Virtual Aviation Reference
REDSTAR
Download Airplane Comparisons and other useful materials    
 
Αρχική Σελίδα
Διάφορα
     
ΔΙΑΦΟΡΑ, Αυτοκινούμενο A/A σύστημα μέσου βεληνεκούς, Ελαφρύ, τροχοφόρο, τεθωρακισμένο όχημα , αυτοκινούμενο ICBN, Αρμα μάχης "BLACK EAGLE", Υποβρύχιο τύπου 955 Borey


ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΕΣ
ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ

   

ΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΣΤΙΣ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ © Konstantinos Panitsidis

 

Το κείμενο που ακολουθεί προέρχεται από την ενδιαφέρουσα σειρά άρθρων του ιδίου υπό τον αυτό τίτλο, που δημοσιεύτηκαν στο αεραθλητικό περιοδικό "Αθλητική Αεροπορία" (και αργότερα με το νέο όνομα "Αεροπλάνο").

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η σχεδίαση και κατασκευή της πτητικής μηχανής προϋποθέτει την λύση σειράς προβλημάτων στους τομείς της αεροδυναμικής, της μηχανικής πτήσης, της δομικής ανάλυσης, των συστημάτων, κτλ., αλλά πάνω απ' όλα της επιλογής των κατάλληλων υλικών των οποίων η αξιοπιστία και η αναλογία αντοχής προς Βάρος τα καθιστά ικανά να χαρακτηριστούν ως αεροπορικά υλικά και επομένως να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή της πτητικής μηχανής.
Η έρευνα επί των αεροπορικών υλικών άρχισε συγχρόνως με τις προσπάθειες του ανθρώπου για την κατασκευή της μηχανής η οποία θα του επέτρεπε να πετάξει.
Τα πρώτα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν στις πρωτοπόρες πετομηχανές, ως γνωστό ήταν το ξύλο και το ύφασμα.
Δύο υλικά τα οποία και σήμερα χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ελαφρών και υπερελαφρών πτητικών μηχανών (ΥΠΜ).
Τα μεταλλικά υλικά, όπως τα κράματα του αλουμινίου, μαγνησίου, τιτανίου και τελευταία του αλουμινίου - λιθίου, είναι εκείνα των οποίων τα τεχνικά χαρακτηριστικά συνετέλεσαν στη καθιέρωση τους ως κύρια αεροπορικά δομικά υλικά και βάσει αυτών να κατασκευαστεί το πλήθος σε αριθμό και μορφή αεροναυπηγικών προϊόντων.

Είναι όμως βέβαιο ότι η καθιέρωση αυτών των ελαφρών μεταλλικών κραμάτων, δεν μπόρεσε ποτέ να σταματήσει την έρευνα για ανεύρεση υλικών με τεχνικά χαρακτηριστικά ακόμα καλύτερα καθώς και κατασκευαστικών μεθόδων που θα επέτρεπαν την τόσο αναγκαία εξοικονόμηση βάρους στην αεροπορική κατασκευή.
Σε αυτή την έρευνα των υλικών, η χημεία έκανε μεγαλύτερα βήματα από ότι η μεταλλουργία, παρουσιάζοντας ένα πλήθος προϊόντων τα οποία αρχίζουν από τις ειδικές αεροπορικές κόλλες, τις εποξειδικές ρητίνες, τα υαλονήματα, τα ανθρακονήματα, τις πολυουρεθάνες, τις πολυστερίνες, τα θερμοπλαστικά και καταλήγουν στα ειδικά κεραμικά υλικά.
Με τον κατάλληλο συνδυασμό ορισμένων εξ' αυτών των υλικών είναι δυνατόν να αποκτηθεί ένα "σύνθετο υλικό" το οποίο θα έχει τεχνικά χαρακτηριστικά όπως, αντοχή στα στατικά ή δυναμικά φορτία, ανθεκτικότητα στη διάβρωση και στις καιρικές συνθήκες, θερμική αγωγιμότητα, ακουστική μόνωση, ειδικό βάρος, μέτρο ελαστικότητας κτλ., πολύ καλύτερα από εκείνα των μεμονωμένων υλικών που το συνθέτουν.
Τα συνηθέστερα σύνθετα υλικά είναι τα διάφορα υφάσματα ή νήματα εμποτισμένα με ρητίνες και τα στρωματοειδή (σάντουιτς) τα οποία θα περιγραφούν στη συνέχεια.

1. ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ

Εξ' ορισμού, σύνθετα υλικά, ονομάζονται τα υλικά τα οποία προκύπτουν από τη σύνθεση, σε μακροσκοπική κλίμακα, δύο ή περισσότερων υλικών με σκοπό την απόκτηση καλύτερων και χρησιμότερων ιδιοτήτων. Το σύνθετο υλικό είναι ανομοιογενές και ανισότροπο.

Ανομοιογενές είναι το υλικό του οποίου οι ιδιότητες είναι διαφορετικές από σημείο σε σημείο, ενώ το ανισότροπο συμπεριφέρεται με διαφορετική αντοχή όταν το φορτίο εφαρμόζεται υπό διαφορετικές διευθύνσεις.
Σε αυτή την περίπτωση δεν. υπάρχου ν επίπεδα συμμετρίας των ιδιοτήτων του υλικού.
Επομένως τα τεχνικά χαρακτηριστικά είναι συναρτήσεις του προσανατολισμού σε έκαστο σημείο του υλικού.
Για να αποκτηθεί ένα ισότροπο σύνθετο υλικό, επί παραδείγματι από υαλοΰφασμα, είναι απαραίτητο να τοποθετηθούν περισσότερες στρώσεις υφάσματος υπό διαφορετικές κύριες διευθύνσεις αντοχής έτσι ώστε το υλικό που θα προκύψει να παρουσιάζει την αυτή συμπεριφορά υπό οποιαδήποτε διεύθυνση του εφαρμοστεί το φορτίο.
Αντιθέτως με τα σύνθετα υλικά, τα μεταλλικά υλικά θεωρούνται ομοιογενή και ισότροπα.

Σχήμα 1. Σχηματική παράσταση υφάσματος με νήματα κατά μία μόνο διεύθυνση. Σχήμα 2. Σχηματική παράσταση υφάσματος με νήματα κατά δύο διευθύνσεις την διαμήκη (χ) και την εγκάρσια (y).

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Ενδεικτικός πίνακας εξέλιξης της χρήσης των υλικών στις αεροπορικές κατασκευές.
Κατασκευαστική Εταιρεία
Airbus Industrie
-
McDonnell-Douglas
-
Boeing
-
Υλικό / έτος
1985
2000
1985
2000
1985
2000
Αλουμίνιο
76%
35%
82%
-
80%
11%
Χάλυβας
8%
6%
13%
20%
14%
11%
Τιτάνιο
6%
9%
4%
3%
2%
12%
Σύνθετα
5%
46%
1%
13%
3%
65%
Αλουμίνιο/Λίθιο
-
-
-
34%
-
-
Αλουμίνιο/Λίθιο
-
-
-
30%
-
-
+Σύνθετα
Διάφορα
5%
4%
-
-
1%
1%

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.
Αεροσκάφος
Συνολικό βάρος σύνθετων
υλικών
Συνολικό κέρδος βάρους
A300-310
6.200 kg
1.400 kg
A320
4.500
1.100
ATR 42
900
190
ATR 72
1.700
360
*ATR XX
2.800
660
* Νέος τύπος, υπό εξέλιξη, της σειράς των ATR.


