חומר מרוכב מתקדם (I): למינטים, סוגי סיבים ויישומים

Lמבנה נגוע

חומרים מרוכבים מורכבים משילוב של חומרים המשולבים יחד כדי להשיג תכונות מבניות ספציפיות. החומרים הבודדים אינם מתמוססים לחלוטין או מתמזגים לתוך המרוכב, אך הם יפעלו יחד כמכלול. לעתים קרובות, ניתן לזהות פיזית את הממשקים בין הרכיבים. תכונותיו של חומר מרוכב עדיפות על תכונות החומרים הבודדים מהם הוא מורכב.

חומר מרוכב מתקדם עשוי מחומר סיבי המומס למטריצת שרף, לרוב למינציה על ידי סיבים מכוונים לסירוגין כדי לספק חוזק וקשיחות לחומר. חומרים סיביים אינם נפוצים; עץ הוא החומר המבני הסיבי הנפוץ ביותר הידוע לאדם.

יישומים של חומרים מרוכבים במטוסים כוללים

-מַטֵה הַטָיָה

-משטחי בקרת טיסה

-דלתות ציוד נחיתה

-כנף ומייצב לוחות קצה מובילים ונגררים

-רכיבים פנימיים

-קורות רצפה ולוחות רצפה

-מבנים ראשוניים של מייצב אנכי ואופקי עבור מטוסים גדולים

-מבני כנף וגוף גוף עיקריים של הדור החדש של מטוסים גדולים

-להבי מאוורר מנוע טורבינה

-מַדחֵף

מרכיבים עיקריים של למינטים

לחומר איזוטרופי תכונות אחידות לכל הכיוונים (כלומר תכונות איזוטרופיות של אותו חומר). התכונות הנמדדות של חומרים איזוטריים אינן תלויות בציר הבדיקה. אלומיניום וטיטניום, שהם חומרים מתכתיים, משמשים כדוגמאות להמחשת המחשה של חומרים איזוטריים.

סיבים הם האלמנטים נושאי העומס העיקריים של חומרים מרוכבים. לחומרים מרוכבים יש חוזק ונוקשות רק בכיוון הסיבים. לחומרים מרוכבים חד-כיווניים יש בעיקר תכונות מכניות בכיוון אחד, המכונה אניזוטרופיה, כאשר התכונות המכניות או הפיזיקליות שונות מהכיוון של ציר ההתייחסות הטבעי הטבוע בחומר. רכיבים העשויים מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים יכולים להיות מתוכננים כך שכיוון הסיבים מייצר את התכונות המכניות הטובות ביותר, אך הם יכולים להתקרב רק לתכונות האיזוטרופיות האמיתיות של מתכות, כגון אלומיניום וטיטניום.

המטריצה ​​המרוכבת תומכת בסיבים וקושרת אותם בחומר המרוכב. המטריצה ​​מעבירה את כל העומסים המופעלים על הסיבים, שומרת על הסיבים במקומם ובכיוון הנבחר, מעניקה את העמידות הסביבתית של המרוכב וקובעת את טמפרטורת השירות המקסימלית של המרוכב.

נכסים

המאפיינים המבניים של למינציה מרוכבת, כגון קשיחות, יציבות ממדי וחוזק, תלויים בסדר הערימה של הלמינציות. סדר הערימה מתאר את התפלגות כיווני ה-layup בעובי הלמינציה. ככל שמספר השכבות עם כיוונים נבחרים גדל, יותר סדרי ערימה אפשריים. לדוגמה, למינציה סימטרית בעלת שמונה שכבות עם ארבעה כיווני פריסה שונים יש 24 סדרי ערימה שונים.

כיוון סיבים

החוזק והקשיחות של קומפוזיט תלויים בסדר כיוון השכבות. החוזק והקשיחות בפועל של סיבי פחמן נעים בין ערכים נמוכים לגבוהים, כמו אלה שמספקים סיבי זכוכית, ועד לערכים גבוהים של חוזק וקשיחות שמספקים סיבי טיטניום. טווח ערכים זה נקבע על ידי הכיוון של הלמינציה לעומס המופעל. ברכיבים מרוכבים מתקדמים, יש צורך בבחירה נכונה של כיוון ה-layup כדי לספק עיצוב יעיל של המבנה. החלק עשוי לדרוש עומסי גזירה תגובתיים של רובד של 0 מעלות, עומסי גזירה תגובתיים של רובדיים של ±45 מעלות ועומסי צד תגובתיים של 90 מעלות. מכיוון שדרישות תכנון החוזק הן פונקציה של כיוון העומסים המופעלים, כיוון השכבה ורצף הרבדים חייבים להיות נכונים. במהלך תהליך התיקון, קריטי להחליף כל שכבה פגומה בשכבה מאותו חומר ואוריינטציה.

