Dispensa sui compositi avanzati (I): laminati, tipi di fibre e applicazioni

Lstruttura amminata

I compositi sono costituiti da una combinazione di materiali che vengono miscelati insieme per ottenere specifiche proprietà strutturali. I singoli materiali non si dissolvono o si fondono completamente nel composito, ma agiscono insieme come un tutto. Spesso, le interfacce tra i componenti possono essere riconosciute fisicamente. Le proprietà di un materiale composito sono superiori alle proprietà dei singoli materiali da cui è composto.

Un materiale composito avanzato è costituito da un materiale fibroso disciolto in una matrice di resina, solitamente laminato da fibre orientate alternativamente per fornire resistenza e rigidità al materiale. I materiali fibrosi non sono comuni; il legno è il materiale strutturale fibroso più comune conosciuto dall'uomo.

Le applicazioni dei materiali compositi negli aeromobili includono

-Deflettore

-Superfici di controllo del volo

-Porte del carrello di atterraggio

- Pannelli del bordo d'attacco e d'uscita dell'ala e dello stabilizzatore

-Componenti interni

- Travi del solaio e pannelli del solaio

-Strutture primarie stabilizzatrici verticali e orizzontali per aeromobili di grandi dimensioni

-Principali strutture alari e della fusoliera della nuova generazione di grandi aerei

- Pale del ventilatore del motore a turbina

-Elica

Componenti principali dei laminati

Un materiale isotropico ha proprietà uniformi in tutte le direzioni (ovvero proprietà isotropiche dello stesso materiale). Le proprietà misurate dei materiali isotropici sono indipendenti dall'asse di prova. L'alluminio e il titanio, che sono materiali metallici, sono usati come esempi per illustrare l'illustrazione dei materiali isotropici.

Le fibre sono i principali elementi portanti dei compositi. I compositi hanno resistenza e rigidità solo nella direzione delle fibre. I compositi unidirezionali hanno proprietà meccaniche prevalentemente in una direzione, note come anisotropia, dove le proprietà meccaniche o fisiche differiscono dalla direzione dell'asse di riferimento naturale inerente al materiale. I componenti realizzati con compositi rinforzati con fibre possono essere progettati in modo che l'orientamento delle fibre produca le migliori proprietà meccaniche, ma possono solo avvicinarsi alle proprietà veramente isotropiche dei metalli, come alluminio e titanio.

La matrice composita supporta le fibre e le lega nel composito. La matrice trasferisce qualsiasi carico applicato alle fibre, mantiene le fibre nella loro posizione e nell'orientamento scelto, fornisce la resistenza ambientale del composito e determina la temperatura di servizio massima del composito.

Proprietà

Le proprietà strutturali dei laminati compositi, come rigidità, stabilità dimensionale e resistenza, dipendono dall'ordine di impilamento delle laminazioni. L'ordine di impilamento descrive la distribuzione degli orientamenti di layup nello spessore del laminato. Man mano che aumenta il numero di strati con orientamenti selezionati, sono possibili più ordini di impilamento. Ad esempio, un laminato simmetrico a otto strati con quattro diversi orientamenti di layup ha 24 diversi ordini di impilamento.

Direzione della fibra

La resistenza e la rigidità di un composito dipendono dall'ordine in cui sono orientati gli strati. La resistenza e la rigidità effettive delle fibre di carbonio variano da valori bassi ad alti, come quelli forniti dalle fibre di vetro, ad alti valori di resistenza e rigidità forniti dalle fibre di titanio. Questo intervallo di valori è determinato dall'orientamento del laminato rispetto al carico applicato. Nei compositi avanzati, è necessaria una corretta selezione dell'orientamento del layup per fornire una progettazione efficiente della struttura. La parte potrebbe richiedere carichi assiali reattivi di 0 gradi, carichi di taglio reattivi di ±45 gradi e carichi laterali reattivi di 90 gradi. Poiché i requisiti di progettazione della resistenza sono una funzione della direzione dei carichi applicati, l'orientamento e la sequenza degli strati devono essere corretti. Durante il processo di riparazione, è fondamentale sostituire ogni strato danneggiato con uno strato dello stesso materiale e orientamento.

Le fibre in un materiale monolitico si muovono in una direzione, con resistenza e rigidità solo nella direzione delle fibre. I nastri prepreg (film prepreg) sono un esempio di orientamento di laminazione unidirezionale.

