Композит-ликбез

Версия 17:50, 25 июля 2023

Композит----автор Книжников ВВ

Термин композитный или составной означает склеенный набор несколько типов материалов с противоположными  свойствами----

например в стеклопластике нити стекла работают только на растяжение называется арматурой, а отвердевший компауд на сжатие называется связующее--- обычно это органические полимерные смолы типа эпоксидка или полиэфирка! сложное плетение нитей поперек и по диагонали в стеклоткани или углеткани даёт двух мерное сопротивление на разрыв!

многослойная деревянная фанера, железобетон, стеклотекстолит, карбоновые и армидные пластики, термопластики с армирующими прочными нитями---это всё разновидности композитов в конструкциях

Клей ---это органическое высокомолекулярное химическое соединение с высокой интеграцией в структуру материала называемой адгезией!!!

Все клея делятся на жесткие методом полимеризации(переход из жидкой фазы в кристаллическую твердую) и эластичные методом высыхания растворителя в зависимости от требуемого соединения по коэффициенту упругости! Обычно силовой каркас собирается на жестких сверх прочных клеях типа эпоксидки, полиэфирки, цианокрилата, но они достаточно хрупкие! упругие клеевые соединения требуются при контакте материалов с различным модулем упругости и пористостью,например пва,титан,казеиновый(столярный),полиуретановый и резиновый клея и их аналоги!

Для ускорения хим-процессов используются катализаторы в виде спрея или тепловой подогрев на батареи, солнце или в печи!

Сендвич

В композитном сендвиче двухсторонняя прочная тонкая обшивка и поддерживающий  форму легкий наполнитель из пены или сотовой пустотелой структуры создают жесткую пространственную ферму хорошо работающую на изгиб и кручение!

Типичный листовой сэндвич имеет соотношение 1/10, где один это суммарная толщина обшивки и десять--- толщина ядра!

1) применение самодельного композитного ламината или бронирование прочной самоклеющейся плёнкой увеличивает износостойкость  и прочность пенопластовой конструкции на один порядок при прибавке в весе всего на 10-15% плюс водонепроницаемость!

Например ламинация прочной термопленкой для книг толщиной 60-100мкм или самоклеющим скотчем 25-50мкм пластин из бальзы или пенопласта плотностью 20-30 кг/м3 типа потолочка для хвостового оперения или обтяжка пенопластовых объёмных авиамоделей!

2) позитивная технология стеклокомпозита по пенопластовому ядру для крыльев или объемных болванов очень быстра и удобна для так называемой наколенной технологий при единичном производстве демонстрационной модели прототипа!

3) матричное производство композитных корочек в формах оправдано лишь при серийном производстве-----при мелкой серии 10-100 штук матрицы выклеиваются прямо по подготовленному болвану и толщина стенок и определяет износостойкость формы, то есть достаточно 3-10 мм и вклеенные усиления !

4) при средней тиражности до 1000 штук уже актуально фрезерование формы из моноблочной плиты спец-пластмасс или алюминия!

Форма и жесткость

Из геометрии сопромата известно, что замкнутая по контуру поверхность кривизной второго порядка самая жесткая по удержанию формы-----например пустотелая сфера для глубоководных батискафов может выдержать наружное давление до 1100 атмосфер или глубину 11км воды Марианской впадины в Тихом океане! Далее по устойчивости формы идёт цилиндрическая труба или поверхность кривизны первого порядка! Прелесть этого решения в том, что можно применять листовую технологию для создания прочных и легких объёмных конструкций ----например фюзеляжей бпла или корпусов судов, как сложно профилированную трубу с переменной кривизной!

Тонкие листы толщиной 0.3-1.5мм могут быть сделаны из жестких материалов типа стеклотекстолита, карбона, авиационной фанеры, алюминиевого сплава, прочных пластмасс типа пэт и поликарбонат! Пустотелый корпус с рабочей жесткой силовой обшивкой называется монокок! Даже крыло с толстым симметричным профилем можно считать приплющенной трубой---- правда в некоторых местах необходимы местные усиления в виде шпангоутов, нервюр, лонжеронов, стрингеров и внутренних стыковочных накладок!

Так как профиль крыла или лопасти это контур поперечного сечения образованный обшивкой----то чтобы под нагрузкой не менялась форма используют монолит для лопастей или жесткую рабочую обшивку с поддержкой контура через нервюры или пеноядро----главное помнить, что нижнею поверхность вдавливает в тело профиля скоростным напором потока,а верхнею отрывает от тела зоной разряжения при положительной перегрузкой!

Жесткость профиля или устойчивость на кручение и изгиб увеличивается в квадрате от толщины при условии замкнутого контура обшивки----кессон!

то есть 12% профиль жестче 6% в четыре раза , а высота стенки лонжерона увеличивает жесткость и прочность на поперечный изгиб крыла или лопасти в корневище---- толщина полок лонжерона работает на сжатие верхней и растяжение нижней при положительной перегрузке.

Для БПЛА типа мотопланер можно принять эмпирику, что толщина профиля в процентах это и есть максимальное удлинение крыла---то есть 10% плосковыпуклый 
профиль может выдержать сопромат в удлинение крыла равным Куд=10!!!

