Технология изготовления сэндвич панелей: Производство сэндвич панелей: основы технологии

Распределение стоимости компонентов для монолитных спойлеров по сравнению со спойлером типа «сэндвич».

Согласно сделанным соображениям и предположениям обе монолитные конструкции спойлера могут быть изготовлены с меньшими затратами по сравнению со спойлером типа «сэндвич». Монолитный спойлер II кажется более удачным вариантом с привлекательным RC и приемлемым NRC. Риск для этой концепции дизайна заключается в процессе неразрушающего контроля, который окончательно не решен, как описано в разд. IV.D. Его основное преимущество заключается в более простой укладке, сокращении дорогостоящего времени мастерской и меньшем количестве применяемых менее дорогих процессов отверждения.В случае монолитного спойлера I низкие затраты на оборудование способствуют уровню 85% затрат по сравнению со спойлером типа «сэндвич». Следовательно, монолитный спойлер I больше влияет на годовой объем производства, чем монолитный спойлер II.

Сравнивая существующую сэндвич-конструкцию с монолитными вариантами I и II, можно добиться снижения производственных затрат на небольшое двузначное число процентов. Это удивительно, особенно в данных условиях, так как не учитывался инвестиционный фактор, огромный бонус для монолитных версий.

V. Выводы

Представлено изготовление двух разных конструктивных решений авиационных спойлеров, состоящих только из углепластика. Это означает, что сэндвич-дизайн, очень часто используемый для спойлеров, был полностью забыт. Обе концепции основаны на геометрии и конструктивных требованиях существующего многослойного спойлера, который находится в эксплуатации, и поэтому очень хорошо сопоставимы. Цель заключалась в сокращении производственных усилий и производственных затрат, с одной стороны, за счет интеграции отдельных деталей в единый компонент, а с другой — за счет использования альтернативных производственных процессов и систем материалов.

Затраты на производство многослойного спойлера и двух монолитных спойлеров были рассчитаны с использованием программного инструмента FACERoaD, разработанного в FACC. Предполагаемая стоимость производства многослойного спойлера совпадает с известными затратами на производство, демонстрируя лишь небольшое отклонение. Также в случае монолитного спойлера I оценка стоимости может быть подтверждена, поскольку его уровень зрелости высок: имеется рабочий проект и расчет, изготовлены демонстрационные образцы и проведены испытания на статическую нагрузку. В соответствии с этими результатами предполагается, что оценка для монолитного спойлера II также является достаточно точной, чтобы сделать предварительные выводы относительно экономической эффективности, даже если еще нет детального проекта и структурного анализа и пока не изготовлены демонстрационные образцы.

С помощью двух концепций, монолитных спойлеров I и II, было продемонстрировано, что существует потенциал для снижения затрат.

Система сэндвич-панелей из термопласта, подходящая для массового производства

На недавней выставке JEC в Париже компания SMTC представила Dynatech, систему термопластичных панелей, которая была разработана специально для использования в самолетах и ​​высокоскоростных поездах, где требуется легкий вес в сочетании с высокими характеристиками, такими как устойчивость к повреждениям и превосходная огнестойкость, дымообразование и значения токсичности (FST).

Благодаря своей термопластичной природе как готовая к формованию сэндвич-система для массового производства, Dynatech может использоваться для изготовления различных деталей сложной формы в салоне самолетов и поездов, таких как сиденья, багаж, боковые стенки, тележки, кухни, столы и двери. Созданная на основе вспененной на месте панели PEI, она также обеспечивает лучшую тепловую и акустическую изоляцию по сравнению с традиционными сотовыми термореактивными панелями. Приобретя эту инновацию у изобретателя и патентообладателя FITS Technology, SMTC, которая ранее занималась производством сотовых систем на основе алюминия, теперь инвестирует в совершенно новую технологию массового рынка термопластов.

Автоматизированное производство Dynatech гарантирует более высокие стандарты качества и возможности контроля, что высоко ценится OEM-производителями. Благодаря запатентованному методу закрытого ящика, эта система позволяет создать сложную конструкцию закрытия кромки, которая фактически становится самой прочной частью системы. Таким образом, система может обеспечить снижение общей стоимости системы на 20-30%, помимо снижения веса на 20-40%.

Пилотное производство уже запущено, и первые заказчики получили прототипы.Полноценное коммерческое производство будет готово в 2016 году.

www.smtc.fr
www.fits-technology.com

Формованная термопластичная сэндвич-панель Dynatech со вставками (фото: SMTC)

Лазерное формование сэндвич-панелей с наполнителем из металлической пены | Дж.Произв. науч. англ.

