composite materials in aircraft chaptersix 2 -...
Post on 16-Apr-2018
232 Views
Preview:
TRANSCRIPT
July 20042009 Lecture Side
Lecture by
Suradet TantrairatnInstructor and Researcher
Chapter Six (Part Two)
January 2009
Composite Materials in Aircraft
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Fiber Reinforced Composite
เสนใยเสริมแรงจะชวยเพิ่มความแข็งแรง ความตานทานการลาตัว มอดุลัสยัง และอัตราสวนความแข็งแรงตอน้ําหนักของวัสดุผสมใหสูงขึ้น สมบัติตาง ๆ เหลานี้จะเกิดขึ้นรวมกันระหวางความแข็งแรง ความเหนียวของเสนใยประสานกับความออนเหนียวของแมทริกซ วัสดุที่เปนแมทริกซจะทําหนาที่ในการถายแรงที่กระทําสูเสนใย
เสนใย (Fiber) ประกอบไปดวย
- เสนใยแกว
- เสนใยคารบอนและเสนใยแกรไฟต
- เสนใยอะรามิด ( Aramid ) หรือที่เรียกวา เคฟลาร ( Kevlar )
- เสนใยโบรอน
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Fiber Reinforced Composite
MATERIALS : RESIN
• PRIMARY FUNCTION:
“TO TRANSFER STRESS BETWEEN REINFORCING FIBERS AND TO
PROTECT THEM FROM MECHANICAL AND ENVIRONMENTAL DAMAGE”
• TYPES:
THERMOSET
THERMOPLASTIC©
AIR
BUS
UK
LTD
200
2. A
ll rig
hts
rese
rved
. Con
fiden
tial a
nd p
ropr
ieta
ry d
ocum
ent.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Fiber Reinforced Composite
• THERMOSETTING PLASTIC
POLYESTER
VINYL ESTER
EPOXY
PHENOLIC
POLYURETHANE
• THERMOPLASTIC
ACETAL
ACRYRONITRILE BUTADIENE STYRENE (ABS)
NYLON
POLYETHYLENE (PE)
POLYPROPYLENE (PP)
POLYETHYLENE TEREPHTHALATE (PET)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
POLYESTER
• LOW COST
• EXTREME PROCESSING VERSATILITY
• LONG HISTORY OF PERFORMANCE
• MAJOR USES:
• Transportation
• Construction
• Marine
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
VINYL ESTER
•SIMILAR TO POLYESTER
•EXCELLENT MECHANICAL & FATIGUE PROPERTIES
•EXCELLENT CHEMICAL RESISTANCE
•MAJOR USES:
•Corrosion Applications - Pipes, Tanks, & Ducts
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
EPOXY
•EXCELLENT MECHANICAL PROPERTIES
•GOOD FATIGUE RESISTANCE
•LOW SHRINKAGE
•GOOD HEAT AND CHEMICAL RESISTANCE
•MAJOR USES:
•FRP Strengthening Systems
•FRP Rebars
•FRP Stay-in-Place Forms©
AIR
BUS
UK
LTD
200
2. A
ll rig
hts
rese
rved
. Con
fiden
tial a
nd p
ropr
ieta
ry d
ocum
ent.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
PHENOLICS
•EXCELLENT FIRE RETARDANCE
•LOW SMOKE & TOXICITY EMISSIONS
•HIGH STRENGTH AT HIGH TEMPERATURES
•MAJOR USES:
•Mass Transit - Fire Resistance & High Temperature
•Ducting
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
POLYURETHANE
•TOUGH
•GOOD IMPACT RESISTANCE
•GOOD SURFACE QUALITY
•MAJOR USES:
•Bumper Beams, Automotive Panels
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Physical Properties of Thermosetting Resins Used in Structural Composites
Resin Type
Density(kg/m3)
TensileStr.
