جزوه کامپوزیت های پیشرفته (I): لمینت ها، انواع فیبر و کاربردها

Lساختار آمیخته

کامپوزیت ها از ترکیبی از مواد تشکیل شده اند که برای دستیابی به خواص ساختاری خاص با یکدیگر ترکیب می شوند. تک تک مواد به طور کامل حل نمی شوند یا در کامپوزیت ذوب نمی شوند، اما به طور کلی با هم عمل می کنند. اغلب، رابط بین اجزاء را می توان به صورت فیزیکی تشخیص داد. خواص یک ماده کامپوزیت بر خواص مواد جداگانه ای که از آنها تشکیل شده است برتر است.

یک ماده کامپوزیت پیشرفته از یک ماده الیافی حل شده در یک ماتریس رزین ساخته شده است که معمولاً توسط الیافی که به طور متناوب جهت گیری می شوند لمینیت می شوند تا استحکام و سفتی ماده را فراهم کنند. مواد فیبری رایج نیستند. چوب رایج ترین ماده ساختاری فیبری است که برای بشر شناخته شده است.

کاربردهای کامپوزیت در هواپیما عبارتند از

-دفلکتور

- سطوح کنترل پرواز

-درهای ارابه فرود

-بال و تثبیت کننده پانل های لبه جلو و عقب

- اجزای داخلی

-تیرهای کف و پانل های کف

-ساختارهای اولیه تثبیت کننده عمودی و افقی برای هواپیماهای بزرگ

- ساختارهای اصلی بال و بدنه نسل جدید هواپیماهای بزرگ

-پره های فن موتور توربین

-پروانه

اجزای اصلی لمینت ها

یک ماده همسانگرد دارای خواص یکنواخت در همه جهات است (به معنی خواص همسانگرد همان ماده). خواص اندازه گیری شده مواد همسانگرد مستقل از محور آزمایش است. آلومینیوم و تیتانیوم، که مواد فلزی هستند، به عنوان مثال برای نشان دادن تصویر مواد همسانگرد استفاده می شوند.

الیاف عناصر اصلی باربر کامپوزیت ها هستند. کامپوزیت ها فقط در جهت الیاف استحکام و سفتی دارند. کامپوزیت های یک طرفه عمدتاً خواص مکانیکی در یک جهت دارند که به نام ناهمسانگردی شناخته می شود، جایی که خواص مکانیکی یا فیزیکی با جهت محور مرجع طبیعی ذاتی ماده متفاوت است. اجزای ساخته شده از کامپوزیت های تقویت شده با الیاف را می توان به گونه ای طراحی کرد که جهت الیاف بهترین خواص مکانیکی را ایجاد کند، اما آنها فقط می توانند به خواص همسانگرد واقعی فلزات مانند آلومینیوم و تیتانیوم نزدیک شوند.

ماتریس کامپوزیت از الیاف پشتیبانی می کند و آنها را در کامپوزیت می چسباند. ماتریس هرگونه بار اعمال شده را به الیاف منتقل می کند، الیاف را در موقعیت و جهت انتخابی خود نگه می دارد، مقاومت محیطی کامپوزیت را نشان می دهد و حداکثر دمای سرویس کامپوزیت را تعیین می کند.

خواص

خواص ساختاری ورقه های کامپوزیتی مانند سفتی، پایداری ابعادی و استحکام به ترتیب روی هم چیدن لایه ها بستگی دارد. ترتیب انباشتگی توزیع جهت های چیدمان را در ضخامت لمینت توصیف می کند. با افزایش تعداد لایه‌های با جهت‌گیری‌های انتخاب‌شده، سفارش‌های انباشته بیشتر امکان‌پذیر است. به عنوان مثال، یک لمینت متقارن هشت لایه با چهار جهت چیدمان مختلف دارای 24 مرتبه انباشتگی مختلف است.

