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層壓結構

複合材料由混合在一起以達到特定結構性能的材料組合而成。單體材料不會完全溶解或融合在複合材料中，但它們會作為一個整體一起作用。通常情況下，組件之間的接口可以被物理識别。複合材料的性能優于由其構成的單體材料的性能。

一種先進的複合材料是由溶入樹脂基體的纖維材料制成的，通常由交替定向的纖維層壓，以提供材料的強度和剛度。纖維材料并不常見;木材是人類所知的最常見的纖維結構材料。

複合材料在飛機上的應用包括

•導流闆

•飛行控制面

•起落架門

•機翼和穩定器的前緣和後緣闆

•内部組件

•地闆梁和地闆面闆

•大型飛機的垂直和水平穩定器主結構

•新一代大型飛機的主要機翼和機身結構

•渦輪發動機風扇葉片

•螺旋槳

層壓闆的主要成分

各向同性材料在所有方向上都具有均勻的性質(指同一材料的等向性)。各向同性材料的測量性質與測試軸無關。以金屬材料的鋁和钛為例來說明各向同性材料的例證。

纖維是複合材料的主要承載元素。複合材料隻有在纖維的方向上才有強度和硬度。單向複合材料在一個方向上具有主要的力學性能，被稱為各向異性，其力學或物理性能與材料固有的自然參考軸的方向不同。由纖維增強複合材料制成的部件可以設計成纖維取向産生最佳的機械性能，但它們隻能接近金屬的真正各向同性性能，如鋁和钛。

複合基質支撐着纖維，并将它們粘結在複合材料中。基體将任何施加的載荷轉移到纖維上，使纖維保持在其位置和選擇的方向，給出複合材料的環境電阻，并确定複合材料的最高使用溫度。

強度特性

複合材料層壓闆的結構性能，如剛度、維度穩定性和強度，取決于層壓的堆疊順序。堆疊順序描述了層壓闆厚度中鋪層方向的分布。随着具有選擇方向層數的增加，更多的堆疊順序是可能的。例如，一個具有四種不同鋪層方向的對稱八層層壓闆有24種不同的堆疊順序。

纖維方向

複合材料的強度和剛度取決于鋪層的定向順序。碳纖維的實際強度和剛度範圍從低至高，如玻璃纖維提供的強度和剛度值，高至钛纖維提供的強度和剛度值。這個值的範圍是由層壓對施加的負載的方向決定的。在先進複合材料中，适當選擇鋪層方向是提供結構高效設計的必要條件。該部分可能需要0°層反應軸向負荷，±45°層反應剪切負荷，90°層反應側負荷。因為強度設計要求是施加荷載方向的函數，所以鋪層方向和鋪層順序必須正确。在修複過程中，用相同材料和方向的層替換每一層損壞的層是至關重要的。

單體材料中的纖維在一個方向上運動，強度和剛度隻在纖維的方向上。預浸料(預浸膠膜)膠帶是單向鋪層定向的一個例子。

雙向材料中的纖維在兩個方向上流動，通常間隔90°。平紋結構是雙向鋪層方向的一個例子。這些鋪層方向在兩個方向上都有強度，但強度不一定相同。如圖1所示

準各向同層鋪的層序為0°、-45°、45°和90°或0°、-60°和60°。如圖2所示,這些類型的鋪層取向模拟各向同性材料的特性。許多航空複合材料結構是由準各向同性材料制成的。

圖1：雙向和單向鋪層材料性能

圖2：對稱各向同性材料鋪層

縱向

經向是指織物的縱向纖維。由于纖維的直線度，經向是高強度的方向。翹曲經向用于在圖表、規格表或制造商的表上描述纖維的方向。如果織物上沒有翹曲方向，當織物從卷上下來時，翹曲方向默認為零。因此，90°到零是織物的寬度。如圖3所示

