İleri Kompozitler El Kitabı (I): Laminatlar, Elyaf Türleri ve Uygulamaları

Laminli yapı

Kompozitler, belirli yapısal özellikler elde etmek için bir araya getirilen malzemelerin birleşiminden oluşur. Tek tek malzemeler kompozite tamamen çözünmez veya kaynaşmaz, ancak bir bütün olarak birlikte hareket ederler. Genellikle, bileşenler arasındaki arayüzler fiziksel olarak tanınabilir. Bir kompozit malzemenin özellikleri, oluşturulduğu tek tek malzemelerin özelliklerinden üstündür.

Gelişmiş bir kompozit malzeme, genellikle malzemeye mukavemet ve sertlik sağlamak için alternatif olarak yönlendirilmiş liflerle lamine edilmiş, bir reçine matrisinde çözülmüş lifli bir malzemeden yapılır. Lifli malzemeler yaygın değildir; ahşap, insanın bildiği en yaygın lifli yapısal malzemedir.

Kompozitlerin uçaklardaki uygulamaları şunları içerir:

-Deflektör

-Uçuş kontrol yüzeyleri

-İniş takımı kapıları

-Kanat ve dengeleyici ön ve arka kenar panelleri

-Dahili bileşenler

-Zemin kirişleri ve döşeme panelleri

-Büyük uçaklar için dikey ve yatay dengeleyici birincil yapılar

-Yeni nesil büyük uçakların ana kanat ve gövde yapıları

-Türbin motoru fan kanatları

-Pervane

Laminatların ana bileşenleri

İzotropik bir malzeme tüm yönlerde düzgün özelliklere sahiptir (aynı malzemenin izotropik özellikleri anlamına gelir). İzotropik malzemelerin ölçülen özellikleri test ekseninden bağımsızdır. Metalik malzemeler olan alüminyum ve titanyum, izotropik malzemelerin gösterimini göstermek için örnek olarak kullanılır.

Lifler, kompozitlerin ana yük taşıyıcı elemanlarıdır. Kompozitler yalnızca liflerin yönünde mukavemet ve sertliğe sahiptir. Tek yönlü kompozitler, anizotropi olarak bilinen bir yönde baskın olarak mekanik özelliklere sahiptir; burada mekanik veya fiziksel özellikler, malzemede bulunan doğal referans ekseninin yönünden farklıdır. Lif takviyeli kompozitlerden yapılan bileşenler, lif yöneliminin en iyi mekanik özellikleri üretecek şekilde tasarlanabilir, ancak yalnızca alüminyum ve titanyum gibi metallerin gerçek izotropik özelliklerine yaklaşabilirler.

Kompozit matris, elyafları destekler ve bunları kompozitte birleştirir. Matris, uygulanan yükleri elyaflara aktarır, elyafları pozisyonlarında ve seçilen yönelimde tutar, kompozitin çevresel direncini verir ve kompozitin maksimum servis sıcaklığını belirler.

Özellikler

Kompozit laminatların sertlik, boyutsal kararlılık ve dayanıklılık gibi yapısal özellikleri, laminasyonların istifleme sırasına bağlıdır. İstifleme sırası, laminatın kalınlığındaki katman yönelimlerinin dağılımını tanımlar. Seçilen yönelimlere sahip katman sayısı arttıkça, daha fazla istifleme sırası mümkün olur. Örneğin, dört farklı katman yönelimine sahip simetrik sekiz katlı bir laminatın 24 farklı istifleme sırası vardır.

Lif yönü

Bir kompozitin mukavemeti ve sertliği, katmanların yönlendirilme sırasına bağlıdır. Karbon liflerinin gerçek mukavemeti ve sertliği, cam elyaflar tarafından sağlananlar gibi düşük ila yüksek değerlerden, titanyum elyaflar tarafından sağlanan yüksek mukavemet ve sertlik değerlerine kadar değişir. Bu değer aralığı, laminatın uygulanan yüke göre yönelimi tarafından belirlenir. Gelişmiş kompozitlerde, yapının verimli bir şekilde tasarlanabilmesi için katman yöneliminin uygun şekilde seçilmesi gerekir. Parça, 0 derecelik katman reaktif eksenel yükler, ±45 derecelik katman reaktif kesme yükleri ve 90 derecelik katman reaktif yan yükler gerektirebilir. Mukavemet tasarım gereksinimleri, uygulanan yüklerin yönünün bir fonksiyonu olduğundan, katman yönelimi ve katman dizisi doğru olmalıdır. Onarım işlemi sırasında, her hasarlı katmanı aynı malzemeden ve yönelimden oluşan bir katmanla değiştirmek kritik önem taşır.