Εδώ πρέπει να παρατηρήσουμε ότι και τα μεταλλικά κράματα προκύπτουν από τη σύνθεση διαφορετικών μετάλλων, αλλά αυτό γίνεται σε μικροσκοπική κλίμακα, ενώ μακροσκοπικώς παρουσιάζονται και λαμβάνονται ως ομοιογενή υλικά.
Ένα πολύ γνωστό σύνθετο υλικό είναι εκείνο το οποίο αποκτάται εμποτίζοντας υαλοΰφασμα με πολυεστερική ή εποξειδική ρητίνη.
'Όταν η ρητίνη στερεοποιηθεί, τότε το σύνθετο υλικό που θα προκύψει θα έχει τεχνικά χαρακτηριστικά τα οποία θα είναι συναρτήσεις των δύο επιμέρους υλικών (υαλοϋφά-σματος - ρητίνης), του τρόπου εμποτισμού, της αναλογίας σε βάρος υφάσματος/ρητίνης της θερμοκρασίας περιβάλλοντος υπό την οποία έγινε η εργασία, της θερμοκρασίας υπό την οποία θα γίνει η σκλήρυνση της ρητίνης, τη διευθέτηση των κυρίων νημάτων του υφάσματος εν σχέση με την διεύθυνση εφαρμογής του φορτίου, κτλ.
Γίνεται επομένως σαφές ότι εάν το σύνθετο υλικό δεν προμηθεύεται έτοιμο αλλά κατασκευάζεται από τον εκάστοτε χρήστη, τότε είναι πολύ πιθανό να παρουσιάζει διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά από χρήστη σε χρήστη.
Αυτό βέβαια δε συμβαίνει μετά μεταλλικά υλικά τα οποία ο χρήστης προμηθεύεται έτοιμα από τον παραγωγό και πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές.
Είναι σαφές ότι για να αποκτηθούν οι μέγιστες επιθυμητές τιμές των τεχνικών χαρακτηριστικών του σύνθετου υλικού, απαιτείται πολύ μεγάλη εμπειρία τόσο στην επιλογή των δύο υπό σύνθεση υλικών, όσο και στη διεργασία σύνθεσης.
Εάν δεν υπάρχει εμπειρία τότε τα τεχνικά χαρακτηριστικά και γενικώς η συμπεριφορά του προκύψαντος σύνθετου υλικού θα είναι σίγουρα τυχαία.
Οι δυσκολίες που συναντώνται ειδικά στον σωστό εμποτισμό του υφάσματος με την κατάλληλα και άριστα παρασκευασμένη ρητίνη, τείνουν να μειωθούν με την εμφάνιση των προεμποτισμένων υφασμάτων. Αυτά τα υφάσματα αφού εμποτιστούν με τη σωστή ποιότητα και ποσότητα ρητίνης, τοποθετούνται σε ξηρό πάγο όπου υπό τη χαμηλή θερμοκρασία η σκλήρυνση της ρητίνης σταματά σε μία προκαθορισμένη φάση.
Όταν αυτό το εργοστασιακά προεμποτισμένο, σύνθετο υλικό πρόκειται να χρησιμοποιηθεί τότε μεταφέρεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες όπου και συνεχίζεται η σκλήρυνση της ρητίνης.

2. ΣΥΝΘΕΤΑ ΝΗΜΑΤΩΝ/ΡΗΤΙΝΗΣ
Τα συνηθέστερα σύνθετα υλικά αποκτώνται με υφάσματα ή νήματα εμποτισμένα σε ρητίνη.
Τα υαλοϋφάσματα, τα ανθρακονήματα, το Kevlar της DuPont και άλλα γνωστά εμπορικά ονόματα, συνιστούν τη μεγαλύτερη οικογένεια των σύνθετων υλικών.

2.1. ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ
Το βασικότερο πλεονέκτημα των σύνθετων έναντι άλλων υλικών (μεταλλικών, πλαστικών, κεραμικών κτλ.) είναι η δυνατότητα απόκτησης της επιθυμητής αντοχής κατά τη διεύθυνση εφαρμογής του φορτίου μέσω της απλής διευθέτησης, προσανατολισμού, των νημάτων του υφάσματος.
Εάν η διεύθυνση του φορτίου είναι σταθερή, τότε είναι εύλογο να χρησιμοποιηθεί ύφασμα μίας κύριας διεύθυνσης στο οποίο τα κύρια νήματα είναι τοποθετημένα κατά μία μόνο διεύθυνση έτσι ώστε η μέγιστη αντοχή του υφάσματος να είναι κατά τη διεύθυνση αυτή. Σε αυτό τον τύπο υφάσματος υπάρχουν και λίγα δευτερεύοντα, αμελητέας σημασίας νήματα κάθετα προς την κύρια διεύθυνση με σκοπό να συγκρατούν με απλή πλέξη τα κύρια νήματα.

Σχήμα 3.

 

Στην περίπτωση που το φορτίο είναι στο επίπεδο και κατά δύο κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις, τότε στην κατασκευή του σύνθετου πρέπει να χρησιμοποιηθεί ύφασμα με κύρια νήματα τοποθετημένα κατά δύο διευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους.

Σ' αυτή την περίπτωση ο αριθμός νημάτων ανά μονάδα μήκους κατά την εγκάρσια διεύθυνση είναι ακριβώς ίσος με τον αριθμό νημάτων ανά μονάδα μήκους κατά τη διαμήκη διεύθυνση.
Επομένως και η αντοχή του σύνθετου είναι ίδια κατά τις δύο αυτές διευθύνσεις και είναι η μέγιστη.
Η μικρότερη αντοχή παρουσιάζεται κατά τη διεύθυνση της διχοτόμου της ορθής γωνίας που σχηματίζουν τα κύρια νήματα, δηλαδή κατά τη διεύθυνση που σχηματίζει γωνία θ° = 45° με τις κύριες διευθύνσεις.
Ένα τέτοιο επίπεδο, σύνθετο υλικό, που παρουσιάζει την αυτή αντοχή κατά διευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους, ονομάζεται "ορθότροπο".
Παρομοίως ονομάζεται ορθότροπο και το τριδιάστατο σύνθετο υλικό που έχει τρία κάθετα μεταξύ τους επίπεδα συμμετρίας των ιδιοτήτων ελαστικότητας του και γενικότερα των μηχανικών του ιδιοτήτων.
Το σύνθετο υλικό που υπό οποιαδήποτε διεύθυνση (ή γωνία θ) στο επίπεδο του παρουσιάζει τις αυτές μηχανικές ιδιότητες, ονομάζεται διδιάστατο "ισότροπο" υλικό.
Στον τριδιάστατο χώρο αυτό το υλικό είναι και ονομάζεται "σχεδόν ισότροπο".
Τέτοιο σύνθετο υλικό μπορεί να κατασκευαστεί τοποθετώντας πολλές στρώσεις υφάσματος με τις κύριες διευθύνσεις των νημάτων κατάλληλα διευθετημένες έτσι ώστε το σύνθετο που θα προκύψει να συμπεριφέρεται κατά τον ίδιο τρόπο υπό οποιαδήποτε διεύθυνση στο επίπεδο (xy) του εφαρμοστεί το φορτίο.
Συνήθως ένα "σχεδόν-ισότροπο" σύνθετο υλικό μπορεί να αποκτηθεί τοποθετώντας κατ' ελάχιστο τρία στρώματα ορθότροπου υφάσματος, με το διαμήκη άξονα να σχηματίζει γωνίες + 60, 0, - 60, με τον άξονα αναφοράς x, όπου 0, σχηματίζει ο διαμήκης άξονας του μεσαίου στρώματος με τον άξονα x.

