板壳结构(【中译版】先进复合材料讲义（一）：层压板、纤维种类及应用)

Posted 2023-05-29

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板壳结构(【中译版】先进复合材料讲义（一）：层压板、纤维种类及应用)

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层压结构

复合材料由混合在一起以达到特定结构性能的材料组合而成。单体材料不会完全溶解或融合在复合材料中，但它们会作为一个整体一起作用。通常情况下，组件之间的接口可以被物理识别。复合材料的性能优于由其构成的单体材料的性能。

一种先进的复合材料是由溶入树脂基体的纤维材料制成的，通常由交替定向的纤维层压，以提供材料的强度和刚度。纤维材料并不常见;木材是人类所知的最常见的纤维结构材料。

复合材料在飞机上的应用包括

•导流板

•飞行控制面

•起落架门

•机翼和稳定器的前缘和后缘板

•内部组件

•地板梁和地板面板

•大型飞机的垂直和水平稳定器主结构

•新一代大型飞机的主要机翼和机身结构

•涡轮发动机风扇叶片

•螺旋桨

层压板的主要成分

各向同性材料在所有方向上都具有均匀的性质(指同一材料的等向性)。各向同性材料的测量性质与测试轴无关。以金属材料的铝和钛为例来说明各向同性材料的例证。

纤维是复合材料的主要承载元素。复合材料只有在纤维的方向上才有强度和硬度。单向复合材料在一个方向上具有主要的力学性能，被称为各向异性，其力学或物理性能与材料固有的自然参考轴的方向不同。由纤维增强复合材料制成的部件可以设计成纤维取向产生最佳的机械性能，但它们只能接近金属的真正各向同性性能，如铝和钛。

复合基质支撑着纤维，并将它们粘结在复合材料中。基体将任何施加的载荷转移到纤维上，使纤维保持在其位置和选择的方向，给出复合材料的环境电阻，并确定复合材料的最高使用温度。

强度特性

复合材料层压板的结构性能，如刚度、维度稳定性和强度，取决于层压的堆叠顺序。堆叠顺序描述了层压板厚度中铺层方向的分布。随着具有选择方向层数的增加，更多的堆叠顺序是可能的。例如，一个具有四种不同铺层方向的对称八层层压板有24种不同的堆叠顺序。

纤维方向

复合材料的强度和刚度取决于铺层的定向顺序。碳纤维的实际强度和刚度范围从低至高，如玻璃纤维提供的强度和刚度值，高至钛纤维提供的强度和刚度值。这个值的范围是由层压对施加的负载的方向决定的。在先进复合材料中，适当选择铺层方向是提供结构高效设计的必要条件。该部分可能需要0°层反应轴向负荷，±45°层反应剪切负荷，90°层反应侧负荷。因为强度设计要求是施加荷载方向的函数，所以铺层方向和铺层顺序必须正确。在修复过程中，用相同材料和方向的层替换每一层损坏的层是至关重要的。

单体材料中的纤维在一个方向上运动，强度和刚度只在纤维的方向上。预浸料(预浸胶膜)胶带是单向铺层定向的一个例子。

双向材料中的纤维在两个方向上流动，通常间隔90°。平纹结构是双向铺层方向的一个例子。这些铺层方向在两个方向上都有强度，但强度不一定相同。如图1所示

准各向同层铺的层序为0°、-45°、45°和90°或0°、-60°和60°。如图2所示,这些类型的铺层取向模拟各向同性材料的特性。许多航空复合材料结构是由准各向同性材料制成的。

图1：双向和单向铺层材料性能

图2：对称各向同性材料铺层

纵向

经向是指织物的纵向纤维。由于纤维的直线度，经向是高强度的方向。翘曲经向用于在图表、规格表或制造商的表上描述纤维的方向。如果织物上没有翘曲方向，当织物从卷上下来时，翘曲方向默认为零。因此，90°到零是织物的宽度。如图3所示

图3：扭曲锁定

纤维形态

所有的产品形式通常都是从单向线的原纤维开始，包装成连续的股。一根单独的纤维叫做细丝。“线”这个词也被用来表示一种单独的玻璃纤维。成束的细丝可分为细纱、纱线或粗纱。玻璃纤维纱线是扭曲的，而kevlar®纱线不是。丝束和粗纱没有任何扭力。大多数纤维都是干纤维，在使用前需要用树脂浸渍(预浸渍)，或在树脂已经涂在纤维上的地方用预浸渍材料。

粗纤（纱束）

粗纤是一组细丝或纤维末端，如20端或60端玻璃粗纱。所有细丝方向一致，不扭曲。碳纤维粗纱通常被确定为3K、6K或12K粗纱，K表示1000根丝。大多数粗纱产品的应用都是利用芯轴进行纤维缠绕，然后树脂固化到最终配置。

单向(带)

单向预浸带多年来一直是航空航天工业的标准，纤维通常是浸渍热固性树脂。最常见的制备方法是将准直的生(干)股拉入浸渍机，在浸渍机中，热熔树脂通过加热和压力与股结合。胶带产品在纤维方向上有很高的强度，而在纤维上几乎没有强度。纤维被树脂固定住。胶带的强度比机织织物高。如图4所示

图4：胶带和织物制品

双向(织物)

对于复杂形状的层叠，大多数织物结构比直接的单向胶带提供了更多的灵活性。织物提供了通过溶液或热熔工艺浸渍树脂的选择。通常，用于结构应用的织物在经线(纵向)和纬线(横向)两个方向使用相同重量或屈服度的纤维或股。对于航空航天结构，紧密编织的织物通常是节省重量的选择，减少树脂空洞的大小，并在制造过程中保持纤维的取向。