За последнее десятилетие лазерное формование эффективно использовалось для гибки различных металлических пенопластов, открывая возможность применения этих уникальных материалов в новых инженерных приложениях. Цель исследования состояла в том, чтобы распространить лазерное формование на гибку сэндвич-панелей, состоящих из металлических лицевых листов, соединенных с сердцевиной из металлической пены. Сэндвич-панели из металлической пены сочетают в себе превосходные амортизирующие свойства и малый вес металлической пены с износостойкостью и прочностью металлических лицевых листов, что делает их востребованными во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобильная промышленность и солнечные электростанции. Чтобы лучше понять поведение сэндвич-панелей из металлической пены при изгибе, а также влияние лазерной формовки на свойства материала, были проанализированы основные механизмы, управляющие деформацией изгиба во время лазерной формовки. Было обнаружено, что хорошо зарекомендовавшие себя механизмы гибки, которые отдельно управляют лазерной формовкой твердого металла и металлической пены, все еще применимы к лазерной формовке сэндвич-панелей. Однако два механизма работают в тандеме, и отдельный механизм отвечает за деформацию твердого лицевого листа и сердцевины из пенопласта.На основании анализа механизма изгиба был сделан вывод о максимально достижимом угле изгиба и общей эффективности процесса лазерной формовки при различных условиях процесса. На протяжении всего анализа экспериментальные результаты дополнялись численным моделированием, полученным с использованием двух моделей конечных элементов, которые следовали различным геометрическим подходам.

уже давно известна своими превосходными свойствами поглощения ударов и шума, а также высоким соотношением прочности и веса [1,2]. Несмотря на свои желательные характеристики, металлическая пена сама по себе обычно не подходит для конструкционных применений, поскольку ее тонкая ячеистая структура может быть легко повреждена и часто затрудняет практическое внедрение. Поэтому во многих случаях желательно заключать металлическую пену в оболочку из твердого металла. Особый интерес представляют так называемые «сэндвич-панели», в которых пластины металлической пены «зажаты» между сплошными металлическими листами. Металлические листы («лицевые листы») не только защищают сердцевину из пенопласта от повреждений, но и значительно улучшают жесткость композита, сохраняя при этом высокое соотношение прочности и веса.

Потенциальные области применения сэндвич-панелей с наполнителем из металлической пены варьируются от различных компонентов автомобилей [3–5] до солнечных электростанций [6] и конструкций поездов/судов [7,8]. Пожалуй, наибольший потенциал для применения существует в аэрокосмической отрасли. В частности, сэндвич-панели могут использоваться в качестве кожухов турбин для фиксации лопастей в случае отказа и снижения шума при сохранении небольшого веса [9]. Сэндвич-панели из металлической пены могут также использоваться в «носовой части» самолетов для поглощения энергии удара при столкновении с птицами [10].В некоторых приложениях они также могут заменить сотовые конструкции, которые часто используются в современных самолетах. В отличие от сотовых структур, которые анизотропны и не могут быть легко изогнуты, металлический пенопласт изотропен и может быть изогнут в форме двойной кривизны [2]. Кроме того, плотность и геометрия, которые могут быть использованы для сотовых конструкций, ограничены, тогда как сэндвич-панели с сердцевиной из металлической пены могут быть изготовлены с различной плотностью, формой ячеек (с использованием пенопласта с открытыми/закрытыми ячейками) и размерами ячеек [11]. .

Проблема, связанная с использованием сэндвич-панелей с сердцевиной из пенометалла в промышленных целях, заключается в том, что они должны изготавливаться в соответствии со специфическими и часто сложными формами. Возможно изготовление сэндвич-панелей непосредственно требуемой формы с использованием процессов порошковой металлургии [11]. Этот процесс включает в себя создание материала-предшественника, состоящего из порошков прессованного металла и пенообразователя, размещение его между твердыми металлическими «лицевыми листами» и изгибание сборки до желаемой формы.После этого сборку перемещают в печь, в которой пенообразователь выделяет газ, превращающий прекурсор в пену. Повышенные температуры вызывают образование металлических связей между пеной и соседними лицевыми листами. Хотя это и возможно, недостатком этого процесса является то, что он требует форм как для первоначального формования, так и для последующего нагрева. Это ограничивает размер детали и делает процесс очень дорогим при небольших объемах производства. Кроме того, структура и плотность полученного пенопластового сердечника часто нерегулярны, поскольку он был изготовлен в неоднородной форме.

Альтернативный метод изготовления инженерных деталей состоит в том, чтобы начать с типовых форм, таких как плоские панели, а затем согнуть их в требуемые формы. Этот метод значительно дешевле и позволяет лучше контролировать свойства металлической пены. В то же время этот метод сложен, так как сэндвич-панели с наполнителем из пенометалла трудно сгибаются. Были предприняты попытки механического изгиба, например трехточечного изгиба [12,13] или штамповки [14], но они вызывали множество различных типов дефектов и отказов.Кроме того, были предприняты попытки трехточечного изгиба при повышенных температурах, однако не наблюдалось никаких улучшений, кроме незначительного отсрочивания возникновения отказов при механическом изгибе при комнатной температуре [15]. Хотя гидроформинг позволял формировать куполообразные детали, он сильно уплотнял сердцевину из металлической пены и, таким образом, снижал благоприятные свойства сэндвич-панели [16].