Le fibre in un materiale bidirezionale scorrono in due direzioni, solitamente a 90 gradi di distanza. Le strutture semplici sono un esempio di direzioni di lay-up bidirezionali. Queste direzioni di lay-up hanno resistenza in entrambe le direzioni, ma non necessariamente la stessa resistenza. Come mostrato nella Figura 1

I layup quasi-isotropici hanno sequenze di strati di 0 gradi, -45 gradi, 45 gradi e 90 gradi o 0 gradi, -60 gradi e 60 gradi. Questi tipi di orientamenti degli strati simulano le proprietà dei materiali isotropici come mostrato nella Figura 2. Molte strutture composite aerospaziali sono realizzate con materiali quasi-isotropici.

Figura 1: Proprietà dei materiali di pavimentazione bidirezionali e unidirezionali

Figura 2: strati di materiali isotropici simmetrici

Wdirezione arp

La direzione di ordito si riferisce alle fibre longitudinali del tessuto. A causa della rettilineità delle fibre, la direzione di ordito è la direzione di elevata resistenza. Ordito La direzione di ordito è utilizzata per descrivere la direzione delle fibre su un grafico, una scheda tecnica o una scheda del produttore. Se non c'è alcuna direzione di ordito sul tessuto, la direzione di ordito è impostata di default su zero quando il tessuto esce dal rotolo. Pertanto, 90 gradi a zero è la larghezza del tessuto. Come mostrato nella Figura 3

Figura 3: Blocco a torsione

Fconfigurazione iber

Tutte le forme di prodotto solitamente iniziano con una linea unidirezionale di fibre grezze che vengono impacchettate in fili continui. Una fibra individuale è chiamata filamento. Il termine "filo" è anche usato per indicare una fibra di vetro individuale. I filamenti raggruppati possono essere classificati come filati filati, filati o roving. I filati di fibra di vetro sono ritorti, mentre i filati di kevlar® non lo sono. I fasci di filamenti e i roving non hanno alcuna torsione. La maggior parte delle fibre sono fibre secche e devono essere impregnate di resina prima dell'uso (pre-impregnazione) o con materiale pre-impregnato in cui la resina è già stata applicata alle fibre.

Fibre grossolane (fasci di filato)

Un roving è un gruppo di filamenti o estremità di fibra, come il roving di vetro con estremità 20- o 60-. Tutti i filamenti sono orientati nella stessa direzione e non sono attorcigliati. I roving in fibra di carbonio sono solitamente identificati come roving da 3K, 6K o 12K, con K che indica 1000 filamenti. La maggior parte delle applicazioni di prodotti roving utilizza un mandrino per l'avvolgimento delle fibre e quindi la polimerizzazione della resina fino alla configurazione finale.

Unidirezionale (con)

I nastri preimpregnati unidirezionali sono stati lo standard nel settore aerospaziale per molti anni e le fibre sono solitamente impregnate con una resina termoindurente. Il metodo di preparazione più comune prevede di tirare fili grezzi (asciutti) collimati in una macchina impregnatrice, dove la resina hot-melt viene legata ai fili tramite calore e pressione. Il prodotto a nastro ha un'elevata resistenza nella direzione delle fibre e quasi nessuna resistenza nelle fibre. Le fibre sono tenute in posizione dalla resina. I nastri sono più resistenti dei tessuti intrecciati. Come mostrato nella Figura 4

Figura 4: Nastri e prodotti in tessuto

Tessuto

Per laminazioni di forma complessa, la maggior parte delle costruzioni in tessuto offre maggiore flessibilità rispetto ai nastri unidirezionali dritti. I tessuti offrono l'opzione di impregnare la resina tramite una soluzione o un processo di fusione a caldo. In genere, i tessuti per applicazioni strutturali utilizzano fibre o fili dello stesso peso o resa sia in direzione ordito (longitudinale) che in direzione trama (trasversale). Per le strutture aerospaziali, i tessuti a trama fitta sono spesso la scelta che consente di risparmiare peso, riducendo le dimensioni dei vuoti di resina e mantenendo l'orientamento delle fibre durante la produzione.