Monolitik bir malzemedeki lifler tek bir yönde hareket eder, mukavemet ve sertlik sadece liflerin yönündedir. Prepreg (prepreg film) bantlar tek yönlü katmanlama yöneliminin bir örneğidir.

Çift yönlü bir malzemedeki lifler genellikle 90 derece aralıklı iki yönde akar. Düz yapılar çift yönlü yerleştirme yönlerine bir örnektir. Bu yerleştirme yönleri her iki yönde de mukavemete sahiptir, ancak aynı mukavemete sahip olmak zorunda değildir. Şekil 1'de gösterildiği gibi

Yarı izotropik katmanlar 0 derece, -45 derece, 45 derece ve 90 derece veya 0 derece, -60 derece ve 60 derece katman dizilerine sahiptir. Bu tür katman yönelimleri, Şekil 2'de gösterildiği gibi izotropik malzemelerin özelliklerini simüle eder. Birçok havacılık kompozit yapısı yarı izotropik malzemelerden yapılır.

Şekil 1: Çift yönlü ve tek yönlü döşeme malzemesi özellikleri

Şekil 2: Simetrik izotropik malzeme katmanları

Warp yönü

Çözgü yönü, kumaşın uzunlamasına liflerini ifade eder. Liflerin düzlüğü nedeniyle, çözgü yönü yüksek mukavemet yönüdür. Çözgü çözgü yönü, bir çizelgede, teknik özellik sayfasında veya üretici sayfasında liflerin yönünü tanımlamak için kullanılır. Kumaşta çözgü yönü yoksa, kumaş rulodan çıktığında çözgü yönü varsayılan olarak sıfıra döner. Bu nedenle, sıfıra 90 derece kumaşın genişliğidir. Şekil 3'te gösterildiği gibi

Şekil 3: Büküm Kilidi

Fiber yapılandırması

Tüm ürün formları genellikle sürekli ipliklere paketlenmiş tek yönlü bir ham elyaf hattıyla başlar. Tek bir elyafa filament denir. "İplik" terimi ayrıca tek bir cam elyafını belirtmek için kullanılır. Birleştirilmiş filamentler eğrilmiş iplikler, iplikler veya rovingler olarak kategorize edilebilir. Fiberglas iplikler bükülürken, kevlar® iplikler bükülmez. Filament demetleri ve rovingler herhangi bir bükülmeye sahip değildir. Çoğu elyaf kuru elyaftır ve kullanımdan önce reçineyle (ön emdirme) veya reçinenin elyaflara daha önce uygulandığı önceden emdirilmiş malzemeyle emdirilmesi gerekir.

Kaba lifler (iplik demetleri)

Bir roving, 20- veya 60- uçlu cam roving gibi bir grup filament veya elyaf ucudur. Tüm filamentler aynı yönde yönlendirilir ve bükülmez. Karbon fiber rovingler genellikle 3K, 6K veya 12K rovingler olarak tanımlanır ve K, 1000 filamenti belirtir. Çoğu roving ürün uygulaması, elyaf sarma için bir mandrel kullanır ve ardından reçineyi son yapılandırmaya kürler.

Tek yönlü (ile)

Tek yönlü prepreg bantlar havacılık endüstrisinde uzun yıllardır standarttır ve lifler genellikle termoset reçine ile emprenye edilir. En yaygın hazırlama yöntemi, kolime edilmiş ham (kuru) tellerin emprenye makinesine çekilmesini içerir; burada sıcak eriyen reçine ısı ve basınçla tellere bağlanır. Bant ürünü, lifler yönünde yüksek mukavemete ve liflerde neredeyse hiç mukavemete sahip değildir. Lifler reçine tarafından yerinde tutulur. Bantlar, dokunmuş kumaşlardan daha güçlüdür. Şekil 4'te gösterildiği gibi

Şekil 4: Bantlar ve kumaş ürünleri

Kumaş

Karmaşık şekilli laminasyonlar için, çoğu kumaş yapısı düz tek yönlü bantlardan daha fazla esneklik sunar. Kumaşlar, reçineyi bir çözelti veya sıcak eriyik işlemiyle emprenye etme seçeneği sunar. Tipik olarak, yapısal uygulamalar için kumaşlar hem çözgü (uzunlamasına) hem de atkı (enine) yönlerinde aynı ağırlıkta veya verimde lifler veya iplikler kullanır. Havacılık yapıları için, sıkı dokunmuş kumaşlar genellikle ağırlık tasarrufu sağlayan seçimdir, reçine boşluklarının boyutunu azaltır ve üretim sırasında lif yönelimini korur.

