蜂巢式玻璃纤维复合材料

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蜂巢式玻璃纤维复合材料

2016-05-19

复合材料定义

广义的复合材料(Composite Material)系指两种以上材料结合,形成一种根据两总以上材料截长补短丶产生性能更佳的材料。
制造飞机所使用复合材料则系以高强度纤维强化材 (Reinforcement)和基材(Matrix)固结形成, 除了将强化材固定使其得以发挥强度与刚性外,并其有保护纤维丶提供韧度与抗压强度之功能。
先进复合材料所使用强化材料型式包括纤维粒子(Fiber Particle)或纤维(Fiber), 此外纤维材料其有易挠曲丶高强度丶高刚性及低密度之特性,因此纤维成为复合材料最普遍使用之强化材,常见高强度纤维包括玻璃纤维(Fiberglass)丶石墨(Graphite)纤维丶克夫龙 (Keviar)纤维及硼(Boron)纤维等。

蜂巢式结构

合材料应用上,可区分为由多层纤维预浸材料逐一依特定纤维方向叠制胶合而作的积层板构造(Laminate Construction)和由上丶下面层及夹层巢心结构所构成之三明治构造(一般称蜂巢构造)。

飞机上应用

目前航空飞机应用蜂巢式玻璃纤维地方：

鼻轮舱门
主轮舱门
涡轮发动机引擎罩
飞机主机翼後缘崁板结构内
飞机主机翼外侧扰流板
飞机主机翼内侧扰流板
方向舵结构内侧
尾翼升降舵内侧结构。

蜂巢式复合材料优点

具有极高强度与刚性重量比(Strength Stiffness/ Weight Ratio)
高抗疲劳(Fatigue)强度特性
复合材料不发生锈蚀腐化(Corrosion)
可做结构承受负载特性配置复合材料叠层,使结构承载效率大为提高
可降低所需零件材料使用量
轻量化飞机结构,进而节省燃油损耗及提高飞机载重量
结构造型变化大时,制造上比较容易

蜂巢式复合材料缺点

材料成本高
纯手工制造劳力密集
承压强度(Bearing Strength)和积层间强度(Inter laminar Strength)较低。
生产过程中机械特性受温度/湿度影响大。
复合材料结构强度丶刚性及其他特性丶检查难度提高
与铝合金搭配时, 铝合金结构容易产生异常
当有破损需要修补时花费很长时间
需严谨控制制造环境与人为技术

纤维布特性与编织

纤维布复合材料制作与一般布匹相同,系将纤维股以经线方向(Warp Direction) 和纬线方向(Fill Direction)彼此垂直丶相互排列编织而成, 其目的除提供部份横向强度和刚性外,尚可固定经线纤维使其不易分散。

纤维布之编织种类纤维布依编织之松紧可分为各种不同编织型式

简单编织法
四线编织法
五线编织法
八线编织法

预浸型纤维布

预浸型纤维布(PrepregFabric)当纤维布编织完成後,将纤维施以浸胶处理, 先涂覆树脂,同时并将此树脂作初步成化(Curing),这种处理方式称为B一阶段(B-Stage)预浸型纤维布,B一阶段树脂材料在室温中会继续反应成化,一旦成化固结就无法再使用,因此需将预浸型纤维布储存於冰箱中以延缓树脂成化反应速率。

高强度纤维之种类

商用直升机常使用纤维强化复合材

玻璃纤维
黄色之克夫龙纤维
黑色之石墨纤维或碳纤维
混合结构

蜂巢巢心材料

蜂巢密度之特性如果构成蜂巢之材料相同时,蜂巢的强度取决於密度,高密度巢心其蜂巢壁较厚故强度较高,反之低密度蜂巢巢心其强度较低, 蜂巢巢心修补更换时,必需选择与原设计相同材质且密度相同之巢心替代,若无相同密度则可由较高密度巢心取代。

蜂巢夹心依材料可区分为金属与非金属两大类, 依其构造又可区分为巢心构造(Honeycomb Core) 和实体夹心(Solid Core)

蜂巢依型分类

六角型蜂巢(Hexagonal Cell):此造型蜂巢结构最强,然弹性丶弯曲度较差,适合作为平面结构之蜂巢件。
四角型蜂巢(Rectangular或Overexpanded Cell):此型蜂巢结构较弱,但弹性和弯曲度较佳,可作为曲面结构之蜂巢件。
铃型蜂巢(Flexible ExpandedCell):此种蜂巢断面呈现铃型(Bell)可作三度空间之弯曲,主要用於雷达罩丶鼻锥罩等曲率特大之曲面结构之蜂巢件。

高分子基材分析

热塑性基材不产生化学反应,温度达600°F~700°F 即融化,可制作所需工件,待基材冷却後即变得非常强韧丶坚硬,如果欲改变工件形状,则可将温度升高使基材软化重新加工,因此热塑型树脂为一可重复使用材料,热塑性复合材料并不适合作为结构性构件,特别是高温区域,因此一般航空器之复合材料并不使用热塑性基材。
热固性基材成化实为一种化学反应,待基材成化固结後就无法以加热方式使其软化,因此为一种不可重复使用材料,热固性树脂之机械丶物理特性极佳,抗环境及化学性良好丶因此为现代商用客机先进复合材料所普遍使用之基材,其中环氧树脂 (Epoxy)则为最常作为热固性基材之材料。