הסיבים בחומר מונוליטי נעים בכיוון אחד, עם חוזק ונוקשות רק לכיוון הסיבים. קלטות Prepreg (סרט prepreg) הן דוגמה להתמצאות layup חד כיוונית.

סיבים בחומר דו-כיווני זורמים בשני כיוונים, בדרך כלל במרחק של 90 מעלות זה מזה. מבנים רגילים הם דוגמה לכיווני שכבה דו-כיווניים. לכיווני השכבה הללו יש חוזק בשני הכיוונים, אך לא בהכרח אותו חוזק. כפי שמוצג באיור 1

לשכבות הכמו-איזוטרופיות יש רצפי שכבות של 0 מעלות, -45 מעלות, 45 מעלות ו-90 מעלות או 0 מעלות, -60 מעלות ו-60 מעלות. סוגים אלה של כיווני רבדים מדמים את המאפיינים של חומרים איזוטריים כפי שמוצג באיור 2. מבנים מרוכבים רבים של תעופה וחלל עשויים מחומרים כמו-איזוטרופיים.

איור 1: תכונות חומר ריצוף דו-כיווני וחד-כיווני

איור 2: פריסת חומרים איזוטריים סימטריים

Wכיוון arp

כיוון העיוות מתייחס לסיבים האורכיים של הבד. בשל ישרות הסיבים, כיוון העיוות הוא הכיוון של חוזק גבוה. כיוון עיוות עיוות משמש לתיאור כיוון הסיבים בתרשים, גיליון מפרט או גיליון היצרן. אם אין כיוון עיוות על הבד, כיוון העיוות מוגדר כברירת מחדל כאשר הבד יורד מהגליל. לכן, 90 מעלות עד אפס הוא רוחב הבד. כפי שמוצג באיור 3

איור 3: Twist Lock

Fתצורת iber

כל צורות המוצר מתחילות בדרך כלל בקו חד-כיווני של סיבים גולמיים שנארזים בגדילים רציפים. סיב בודד נקרא נימה. המונח "חוט" משמש גם לציון סיבי זכוכית בודדים. ניתן לסווג את החוטים הארוזים כחוטים טווים, חוטים או רוטבים. חוטי פיברגלס מעוותים, ואילו חוטי kevlar® אינם. לצרורות חוטים ולרובינג אין שום טוויסט. רוב הסיבים הם סיבים יבשים וצריך להספוג אותם בשרף לפני השימוש (טרום אימפרגנציה) או בחומר ספוג מראש שבו השרף כבר נמרח על הסיבים.

סיבים גסים (צרורות חוטים)

נדידה היא קבוצה של חוטים או קצוות סיבים, כגון 20- או 60-נדידה מזכוכית קצה. כל החוטים מכוונים באותו כיוון ואינם מעוותים. רובינג סיבי פחמן מזוהה בדרך כלל כ-3K, 6K או 12K Rovings, כאשר K מציין 1000 חוטים. רוב יישומי המוצר המשוטטים משתמשים במדרל לסיפוף סיבים ולאחר מכן ריפוי שרף לתצורה הסופית.

חד כיווני (עם)

סרטי Prepreg חד-כיווניים הם הסטנדרט בתעשייה האווירית כבר שנים רבות, והסיבים מוספגים בדרך כלל בשרף תרמוסטי. שיטת ההכנה הנפוצה ביותר כוללת משיכת גדילים גולמיים (יבשים) שנאספו לתוך מכונת אימפרגנציה, כאשר השרף הנמס החם נקשר לגדילים על ידי חום ולחץ. למוצר הטייפ חוזק גבוה לכיוון הסיבים וכמעט ללא חוזק בסיבים. הסיבים מוחזקים במקומם על ידי השרף. קלטות חזקות יותר מבדים ארוגים. כפי שמוצג באיור 4

איור 4: קלטות ומוצרי בד

בַּד

עבור למינציות בצורת מורכבות, רוב קונסטרוקציות הבד מציעות גמישות רבה יותר מאשר סרטים חד-כיווניים ישרים. בדים מציעים אפשרות להספגת את השרף באמצעות תמיסה או תהליך היתוך חם. בדרך כלל, בדים ליישומים מבניים משתמשים בסיבים או גדילים בעלי אותו משקל או תשואה בכיווני עיוות (אורכי) וערב (רוחבי). עבור מבני תעופה וחלל, בדים ארוגים בחוזקה הם לרוב הבחירה החוסכת במשקל, מקטינים את גודל חללי השרף ושומרים על כיוון הסיבים במהלך הייצור.