Kumaş yapısı genellikle dokuma işlemi sırasında iç içe geçmiş güçlendirilmiş takviye demetleri, iplikler veya ipliklerden oluşur. Daha yaygın kumaş stilleri düz dokuma veya saten dokumadır. Düz dokuma yapıları, her bir çapraz ipliğin (demet, demet veya iplik) üstünde ve altında dönüşümlü lifler ile oluşturulur. 5- veya 8-demet gibi yaygın saten dokuma stillerinde, lif telleri çözgü yönünde ve atkı yönünde daha az sıklıkla ileri geri hareket eder.

Bu saten kumaşlar düz kumaşlardan daha az kıvrılır ve daha kolay deforme olur. Düz dokumalarda ve çoğu 5 veya 8 demet kumaşta, çözgü ve atkı yönlerinde eşit sayıda elyaf ipliği bulunur. Örneğin: 3K düz dokumalar genellikle 12 x 12 gibi ek bir isme sahiptir, bu da her yönde inç başına 12 çekme anlamına gelir. Bu sayım tanımı, kumaşın ağırlığını artırmak veya azaltmak veya farklı ağırlıklardaki farklı elyafları barındırmak için değiştirilebilir. Şekil 5'te gösterildiği gibi

Şekil 5: Tipik kumaş dokuma stili

Dokumasız kumaşlar (dokuma veya dikilmiş)

Dokuma veya dikilmiş kumaşlar, tek yönlü bantların mekanik avantajlarının çoğunu sunabilir. Elyaf yerleşimi, dokuma kumaşların yukarı ve aşağı dönüşleri olmadan düz veya tek yönlü olabilir. Bir veya daha fazla alçıpan katmanının önceden seçilmiş yöneliminden sonra, lifler yerinde tutmak için ince iplikler veya ipliklerle birlikte dikilir. Bu tür kumaşlar çok çeşitli çok katmanlı yönelimler sağlar. Bir miktar ağırlık eklenebilse veya son takviye elyaf özelliklerinin bir kısmı kaybolabilse de, katmanlar arası kesme ve dayanıklılık özelliklerinde bir miktar iyileştirme elde edilebilir. Bazı yaygın dikiş iplikleri polyester, aramid veya termoplastiktir. Şekil 6'da gösterildiği gibi

Şekil 6: Dokumasız malzemeler (dikiş)

Lif çeşitleri

Gkız lifi

Fiberglas, uçakların kaporta, radome ve kanat uçları gibi ikincil yapılarında yaygın olarak kullanılır. Cam elyaflar ayrıca helikopter rotor kanatlarında da kullanılır. Havacılık endüstrisinde kullanılan çeşitli cam elyaf türleri vardır. Elektronik cam elyaf veya E-cam, bu tür elektronik uygulamalar için tanınır. Elektrik akımlarına karşı yüksek bir dirence sahiptir. E-cam, borosilikat cam elyaflarından yapılır. S-cam ve S2-cam, E-camdan daha yüksek mukavemete sahip yapısal cam elyaflardır. S-cam cam elyafları magnezyum-alüminyum silikatlardan yapılır. Cam elyafların avantajları diğer kompozitlerden daha düşük maliyet, kimyasal veya elektriksel direnç ve elektriksel özelliklerdir (cam elyaflar elektriği iletmez). Cam elyaflar beyaz renktedir ve kuru elyaf kumaşlar veya prepregler olarak kullanılabilir.

Aramid lifi

Kevlar, DuPont'un aramid elyafının adıdır. Aramid elyaflar hafif, güçlü ve serttir. Havacılık endüstrisinde iki tip aramid elyaf kullanılır; Kevlar® 49 yüksek sertliğe ve Kevlar® 29 düşük sertliğe sahiptir. Aramid elyafların bir avantajı, darbe hasarına karşı oldukça dirençli olmalarıdır, bu nedenle darbe hasarına maruz kalabilecek alanlarda yaygın olarak kullanılırlar. Aramid elyafların başlıca dezavantajı, sıkıştırılabilirlik ve nem emilimindeki genel eksiklikleridir. Servis raporları, kevlar®'dan yapılmış bazı parçaların ağırlıklarının %8'ine kadar su emdiğini göstermektedir. Bu nedenle aramid elyaflardan yapılmış parçaların çevreden korunması gerekir. Bir diğer dezavantajı ise kevlar elyafların delinmesi ve kesilmesinin zor olmasıdır. Elyaflar kolayca tüylenir ve kesmek için özel makaslar gerekir.

Kevlar, askeri balistik ve vücut zırhı uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Doğal sarı bir renge sahiptir ve kuru kumaş ve prepreg olarak mevcuttur. Bir aramid elyaf demetinin boyutu, karbon veya cam elyaf gibi elyaf sayısına değil, ağırlığa bağlıdır.