织物结构通常由加固的增强丝束、股或纱线在织造过程中相互交错而成。更常见的织物款式是平织或缎纹编织。平纹编织结构是由每根纤维在每根交叉的股(束、束或纱)上面和下面交替形成的。在常见的缎面织法中，如5束或8束，纤维束在经纱方向和纬纱方向上来回移动的频率较低。

这些缎纹织物比平纹织物卷曲少，更容易变形。在平纹织物和大多数5或8束织物中，经向和纬纱方向的纤维股数相等。例如:3K平织通常有一个额外的名称，如12 x 12，这意味着每英寸在每个方向上有12个牵引。此计数名称可以改变，以增加或减少织物重量，或适应不同重量的不同纤维。如图5所示

图5：典型的织物编织风格

非织造物(编织或缝制)

编织物或缝纫织物可以提供许多单向胶带的机械优点。纤维的放置可以是直的或单向的，没有机织织物的上下转弯。经预先选定的一层或多层干板方向后，用细纱或细线缝合，使纤维固定。这些类型的织物提供了广泛的多层定向。虽然可能会增加一些重量或失去一些最终增强纤维性能，但可能会实现层间剪切和韧性性能的某些提高。一些常见的缝纫纱线是涤纶、芳纶或热塑性塑料。如图6所示

图6：非织造材料(缝合)

纤维的种类

玻璃纤维

玻璃纤维常用于飞机的二级结构，如整流罩、天线罩和翼尖。玻璃纤维也用于直升机旋翼叶片。有几种类型的玻璃纤维用于航空工业。电子玻纤，或E-glass，被认定为这样的电子应用。它对电流有很高的阻力。电子玻纤是由硼硅酸盐玻璃纤维制成的。S-glass和S2-glass是比E-glass具有更高强度的结构玻璃纤维。S-glass玻璃纤维是由镁铝硅酸盐制成的。玻璃纤维的优点是成本低于其他复合材料，耐化学或电腐蚀，以及电学性能(玻璃纤维不导电)。玻璃纤维呈白色，可作为干纤维织物或预浸料使用。

芳纶纤维

凯夫拉(Kevlar)是杜邦公司芳纶纤维的名称。芳纶纤维重量轻、结实、坚韧。两种芳纶纤维用于航空工业。Kevlar®49具有高刚度，而Kevlar®29具有低刚度。芳纶纤维的一个优点是抗冲击损伤能力强，因此常用于易受冲击损伤的区域。芳纶纤维的主要缺点是在压缩性和吸湿性方面普遍存在缺陷。服役报告表明，一些由kevlar®制成的部件在水中吸收高达8%的重量。因此，由芳纶纤维制成的零件需要受到环境的保护。另一个缺点是凯夫拉纤维很难钻孔和切割。纤维很容易起毛，需要专门的剪刀来剪切。

凯夫拉纤维通常用于军事弹道和防弹衣应用。它有天然的黄色，可作为干织物和预浸料。芳纶纤维束的大小不像碳纤维或玻璃纤维那样取决于纤维的数量，而是取决于重量。

碳纤维/石墨纤维

此纤维之间的第一个区别是碳纤维和石墨纤维之间的区别，尽管这两个术语经常互换使用。碳纤维和石墨纤维是基于碳中的单层石墨(六边型)层网络。如果单层石墨层或平面按三维顺序堆叠，则该材料被定义为石墨。通常需要延长时间和温度加工形成这种顺序，使石墨纤维更昂贵。平面间的键合很弱。无序经常发生，以至于在层中只存在二维顺序。这种物质被定义为碳纤维。

碳纤维非常坚韧，硬度是玻璃纤维的3到10倍。碳纤维用于飞机结构应用，如底梁，稳定器，飞行控制，以及主机身和机翼结构。优点是强度高、耐腐蚀。缺点包括导电性比铝低;因此，对于容易受到雷击的飞机部件，必须安装防雷网或防雷涂层。碳纤维的另一个缺点是成本高。碳纤维是灰或黑的颜色，可作为干织物和预浸料。当与金属紧固件和结构一起使用时，碳纤维有引起电偶腐蚀的高潜力。

图7：玻璃纤维(左)，芳纶纤维(中)，碳纤维材料(右)

硼纤维

硼纤维非常坚硬，具有很高的抗拉和抗压强度。纤维的直径比较大，弯曲性不好;因此，它们只能作为预浸料胶带产品。环氧树脂基体常与硼纤维一起使用。硼纤维用于修复开裂的铝飞机外壳，因为硼的热膨胀接近铝，没有电偶腐蚀的潜力。如果基材表面有一个轮廓形状，硼纤维就很难使用。硼纤维非常昂贵，对人员可能有危险。硼纤维主要用于军事航空领域。

陶瓷纤维

陶瓷纤维用于高温应用，如燃气涡轮发动机的涡轮叶片。陶瓷纤维可用于高达2200°F的温度。

防雷光纤

铝制飞机的导电性很好，能够驱散雷击产生的大电流。碳纤维对电流的电阻是铝的1000倍，环氧树脂的电阻是1,000,000倍(即垂直于表皮)。外部复合材料部件的表面通常由一层或一层导电材料组成，用于防雷，因为复合材料的导电性比铝低。许多不同类型的导电材料被使用，从镀镍石墨布到金属网到铝化玻璃纤维到导电涂料。该材料可用于湿铺层或预浸料。

除了正常的结构修复，技术人员还必须重新创造设计到部件的导电性。这类修复通常需要用电阻表进行导电性测试，以验证整个结构的最小电阻。当修理这些类型的结构时，非常重要的是只使用来自授权供应商的批准材料，包括诸如灌封化合物、密封剂、粘合剂等。如图8和图9所示

图8：铜网防雷材料

图9：铝网防雷材料

未完待续

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