(MPa)
Elong.(%)
E-Mod. (GPa)
Long.Termt ,(C)
Polyester 1.2 50-65 2-3 3 120
Vinyl Ester
1.15 70-80 4-6 3.5 140
Epoxy 1.1-1.4 50-90 2-8 3 120-200
Phenolic 1.2 40-50 1-2 3 120-150
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Fiber (Fiber Glass)
เสนใยแกว ผลิตจากทรายซิลิกาที่ผสมสารออกไซดบางชนิดเพื่อลดอุณหภูมิ
หลอมเหลวและความหนืดขณะทรายแกวหลอมเหลว เสนใยแกวแบงออกเปน 4
ชนิด
- ใยแกวชนิด A-กลาส (A-glass) เปนเกรดแอลคาไลสูงที่มีสวนผสมของโซดา-
ไลม-ซิลิกา ใชในงานที่ตองการทนสารเคมี
- ใยแกวชนิด E-กลาส (E-glass) เปนเกรดทางไฟฟา จะมีสวนผสมของอะลูมิ
โน-โบโรซิลิเกต มีสมบัติทางไฟฟาที่ดีและทนทานมากจึงนิยมใชเปนเสนใย
เสรมิแรงมากที่สุด
- ใยแกวชนิด ECR-กลาส (ECR-glass) มักใชในงานที่ตองการสมบัติทาง
ไฟฟาควบคูกับความตานทานทางเคมีไปพรอมกัน©
AIR
BUS
UK
LTD
200
2. A
ll rig
hts
rese
rved
. Con
fiden
tial a
nd p
ropr
ieta
ry d
ocum
ent.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Fiber (Fiber Glass)
- ใยแกวชนิด S-กลาส (S-glass) จะมีสวนผสมของแมกนีเซียมอะลูมิโนซิลิ
เกต ซึ่งจะไมมีโบรอนออกไซดและใชในงานที่ตองการความแข็งแรงที่สูงมาก ๆ
คงสภาพไดที่อุณหภูมิสูง ๆ แตราคาของ S-กลาสจะแพงกวากลุมอื่น
เสนใยแกวนิยมใชในการผลิตเครื่องบินและยานอากาศ หากเปรียบเทียบอายุ
ของความทนทานตอความชื้นแลวเสนใย ECR และ S-กลาสจะดีกวา A-กลา
สมาก เสนใย E-กลาสนิยมใชทําแผงวงจรอิเล็กทรอนิกสมาก ทั้งนี้เพราะสมบัติ
ทางดานไฟฟาของ E-กลาสนั้นดีมาก อีกทั้งยังรักษาขนาดและรูปทรงไดดี
ทนทานตอความชื้น และมีราคาต่ํา
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Summary Table of Fiber Glass
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Carbon Fibers for Reinforced Plastics
วัสดุผสมผลิตจากการใชใยคารบอนไปเสริมแรงใหกับพลาสติกเรซิน (Plastic
Resin) เชน Epoxy เพื่อใหวัสดุนั้นมีคุณสมบัติเฉพาะ คือ ทําใหมีน้ําหนักเบา มี
ความแข็งแรงสูง มีความแข็งตัว ไมโคงงองาย จากสมบัตินี้จึงนิยมนํามาใชกับ
อุตสาหกรรมการบิน แตเนื่องจากราคาของเสนใยคารบอนคอนขางสูง จึงเปน
ขอจํากัดในอุตสาหกรรมยานยนต
เสนใยคารบอนที่ใชผลิตวัสดุผสมนี้ ทํามาจากแหลงที่สําคัญ 2 แหลงคือ
- พอลิอะครีโลไนไทรล (Polyacrylonitrile, PAN)
- ยางมะตอย (pitch)
ซึ่งเปนตัวที่เกิดขึ้นมากอนที่จะเปนเสนใยคารบอนเรียกวา พรีเคอเซอร
(Precursor)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Carbon Fibers for Reinforced Plastics
โดยทั่วไปเสนใยคารบอนผลิตมาจาก PAN-precursor ดวยกระบวนการ 3
ขั้นตอนดวยกันคือ
1. กระบวนการทําใหเสถียร (Stabilization) ขั้นตอนนี้เสนใย PAN จะถูกดึง
ใหยืดตรง โดยใหเสนใยแตละเสนขนานกันกับแกนเสนใย แลวทําใหเกิด
ออกซิเดชันดวยอากาศที่อุณหภูมิประมาณ 200-220 C ทั้งที่ยังดึงอยู
2. กระบวนการทําใหเกิดคารบอน (Carbonization) เปนการผลิตเสนใย
คารบอนที่มีความแข็งแรงสูง กระบวนการนี้ตมาจากกระบวนการแรก โดยเสนใย
PAN ที่เสถียรจะถูกเผาจนกระทั้งกลายเปนเสนใยคารบอนดวยการกําจัด
ออกซิเจน ไฮโดรเจน และไนโตรเจนจากเสนใย PAN จะเผาที่อุณหภูมิ 1000-
1500 C©
AIR
BUS
UK
LTD
200
2. A
ll rig
hts
rese
rved
. Con
fiden
tial a
nd p
ropr
ieta
ry d
ocum
ent.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Carbon Fibers for Reinforced Plastics
3. กระบวนทําใหเปนแกรไฟต (Graphitization) การทําใหเสนใยเปนแกรไฟต
ซึ่งเปนกระบวนการที่ใชสําหรับเพิ่มอีลาสติกมอดูลัสจากการที่มีความแข็งแรง ใน
ระหวางที่มีการเผาที่อุณหภูมิสูงกวา 1800 C เสนใยแตละเสนจะมีการเปลี่ยน
โครงสรางกลายเปนผลึกคลายแกรไฟตเพิ่มขึ้น
เสนใยคารบอนที่ผลิตจากวัสดุ PAN จะได tensile strength อยูประมาณ
450-650 ksi ( 3.10-4.45 GPa) และมีอีลาสติกมอดูลัสอยูในชวงประมาณ 28-
35 Msi (193-248 GPa)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Carbon Fibers for Reinforced Plastics
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Aramid Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic
เสนใยอะรามิด หรือ เคฟลาร เปนเสนใยที่ผลิตจากอะโรเมติกโพลิเอไมดโพลิเมอร