圖3：扭曲鎖定

纖維形态

所有的産品形式通常都是從單向線的原纖維開始，包裝成連續的股。一根單獨的纖維叫做細絲。“線”這個詞也被用來表示一種單獨的玻璃纖維。成束的細絲可分為細紗、紗線或粗紗。玻璃纖維紗線是扭曲的，而kevlar®紗線不是。絲束和粗紗沒有任何扭力。大多數纖維都是幹纖維，在使用前需要用樹脂浸漬(預浸漬)，或在樹脂已經塗在纖維上的地方用預浸漬材料。

粗纖（紗束）

粗纖是一組細絲或纖維末端，如20端或60端玻璃粗紗。所有細絲方向一緻，不扭曲。碳纖維粗紗通常被确定為3K、6K或12K粗紗，K表示1000根絲。大多數粗紗産品的應用都是利用芯軸進行纖維纏繞，然後樹脂固化到最終配置。

單向(帶)

單向預浸帶多年來一直是航空航天工業的标準，纖維通常是浸漬熱固性樹脂。最常見的制備方法是将準直的生(幹)股拉入浸漬機，在浸漬機中，熱熔樹脂通過加熱和壓力與股結合。膠帶産品在纖維方向上有很高的強度，而在纖維上幾乎沒有強度。纖維被樹脂固定住。膠帶的強度比機織織物高。如圖4所示

圖4：膠帶和織物制品

雙向(織物)

對于複雜形狀的層疊，大多數織物結構比直接的單向膠帶提供了更多的靈活性。織物提供了通過溶液或熱熔工藝浸漬樹脂的選擇。通常，用于結構應用的織物在經線(縱向)和緯線(橫向)兩個方向使用相同重量或屈服度的纖維或股。對于航空航天結構，緊密編織的織物通常是節省重量的選擇，減少樹脂空洞的大小，并在制造過程中保持纖維的取向。

織物結構通常由加固的增強絲束、股或紗線在織造過程中相互交錯而成。更常見的織物款式是平織或緞紋編織。平紋編織結構是由每根纖維在每根交叉的股(束、束或紗)上面和下面交替形成的。在常見的緞面織法中，如5束或8束，纖維束在經紗方向和緯紗方向上來回移動的頻率較低。

這些緞紋織物比平紋織物卷曲少，更容易變形。在平紋織物和大多數5或8束織物中，經向和緯紗方向的纖維股數相等。例如:3K平織通常有一個額外的名稱，如12 x 12，這意味着每英寸在每個方向上有12個牽引。此計數名稱可以改變，以增加或減少織物重量，或适應不同重量的不同纖維。如圖5所示

圖5：典型的織物編織風格

非織造物(編織或縫制)

編織物或縫紉織物可以提供許多單向膠帶的機械優點。纖維的放置可以是直的或單向的，沒有機織織物的上下轉彎。經預先選定的一層或多層幹闆方向後，用細紗或細線縫合，使纖維固定。這些類型的織物提供了廣泛的多層定向。雖然可能會增加一些重量或失去一些最終增強纖維性能，但可能會實現層間剪切和韌性性能的某些提高。一些常見的縫紉紗線是滌綸、芳綸或熱塑性塑料。如圖6所示

圖6：非織造材料(縫合)

纖維的種類

玻璃纖維

玻璃纖維常用于飛機的二級結構，如整流罩、天線罩和翼尖。玻璃纖維也用于直升機旋翼葉片。有幾種類型的玻璃纖維用于航空工業。電子玻纖，或E-glass，被認定為這樣的電子應用。它對電流有很高的阻力。電子玻纖是由硼矽酸鹽玻璃纖維制成的。S-glass和S2-glass是比E-glass具有更高強度的結構玻璃纖維。S-glass玻璃纖維是由鎂鋁矽酸鹽制成的。玻璃纖維的優點是成本低于其他複合材料，耐化學或電腐蝕，以及電學性能(玻璃纖維不導電)。玻璃纖維呈白色，可作為幹纖維織物或預浸料使用。