Το υλικό που παρουσιάζει τις αυτές μηχανικές ιδιότητες υπό οποιαδήποτε διεύθυνση στο χώρο, ονομάζεται "τέλειο ισότροπο" ή απλώς "ισότροπο υλικό".
Ισότροπα υλικά είναι τα μέταλλα, ενώ δεν μπορούν να γίνουν τα σύνθετα των οποίων σε αυτή την περίπτωση τα νήματα θα έπρεπε να είναι προσανατολισμένα προς κάθε διεύθυνση στο χώρο, πράγμα αδύνατο.
Είναι ευκολονόητο επομένως ότι τα σύνθετα υλικά είναι γενικώς "ανισότροπα" υλικά, ενώ μπορούν να γίνουν με τον κατάλληλο αριθμό στρωμάτων και διευθέτηση των νημάτων, υλικά "διδιάστατα ισότροπα" ή αλλιώς υλικά "τριδιά-στατα σχεδόν ισότροπα".
Η ρητίνη παίζει σημαντικό ρόλο στα μηχανικά χαρακτηριστικά του σύνθετου.
Η ποσοστιαία αναλογία του Βάρους της ρητίνης προς το συνολικό Βάρος του σύνθετου (ρητίνης + υφάσματος) είναι ένα Βασικό στοιχείο της σύνθεσης.
Συνήθως το ποσοστό του Βάρους της ρητίνης κείμενεται από 25-50% του συνολικού Βάρους.
Χρησιμοποιούνται κυρίως δύο τύποι ρητινών, οι πλυεστε-ρικές και οι εποξειδικές.
Οι πολυεστερικές ρητίνες έχουν κατώτερες μηχανικές ιδιότητες από τις εποξειδικές και γι' αυτό δε χρησιμοποιούνται στις αεροπορικές κατασκευές, αλλά αντιθέτως είναι ο κύριος τύπος ρητίνης για τις ναυτικές κατασκευές.
Μερικές γνωστές εποξειδικές ρητίνες, εμποτισμού του εμπορίου είναι η Shell Epon 828, η Ciba Geigy 604, η Dow Der 331, η Safe-T-Poxy 2410 της Apco, η ΕΑ 9309 της Hysol, και άλλες.

Σχήμα 4. Κατασκευή συνθέτου μιας
διεύθυνσης με 8 στρώσεις νημάτων
κατά την αυτή διεύθυνση

Για σύγκριση στον πίνακα αναφέρονται και τα μηχανικά χαρακτηριστικά των γνωστότερων αεροπορικών μεταλλικών υλικών. Τα συνηθέστερα και χαμηλότερου κόστους σύνθετα υλικά που συναντώνται στις απλές αεροπορικές κατασκευές είναι τα Ε-Υαλοΰφασμα/Εποξειδική και τα S-Υαλοΰφασμα/Εποξειδική.
Παρατηρείται ότι η μέγιστη τάση εφελκυσμού (σμεγ) των υαλονημάτων μόνο είναι σχεδόν επταπλάσιες από εκείνες του κράματος αλουμινίου AL 7075-T6.
Στον πίνακα 3, δίδονται ορισμένα μηχανικά χαρακτηριστικά διαφόρωντύπων νημάτων και σύνθετων υλικών/ Όπου δεν αναφέρεται η εποξειδική ρητίνη τότε τα μηχανικά χαρακτηριστικά είναι του νήματος μόνο.
Τα πηλίκα Ε/γ (Ειδικό μέτρο ελαστικότητας) και σ/γ (ειδική τάση), είναι βασικές παράμετροι για τη σωστή επιλογή του υλικού στην αεροπορική κατασκευή (όπου γ είναι το ειδικό βάρος).
Υπάρχουν υλικά τα οποία έχουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας (Ε) και άλλα που έχουν υψηλή τιμή της μέγιστης τάσης εφελκυσμού (σ).
Η κλίση της καμπύλης (σ-ε), τάσης (σ) - επιμήκυνσης (ε), προσδιορίζει την ελαστικότητα του υλικού.

ΠΙΝΑΚΑΣ 3. Πίνακας μηχανικών χαρακτηριστικών νημάτων και σύνθετων υλικών.
Υλικό
Μέτρο Ελαστικότητας Ε (Kg/mm^2)
Μέγιστη τάση εφελκυσμού σ (Kg/mm^2)
Ειδικό βάρος (Kg/m^3)
Ειδικό μέτρο Ε/γ (m) X10^5
Ειδική τάση σ/γ (m) X10^5
E- Υαλονήματα
7350
320
2550
2.9
1.25
S- Υαλονήματα
8400
380
2490
3.4
1.53
E-Υαλονήματα Εποξειδ.
5250
140
1940
2.7
0.72
S-Υαλονήματα Εποξειδ.
5250
210
1940
2.7
1.08
Κέβλαρ 29
6300
350
1440
4.4
2.43
Κέβλαρ 49
14000
350
1660
8.4
2.11
Κέβλαρ 49/Εποξειδ.
8400
200
1520
5.5
1.32
HM Νήματα Γραφίτη
38500
210
1910
20.2
1.10
HS Νήματα Γραφίτη
24500
245
1770
13.8
1.38
HM Γραφίτη Εποξειδ.
21000
95
1605
13.1
0.59
HS Γραφίτη Εποξειδ.
15400
145
1495
10.3
0.97
Νήματα Βορίου
42000
280
2630
16.0
1.06
Νήματα Βορίου/Εποξ.
21700
155
2075
10.5
0.75
Αλουμίνιο 7075-Τ6
7200
55
2685
2.7
0.20
Αλουμίνιο 6061-Τ6
7200
30
2685
2.7
0.11
Τιτανίο Τi-6AI-4V
11200
105
4430
2.5
0.24
Χρώμιο μολυβδενιούχος
20300
95
7830
2.6
0.12
Χάλυβας 4130
Σχήμα 5. Κατασκευή συνθέτου σχεδόν ισότροπου, με 8 στρώσεις νημάτων κατά διευθύνσεις 0°, 90°, +45°, -45°.


Σχήμα 6. Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης

(1) Μικρό Ε, μικρό σμεγ
(2) Πολύ μεγάλο Ε, μέτριο σμεγ
(3) Μέτριο Ε, πολύ μεγάλο σμεν.
Ιο= αρχικό μήκος αναφοράς δοκιμίου (mm).
Ι = τιμή του μήκους αναφοράς κατά τη μέτρηση της τάσης σ.
ΔΙ = Ι-Ιο = διαφορά μήκους (mm).
Α = Εμβαδόν διατομής δοκιμίου (mm2).
ε = (Ι-Ιο)/Ιο = σχετική επιμήκυνση δοκιμίου (αδιάοτατος αριθμό
ς).

ΗΜ = Νήματα γραφίτη υψηλού μέτρου ελαστικότητας. HS = Νήματα γραφίτη υψηλής τάσης εφελκυσμού.
Τάση: Είναι το πηλίκο της δύναμης F (οε Kg) δια του εμβαδού Α (σε mm^2) επί του οποίου εξασκείται: τάση = δύναμη/εμβαδόν επιφάνειας. Μέγιστη τάση εφελκυσμού: Είναι η μέγιστη τάση στην οποία άντεξε το υλικό πριν τη θραύση του, κατά την δοκιμή σε εφελκυσμό. Ένας συνηθισμένος τρόπος παρουσίασης της αποτελεσματικής αντοχής ενός αεροπορικού υλικού είναι η συσχέτιση των μηχανικών του χαρακτηριστικών με το ειδικό βάρος του.

Σχήμα 7. Καμπύλες σ-ε.