מבנה הבד מורכב בדרך כלל מחבורות חיזוק מחוזקות, חוטים או חוטים המשולבים במהלך תהליך האריגה. סגנונות הבד הנפוצים יותר הם אריגה רגילה או מארג סאטן. מבני אריגה רגילים נוצרים על ידי סיבים מתחלפים מעל ומתחת לכל גדיל חוצה (צרור, חבורה או חוט). בסגנונות אריג סאטן נפוצים, כגון 5- או 8-צרור, גדילי הסיבים נעים קדימה ואחורה בכיוון העיוות ובכיוון הערב בתדירות נמוכה יותר.

בדי סאטן אלה פחות מכווצים ומעוותים בקלות רבה יותר מבדים רגילים. באריגה פשוטה וברוב 5 או 8 בדים של צרור, יש מספר שווה של גדילי סיבים בכיווני העיוות והערב. לדוגמה: לארוגים רגילים יש בדרך כלל שם נוסף כגון 12 x 12, כלומר 12 גרירות לאינץ' לכל כיוון. ניתן לשנות את ייעוד הספירה הזה כדי להגדיל או להקטין את משקל הבד, או כדי להכיל סיבים שונים במשקלים שונים. כפי שמוצג באיור 5

איור 5: סגנון אריגת בד טיפוסי

בדים לא ארוגים (ארוגים או תפורים)

בדים ארוגים או תפורים יכולים להציע רבים מהיתרונות המכניים של סרט חד-כיווני. מיקום הסיבים יכול להיות ישר או חד-כיווני, ללא סיבובים למעלה ולמטה של ​​בדים ארוגים. לאחר כיוון שנבחר מראש של שכבה אחת או יותר של קיר גבס, הסיבים נתפרים יחד עם חוטים או חוטים עדינים כדי להחזיק את הסיבים במקומם. סוגי בדים אלה מספקים מגוון רחב של כיוונים רב-שכבתיים. אמנם עשוי להתווסף משקל מסוים או שחלק מתכונות הסיבים החיזוקים הסופיים עלולים ללכת לאיבוד, אך עשוי להיות מושג שיפור מסוים בתכונות הגזירה והעקשנות הבין-למינרית. כמה חוטי תפירה נפוצים הם פוליאסטר, ארמיד או תרמופלסטי. כפי שמוצג באיור 6

איור 6: חומרים לא ארוגים (תפירה)

סוגי סיבים

Gסיב גס

פיברגלס נמצא בשימוש נפוץ במבנים משניים של מטוסים, כגון יריעות, ראדומים וקצות כנפיים. סיבי זכוכית משמשים גם להבי רוטור מסוקים. ישנם מספר סוגים של סיבי זכוכית המשמשים בתעשייה האווירית. סיבי זכוכית אלקטרוניים, או E-glass, מוכרים עבור יישומים אלקטרוניים כאלה. יש לו עמידות גבוהה בפני זרמים חשמליים. E-glass עשוי מסיבי זכוכית בורוסיליקט. S-glass ו-S2-glass הם סיבי זכוכית מבניים בעלי חוזק גבוה יותר מ- E-glass. סיבי זכוכית S-זכוכית עשויים מסיליקטים מגנזיום-אלומיניום. היתרונות של סיבי זכוכית הם עלות נמוכה יותר מאשר חומרים מרוכבים אחרים, עמידות כימית או חשמלית ותכונות חשמליות (סיבי זכוכית אינם מוליכים חשמל). סיבי זכוכית הם בצבע לבן וניתן להשתמש בהם כבדי סיבים יבשים או מקדימים.

Aסיב רמיד

קוולר הוא שמו של סיבי הארמיד של דופונט. סיבי ארמיד הם קלים, חזקים וקשים. שני סוגים של סיבי ארמיד משמשים בתעשייה האווירית; ל- Kevlar® 49 קשיחות גבוהה ול- Kevlar® 29 קשיחות נמוכה. היתרון של סיבי הארמיד הוא שהם עמידים מאוד בפני נזקי פגיעה, ולכן הם נמצאים בשימוש נפוץ באזורים הרגישים לנזקי פגיעה. החיסרון העיקרי של סיבי הארמיד הוא החסרים הכלליים שלהם בדחיסה ובספיגת לחות. דוחות שירות מציינים שחלקים מסוימים העשויים מ-kevlar® סופגים עד 8% ממשקלם במים. לכן יש להגן על חלקים העשויים מסיבי ארמיד מהסביבה. חיסרון נוסף הוא שקשה לקדוח ולחתוך סיבי קוולר. הסיבים מתמוססים בקלות ודורשים מספריים מיוחדים כדי לחתוך אותם.

קוולר משמש בדרך כלל ביישומים בליסטיים צבאיים ושריון גוף. יש לו צבע צהוב טבעי והוא זמין כבד יבש ו-prepreg. הגודל של צרור סיבי ארמיד אינו תלוי במספר הסיבים כמו סיבי פחמן או זכוכית, אלא במשקל.

