepreg lenta mahsulotlari sifatida ishlatilishi mumkin. Epoksi qatronlar matritsalari ko'pincha bor tolalari bilan ishlatiladi. Bor tolalari yorilib ketgan alyuminiy samolyot korpuslarini tuzatish uchun ishlatiladi, chunki borning termal kengayishi alyuminiynikiga yaqin va galvanik birikma korroziya potentsialiga ega emas. Agar substrat yuzasi konturlangan shaklga ega bo'lsa, bor tolalarini ishlatish qiyin. Bor tolalari juda qimmat va xodimlar uchun xavfli bo'lishi mumkin. Bor tolalari birinchi navbatda harbiy aviatsiyada qo'llaniladi.

Ceramik tola

Seramika tolalari gaz turbinali dvigatellar uchun turbin pichoqlari kabi yuqori haroratli ilovalarda qo'llaniladi. Seramika tolalari 2200 daraja F gacha bo'lgan haroratlarda ishlatilishi mumkin.

Lchaqmoqlardan himoya qiluvchi tola

Alyuminiy samolyotlar juda o'tkazuvchan va chaqmoq urishidan yuqori oqimlarni tarqatishi mumkin. Uglerod tolasi tok taʼsiriga alyuminiydan 1,000 marta chidamli, epoksi qatroni esa 1,000,000 marta chidamli (yaʼni, teriga perpendikulyar). Tashqi kompozit qismlarning yuzasi odatda chaqmoqlardan himoya qilish uchun o'tkazuvchan materialning qatlami yoki qatlamlaridan iborat, chunki kompozitlar alyuminiydan kamroq o'tkazuvchandir. Nikel bilan qoplangan grafit matodan metall to'rgacha, aluminlangan shisha tolalar va o'tkazuvchan qoplamalargacha bo'lgan ko'plab turdagi o'tkazuvchan materiallar qo'llaniladi. Materialni nam yotqizish qatlami yoki prepreg sifatida ishlatish mumkin.

Oddiy konstruktiv ta'mirlashdan tashqari, texniklar dizaynni komponentning o'tkazuvchanligiga qayta tiklashlari kerak. Ushbu turdagi ta'mirlash ko'pincha butun strukturaning minimal qarshiligini tekshirish uchun qarshilik o'lchagich bilan o'tkazuvchanlik sinovini talab qiladi. Ushbu turdagi tuzilmalarni ta'mirlashda faqat vakolatli etkazib beruvchilarning tasdiqlangan materiallaridan, jumladan, qozon aralashmalari, mastiklar va yopishtiruvchi vositalardan foydalanish juda muhimdir. 8 va 9-rasmlarda ko'rsatilganidek

8-rasm: Mis to'rli chaqmoqlardan himoya qiluvchi material

9-rasm: alyuminiy to'rli chaqmoqlardan himoya qiluvchi material