جهت فیبر

استحکام و سفتی یک کامپوزیت به ترتیب جهت گیری لایه ها بستگی دارد. استحکام و سفتی واقعی الیاف کربن از مقادیر کم تا بالا، مانند مقادیر ارائه شده توسط الیاف شیشه، تا مقادیر بالای استحکام و سفتی ارائه شده توسط الیاف تیتانیوم متغیر است. این محدوده از مقادیر با جهت گیری ورقه ورقه به بار اعمال شده تعیین می شود. در کامپوزیت های پیشرفته، انتخاب مناسب جهت چیدمان برای ارائه طراحی کارآمد سازه ضروری است. این قطعه ممکن است به بارهای محوری راکتیو لایه‌ای 0 درجه، بارهای برشی راکتیو لایه‌ای ±45 درجه و بارهای جانبی راکتیو لایه 90 درجه نیاز داشته باشد. از آنجا که الزامات طراحی مقاومت تابعی از جهت بارهای اعمال شده است، جهت لایه و دنباله لایه باید صحیح باشد. در طول فرآیند تعمیر، بسیار مهم است که هر لایه آسیب دیده را با یک لایه از همان ماده و جهت جایگزین کنید.

الیاف در یک ماده یکپارچه در یک جهت حرکت می کنند، با استحکام و سفتی فقط در جهت الیاف. نوارهای Prepreg (فیلم prepreg) نمونه ای از جهت layup یک طرفه هستند.

الیاف در یک ماده دو جهته در دو جهت جریان دارند که معمولاً 90 درجه از هم فاصله دارند. سازه های ساده نمونه ای از جهت های چیدمان دو جهته هستند. این جهت های چیدمان دارای قدرت در هر دو جهت هستند، اما لزوماً قدرت یکسانی ندارند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است

لایه های شبه همسانگرد دارای توالی لایه های 0 درجه، -45 درجه، 45 درجه و 90 درجه یا 0 درجه، -60 درجه و 60 درجه هستند. این نوع جهت‌گیری‌های لایه، خواص مواد همسانگرد را شبیه‌سازی می‌کنند که در شکل 2 نشان داده شده است. بسیاری از ساختارهای ترکیبی هوافضا از مواد شبه همسانگرد ساخته شده‌اند.

شکل 1: خواص مواد روسازی دو طرفه و یک طرفه

شکل 2: چیدمان مواد همسانگرد متقارن

Wجهت آرپ

جهت تار به الیاف طولی پارچه اشاره دارد. با توجه به صاف بودن الیاف، جهت تار، جهت استحکام بالا است. جهت تاب تار برای توصیف جهت الیاف در نمودار، برگه مشخصات یا برگه سازنده استفاده می شود. اگر جهت تار روی پارچه وجود نداشته باشد، هنگام جدا شدن پارچه از رول، جهت تار به طور پیش فرض صفر می شود. بنابراین 90 درجه به صفر عرض پارچه است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است

شکل 3: قفل پیچشی

Fپیکربندی iber

همه فرم های محصول معمولاً با یک خط یک طرفه از الیاف خام شروع می شوند که در رشته های پیوسته بسته بندی می شوند. یک فیبر منفرد فیلامنت نامیده می شود. اصطلاح "نخ" همچنین برای نشان دادن یک فیبر شیشه ای جداگانه استفاده می شود. رشته های بسته بندی شده را می توان به عنوان نخ های تابیده، نخ یا رووینگ طبقه بندی کرد. نخ های فایبرگلاس پیچ خورده هستند، در حالی که نخ های کولار® این گونه نیستند. دسته های فیلامنت و رووینگ ها هیچ پیچ و تاب ندارند. اکثر الیاف الیاف خشک هستند و باید قبل از استفاده با رزین آغشته شوند (پیش آغشته کردن) یا با مواد از پیش آغشته شده در جایی که رزین قبلاً روی الیاف اعمال شده است.

الیاف درشت (بسته های نخ)

رووینگ مجموعه‌ای از رشته‌ها یا انتهای فیبر است، مانند 20- یا 60-روینگ شیشه‌ای انتهایی. همه رشته ها در یک جهت هستند و پیچ خورده نیستند. رووینگ های فیبر کربن معمولاً به عنوان رووینگ های 3K، 6K یا 12K شناسایی می شوند که K نشان دهنده 1000 رشته است. اکثر برنامه های کاربردی محصولات روینگ از سنبه برای سیم پیچی فیبر و سپس پخت رزین تا پیکربندی نهایی استفاده می کنند.