Η καμπύλη (σ-ε) του σύνθετου υλικού ευρίσκεται πάντοτε μεταξύ των καμπύλων (σ-ε) του νήματος και της ρητίνης, ενώ η κλίση της εξαρτάται από την αναλογία σε βάρος ρητίνης-νήματος.
Εάν το ποσοστό βάρους της ρητίνης είναι μεγαλύτερο, τότε η καμπύλη (σ-ε) του σύνθετου θα είναι πλησιέστερη προς την (σ-ε) της ρητίνης και παρομοίως εάν το ποσοστό βάρους του νήματος είναι μεγάλο τότε η (σ-ε) του σύνθετου θα είναι πλησιέστερη προς την (σ-ε) του νήματος.


2.2 ΕΙΔΗ ΥΦΑΣΜΑΤΩΝ
Τα Βασικότερα είδη υφασμάτων που χρησιμοποιούνται στις αεροπορικές κατασκευές, είναι τα ακόλουθα
.

Σχήμα 8.

Ε-Υαλοΰφασμα

Το υαλοΰφασμα είναι το συνηθέστερο υλικό (ανόργανο) που χρησιμοποιείται στις σύνθετες κατασκευές.
Είναι υλικό που δεν καίγεται, δε σαπίζει, δεν απορροφά υγρασία και δεν αλλοιώνεται με το χρόνο.
Επίσης, έχει γραμμική συμπεριφορά ελαστικότητας, η καμπύλη (σ-ε) είναι ευθεία γραμμή έως το σημείο θραύσης και παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή αντοχή στα φορτία.
Ευρίσκεται στο εμπόριο σε μεγάλη ποικιλία πλέξεων και είναι σχετικά το φθηνότερο ύφασμα για σύνθετες κατασκευές.
Χρησιμοποιείται στις αεροπορικές κατασκευές ως υλικό επικάλυψης, στην κατασκευή κύριων και δευτερευόντων δομικών στοιχείων, στην κατασκευή του ριναίου κώνου, κτλ.

Σχήμα 9α. Αποτύπωμα πλέξης νημάτων 1 επάνω -1 κάτω

 

S-Υαλουφασμα

Έχει τις ίδιες περίπου ιδιότητες με το Ε-Υαλοϋφασμα (Ε:για Electrical, S: για Structural) αλλά υπερέχει αυτού κατά 20% περίπου στην αντοχή και 15% στο μέτρο ελαστικότητας.
Ο τύπος S-YY (ΥαλοΥφασμα) είναι ελαφρότερος από τον Ε-ΥΥ, παρουσιάζει μεγάλη αντοχή στην κρούση και κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από τον Ε-ΥΎ

Χρησιμοποιείται για κρίσιμα δομικά στοιχεία και σε συνδυασμό με το Ε-ΥΥ για εξωτερικές δεξαμενές, για δοχεία καυσίμων, για δοχεία υψηλής πίεσης, για ριναίους κώνους κτλ.

Σχήμα 9β. Αποτύπωμα πλέξης νημάτων 4 επάνω -1 κάτω.

S2- Υαλοΰφασμα

Είναι παραλογή του S-YY με τα ίδια μηχανικά χαρακτηριστικά αλλά είναι ποιοτικώς περισσότερο ευέλικτο και δεν ανταποκρίνεται ακριβώς στις προδιαγραφές MIL-SPEC., όπως αντιθέτως συμβαίνει με τον τύπο S-YY.
Χρησιμοποιείται σε υβριδικές σύνθετες κατασκευές (συνδυασμός δύο ή περισσοτέρων διαφορετικών υφασμάτων, π.χ. (Ε-ΥΥ + S2-YY + Κέβλαρ) / Εποξειδική, για δομικά στοιχεία που απαιτούν υψηλό μέτρο ελαστικότητας, για δοχεία υψηλής πίεσης και για τμήματα που καταπονούνται σε υψηλές θερμοκρασίες, διότι το S2-YY διατηρεί τις μηχανικές του ιδιότητες και άνω των 800 C.

Σχήμα 10. Διάφοροι τύποι πλέξης νημάτων υαλοϋφάσμα-τος: 1) Μονής διεύθυνσης, 2) Διπλής διεύθυνσης με απλή πλέξη 1 επάνω -1 κάτω, 3) τύπου HS1 επάνω - 4 κάτω, 4) τύπου CrowFoot 1 επάνω - 3 κάτω, 5) τύπου BMS.

Κέβλαρ

Είναι ένα αρωματικό πολυαμίδιο (Αραμιδ), (ανόργανο υλικό) με πολύ στερεούς μοριακούς δεσμούς και έχει την υψηλότερη σχέση αντοχής προς Βάρος (σ/γ) από οποιοδήποτε άλλο ύφασμα.
Διατίθεται από την εταιρεία Dupont σε δύο Βασικούς τύπους. Τον τύπο Κέβλαρ 29 που έχει χαμηλή τιμή του μέτρου ελαστικότητας και τον τύπο 49 που έχει υψηλή τιμή του μέτρου ελαστικότητας.
Το Κέβλαρ είναι κατά 35% - 40% περίπου ελαφρύτερο από το υαλοΰφασμα, έχει μεγαλύτερη ειδική τάση (σ/γ) και μεγαλύτερο ειδικό μέτρο ελαστικότητας (Ε/γ), από οποιοδήποτε υαλοΰφασμα, έχει περίπου τον αυτό συντελεστή θερμικής διαστολής με τον γραφίτη, επομένως μπορούν να συνεργαστούν σε υβριδικές συνθέσεις, δεν μεταβάλλονται οι ιδιότητες του και τα μηχανικά του χαρακτηριστικά με την πάροδο του χρόνου και τέλος έχει κατά δέκα φορές περίπου μεγαλύτερη ειδική τάση από το αλουμίνιο.
Το Κέβλαρ εμποτίζεται όπως και το υαλοΰφασμα με εποξειδικές ρητίνες αλλά το σύνθετο υλικό που αποκτάται είναι κατά 20% περίπου ελαφρύτερο από το αντίστοιχο με υαλοΰφασμα.
Όλες οι μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου με Κέβλαρ είναι πολύ καλές εκτός από την αντοχή του σε φορτία θλίψης όπου παρουσιάζει μικρές τιμές.

Για τέτοιου είδους φορτία γίνονται υβριδικές συνθέσεις υφασμάτων Κέβλαρ και γραφίτη, ή υαλοϋφάσματος, με τις οποίες αποκτώνται οι επιθυμητές αντοχές.
Το Κέβλαρ έχει μεγαλύτερη αντοχή στην κρούση από το υαλοΰφασμα, μεγάλη αντοχή στην κόπωση, καλή αντίσταση στην ανάπτυξη ρωγμών και καλή απόσβεση των κραδασμών.
Το Κέβλαρ χρησιμοποιείται στις αεροπορικές κατασκευές για την κατασκευή δομικών στοιχείων, για την κατασκευή ελίκων οι οποίες γίνονται ελαφρύτερες από τις αντίστοιχες του αλουμινίου και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στην κόπωση.
Επίσης το Κέβλαρ 49 χρησιμοποιείται στην κατασκευή πυραυλοκινητήρων με σημαντική μείωση του βάρους.