(aromatic polyamide polymer) ซึ่งมีการเพิ่มความแข็งแรงโดยการเสริมวง
แหวนของเบนซิน เขาไปเชื่อมตอสายโซโพลิเมอร ขณะเกิดกระบวนการโพลิเมอไร
เซชัน ลักษณะของสายโซที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะยาวคลายเสนลวด สงผลใหเสนใย
มีความแข็งแรงตามแนวยาวที่สูงมาก
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Aramid Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic
เคฟลารที่นิยมใชมี 3 ชนิด โดยสมบัติทางกล เคฟลาร 29 มีความหนาแนนต่ํา แต
มีความแข็งแรงสูง นิยมใชทําอุปกรณปองกันกระสุนปนและขีปนาวุธ ใชทําเชือก
และสายเคเบิล สวนเคฟลาร 49 มีความหนาแนนต่ํา แตมีความแข็งแรงสูงและ
มอดุลัสสูง นิยมสําหรับผลิตยานอวกาศและเครื่องบิน
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Boron Fiber or Kevlar for Reinforced Plastic
เปนเสนใยที่ใชทําวัสดุผสมเสนใยเสริมแรงที่มีโลหะเปนแมทริกซ วิธีการผลิตเสน
ใยโบรอนจะใชวิธีการที่เรียกวา CVD (chemical vapor deposition) ซึ่งเปน
วิธีการทําใหโบรอนกลายเปนไอแลววิ่งไปเกาะที่ลวดทังสเตน แลวเกิดการตกตระ
กอนขึ้นที่ผิวของลวดทังสเตน การผลิตเสนใย SiC ก็จะอาศัยวิธีการเดียวกัน โดย
เสนใยคารบอนจะถูกไอระเหยของซิลิคอนคารไบดเคลือบที่บริเวณผิว
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Graph Compare Fiber
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Compare specific strength
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
FIBER PROPERTIES DENSITY (g/cm3)
1.38
1.59
1.99
1.99
2.76
8
0 2 4 6 8 10
Aramid
Carbon
S-Glass
E-Glass
Alum
Steel
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
FIBER PROPERTIES TENSILE STRENGTH
500
525
530
625
20
60
0 200 400 600 800
E-Glass
Aramid
Carbon
S-Glass
Steel
Alum
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
FIBER PROPERTIES STRAIN TO FAILURE
1.4
2.8
4.8
5
0.2
0.16
0 1 2 3 4 5 6
Carbon
Aramid
E-Glass
S-Glass
Steel
Alum
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
สมบัติและคุณลักษณะของวัสดุผสมเสนใยเสริมแรง
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํขนานกับเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเครยีดเทากัน (Isostrain)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํขนานกับเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเครยีดเทากัน (Isostrain)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํขนานกับเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเครยีดเทากัน (Isostrain)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํตั้งฉากกบัเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเคนเทากัน (Isostress)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํตั้งฉากกบัเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเคนเทากัน (Isostress)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
แรงกระทาํตั้งฉากกบัเสนใยเสริมแรงในสภาวะความเคนเทากัน (Isostress)
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
ความแข็งแรงของวัสดุผสม
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
ความแข็งแรงของวัสดุผสม
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
ความยาวและความโตของเสนใย
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
ปริมาณของเสนใย และการจดัเรียงตัวของเสนใย
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
อิทธิพลของการจดัเรียงตัวของเสนใยในทิศทางตาง ๆ ที่มีตอความแข็งแรงของวัสดุอิพอกซีเสริมแรงเสนใยแกว
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
การจดัเรยีงตัวของเสนใย
หากเราตองการวัสดุผสมที่มีการรับแรงในหลาย ๆ ทิศทาง เราสามารถกระทํา
ไดโดยการจัดเรียงทิศทางของเสนใยที่มีมุมแตกตางกัน โดยใชเสนใยที่ตอเนื่อง
©AI
RBU
S U
K LT
D 2
002.
All
right
s re
serv
ed. C
onfid
entia
l and
pro
prie
tary
doc
umen
t.
Month 200X2009 Subject Name Aircraft Materials Page 2
Example
top related