芳綸纖維

凱夫拉(Kevlar)是杜邦公司芳綸纖維的名稱。芳綸纖維重量輕、結實、堅韌。兩種芳綸纖維用于航空工業。Kevlar®49具有高剛度，而Kevlar®29具有低剛度。芳綸纖維的一個優點是抗沖擊損傷能力強，因此常用于易受沖擊損傷的區域。芳綸纖維的主要缺點是在壓縮性和吸濕性方面普遍存在缺陷。服役報告表明，一些由kevlar®制成的部件在水中吸收高達8%的重量。因此，由芳綸纖維制成的零件需要受到環境的保護。另一個缺點是凱夫拉纖維很難鑽孔和切割。纖維很容易起毛，需要專門的剪刀來剪切。

凱夫拉纖維通常用于軍事彈道和防彈衣應用。它有天然的黃色，可作為幹織物和預浸料。芳綸纖維束的大小不像碳纖維或玻璃纖維那樣取決于纖維的數量，而是取決于重量。

碳纖維/石墨纖維

此纖維之間的第一個區别是碳纖維和石墨纖維之間的區别，盡管這兩個術語經常互換使用。碳纖維和石墨纖維是基于碳中的單層石墨(六邊型)層網絡。如果單層石墨層或平面按三維順序堆疊，則該材料被定義為石墨。通常需要延長時間和溫度加工形成這種順序，使石墨纖維更昂貴。平面間的鍵合很弱。無序經常發生，以至于在層中隻存在二維順序。這種物質被定義為碳纖維。

碳纖維非常堅韌，硬度是玻璃纖維的3到10倍。碳纖維用于飛機結構應用，如底梁，穩定器，飛行控制，以及主機身和機翼結構。優點是強度高、耐腐蝕。缺點包括導電性比鋁低;因此，對于容易受到雷擊的飛機部件，必須安裝防雷網或防雷塗層。碳纖維的另一個缺點是成本高。碳纖維是灰或黑的顔色，可作為幹織物和預浸料。當與金屬緊固件和結構一起使用時，碳纖維有引起電偶腐蝕的高潛力。

圖7：玻璃纖維(左)，芳綸纖維(中)，碳纖維材料(右)

硼纖維

硼纖維非常堅硬，具有很高的抗拉和抗壓強度。纖維的直徑比較大，彎曲性不好;因此，它們隻能作為預浸料膠帶産品。環氧樹脂基體常與硼纖維一起使用。硼纖維用于修複開裂的鋁飛機外殼，因為硼的熱膨脹接近鋁，沒有電偶腐蝕的潛力。如果基材表面有一個輪廓形狀，硼纖維就很難使用。硼纖維非常昂貴，對人員可能有危險。硼纖維主要用于軍事航空領域。

陶瓷纖維

陶瓷纖維用于高溫應用，如燃氣渦輪發動機的渦輪葉片。陶瓷纖維可用于高達2200°F的溫度。

防雷光纖

鋁制飛機的導電性很好，能夠驅散雷擊産生的大電流。碳纖維對電流的電阻是鋁的1000倍，環氧樹脂的電阻是1,000,000倍(即垂直于表皮)。外部複合材料部件的表面通常由一層或一層導電材料組成，用于防雷，因為複合材料的導電性比鋁低。許多不同類型的導電材料被使用，從鍍鎳石墨布到金屬網到鋁化玻璃纖維到導電塗料。該材料可用于濕鋪層或預浸料。

除了正常的結構修複，技術人員還必須重新創造設計到部件的導電性。這類修複通常需要用電阻表進行導電性測試，以驗證整個結構的最小電阻。當修理這些類型的結構時，非常重要的是隻使用來自授權供應商的批準材料，包括諸如灌封化合物、密封劑、粘合劑等。如圖8和圖9所示

圖8：銅網防雷材料

圖9：鋁網防雷材料

未完待續

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