Σχήμα 11. Διάφοροι τύποι πλέξης υφάσματος κέβλαρ 49: α) Απλή πλέξη, 6) Πλέξη μπάσκετ, γ) σατέν, δ) λινό

Ανθρακονήματα (ή Νήματα Γραφίτη)

Τα ανθρακονήματα καθώς και τα υφάσματα τους είναι υλικά (οργανικά) τα οποία χρησιμοποιούνται στις κατασκευές όπου απαιτείται υψηλή αντίσταση στην παραμόρφωση, δηλαδή υψηλή τιμή του ειδικού μέτρου ελαστικότητας (Ε/γ).
Τα ανθρακονήματα έχουν περισσότερο από το διπλάσιο ειδικό μέτρο ελαστικότητας από εκείνο του Κέβλαρ 49 και πάνω από τέσσερις φορές των υαλοϋφασμάτων.
Είναι το ακριβότερο υλικό για σύνθετα, εφ' όσον κοστίζει περίπου πέντε φορές περισσότερο από το Κέβλαρ, το οποίο με τη σειρά του κοστίζει περίπου τρεις φορές περισσότερο από το υαλοΰφασμα.
Τα σύνθετα υλικά που αποκτώνται με ανθρακονήματα παρουσιάζουν εξαιρετική αντίσταση στην παραμόρφωση, έχουν πολύ μεγάλη αντοχή στην κόπωση, αλλά είναι σχετικά εύθραυστα και δεν εμποδίζουν την ανάπτυξη ρωγμών.
Η χρησιμοποίηση των ανθρακονημάτων και των υφασμάτων τους είναι πολύ δυσκολότερη από εκείνη των άλλων υφασμάτων, απαιτεί ειδικές μεθόδους εφαρμογής, μεγάλη εμπειρία, ειδικό τρόπο σχεδίασης ώστε να αποφεύγονται περιοχές συγκέντρωσης τάσεων και γνώσεις για υβριδικές συνθέσεις εφ' όσον θα χρειαστεί να συνδυαστούν οι ιδιότητες και τα μηχανικά τους χαρακτηριστικά μετά αντίστοιχα άλλων υφασμάτων.
Τα ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ισχυρών δομικών στοιχείων, για την κατασκευή των δοκών της πτέρυγας, στα αεροδιαστημικά οχήματα, αλλά και σε πολλές άλλες Βιομηχανικές εφαρμογές.

3. ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΤΡΩΜΑΤΟΕΙΔΗ (ΣΑΝΤΟΥΪΤΣ)
Εκτός από τα σύνθετα υλικά που προκύπτουν με τον εμποτισμό σε ρητίνες των διαφόρων τύπων νημάτων και υφασμάτων, σύνθετα υλικά αποκτώνται και με κατάλληλο μηχανικό συνδυασμό εντελώς διαφορετικών υλικών.
Ο γνωστότερος και επικρατέστερος μηχανικός συνδυασμός είναι εκείνος βάση του οποίου αποκτώνται σύνθετα υλικά υπό τη μορφή στρωμάτων.

Σχήμα 12.1. Σχηματική παράσταση σύνθετου - σάντουιτς t: πάχος σάντουιτς, tε: πάχος επίστρωσης.
Πάχος
t
2t
4t
Ακαμψία
1,0
7,0
37,0
Αντοχή
1,0
3,5
9,2
Βάρος
1,0
1,03
1,06

Με αναφορά στο Σχήμα 12.1, συγκριτικός πίνακας όπου φαίνεται η επίδραση του πάχους t του σάντουιτς, ήτοι του πυρήνα, στα μηχανικά χαρακτηριστικά. Ας παρατηρηθεί η αντίστοιχη πολύ μικρή αύξηση του βάρους.

Αυτά τα υλικά συνίστανται από ένα πυρήνα και τις επιστρώσεις των δύο κύριων επιφανειών του.
Ο πυρήνας είναι από ελαφρό υλικό που κύριο σκοπό έχει τη μεταφορά των διατμητικών τάσεων μεταξύ των δύο επιστρώσεων, οι οποίες με τη σειρά τους είναι από ισχυρότερο υλικό ανθεκτικό στις τάσεις εφελκυσμού και θλίψης εφαρμοσμένες στο επίπεδο τους.
Οι επιστρώσεις είναι κολλημένες στις κύριες επιφάνειες του πυρήνα με κατάλληλο τρόπο που εξαρτάται από τον τύπο του στρωματοειδούς.

Σχήμα 12.3. Δοκιμή αντοχής σε διάτμηση του κυψελοειδή πυρήνα.
Σχήμα 12.4. Κατασκευή σύνθετου - σάντουιτς με κυψελοειδή πυρήνα.

Το υλικό και το πάχος των επιστρώσεων, το υλικό του πυρήνα, το πάχος του πυρήνα, δηλ. η απόσταση μεταξύ των δύο επιστρώσεων και το επικολλητικό μέσο, επιστρώσεων - πυρήνα, είναι οι παράμετροι που καθορίζουν τα μηχανικά χαρακτηριστικά του σύνθετου αυτού.

Εάν η επικόλληση δεν είναι ιδανική, τότε υπάρχει περίπτωση να παύση η συνεργασία των επί μέρους υλικών και επομένως να απολεσθούν τα αναμενόμενα μηχανικά χαρακτηριστικά του σύνθετου στρωματοειδούς.
Σκοπός της επικόλλησης είναι να μην επιτρέπει σχετικές κινήσεις μεταξύ επιστρώσεων και πυρήνα καθώς και την παρεμπόδιση δημιουργίας ρυτιδώσεων στην επίστρωση κατά την εφαρμογή θλιπτικού φορτίου.
Οι επιστρώσεις γενικώς είναι πολύ λεπτές επιφάνειες (μεταλλικού ελάσματος, κοντραπλακέ, υαλοϋφάσματος κτλ.) και φυσικό είναι να παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή αντοχή σε όλα τα φορτία που δεν εφαρμόζονται στο επίπεδο τους και υψηλή αντοχή στα φορτία που εφαρμόζονται στο επίπεδο τους.

Ένα απλό παράδειγμα για την κατανόηση της διαφοράς αυτής στην αντοχή, γίνεται μέσω ενός φύλλου χαρτιού το οποίο παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση τραβώντας το από τις απέναντι πλευρές του, και έχει μηδέν αντοχή σε φορτία κάθετα προς την επιφάνεια του. Όλα τα άλλα φορτία που δημιουργούνται και δεν ευρίσκονται στο επίπεδο των επιστρώσεων, πρέπει να αντιμετωπίζονται από τον πυρήνα.

Επομένως, ο συνδυασμός του πυρήνα και των επιστρώσεων προς σχηματισμό του σύνθετου στρωματοειδούς υλικού έχει τα ακόλουθα θετικά αποτελέσματα, α) Τα φορτία μεταφέρονται στο επίπεδο των επιστρώσεων, 6) οι επιστρώσεις συγκρατούνται από τον πυρήνα ώστε τοπικά τουλάχιστον να παραμένουν επίπεδες, γ) η απόσταση μεταξύ των επιστρώσεων παραμένει σταθερή και δ) παρεμποδίζεται η δημιουργία κυματώσεων ή ρυτιδώσεων ένεκα θλι-πτικών φορτίων στις επιστρώσεις, που γενικά είναι πολύ λεπτά ελάσματα.
Έτσι αποκτάται ένα υλικό στο οποίο γίνεται πλήρης εκμετάλλευση των μηχανικών χαρακτηριστικών του πυρήνα και των επιστρώσεων.

Στην περίπτωση που το φορτίο εφαρμόζεται συγκεντρωμένο "τοπικά", επί παραδείγματι μέσω κοχλιώσεων, τότε ο πυρήνας θα πρέπει να είναι τοπικά ενισχυμένος με ισχυρότερο υλικό από αυτόν, το οποίο θα αντέξει στη σύνθλιψη της κοχλίωσης.