La struttura del tessuto solitamente è composta da fasci di rinforzo, fili o filati che vengono intrecciati durante il processo di tessitura. Gli stili di tessuto più comuni sono la trama semplice o la trama satinata. Le strutture a trama semplice sono formate alternando le fibre sopra e sotto ogni filo incrociato (fascio, mazzetto o filato). Negli stili comuni di trama satinata, come 5- o 8-fascio, i fili di fibra si muovono avanti e indietro nella direzione dell'ordito e della trama meno frequentemente.

Questi tessuti satinati sono meno arricciati e si deformano più facilmente dei tessuti semplici. Nelle armature semplici e nella maggior parte dei tessuti a 5 o 8 mazzi, ci sono lo stesso numero di fili di fibre nelle direzioni di ordito e trama. Ad esempio: le armature semplici 3K di solito hanno un nome aggiuntivo come 12 x 12, che significa 12 tow per pollice in ogni direzione. Questa designazione di conteggio può essere modificata per aumentare o diminuire il peso del tessuto o per ospitare fibre diverse in pesi diversi. Come mostrato nella Figura 5

Figura 5: Stile tipico di tessitura del tessuto

Tessuti non tessuti (tessuti o cuciti)

I tessuti intrecciati o cuciti possono offrire molti dei vantaggi meccanici del nastro unidirezionale. Il posizionamento delle fibre può essere dritto o unidirezionale, senza le curve su e giù dei tessuti intrecciati. Dopo l'orientamento preselezionato di uno o più strati di cartongesso, le fibre vengono cucite insieme con filati o fili sottili per tenere le fibre in posizione. Questi tipi di tessuti offrono un'ampia gamma di orientamenti multistrato. Mentre può essere aggiunto un po' di peso o alcune delle proprietà finali delle fibre di rinforzo possono essere perse, può essere ottenuto un miglioramento nelle proprietà di taglio e tenacia interlaminari. Alcuni filati per cucire comuni sono poliestere, aramide o termoplastico. Come mostrato nella Figura 6

Figura 6: Materiali non tessuti (cuciture)

Tipi di fibre

Gfibra di vetro

La fibra di vetro è comunemente usata nelle strutture secondarie degli aeromobili, come carenature, radome e punte alari. Le fibre di vetro sono anche usate nelle pale dei rotori degli elicotteri. Esistono diversi tipi di fibre di vetro usate nell'industria aerospaziale. La fibra di vetro elettronica, o E-glass, è riconosciuta per tali applicazioni elettroniche. Ha un'elevata resistenza alle correnti elettriche. L'E-glass è fatto di fibre di vetro borosilicato. Il vetro S e il vetro S2- sono fibre di vetro strutturali che hanno una resistenza maggiore del vetro E. Le fibre di vetro S-glass sono fatte di silicati di magnesio e alluminio. I vantaggi delle fibre di vetro sono il costo inferiore rispetto ad altri compositi, la resistenza chimica o elettrica e le proprietà elettriche (le fibre di vetro non conducono elettricità). Le fibre di vetro sono di colore bianco e possono essere usate come tessuti in fibra secca o preimpregnati.

Afibra ramificata

Kevlar è il nome della fibra aramidica di DuPont. Le fibre aramidiche sono leggere, resistenti e tenaci. Due tipi di fibre aramidiche sono utilizzate nell'industria aerospaziale; Kevlar® 49 ha un'elevata rigidità e Kevlar® 29 ha una bassa rigidità. Un vantaggio delle fibre aramidiche è che sono altamente resistenti ai danni da impatto, quindi sono comunemente utilizzate in aree soggette a danni da impatto. Lo svantaggio principale delle fibre aramidiche è la loro generale carenza di comprimibilità e assorbimento dell'umidità. I ​​rapporti di servizio indicano che alcune parti realizzate in kevlar® assorbono fino all'8% del loro peso in acqua. Le parti realizzate in fibre aramidiche devono quindi essere protette dall'ambiente. Un altro svantaggio è che le fibre di kevlar sono difficili da forare e tagliare. Le fibre si sfilacciano facilmente e richiedono forbici speciali per tagliarle.

Il Kevlar è comunemente utilizzato in applicazioni militari balistiche e di giubbotti antiproiettile. Ha un colore giallo naturale ed è disponibile come tessuto secco e preimpregnato. La dimensione di un fascio di fibre aramidiche non dipende dal numero di fibre come il carbonio o le fibre di vetro, ma piuttosto dal peso.