Виды конструкций

В инженеринге есть такое понятие ---строительная  плотность это соотношение массы сухой конструкции планера к объёму занимаемого пространства по габаритам (длина х размах х высота)!

Строительная плотность определяется максимальной перегрузкой и сопроматом, как следствие конструкционным материалом и технологией и поэтому для каждого класса ла есть свой оптимум , например самой низкой плотностью обладают парапланы и планирующие парашюты--- потом идут дельтапланы и схематички типа ультралайтов--- затем полноценные аэродинамически облагороженные ла

удельная стоимость строительной плотности определяет экономическую целесообразность технологии ---- например несмотря на кажущуюся дешевизну наборных каркасных конструкции из деревянных или металлических профилей трудоёмкость получается очень долгой и дорогой так как много высокоточных деталей и соединений в целом--- так консоль крыла или оперения по позитивной технологии,то есть пено-ядро и ламинат, имеет всего шесть оригинальных деталей против классической наборной в тридцать деталей, так же фюзеляж типа монокок с хвостовой балкой имеет всего тринадцать деталей---каркасная ферма около пятидесяти!

Выбор первичной технологии для демонстратора обычно определяется габаритами модели и назначением----сейчас для бпла до 1 метра можно вовсю использовать 3д печать из специальных термопластиков для создания пространственных ферм!

1) классическая деревянная наборная каркасная конструкция из шпангоутов и стрингеров с зашивкой шпоном или авиационной фанерой -----в авиации чаще используется липа, бальза, сосна ----в судо осина, береза----в авто ель, бук, дуб!

2) быстрая композитная технология по позитиву удобна для крыльев и килей----то есть профилированное пенопластовое ядро обклеено "крафт" бумагой или ватманом 0.2мм на ПВА или обшитое шпоном 0.5-1мм с самоклеющейся плёнкой или тонким самодельным стеклоламинатом с угольными усилениями из ровинга на эпоксидных смолах толщиной 0.05-0.15мм,где соотношение по массе стеклоткани 50% и компаунда 50%!

Тип ткани по плетению нитей----марля клеточкой, сатин клеточкой с диагональю, ГВС-11 3Д-плетение(1мм), толстая рогожа клеточкой, стекломат беспорядочно!

3) пустотелые корпуса типа монокок с жесткой силовой обшивкой----уже ставшая классической бутылочная технология из 1-2 литровых пэт бутылок или стеклопластиковые корочки выклеенные по деревянному, пластилиновому или пенопластовому болвану!

4) для кузовов и фюзеляжей быстрая листовая технология по выкройкам из тонкого электрокартона толщиной 0.5-1мм,авиационной фанеры 1мм,алюминия 0.3-0.5мм, промышленного стеклотекстолита 0.5-1.5мм, пэт пластин 0,5-1 мм!

5) матричное производство композитов начинает оправдываться только при серии более 10 штук----соотношение по массе ткани 60% и компаунда 40% для инфузивной пропитке!

Таблица композитных технологий

технология----------------------------позитивная-------------------------негативная----------------------------горячая(+70+120грС)

формовка -------------------------по пено-ядру-----------------в стеклопластиковой форме----------------------металл-матрица+пуансон

толщина корочки --------------------0.1-0.3мм------------------------------0.5-1мм----------------------------------1-2мм

кол-во разделителя--------------0 на ПЭТ плёнке 0.1-0.2мм-----------------3-4раза----------------------------------1раз

кол-во ткани слоёв-----------------------------1-2 ----------------------------------2-3-----------------------------------3-4

последовательность----плёнка+ткань+жидкий компаунд-----краска+компаунд+марля+компаунд+сатин+компаунд+марля-----------спред

отлип через---------------------------4часа---------------------------------2часа------------------------------------1час

полимеризация--------------------------24часов------------------------------12часа----------------------------------8часов

дозревание----------------------------2недели-------------------------------1неделя----------------------------------1день

смола----------------------------------эпокси------------------------------полиэфирная--------------------------готовый компаунд

отвердитель----------------------------1/10-----------------------------------1/100----------------- -------------уже введён

инструмент----------------------пластмассовый шпатель--------------------малярная кисть------------------------------валик

метод давление-------------------груз мешками с песком---------------------вакуум плёнка---------------------давление в 3-5 атмосфер(бар)

матричный разделитель  это жидкий парафин (мастика для паркета) для эпоксида, синтетические воски для полиэфира, спиртовой спрей "норслип" для 
спреда!!!  

внимание----толщина стеклоткани типа марли,сатин 0.1мм эквивалентна плотности 100г/м2, 0.2мм--200г/м2!!!

промышленный карбоновый спред----это углеткань уже пропитанная специальным эпоксидным высокотемпературным компаундом горячего отверждения!!!

контроль качества при формовке-----не должно быть воздушных пузырей,складок и не пропитанной ткани!!!

смотри статью "сопромат"

пример листовой технологии из промышленного стеклотекстолита толщиной 0.5мм

пример изготовления фюзеляжа типа "кокон" (слева) по композитной технологии из стеклоткани в сборной матрице (справа)