Συνήθως ο πυρήνας ενισχύεται τοπικά με έκχυση επο-ξειδικής κόλλας, ή με την εγκατάσταση χιτωνίου κατάλληλου για το φορτίο της κοχλίωσης.
Κατά παρόμοιο τρόπο πρέπει να αντιμετωπίζεται και η περίπτωση των ηλώσεων οι οποίες διαφορετικά δεν επιτρέπεται να εκτελούνται επί των λεπτών επιστρώσεων.
Παραδείγματα σύνθετων στρωματοειδών υλικών δίδονται στον πίνακα 4.

 

ΠΙΝΑΚΑΣ 4. Συνδυασμοί υλικών, πυρήνα και επιστρώσεων στα σύνθετα-στρωματοειδή για αεροπορικές εφαρμογές
Πυρήνας
Επιστρώσεις
Υλοκό συγκόλ.
Πολυουρεθ. η
Υαλοϋφασμα
Εποξειδική
Πολυστ. Foam
>>
Κόντρα-πλακέ
>>
>>
Έλασμα αλουμ.
-
Ξύλο μπάλσα
Κόντρα-πλακέ
-
>>
¨Ελασμα αλουμ.
-
>>
Υαλοϋφασμα
-
Κυψελ. αλουμ.
Έλασμα αλουμ.
-
>>
Υαλοϋφασμα
-
Κυψ. χάρ. Kraft
¨Ελασμα αλουμ.
-
>>
Υαλοϋφασμα
-
>>
Χάρτης Kraft
-
Χάρτου Nomex
Υαλοϋφασμα
-

Σύνηθες στρωματοειδές αεροπορικό υλικό είναι το σύνθετο με πυρήνα από λεπτό έλασμα αλουμινίου (π.χ. AL 5056-Η39) με κυψελοειδή διαμόρφωση και επιστρώσεις από έλασμα αλουμινίου.
Αυτός ο τύπος του σύνθετου χρησιμοποιείται για την κατασκευή δαπέδων αεροσκαφών, για την κατασκευή των πτερυγίων του στροφίου ελικοπτέρων, για επικαλύψεις της ατράκτου, τηςπτέρυγας ή του ουραίου πτερώματος, καθώς επίσης για τοπικές ενισχύσεις της επικάλυψης σε θυρίδες ή άλλες περιοχές όπου απαιτείται αυξημένη ακαμψία.
Επίσης, σύνθετα με κυψελοειδή πυρήνα χάρτου Kraft ή άλλου παρόμοιου χάρτου και επίστρωση υαλοϋφάσματος πάχους 0.25 χλσ, χρησιμοποιούνται συχνά στις εσωτερικές επενδύσεις, τοιχώματα και οροφές, των επιβατικών αεροσκαφών.
Η κατασκευή του κυψελοειδή πυρήνα γίνεται με τις ακόλουθες δύο μεθόδους.
α) Με τη μέθοδο της ανάπτυξης, ή του τεντώματος, όπου προθλέπεται η επάλειψη με κόλλα κατά λωρίδεςτων λεπτών μεταλλικών (ή μη μεταλλικών) ελασμάτων, τα οποία κομμένα στις επιθυμητές διαστάσεις τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο ώστε να κολλήσουν κατά μήκος των λωρίδων και κατόπιν αφού κοπούν στο συγκεκριμένο πάχος τεντόνωνται όπως το ακορντεόν, έτσι ώστε να σχηματισθεί ο κυψελοειδής πυρήνας.
Με αυτή τη μέθοδο κατασκευάζονται κυψελοειδείς πυρήνες με ειδικό βάρος από 30 χλγ/μ3 που είναι αρκετά χαμηλή τιμή έως και 190 χλγ/μ3 που είναι σχετικά μέτρια τιμή.
β) Η δεύτερη μέθοδος κατασκευής κυψελοειδή πυρήνα, ονομάζεται μέθοδος της ρυτίδωσης και συνίσταται στη διέλευση του ελάσματος μέσω οδοντοτών κυλίνδρων οι οποίοι του προσδίδουν ρυτιδωτή ή κυματοειδή μορφή, το οποίο αφού κοπεί στο επιθυμητό μήκος τοποθετείται προς κόλληση σε μπλοκ ρυτιδωμένων ελασμάτων απ' όπου αποκτάται ο κυψελοειδής πυρήνας.

Με τη μέθοδο της ρυτίδωσης κατασκευάζονται κυψελοειδείς πυρήνες με ειδικό βάρος από 130 χλγ/μ^3 έως και 880 χλγ/μ^3, εφ' όσον υπάρχει η δυνατότητα ρυτίδωσης μέσω των κυλίνδρων και παχύτερων ελασμάτων.
Έχοντας κατασκευάσει με μία από αυτές τις δύο μεθόδους τον κυψελοειδή πυρήνα, κατόπιν η επικόλληση των επιστρώσεων γίνεται μέσω ειδικού κολλητικού υλικού και συνήθως σε θερμοθαλάμους κενού. Η πυκνότητα του κυψελοειδή πυρήνα καθορίζει την αντοχή του στα διατμητικά φορτία, ενώ η γεωμετρία της κυψέλης προσδιορίζει την κύρια διεύθυνση αντοχής του πυρήνα σε αυτά τα φορτία. Η συνηθέστερη και σχεδόν καθιερωμένη γεωμετρία κυψέλης είναι η εξάγωνη, για μεταλλικούς και μη, κυψελοειδείς πυρήνες.
Η γεωμετρία της κυψέλης επηρεάζει οπωσδήποτε και το συνολικό βάρος του πυρήνα, εφόσον οι επιφάνειες μίας κυψέλης που έρχονται σε επαφή με τις γειτονικές κυψέλες,
δηλαδή οι κοινές πλευρές, καθορίζουν και την ποσότητα της κόλλας που θα απαιτηθεί.
Σε πολλές περιπτώσεις το βάρος της κόλλας φθάνει το 1%-4% του συνολικού Βάρους του πυρήνα κατασκευασμένου με τη μέθοδο της ανάπτυξης καιτο10%-25% για πυρήνα κατασκευασμένο με τη μέθοδο της ρυτίδωσης.
Με τη μέθοδο της ανάπτυξης, όπου το μπλοκ των ελασμάτων συμπιέζεται ώστε να κολλήσουν οι λωρίδες μεταξύ τους, η κόλλα συναντάται στην ελάχιστη δυνατή ποσότητα της. Αντιθέτως στη μέθοδο της ρυτίδωσης όπου δεν είναι δυνατή παρόμοια συμπίεση των ήδη ρυτιδωμένων ελασμάτων, εκεί η κόλλα στις κοινές πλευρές των κυψελών συναντάται σε μεγαλύτερη ποσότητα και πάχος.
Για τις αεροπορικές εφαρμογές, ο πυρήνας καθώς και οι επιστρώσεις είναι από κράματα αλουμινίου, συνήθως AL5056-H39 ή AL2024-T3. Νεώτερο υλικό για κατασκευή πυρήνα, είναι ο εμποτισμένος σε κατάλληλες ρητίνες χάρτης Nomex της εταιρείας Dupont, ο οποίος είναι ακουστός, παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στις τοπικές φορτίσεις και δεν υπόκειται εύκολα σε μόνιμες παραμορφώσεις όπως συμβαίνει με τον πυρήνα αλουμινίου.
Σύνθετα με πυρήνα Nomex χρησιμοποιούνται για τα εσωτερικά τοιχεία και επενδύσεις των επιβατικών αεροσκαφών.
Το ειδικό θάρος του πυρήνα Nomex ποικίλει από 24 χλγ/ μ3 έως 144 χλγ/μ3, το πάχος πλευράςτης κυψέλης από 0,04 χλσ έως 0,13 χλσ και το άνοιγμα (διάμετρος) της κυψέλης από 3,3 χλσ έως 9,5 χλσ.
Με ειδικό βάρος άνω των 70 χλγ/μ3 χρησιμοποιείται για πατώματα αεροσκαφών.