סיבי פחמן/גרפיט

ההבדל הראשון בין סיב זה הוא בין סיבי פחמן לגרפיט, אם כי המונחים משמשים לעתים קרובות לסירוגין. סיבי פחמן וגרפיט מבוססים על רשת של שכבות גרפיט בודדות (משושים) בפחמן. חומר מוגדר כגרפיט אם שכבות הגרפיט הבודדות או המישורים מוערמים ברצף תלת מימדי. בדרך כלל נדרש עיבוד זמן וטמפרטורה ממושך ליצירת סדר זה, מה שהופך את סיבי הגרפיט ליקרים יותר. חיבור בין מטוסים חלש. הפרעה מתרחשת לעתים קרובות כך שרק סדר דו מימדי קיים בשכבות. חומר זה מוגדר כסיבי פחמן.

סיבי פחמן קשים מאוד ונוקשים פי 3 עד 10 מסיבי זכוכית. סיבי פחמן משמשים ביישומים מבניים של מטוסים כגון קורות תחתונות, מייצבים, בקרות טיסה ומבני גוף וכנפיים ראשיים. היתרונות כוללים חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה. החסרונות כוללים מוליכות חשמלית נמוכה יותר מאלומיניום; לכן, עבור רכיבי מטוס הרגישים למכות ברק, יש להתקין רשת ברק או ציפוי עמיד בפני ברקים. חיסרון נוסף של סיבי פחמן הוא העלות הגבוהה שלו. סיבי פחמן הם בצבע אפור או שחור וזמינים כבד יבש ו-prepreg. בשימוש עם מחברי מתכת ומבנים, לסיבי פחמן יש פוטנציאל גבוה לגרום לקורוזיה של צימוד גלווני.

איור 7: סיבי זכוכית (משמאל), סיבי ארמיד (באמצע), חומר סיבי פחמן (מימין)

Bסיבי אורון

סיבי בורון קשים מאוד ובעלי חוזק מתיחה ולחיצה גבוהים. הסיבים גדולים יחסית בקוטר ואינם מתכופפים היטב; לכן, הם יכולים לשמש רק כמוצרי קלטת Prepreg. מטריצות שרף אפוקסי משמשות לעתים קרובות עם סיבי בורון. סיבי בורון משמשים לתיקון תרמילים סדוקים של מטוסים מאלומיניום מכיוון שההתפשטות התרמית של בורון קרובה לזו של אלומיניום ואין לה פוטנציאל קורוזיה של צימוד גלווני. קשה להשתמש בסיבי בורון אם למשטח המצע יש צורה בעלת קווי מתאר. סיבי בורון הם יקרים מאוד ועלולים להיות מסוכנים לאנשי הצוות. סיבי בורון משמשים בעיקר בתעופה צבאית.

Cסיבים ארמיים

סיבים קרמיים משמשים ביישומים בטמפרטורה גבוהה כגון להבי טורבינה למנועי טורבינת גז. ניתן להשתמש בסיבים קרמיים לטמפרטורות של עד 2200 מעלות F.

Lסיב הגנה מפני ברקים

מטוסי אלומיניום מוליכים מאוד ויכולים לפזר זרמים גבוהים מפגיעות ברק. סיבי פחמן עמידים בפני זרם פי 1,000 מאלומיניום, ושרף אפוקסי עמיד פי 1,000,000 יותר (כלומר בניצב לעור). פני השטח של רכיבים מרוכבים חיצוניים מורכבים בדרך כלל משכבה או שכבות של חומר מוליך להגנה מפני ברקים מכיוון שחומרים מרוכבים פחות מוליכים מאלומיניום. נעשה שימוש בסוגים רבים ושונים של חומרים מוליכים, החל מבד גרפיט מצופה ניקל ועד רשת מתכת לסיבי זכוכית אלומיניום ועד ציפויים מוליכים. ניתן להשתמש בחומר כשכבת שכבה רטובה או כפריפרג.

בנוסף לתיקונים מבניים רגילים, על הטכנאים לשחזר את התכנון למוליכות הרכיב. תיקונים מסוג זה דורשים לרוב בדיקת מוליכות עם מד התנגדות כדי לוודא את ההתנגדות המינימלית של המבנה כולו. בעת תיקון מבנים מסוג זה, חשוב מאוד להשתמש רק בחומרים מאושרים מספקים מורשים, לרבות דברים כמו תרכובות עציצים, חומרי איטום ודבקים. כפי שמוצג באיורים 8 ו-9

איור 8: חומר הגנה מפני ברקים ברשת נחושת

איור 9: חומר הגנה מפני ברקים מרשת אלומיניום