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442629613金蟲 (小有名氣)
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【中譯版】先進復(fù)合材料講義（一）：層壓板、纖維種類及應(yīng)用 已有1人參與
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本內(nèi)容較多，將分多次進行分享 層壓結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料由混合在一起以達到特定結(jié)構(gòu)性能的材料組合而成。單體材料不會完全溶解或融合在復(fù)合材料中，但它們會作為一個整體一起作用。通常情況下，組件之間的接口可以被物理識別。復(fù)合材料的性能優(yōu)于由其構(gòu)成的單體材料的性能。 一種先進的復(fù)合材料是由溶入樹脂基體的纖維材料制成的，通常由交替定向的纖維層壓，以提供材料的強度和剛度。纖維材料并不常見;木材是人類所知的最常見的纖維結(jié)構(gòu)材料。 復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用包括 •導(dǎo)流板 •飛行控制面 •起落架門 •機翼和穩(wěn)定器的前緣和后緣板 •內(nèi)部組件 •地板梁和地板面板 •大型飛機的垂直和水平穩(wěn)定器主結(jié)構(gòu) •新一代大型飛機的主要機翼和機身結(jié)構(gòu) •渦輪發(fā)動機風(fēng)扇葉片 •螺旋槳 層壓板的主要成分 各向同性材料在所有方向上都具有均勻的性質(zhì)(指同一材料的等向性)。各向同性材料的測量性質(zhì)與測試軸無關(guān)。以金屬材料的鋁和鈦為例來說明各向同性材料的例證。 纖維是復(fù)合材料的主要承載元素。復(fù)合材料只有在纖維的方向上才有強度和硬度。單向復(fù)合材料在一個方向上具有主要的力學(xué)性能，被稱為各向異性，其力學(xué)或物理性能與材料固有的自然參考軸的方向不同。由纖維增強復(fù)合材料制成的部件可以設(shè)計成纖維取向產(chǎn)生最佳的機械性能，但它們只能接近金屬的真正各向同性性能，如鋁和鈦。 復(fù)合基質(zhì)支撐著纖維，并將它們粘結(jié)在復(fù)合材料中�；w將任何施加的載荷轉(zhuǎn)移到纖維上，使纖維保持在其位置和選擇的方向，給出復(fù)合材料的環(huán)境電阻，并確定復(fù)合材料的最高使用溫度。 強度特性 復(fù)合材料層壓板的結(jié)構(gòu)性能，如剛度、維度穩(wěn)定性和強度，取決于層壓的堆疊順序。堆疊順序描述了層壓板厚度中鋪層方向的分布。隨著具有選擇方向?qū)訑?shù)的增加，更多的堆疊順序是可能的。例如，一個具有四種不同鋪層方向的對稱八層層壓板有24種不同的堆疊順序。 纖維方向 復(fù)合材料的強度和剛度取決于鋪層的定向順序。碳纖維的實際強度和剛度范圍從低至高，如玻璃纖維提供的強度和剛度值，高至鈦纖維提供的強度和剛度值。這個值的范圍是由層壓對施加的負載的方向決定的。在先進復(fù)合材料中，適當選擇鋪層方向是提供結(jié)構(gòu)高效設(shè)計的必要條件。該部分可能需要0°層反應(yīng)軸向負荷，±45°層反應(yīng)剪切負荷，90°層反應(yīng)側(cè)負荷。因為強度設(shè)計要求是施加荷載方向的函數(shù)，所以鋪層方向和鋪層順序必須正確。在修復(fù)過程中，用相同材料和方向的層替換每一層損壞的層是至關(guān)重要的。 單體材料中的纖維在一個方向上運動，強度和剛度只在纖維的方向上。預(yù)浸料(預(yù)浸膠膜)膠帶是單向鋪層定向的一個例子。 雙向材料中的纖維在兩個方向上流動，通常間隔90°。平紋結(jié)構(gòu)是雙向鋪層方向的一個例子。這些鋪層方向在兩個方向上都有強度，但強度不一定相同。如圖1所示 準各向同層鋪的層序為0°、-45°、45°和90°或0°、-60°和60°。如圖2所示,這些類型的鋪層取向模擬各向同性材料的特性。