Введение об использовании композитных материалов

На протяжении последних четырех десятилетий, эксплуатация волокнита (FRP) в инженерных сооружениях стабильно перетекает к использованию в спортивном оборудовании и гоночных автомобилях, а также для вертолетов и совсем недавно для коммерческих самолетов. Композиционные материалы, по существу, являются комбинацией двух или более разнородных материалов, которые используются вместе для того, чтобы объединить лучшие свойства, или придать новый набор характеристик, которые ни один из использованных материалов не смогли бы достичь самостоятельно. Инженерные композиты обычно наращивается из отдельных слоев, которые принимают форму непрерывных прямых волокон (например, углерода, стекла, арамида и т.д.), погруженные в матрицу полимера-основы (например, фенольной, полиэфирной, эпоксидной смолы и т.п.), которые ламинированный слой за слоем, чтобы образовать структуру конечного материала.

layup1

Пример композитного ламината (1)

laminate

Сечение композитного ламината. Отдельные волокна и окружающие матрицы четко различимы (2)

В аэрокосмической промышленности преимущественно используются материалы, обладающие превосходной прочностью и жесткостью (прочность и жесткость на единицу веса). Использование композитов с точки зрения легкого проектирования конструкций сразу очевидны. Кроме того, ламинированный характер высокоэффективных композиционных материалов позволяет разработчику адаптировать оптимальные механические свойства. В результате, первое поколение коммерческих самолетов, которые содержат большие пропорции составных частей, таких как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 XWB, планируется ввести в эксплуатацию в ближайшее время. Другие преимущества армированных пластиков, таких как относительную легкость в изготовлении деталей сложной формы, а также их превосходную усталость и коррозионную стойкость, сделали FRP композиты все более привлекательными в секторе возобновляемых источников энергии.

Композиционные материалы фактически были открыты в течение довольно длительного времени. Уже в 3000 г. до н.э. древние египтяне внедренный соломы в своих глиняных кирпичей, чтобы контролировать усадочных трещин и улучшить прочность на разрыв. Кроме того, бумажные маше на основе папируса Картонаж были использованы для изготовления мумий. На самом деле, изготовления трубчатых оболочек с использованием металлов весьма трудно, таким образом, этот древний подход остается важной составляющей композитов сегодня. Конечно, ни один из этих материалов не было бы подходит для высоких требований к производительности авиационно-космической промышленности.

mud-and-straw-brick

Кирпич из грязи и соломы (3)

Он не был известен до изобретения фенольной смолы в 1909 году, что композиты взлетел на воздушных судах. Самым известным примером является транспортный самолет DeHavilland Альбатрос изготовлен из брекера пробкового-слойного сэндвича фюзеляж конструкции, которая позже была разработана в многоцелевых боевых самолетов DeHavilland Mosquito для Второй мировой войны. Масштабный деревянная конструкция из Комар очень легкий, быстрый и ловкий. Кроме того, Комар был дешевле, чем его металлические аналоги и позволили высококвалифицированных плотников со всей Великобритании, чтобы заключить контракт, чтобы помочь с войны.Одним из недостатков ранних фенольных смол была их неспособность справиться с горячими мокрому таких условиях, что Mosquito прославилась распадаться в воздухе на арене войны на Тихом океане.

mosquito-restoration

DeHavilland Mosquito Timber Фюзеляж (4)

Поскольку развитие углеродных и стеклянных волокон в 1950-х годах аэрокосмической промышленности неуклонно движется в направлении «цельнокомпозиционного» гражданской авиации. Наиболее распространенные волокна и смолы типа, используемые в настоящее время являются:

Волокна

Стакан

углерод

Aramid — Kevlar ™

Диаметр ≈ 10 мм

Диаметр ≈ 8 мм

Скованность ≈ 125GPa при растяжении

Сила> 3 ГПа из-за отсутствия дефектов на малого диаметра волокна

Сила> 5GPa благодаря высокоэффективному совмещенных плоскостей графита

Сила> из-за 3 ГПа высоко выровненных линейных полимерных цепей

Скованность ≈ 70 ГПа для более дешевого стекла Е и 85 ГПа для более дорогих R- или S — Стекло

Жесткость ≈ 160-700 ГПа, но 230-400 ГПа является обычным

Гораздо слабее и менее жесткими при сжатии, как линейные полимерные цепи отделиться