Karbon/Grafit Elyaf

Bu lifler arasındaki ilk fark, terimler sıklıkla birbirinin yerine kullanılsa da karbon ve grafit lifler arasındadır. Karbon ve grafit lifler, karbondaki tek grafit (altıgen) katmanlarından oluşan bir ağa dayanır. Tek grafit katmanları veya düzlemleri üç boyutlu bir dizide istiflenmişse bir malzeme grafit olarak tanımlanır. Bu düzeni oluşturmak için genellikle uzun süre ve sıcaklık işlemi gerekir ve bu da grafit liflerini daha pahalı hale getirir. Düzlemler arasındaki bağlanma zayıftır. Düzensizlik genellikle katmanlarda yalnızca iki boyutlu bir düzenin var olduğu şekilde meydana gelir. Bu malzeme karbon lif olarak tanımlanır.

Karbon fiber çok serttir ve cam fiberden 3 ila 10 kat daha serttir. Karbon fiber, alt kirişler, dengeleyiciler, uçuş kontrolleri ve ana gövde ve kanat yapıları gibi uçak yapısal uygulamalarında kullanılır. Avantajları arasında yüksek mukavemet ve korozyon direnci bulunur. Dezavantajları arasında alüminyumdan daha düşük elektrik iletkenliği bulunur; bu nedenle, yıldırım çarpmalarına duyarlı uçak bileşenleri için bir yıldırım ızgarası veya yıldırıma dayanıklı kaplama takılmalıdır. Karbon fiberin bir diğer dezavantajı ise yüksek maliyetidir. Karbon fiber gri veya siyah renktedir ve kuru kumaş ve prepreg olarak mevcuttur. Metal bağlantı elemanları ve yapılarla kullanıldığında, karbon fiberin galvanik kuplaj korozyonuna neden olma potansiyeli yüksektir.

Şekil 7: Cam elyaflar (sol), aramid elyaflar (orta), karbon elyaf malzeme (sağ)

Boron lifi

Bor lifleri çok serttir ve yüksek çekme ve basınç dayanımına sahiptir. Lifler çap olarak nispeten büyüktür ve iyi bükülmezler; bu nedenle, yalnızca prepreg bant ürünleri olarak kullanılabilirler. Epoksi reçine matrisleri genellikle bor lifleriyle birlikte kullanılır. Bor lifleri, çatlamış alüminyum uçak kasalarını onarmak için kullanılır çünkü borun termal genleşmesi alüminyumunkine yakındır ve galvanik kuplaj korozyon potansiyeli yoktur. Alt tabaka yüzeyi konturlu bir şekle sahipse bor liflerinin kullanımı zordur. Bor lifleri çok pahalıdır ve personel için tehlikeli olabilir. Bor lifleri öncelikle askeri havacılıkta kullanılır.

Cseramik elyaf

Seramik elyaflar, gaz türbini motorları için türbin kanatları gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Seramik elyaflar 2200 derece F'ye kadar sıcaklıklarda kullanılabilir.

Lyıldırım koruma lifi

Alüminyum düzlemler çok iletkendir ve yıldırım çarpmalarından kaynaklanan yüksek akımları dağıtabilir. Karbon fiber, alüminyumdan 1,000 kat daha fazla akıma dayanıklıdır ve epoksi reçinesi 1,000,000 kat daha dayanıklıdır (yani cilde diktir). Dış kompozit bileşenlerin yüzeyi genellikle yıldırım koruması için bir veya daha fazla iletken malzemeden oluşur çünkü kompozitler alüminyumdan daha az iletkendir. Nikel kaplamalı grafit kumaştan metal ağa, alüminize cam elyaflarından iletken kaplamalara kadar birçok farklı iletken malzeme türü kullanılır. Malzeme ıslak katman veya prepreg olarak kullanılabilir.

Normal yapısal onarımlara ek olarak, teknisyenler tasarımı bileşenin iletkenliğine göre yeniden oluşturmalıdır. Bu tür onarımlar genellikle tüm yapının minimum direncini doğrulamak için bir direnç ölçer ile iletkenlik testi gerektirir. Bu tür yapıları onarırken, yalnızca yetkili tedarikçilerden onaylı malzemeler kullanmak çok önemlidir; bunlara dolgu bileşikleri, sızdırmazlık maddeleri ve yapıştırıcılar dahildir. Şekil 8 ve 9'da gösterildiği gibi

Şekil 8: Bakır örgülü yıldırım koruma malzemesi

Şekil 9: Alüminyum örgülü yıldırım koruma malzemesi