許多航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是由準各向同性材料制成的。 圖1：雙向和單向鋪層材料性能 圖2：對稱各向同性材料鋪層 縱向 經(jīng)向是指織物的縱向纖維。由于纖維的直線度，經(jīng)向是高強度的方向。翹曲經(jīng)向用于在圖表、規(guī)格表或制造商的表上描述纖維的方向。如果織物上沒有翹曲方向，當織物從卷上下來時，翹曲方向默認為零。因此，90°到零是織物的寬度。如圖3所示 圖3：扭曲鎖定 纖維形態(tài) 所有的產(chǎn)品形式通常都是從單向線的原纖維開始，包裝成連續(xù)的股。一根單獨的纖維叫做細絲�！熬�”這個詞也被用來表示一種單獨的玻璃纖維。成束的細絲可分為細紗、紗線或粗紗。玻璃纖維紗線是扭曲的，而kevlar®紗線不是。絲束和粗紗沒有任何扭力。大多數(shù)纖維都是干纖維，在使用前需要用樹脂浸漬(預(yù)浸漬)，或在樹脂已經(jīng)涂在纖維上的地方用預(yù)浸漬材料。 粗纖（紗束） 粗纖是一組細絲或纖維末端，如20端或60端玻璃粗紗。所有細絲方向一致，不扭曲。碳纖維粗紗通常被確定為3K、6K或12K粗紗，K表示1000根絲。大多數(shù)粗紗產(chǎn)品的應(yīng)用都是利用芯軸進行纖維纏繞，然后樹脂固化到最終配置。 單向(帶) 單向預(yù)浸帶多年來一直是航空航天工業(yè)的標準，纖維通常是浸漬熱固性樹脂。最常見的制備方法是將準直的生(干)股拉入浸漬機，在浸漬機中，熱熔樹脂通過加熱和壓力與股結(jié)合。膠帶產(chǎn)品在纖維方向上有很高的強度，而在纖維上幾乎沒有強度。纖維被樹脂固定住。膠帶的強度比機織織物高。如圖4所示 圖4：膠帶和織物制品 雙向(織物) 對于復(fù)雜形狀的層疊，大多數(shù)織物結(jié)構(gòu)比直接的單向膠帶提供了更多的靈活性�？椢锾峁┝送ㄟ^溶液或熱熔工藝浸漬樹脂的選擇。通常，用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的織物在經(jīng)線(縱向)和緯線(橫向)兩個方向使用相同重量或屈服度的纖維或股。對于航空航天結(jié)構(gòu)，緊密編織的織物通常是節(jié)省重量的選擇，減少樹脂空洞的大小，并在制造過程中保持纖維的取向。 織物結(jié)構(gòu)通常由加固的增強絲束、股或紗線在織造過程中相互交錯而成。更常見的織物款式是平織或緞紋編織。平紋編織結(jié)構(gòu)是由每根纖維在每根交叉的股(束、束或紗)上面和下面交替形成的。在常見的緞面織法中，如5束或8束，纖維束在經(jīng)紗方向和緯紗方向上來回移動的頻率較低。 這些緞紋織物比平紋織物卷曲少，更容易變形。在平紋織物和大多數(shù)5或8束織物中，經(jīng)向和緯紗方向的纖維股數(shù)相等。例如:3K平織通常有一個額外的名稱，如12 x 12，這意味著每英寸在每個方向上有12個牽引。此計數(shù)名稱可以改變，以增加或減少織物重量，或適應(yīng)不同重量的不同纖維。如圖5所示 圖5：典型的織物編織風(fēng)格 非織造物(編織或縫制) 編織物或縫紉織物可以提供許多單向膠帶的機械優(yōu)點。纖維的放置可以是直的或單向的，沒有機織織物的上下轉(zhuǎn)彎。經(jīng)預(yù)先選定的一層或多層干板方向后，用細紗或細線縫合，使纖維固定。這些類型的織物提供了廣泛的多層定向。雖然可能會增加一些重量或失去一些最終增強纖維性能，但可能會實現(xiàn)層間剪切和韌性性能的某些提高。一些常見的縫紉紗線是滌綸、芳綸或熱塑性塑料。如圖6所示 圖6：非織造材料(縫合) 纖維的種類 玻璃纖維 玻璃纖維常用于飛機的二級結(jié)構(gòu)，如整流罩、天線罩和翼尖。玻璃纖維也用于直升機旋翼葉片。有幾種類型的玻璃纖維用于航空工業(yè)。電子玻纖，或E-glass，被認定為這樣的電子應(yīng)用。它對電流有很高的阻力。電子玻纖是由硼硅酸鹽玻璃纖維制成的。S-glass和S2-glass是比E-glass具有更高強度的結(jié)構(gòu)玻璃纖維。S-glass玻璃纖維是由鎂鋁硅酸鹽制成的。玻璃纖維的優(yōu)點是成本低于其他復(fù)合材料，耐化學(xué)或電腐蝕，以及電學(xué)性能(玻璃纖維不導(dǎo)電)。