Fibra di carbonio/grafite

La prima differenza tra questa fibra è tra fibre di carbonio e di grafite, sebbene i termini siano spesso usati in modo intercambiabile. Le fibre di carbonio e di grafite si basano su una rete di singoli strati di grafite (esagonali) in carbonio. Un materiale è definito grafite se i singoli strati o piani di grafite sono impilati in una sequenza tridimensionale. Di solito sono necessari tempi e temperature di lavorazione estesi per formare questo ordine, rendendo le fibre di grafite più costose. Il legame tra i piani è debole. Spesso si verifica un disordine tale che negli strati esiste solo un ordine bidimensionale. Questo materiale è definito fibra di carbonio.

La fibra di carbonio è molto resistente e da 3 a 10 volte più rigida della fibra di vetro. La fibra di carbonio è utilizzata in applicazioni strutturali aeronautiche come travi inferiori, stabilizzatori, comandi di volo e strutture principali della fusoliera e delle ali. I vantaggi includono elevata resistenza e resistenza alla corrosione. Gli svantaggi includono una conduttività elettrica inferiore rispetto all'alluminio; pertanto, per i componenti aeronautici sensibili ai fulmini, è necessario installare una griglia parafulmine o un rivestimento resistente ai fulmini. Un altro svantaggio della fibra di carbonio è il suo costo elevato. La fibra di carbonio è di colore grigio o nero ed è disponibile come tessuto secco e preimpregnato. Quando utilizzata con elementi di fissaggio e strutture in metallo, la fibra di carbonio ha un alto potenziale di causare corrosione da accoppiamento galvanico.

Figura 7: Fibre di vetro (sinistra), fibre aramidiche (centro), materiale in fibra di carbonio (destra)

Bfibra di orone

Le fibre di boro sono molto dure e hanno un'elevata resistenza alla trazione e alla compressione. Le fibre hanno un diametro relativamente grande e non si piegano bene; pertanto, possono essere utilizzate solo come prodotti a nastro preimpregnato. Le matrici di resina epossidica sono spesso utilizzate con le fibre di boro. Le fibre di boro sono utilizzate per riparare le carcasse di aeromobili in alluminio incrinate perché l'espansione termica del boro è vicina a quella dell'alluminio e non ha potenziale di corrosione da accoppiamento galvanico. Le fibre di boro sono difficili da utilizzare se la superficie del substrato ha una forma sagomata. Le fibre di boro sono molto costose e possono essere pericolose per il personale. Le fibre di boro sono utilizzate principalmente nell'aviazione militare.

Cfibra di gomma

Le fibre ceramiche sono utilizzate in applicazioni ad alta temperatura come le pale delle turbine per motori a turbina a gas. Le fibre ceramiche possono essere utilizzate per temperature fino a 2200 gradi F.

Lfibra di protezione antifulmine

I piani in alluminio sono molto conduttivi e possono dissipare le correnti elevate dei fulmini. La fibra di carbonio è 1,000 volte più resistente alla corrente rispetto all'alluminio e la resina epossidica è 1,000,000 volte più resistente (vale a dire, perpendicolare alla pelle). La superficie dei componenti compositi esterni di solito è costituita da uno o più strati di materiale conduttivo per la protezione dai fulmini perché i compositi sono meno conduttivi dell'alluminio. Vengono utilizzati molti tipi diversi di materiali conduttivi, che vanno dal tessuto di grafite nichelato alla maglia metallica alle fibre di vetro alluminizzate ai rivestimenti conduttivi. Il materiale può essere utilizzato come strato di laminazione a umido o preimpregnato.

Oltre alle normali riparazioni strutturali, i tecnici devono ricreare il design in base alla conduttività del componente. Questi tipi di riparazioni spesso richiedono test di conduttività con un misuratore di resistenza per verificare la resistenza minima dell'intera struttura. Quando si riparano questi tipi di strutture, è molto importante utilizzare solo materiali approvati da fornitori autorizzati, tra cui composti per incapsulamento, sigillanti e adesivi. Come mostrato nelle Figure 8 e 9

Figura 8: Materiale di protezione contro i fulmini in maglia di rame

Figura 9: Materiale di protezione contro i fulmini in maglia di alluminio