یک طرفه (با)

نوارهای پیش آغشته یک طرفه برای سالیان متمادی استاندارد در صنعت هوافضا بوده است و الیاف معمولاً با یک رزین ترموست آغشته می شوند. متداول‌ترین روش آماده‌سازی شامل کشیدن رشته‌های خام (خشک) همسو شده به داخل دستگاه آغشته‌کننده است که در آن رزین ذوب داغ با حرارت و فشار به رشته‌ها متصل می‌شود. محصول نوار دارای استحکام بالایی در جهت الیاف است و تقریباً هیچ استحکامی در الیاف ندارد. الیاف توسط رزین در جای خود ثابت می شوند. نوارها از پارچه های بافته قوی تر هستند. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است

شکل 4: نوارها و محصولات پارچه ای

پارچه

برای لمینیت های شکل پیچیده، اکثر سازه های پارچه انعطاف پذیری بیشتری نسبت به نوارهای مستقیم یک طرفه دارند. پارچه ها امکان آغشته کردن رزین را از طریق محلول یا فرآیند ذوب داغ ارائه می دهند. به طور معمول، پارچه ها برای کاربردهای ساختاری از الیاف یا رشته هایی با وزن یا عملکرد یکسان در هر دو جهت تار (طولی) و پود (عرضی) استفاده می کنند. برای سازه‌های هوافضا، پارچه‌های محکم بافته شده اغلب گزینه‌ای هستند که باعث کاهش وزن می‌شوند و اندازه حفره‌های رزین را کاهش می‌دهند و جهت الیاف را در طول تولید حفظ می‌کنند.

ساختار پارچه معمولاً شامل دسته‌ها، رشته‌ها یا نخ‌های تقویت‌شده تقویت‌شده است که در طول فرآیند بافندگی به هم متصل می‌شوند. سبک‌های رایج‌تر پارچه، بافت ساده یا بافت ساتن است. ساختارهای بافت ساده با الیاف متناوب در بالا و زیر هر رشته متقاطع (دسته، دسته یا نخ) تشکیل می شوند. در سبک‌های متداول بافت ساتن، مانند 5- یا 8-بافت، رشته‌های الیاف کمتر در جهت تار و جهت پود به جلو و عقب حرکت می‌کنند.

این پارچه های ساتن نسبت به پارچه های ساده کمتر چین خورده و راحت تر تغییر شکل می دهند. در بافت‌های ساده و بیشتر پارچه‌های 5 یا 8 دسته، تعداد رشته‌های الیاف در جهت تار و پود برابر است. به عنوان مثال: بافت های ساده 3K معمولاً یک نام اضافی مانند 12 x 12 دارند که به معنای 12 یدک در هر اینچ در هر جهت است. این نام شمارش را می توان برای افزایش یا کاهش وزن پارچه یا برای قرار دادن الیاف مختلف در وزن های مختلف تغییر داد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است

شکل 5: سبک بافت پارچه معمولی

پارچه های نبافته (بافته یا دوخته شده)

پارچه های بافته شده یا دوخته شده می توانند بسیاری از مزایای مکانیکی نوار یک طرفه را ارائه دهند. قرار دادن الیاف می تواند مستقیم یا یک طرفه باشد، بدون چرخش بالا و پایین پارچه های بافته شده. پس از جهت گیری از پیش انتخاب شده یک یا چند لایه دیوار خشک، الیاف با نخ یا نخ های ظریف به هم دوخته می شوند تا الیاف را در جای خود نگه دارند. این نوع پارچه ها طیف وسیعی از جهت گیری های چند لایه را ارائه می دهند. در حالی که ممکن است مقداری وزن اضافه شود یا برخی از خواص نهایی الیاف تقویت کننده از بین برود، ممکن است بهبودهایی در خواص برشی بین لایه ای و مقاومت به دست آید. برخی از نخ های رایج دوخت پلی استر، آرامید یا ترموپلاستیک هستند. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است