玻璃纖維呈白色，可作為干纖維織物或預(yù)浸料使用。 芳綸纖維 凱夫拉(Kevlar)是杜邦公司芳綸纖維的名稱。芳綸纖維重量輕、結(jié)實、堅韌。兩種芳綸纖維用于航空工業(yè)。Kevlar®49具有高剛度，而Kevlar®29具有低剛度。芳綸纖維的一個優(yōu)點是抗沖擊損傷能力強，因此常用于易受沖擊損傷的區(qū)域。芳綸纖維的主要缺點是在壓縮性和吸濕性方面普遍存在缺陷。服役報告表明，一些由kevlar®制成的部件在水中吸收高達8%的重量。因此，由芳綸纖維制成的零件需要受到環(huán)境的保護。另一個缺點是凱夫拉纖維很難鉆孔和切割。纖維很容易起毛，需要專門的剪刀來剪切。 凱夫拉纖維通常用于軍事彈道和防彈衣應(yīng)用。它有天然的黃色，可作為干織物和預(yù)浸料。芳綸纖維束的大小不像碳纖維或玻璃纖維那樣取決于纖維的數(shù)量，而是取決于重量。 碳纖維/石墨纖維 此纖維之間的第一個區(qū)別是碳纖維和石墨纖維之間的區(qū)別，盡管這兩個術(shù)語經(jīng)�；Q使用。碳纖維和石墨纖維是基于碳中的單層石墨(六邊型)層網(wǎng)絡(luò)。如果單層石墨層或平面按三維順序堆疊，則該材料被定義為石墨。通常需要延長時間和溫度加工形成這種順序，使石墨纖維更昂貴。平面間的鍵合很弱。無序經(jīng)常發(fā)生，以至于在層中只存在二維順序。這種物質(zhì)被定義為碳纖維。 碳纖維非常堅韌，硬度是玻璃纖維的3到10倍。碳纖維用于飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如底梁，穩(wěn)定器，飛行控制，以及主機身和機翼結(jié)構(gòu)。優(yōu)點是強度高、耐腐蝕。缺點包括導(dǎo)電性比鋁低;因此，對于容易受到雷擊的飛機部件，必須安裝防雷網(wǎng)或防雷涂層。碳纖維的另一個缺點是成本高。碳纖維是灰或黑的顏色，可作為干織物和預(yù)浸料。當與金屬緊固件和結(jié)構(gòu)一起使用時，碳纖維有引起電偶腐蝕的高潛力。 圖7：玻璃纖維(左)，芳綸纖維(中)，碳纖維材料(右) 硼纖維 硼纖維非常堅硬，具有很高的抗拉和抗壓強度。纖維的直徑比較大，彎曲性不好;因此，它們只能作為預(yù)浸料膠帶產(chǎn)品。環(huán)氧樹脂基體常與硼纖維一起使用。硼纖維用于修復(fù)開裂的鋁飛機外殼，因為硼的熱膨脹接近鋁，沒有電偶腐蝕的潛力。如果基材表面有一個輪廓形狀，硼纖維就很難使用。硼纖維非常昂貴，對人員可能有危險。硼纖維主要用于軍事航空領(lǐng)域。 陶瓷纖維 陶瓷纖維用于高溫應(yīng)用，如燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。陶瓷纖維可用于高達2200°F的溫度。 防雷光纖 鋁制飛機的導(dǎo)電性很好，能夠驅(qū)散雷擊產(chǎn)生的大電流。碳纖維對電流的電阻是鋁的1000倍，環(huán)氧樹脂的電阻是1,000,000倍(即垂直于表皮)。外部復(fù)合材料部件的表面通常由一層或一層導(dǎo)電材料組成，用于防雷，因為復(fù)合材料的導(dǎo)電性比鋁低。許多不同類型的導(dǎo)電材料被使用，從鍍鎳石墨布到金屬網(wǎng)到鋁化玻璃纖維到導(dǎo)電涂料。該材料可用于濕鋪層或預(yù)浸料。 除了正常的結(jié)構(gòu)修復(fù)，技術(shù)人員還必須重新創(chuàng)造設(shè)計到部件的導(dǎo)電性。這類修復(fù)通常需要用電阻表進行導(dǎo)電性測試，以驗證整個結(jié)構(gòu)的最小電阻。當修理這些類型的結(jié)構(gòu)時，非常重要的是只使用來自授權(quán)供應(yīng)商的批準材料，包括諸如灌封化合物、密封劑、粘合劑等。如圖8和圖9所示 圖8：銅網(wǎng)防雷材料 圖9：鋁網(wǎng)防雷材料 未完待續(xù) 本內(nèi)容較多，將分多次進行分享 |
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2樓2023-07-04 16:11:23
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