Η επιλογή του πυρήνα, των επιστρώσεων, και της κόλλας είναι τα δύσκολα βήματα στην κατασκευή του σύνθετου εφ' όσον υπάρχει περίπτωση να επιλεγεί πυρήνας αρκετά ελαστικός και επιστρώσεις αρκετά άκαμπτες, ή αντιστρόφως, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει συνεργασία στην κατανομή των φορτίων μεταξύ πυρήνα και επιστρώσεων.
Σε παρόμοιο αποτέλεσμα καταλήγει και η επιλογή της κόλλας που μπορεί να είναι πολύ ελαστική ή πολύ σκληρή και εύθραυστη. Εάν η κόλλα είναι ισχυρότερη από το υλικό του πυρήνα, τότε στην περίπτωση αναγκαστικής αποκόλλησης της επίστρωσης καταστρέφεται τμήμα του πυρήνα.
Εάν η κόλλα είναι πολύ ελαστική, τότε θα επιτρέπει σχετικές κινήσεις μεταξύ πυρήνα και επίστρωσης με αποτέλεσμα μείωση της αντοχής του σύνθετου στην κάμψη.

Στις φορτίσεις σε κάμψη, όπως επί παραδείγματι συμβαίνει στις περιπτώσεις των δαπέδων, τότε η άνω επίστρωση τίθεται σε θλίψη ενώ η κάτω σε εφελκυσμό.
Η επίστρωση υπό θλίψη αντιμετωπίζει το ενδεχόμενο σχηματισμού κυματώσεων, αποκόλλησης από τον πυρήνα και γενικώς φαινόμενα δομικής αστάθειας.
Σε αυτές τις καταστάσεις ο πυρήνας και η κολλητική ύλη λαμβάνουν πρωτεύοντα ρόλο.
Ο κυψελοειδής πυρήνας αλουμινίου χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή επιφανειών ελέγχου και πτερυγίων γενικότερα, όπου ακολουθούνται δύο τρόποι κατασκευής.
α) Με τον πρώτο τρόπο, που είναι κατασκευαστικά ο δυσκολότερος διότι αφορά λεπτά πτερύγια κυρίως μαχητικών αεροσκαφών, το πτερύγιο αποτελεί εξ' ιδίου το σύνθετο στρωματοειδές με πυρήνα που έχει το σχήμα του πτερυγίου και τις αντίστοιχες επιστρώσεις. Η κατασκευή ενός τέτοιου πτερυγίου απαιτεί κατάλληλες συσκευές και πιεστικούς Θερμοθαλάμους, όπου υπό καθορισμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας γίνεται η σύνθεση του σύνθετου πτερυγίου. Κατά παρόμοιο τρόπο κατασκευάζονται τα πτερύγια του στροφείου ελικοπτέρου.
β) Εάν τα πτερύγια ελέγχου έχουν διατομή μεγάλου σχετικού πάχους (μέγιστο σχετικό πάχος = μέγιστο πάχος διατομής προς χορδή διατομής) όπως συνήθως αυτό συμβαίνει στα επιβατικά αεροσκάφη, τότε η επικάλυψη αυτών των πτερυγίων συμφέρει να γίνεται όχι με λεπτά ελάσματα αλουμινίου, αλλά με σύνθετο στρωματοειδές, ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούμενη ακαμψία της επικάλυψης και συγχρόνως να γίνεται εξοικονόμηση Βάρους
.

Με τον τρόπο αυτό το πτερύγιο δεν αποτελεί εξ ιδίου ένα σύνθετο στρωματοειδές, αλλά χρησιμοποιεί "ελάσματα" σύνθετου στρωματοειδούς ως επικάλυψη.
Παρομοίως κατασκευάζονται και τα πτερύγια ανεμογεννητριών μεγάλης διαμέτρου.
Εκτός από τον κυψελοειδή πυρήνα, μπορεί σε συνδυασμό με την κατάλληλη επίστρωση, να χρησιμοποιηθεί ως πυρήνας το ξύλο Μπάλσα, η πολυουρεθάνη, η πολυοτερίνη (όπως το γνωστό Styrofoam της Dow Chemical), ή άλλα παρόμοια μικρής πυκνότητας υλικά.
Στην περίπτωση κατασκευής δοκού με σύνθετο υλικό, όπου η εξοικονόμηση Βάρους είναι ένα από τα Βασικά στοιχεία, θα πρέπει η ανάλυση κατανομής των φορτίων να προσδιορίζει το ύψος του πυρήνα και την κατανομή των επιστρώσεων. Λογικό είναι ότι στη ρίζα της δοκού η επίστρωση θα έχει μεγαλύτερο πάχος, το οποίο αποκτάται με περισσότερες στρώσεις της επίστρωση
ς

4. ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Τα σύνθετα υλικά εκτός από την προσοχή, προγραμματισμό και επιμέλεια που απαιτούν κατά τη σύνθεση τους, έχουν και συγκεκριμένες διαδικασίες για τον τρόπο επισκευής τους οι οποίες πρέπει να ακολουθηθούν, ώστε να αποκατασταθεί η ζημιά και συγκεκριμένα η αντοχή της ζημιωμένης περιοχής.
Ανάλογα με το είδος και έκταση της ζημιάς, εφαρμόζεται και η αντίστοιχη μέθοδος επισκευής.
Δυσκολότερη επισκευή είναι εκείνη που απαιτεί κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.
Ο Βασικός εξοπλισμός για τέτοιου είδους επισκευές περιλαμβάνει, μία αντλία για τη δημιουργία κενού, μία ή περισσότερες βεντούζες αναρρόφησης αναλόγως της επιφάνειας προς επισκευή, ένα σύστημα θέρμανσης που συνήθως είναι λεπτό κάλυμμα με εσωτερική ηλεκτρική αντίσταση, όργανα ελέγχου και ρύθμισης της υποπίεσης και θερμοκρασίας, υφάσματα θερμομόνωσης, διάτρητα νάυλον και απορροφητικά υφάσματα χρήσιμα για την αντιμετώπιση περισσεύματος κόλλας που θα εμφανιστεί με την υποπίεση, κολλητική ταινία για στεγανοποίηση και ίσως άλλα εξαρτήματα που θα χρειαστούν ανάλογα με την περίπτωση επισκευής.
Πάνω από όλα όμως απαιτείται εμπειρία που θα αποκτηθεί μόνο κατόπιν συνεχούς πειραματισμού και εξάσκησης, ειδικά στις επισκευές των σύνθετων υλικών για αεροπορικές εφαρμογές.

5. ΒΑΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ

Σύνθετο Υλικό. Είναι το υλικό που προκύπτει από τη σύνθεση, ή συνεργασία, σε μακροσκοπική κλίμακα, δύο ή περισσοτέρων διαφορετικών υλικών με σκοπό την απόκτηση υψηλών, επιλεγμένων, μηχανικών ιδιοτήτων.
Τα σύνθετα υλικά είναι ανομοιογενή και ανισότροπα.
Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα σύνθετων υλικών είναι, το υαλοΰφασμα εμποτισμένο με εποξειδική ή άλλου είδους ρητίνη, το οπλισμένο σκυρόδεμα (σιδερόβεργες εντός σκυροδέματος), τα ανθρακονήματα εμποτισμένα με ρητίνη, τα στρωματοειδή (σάντουιτς) με πυρήνα μεταλλικό ή άλλο υλικό και επιστρώσεις ανάλογου υλικού, κτλ.