شکل 6: مواد غیر بافته شده (دوخت)

انواع الیاف

Gفیبر زن

فایبرگلاس معمولاً در سازه های ثانویه هواپیما مانند فیرینگ ها، رادوم ها و نوک بال ها استفاده می شود. از الیاف شیشه در پره های روتور هلیکوپتر نیز استفاده می شود. انواع مختلفی از الیاف شیشه در صنعت هوافضا استفاده می شود. فیبر شیشه الکترونیکی یا E-glass برای چنین کاربردهای الکترونیکی شناخته شده است. مقاومت بالایی در برابر جریان های الکتریکی دارد. E-glass از الیاف شیشه بوروسیلیکات ساخته شده است. S-glass و S{3}}glass الیاف شیشه ای ساختاری هستند که استحکام بالاتری نسبت به E-glass دارند. الیاف شیشه S-glass از سیلیکات های منیزیم-آلومینیوم ساخته شده اند. از مزایای الیاف شیشه می توان به هزینه کمتر نسبت به سایر کامپوزیت ها، مقاومت شیمیایی یا الکتریکی و خواص الکتریکی اشاره کرد (الیاف شیشه رسانای الکتریسیته نیستند). الیاف شیشه سفید رنگ هستند و می توان از آنها به عنوان پارچه های الیاف خشک یا پیش آغشته استفاده کرد.

Aفیبر رامید

کولار نام فیبر آرامید دوپونت است. الیاف آرامید سبک، قوی و محکم هستند. دو نوع الیاف آرامید در صنعت هوافضا استفاده می شود. Kevlar® 49 دارای سفتی بالا و Kevlar® 29 دارای سفتی کم است. مزیت الیاف آرامید این است که در برابر ضربه بسیار مقاوم هستند، بنابراین معمولاً در مناطق مستعد آسیب ضربه استفاده می شوند. عیب اصلی الیاف آرامید کمبود کلی آنها در تراکم پذیری و جذب رطوبت است. گزارش های خدمات نشان می دهد که برخی از قطعات ساخته شده از کولار® تا 8 درصد وزن خود را در آب جذب می کنند. بنابراین قطعات ساخته شده از الیاف آرامید باید در برابر محیط زیست محافظت شوند. اشکال دیگر این است که الیاف کولار به سختی سوراخ می شوند و برش می شوند. الیاف به راحتی پرز می کنند و برای برش به قیچی مخصوص نیاز دارند.

کولار معمولا در کاربردهای بالستیک نظامی و زره بدن استفاده می شود. رنگ زرد طبیعی دارد و به صورت پارچه خشک و پیش آغشته موجود است. اندازه یک بسته نرم افزاری الیاف آرامید به تعداد الیاف مانند الیاف کربن یا شیشه بستگی ندارد، بلکه به وزن آن بستگی دارد.

فیبر کربن/گرافیت

اولین تفاوت بین این فیبر بین الیاف کربن و گرافیت است، اگرچه این اصطلاحات اغلب به جای یکدیگر استفاده می شوند. الیاف کربن و گرافیت بر اساس شبکه ای از لایه های منفرد گرافیت (شش ضلعی) در کربن هستند. یک ماده به عنوان گرافیت تعریف می شود اگر لایه ها یا صفحات گرافیت منفرد در یک توالی سه بعدی روی هم چیده شوند. معمولاً برای شکل‌گیری این نظم، پردازش طولانی‌مدت زمان و دما مورد نیاز است و الیاف گرافیت را گران‌تر می‌کند. پیوند بین هواپیماها ضعیف است. اختلال اغلب به گونه ای رخ می دهد که فقط یک نظم دو بعدی در لایه ها وجود دارد. این ماده به عنوان فیبر کربن تعریف می شود.