Чувствительные к воздействию окружающей среды и усталость

Не подвержены деградации под действием химических веществ и хорошей усталостью

Подвержены деградации под действием УФ света и влаги

Волокна должны силановой лечение для скрепления хорошо к матрице

Волокна связь хорошо с обработкой поверхности

Волокна не соединяются хорошо вообще приводит к слабым волокно / интерфейс матрицы

Используется в лодках, лопастей ветряных турбин и других экономически важных приложений

Пределы дорогой стоимости материала используют для высокопроизводительных приложений были более высокие механические свойства являются оправданными т.е. Racecars, аэрокосмической и т.д.

Слабый интерфейс дает превосходное поглощение энергии. Таким образом, используется для бронежилетов, шлемов и защиты от ударов на воздушных судах

матрица

фенольный

Полиэстер

эпоксидная смола

Первый современный смолы

Чаще всего используется матрица

Наиболее распространенные в аэрокосмической промышленности

Становится хрупким

Смола может быть довольно жестким

Может быть сделаны довольно жесткие

Смачивает из волокон плохо

Смачивает из арматуры очень хорошо

Wets из подкрепления очень хорошо

Хорошая химическая, тепло- и огнестойкость и не производят токсичные газы при пожаре

Плохая химическая стойкость и ожоги очень легко

Хорошая химическая стойкость, но будет гореть

Таким образом, используется в салонах самолетов

Очень дешевая смола, используемая вместе стеклянных волокон в корпусов лодок, лопастей ветряных турбин и других экономически важных приложений

Как правило, используются в сочетании с углеродным волокном для обеспечения высокой производительности, легких приложений

Переход от металлической к композитной конструкции естественным образом индуцированное изменение в конструкции методологии авиационных компонентов. Следует иметь в виду, что не только механические свойства композитов отличаются от металлов, но целый ряд физико-химических свойств различны.

— Все композиционные материалы имеют относительно низкий по толщине теплопроводности и коэффициента теплового расширения в и из плоскости может сильно отличаться. Поэтому тепловое расширение несоответствие напряжений в точках крепления может быть проблемой.

— Композиты могут быть сделаны с очень высокой прозрачностью для электромагнитного излучения, например.Рентгеновский.

— Электрическая проводимость композитов обычно довольно низкая. Следовательно, медная сетка часто интегрируется в аэрокосмических ламинатов для защиты от повреждения удара молнии. Тем не менее, это ставит под угрозу много потенциальной экономии веса.

— Прямой контакт между углепластиков и алюминиевых деталей будет разъедать алюминий с течением времени.Поэтому связь между углеродом и алюминием при грунтозацепами навесного оборудования и суставов должно быть предотвращено.

— Все смолы подобрать воду и их свойства изменяются в результате этого.

— Композиты не очень устойчивы к механическим воздействиям износа. Внешние поверхности могут нуждаться в лечении перед покраской.

— Композиты, как правило, имеют относительно низкие жесткостей на абсолютной основе, от <10% до примерно 60% стали.

— Режимы отказа в композиционных материалов очень разнообразны и включают в себя отказ волокна, выход из строя смолы, волокна / матрицы разрыхл, расслоения и т.п., что в целом увеличивает аналитическую нагрузку.Часто эти виды отказов связаны таким образом, что оно может быть трудно точно предсказать разрушающей нагрузки.

— Композиты будет поглощать энергию удара по видам поражения, а не локальной пластической деформации. Это означает, что отказ, как правило, внезапно и катастрофическими без предварительного предупреждения, которая была перегружена структура.

— Усталость, стресс разрыв и сопротивление ползучести варьируется от довольно бедной для стекла FRP во влажных условиях, отлично подходит для многих углерода FRP layups.

Особенно из-за неопределенности правильно моделирования сложных режимов отказа, инженеры, как правило, вернуться к «черным» алюминиевым подход, который ингибирует полное использование композиционных материалов с точки зрения потенциальной экономии веса. Тем не менее, текущие научно-исследовательской деятельности в передовых композиционных материалов и увеличения обучения в сфере высшего образования надеются решить эти проблемы в ближайшем будущем.

f-_0000_AE-logo-c2-e1345059131185