Συνθετικό Υλικό. Ονομάζεται το υλικό που προκύπτει από την χημική - μοριακή - ένωση, δύο ή περισσοτέρων υλικών, με σκοπό την απόκτηση συγκεκριμένων χημικών ή μηχανικών ιδιοτήτων.
Τα συνθετικά υλικά είναι ομοιογενή και ισότροπα.
Παραδείγματα συνθετικών είναι τα συνήθη πλαστικά οικιακής ή άλλης χρήσης, τα ελαστικά, τα συνθετικά λιπαντικά έλαια, κτλ.

Ομοιογενές. Είναι το υλικό που έχει τις αυτές φυσικές ή χημικές ιδιότητες σε οποιοδήποτε σημείο της μάζας του. Σε διαφορετική περίπτωση ονομάζεται "ανομοιογενές".

Ισότροπο. Είναι το υλικό που παρουσιάζει τις αυτές μηχανικές ιδιότητες σε οποιαδήποτε κατεύθυνση.
Τα μέταλλα και τα κράματα αυτών, λαμβάνονται ως ομοιογενή υλικά διότι έχουν την αυτή πυκνότητα (ή ειδικό βάρος), μαγνητίζονται ή όχι, έχουν το ίδιο χρώμα κτλ. σε οποιοδήποτε σημείο της μάζας τους. Είναι επίσης ισότροπα διότι παρουσιάζουν την ίδια αντοχή και συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο, όταν τους εφαρμοστεί φορτίο υπό οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Στρωματοειδές (σάντουιτς). Είναι το σύνθετο υλικό που αποτελείται από πυρήνα του οποίου οι εξωτερικές επιφάνειες επιστρώνονται με υλικό που έχει συνήθως διαφορετικές ιδιότητες από αυτές του πυρήνα.
Οι επιστρώσεις πρέπει να διαθέτουν μεγάλη αντοχή στα φορτία εφελκυσμού ή θλίψης, ενώ ο πυρήνας στα διατμητικά φορτία.

Επίστρωση. Είναι το υλικό που επικολλάται στις επιφάνειες του πυρήνα έτσι ώστε να αποκτηθεί το σύνθετο στρωματοειδές υλικό.

Ρητίνη. Είναι το μέσο, οργανικό, χημικό προϊόν, με το οποίο εμποτίζεται το υαλοΰφασμα ή τα ανθρακονήματα και με την στερεοποίηση του αποκτάται το σύνθετο υλικό.
Συνηθέστεροι τύποι ρητινών είναι οι πολυεστερικές και οι εποξειδικές.


Ορθότροπο. Είναι το υλικό που έχει τις αυτές μηχανικές ιδιότητες κατά διευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους.

Μέτρο ελαστικότητας. Είναι η παράμετρος που χαρακτηρίζει την ικανότητα του υλικού να αντιστέκεται στις εξωτερικές δυνάμεις που τείνουν να το επιμηκύνουν ή να το συμπιέσουν. Όσο μικρότερο είναι το μέτρο ελαστικότητας τόσο περισσότερο ελαστικό είναι το υλικό.

Ύφασμα μονής διεύθυνσης. Είναι το ύφασμα του οποίου όλα τα νήματα είναι παράλληλα μεταξύ των. Η πλέξη επιτυγχάνεται με κλωστές συγκράτησης, αμελητέας σημασίας, που έχουν διεύθυνση κάθετη προς τα νήματα.

Ύφασμα διπλής διεύθυνσης. Είναι το ύφασμα του οποίου τα νήματα είναι διευθετημένα σε δύο διευθύνσεις κάθετες μεταξύ των. Η αντοχή του υφάσματος αυτού, είναι ίδια και κατά τις δύο, κάθετες μεταξύ τους, διευθύνσεις.
Υαλοβάμβακας. Είναι σύνολο από υαλονήματα ή ίνες ύαλου χωρίς ουδεμίας μορφής, πλέξη.
Εμποτιζόμενος με ρητίνη αποκτάται ένα σύνθετο υλικό ιδανικό για επίγειες - κατασκευές.

Προεμποτισμένο ύφασμα. Είναι ύφασμα, ή απλώς νήματα, εμποτισμένο με τη σωστή ποιότητα και ποσότητα ρητίνης, το οποίο διατηρείται σε ξηρό πάγο, όπου η σκλήρυνση της ρητίνης σταματά σε μία προκαθορισμένη φάση.
'Οταν το προεμποτισμένο, εύπλαστο, ύφασμα πρόκειται να χρησιμοποιηθεί, τότε μεταφέρεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες όπου και επέρχεται η πλήρης σύνθεση του σύνθετου υλικού.


Πιεστικός θερμοθάλαμος. Είναι ο κλειστός χώρος (κυλινδρικής μορφής) εντός του οποίου δημιουργούνται συνθήκες πίεσης (θετικής πίεσης ή κενού) και θερμοκρασίας, κατάλληλες για τη σύνθεση του σύνθετου υλικού.

Πυρήνας. Είναι υλικό με μικρό ειδικό βάρος κατάλληλο για τη μεταφορά των διατμητικών τάσεων στο σύνθετο σάντουιτς.

Κυψελοειδής πυρήνας. Είναι υλικό με γεωμετρία παρόμοια της φυσικής κυψέλης των μελισσών, το οποίο χρησιμοποιείται ως πυρήνας στα σύνθετα στρωματοειδή (σάντουιτς).

Επικάλυψη. Είναι το υλικό, σε μορφή ελάσματος, που καλύπτει την κύρια δομή, του αεροσκάφους (άτρακτο, πτέρυγα, ουραίο πτέρωμα, κτλ.) και μέσω αυτού διαμορφώνονται οι αεροδυναμικές επιφάνειες. Το υλικό αυτό μπορεί να είναι έλασμα ξύλου, ύφασμα, έλασμα κράματος αλουμινίου, σύνθετο υλικό υαλοΰφασμα/ρητίνη, σύνθετο σάντουιτς κτλ.

θερμοπλαστικά. Είναι οργανικά υλικά τα οποία έχουν χαμηλό κόστος, μικρό ειδικό θάρος και μεγάλη αντοχή στη θερμοκρασία. Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν τα θερμοπλαστικά με βάση τον πολυεθέρα. Είναι υλικά που έχουν πολύ καλές ιδιότητες αντοχής στη κρούση (είναι κατά 8-10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του γραφίτη/εποξειδική ρητίνη), παρέχουν δυνατότητες οικονομικής παραγωγής, δεν έχουν περιορισμούς στις συνθήκες αποθήκευσης και μακροζωίας, παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση από το νερό και άλλα υγρά και το σπουδαιότερο διατηρούν τις μηχανικές τους ιδιότητες στις υψηλές θερμοκρασίες (διατηρούν το 90% του μέτρου ελαστικότητας των (Ε) στους 150° C.
Προς το παρόν όμως τα σύνθετα υλικά και όχι τα θερμοπλαστικά έχουν το προβάδισμα στις αεροναυπηγικές κατασκευές.

 

Ευχαριστώ πολύ το εξειδικευμένο προσωπικό του τμήματος επισκευής σύνθετων υλικών της ΕΑΒ, και ιδιαιτέρως τους κκ Φίλιππο Αναγνωστόπουλο, Αλέκο Τσεκούρα, Νίκο Συφινό, Κώστα Τριφωνίδη, Σπύρο Τάγια, Κώστα Γεωργίου, Νίκο Πετρόπουλο και Γιάννη Τσιριγώτη για την σημαντική και αξιόλογη συνεργασία και συμπαράσταση τους στη συγγραφή της εργασίας αυτής.

     
Download Airplane Comparisons and other useful materials
 
Αρχική Σελίδα