فیبر کربن بسیار سخت است و 3 تا 10 برابر سفت تر از الیاف شیشه است. فیبر کربن در کاربردهای ساختاری هواپیما مانند تیرهای پایین، تثبیت کننده ها، کنترل پرواز و ساختارهای بدنه و بال اصلی استفاده می شود. از مزایای آن می توان به مقاومت بالا و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد. معایب شامل هدایت الکتریکی کمتر نسبت به آلومینیوم است. بنابراین، برای اجزای هواپیما که مستعد برخورد صاعقه هستند، یک شبکه رعد و برق یا پوشش مقاوم در برابر صاعقه باید نصب شود. یکی دیگر از معایب فیبر کربن قیمت بالای آن است. فیبر کربن به رنگ خاکستری یا سیاه است و به صورت پارچه خشک و پیش آغشته در دسترس است. هنگامی که فیبر کربن با اتصال دهنده ها و ساختارهای فلزی استفاده می شود، پتانسیل بالایی برای ایجاد خوردگی جفت گالوانیکی دارد.

شکل 7: الیاف شیشه (سمت چپ)، الیاف آرامید (وسط)، مواد فیبر کربن (راست)

Bفیبر اورون

الیاف بور بسیار سخت بوده و استحکام کششی و فشاری بالایی دارند. الیاف از نظر قطر نسبتاً بزرگ هستند و به خوبی خم نمی شوند. بنابراین، آنها را فقط می توان به عنوان محصولات نوار پیش آماده استفاده کرد. ماتریس های رزین اپوکسی اغلب با الیاف بور استفاده می شوند. الیاف بور برای تعمیر بدنه های آلومینیومی ترک خورده هواپیما استفاده می شود زیرا انبساط حرارتی بور نزدیک به آلومینیوم است و پتانسیل خوردگی جفت گالوانیکی ندارد. استفاده از الیاف بور در صورتی که سطح زیرلایه دارای شکل کانتوری باشد دشوار است. الیاف بور بسیار گران هستند و می توانند برای پرسنل خطرناک باشند. الیاف بور عمدتاً در هوانوردی نظامی استفاده می شود.

Cفیبر ارامیک

الیاف سرامیکی در کاربردهایی با دمای بالا مانند پره های توربین برای موتورهای توربین گاز استفاده می شود. الیاف سرامیکی را می توان برای دماهای تا 2200 درجه فارنهایت استفاده کرد.

Lفیبر محافظ در برابر رعد و برق

هواپیماهای آلومینیومی بسیار رسانا هستند و می توانند جریان های زیاد ناشی از برخورد صاعقه را از بین ببرند. فیبر کربن 1،000 برابر بیشتر از آلومینیوم در برابر جریان مقاوم است، و رزین اپوکسی ۱،000،000 برابر بیشتر (یعنی عمود بر پوست) مقاوم‌تر است. سطح اجزای کامپوزیت خارجی معمولاً از یک لایه یا لایه‌هایی از مواد رسانا برای محافظت در برابر صاعقه تشکیل می‌شود، زیرا کامپوزیت‌ها رسانایی کمتری نسبت به آلومینیوم دارند. انواع مختلفی از مواد رسانا استفاده می شود، از پارچه گرافیتی با روکش نیکل گرفته تا مش فلزی گرفته تا الیاف شیشه آلومینیومی تا پوشش های رسانا. این ماده را می توان به عنوان یک لایه مرطوب یا پیش آغشته استفاده کرد.

علاوه بر تعمیرات سازه ای معمولی، تکنسین ها باید طرح را تا رسانایی قطعه بازسازی کنند. این نوع تعمیرات اغلب نیاز به آزمایش رسانایی با مقاومت سنج برای تأیید حداقل مقاومت کل سازه دارند. هنگام تعمیر این نوع سازه ها، استفاده از مواد مورد تایید تامین کنندگان مجاز از جمله مواردی مانند ترکیبات گلدان، درزگیرها و چسب ها بسیار مهم است. همانطور که در شکل 8 و 9 نشان داده شده است

شکل 8: مواد محافظ در برابر صاعقه مشبک مسی

شکل 9: مواد محافظ در برابر صاعقه مشبک آلومینیومی