Жизнеспособной альтернативой вышеупомянутым процессам является лазерная формовка, так как она основана на термически индуцированной механической деформации и не требует физического контакта с обрабатываемым материалом. Этот процесс успешно использовался для гибки различных металлических пенопластов, таких как пенопласты с закрытыми порами [17,18], пенопласты с открытыми порами [19], а также пенопласты с защитным покрытием [20]. Тем не менее, не было предпринято никаких попыток применить лазерную формовку для сэндвич-панелей с сердцевиной из пенометалла. Распространение исследования лазерного формования на сэндвич-панели является сложной задачей, поскольку интерфейсы и взаимодействия между лицевыми листами и пенопластовой сердцевиной имеют решающее значение для материала в целом и должны учитываться.Существование интерфейса значительно усложняет теплообмен и механику, и, следовательно, для понимания этих явлений требуется более сложное численное моделирование. Эти вопросы, наряду с подробным обсуждением механизмов изгиба и применимого окна процесса, исследуются в данном исследовании.

Сэндвич-панели состоят из трех компонентов: сердцевины из пеноматериала (в данном исследовании – металлической пены) и двух сплошных металлических «лицевых листов», которые крепятся с обеих сторон сердцевины из пенопласта. В некоторых исследованиях сэндвич-панелями называют материалы, в которых сердцевина и облицовочные листы являются единой частью. Примерами являются металлические пены, которые образуют защитную оболочку во время процессов порошковой металлургии [11,20]. Однако чаще всего сэндвич-панели состоят из лицевых листов и пенопластовой сердцевины, которые представляют собой отдельные объекты и изначально разделены. Эти сэндвич-панели имеют более прочные лицевые листы, которые лучше защищают сердцевину из пенопласта и повышают жесткость сэндвич-панели. Кроме того, эти сэндвич-панели обеспечивают большую гибкость в отношении состава материалов, поскольку для лицевых панелей и комбинаций вспененного наполнителя могут использоваться различные типы материалов и сплавов.

Для производства этих сэндвич-панелей лицевые панели должны быть прикреплены к основе, что может быть достигнуто различными способами. В этом исследовании использовался типичный метод, в котором использовался прекурсорный блок, состоящий из прессованного порошка алюминия и пенообразователя. Прекурсор помещают между двумя лицевыми листами и нагревают до температуры плавления металлического порошка. Во время нагрева пенообразователь выделяет газ, который создает полости внутри предшественника и образует пену.Чтобы обеспечить однородную толщину сэндвич-панели и возможность образования металлических связей между пеной и лицевыми листами, во время процесса вспенивания ограничивают расширение в направлении толщины панели [11].

I= ∫−s0/2s0/2z2y(z)dz

Рис. 1

Пример сэндвича из металлической пены (пористость 89 %, общая толщина 10  мм, толщина лицевого листа 1 мм), который имеет в 17,4 раза больший момент площади относительно оси y , чем твердое тело с одинаковой площади поперечного сечения (толщина 3,2 мм). Следовательно, сэндвичи из металлической пены имеют более высокую жесткость к деформации изгиба.Поперечные сечения были разделены на квадраты длиной 0,1 мм, моменты площади которых рассчитывались индивидуально и складывались с использованием теоремы о параллельных осях. Оси y- и z относятся к количеству квадратов на направление координат. Общее количество квадратов было одинаковым для твердого тела и сэндвича.

Рис. 1

Пример, показывающий сэндвич из металлической пены (пористость 89%, общая толщина 10 мм, толщина лицевых листов 1 мм), который имеет момент площади в 17,4 раза выше относительно оси y , чем твердое тело с такая же площадь поперечного сечения (толщина 3.2 мм). Следовательно, сэндвичи из металлической пены имеют более высокую жесткость к деформации изгиба. Поперечные сечения были разделены на квадраты длиной 0,1 мм, моменты площади которых рассчитывались индивидуально и складывались с использованием теоремы о параллельных осях. Оси y- и z относятся к количеству квадратов на направление координат. Общее количество квадратов было одинаковым для твердого тела и сэндвича.

, где E — модуль Юнга. Знак указывает на то, что деформация является сжимающей и растягивающей выше и ниже нейтральной оси соответственно. Поскольку радиус кривизны постоянен, величина разрыва напряжения зависит от разницы в модуле Юнга между лицевым листом и пеной, которая легко может достигать 100 раз.На границе раздела эта неоднородность напряжения ощущается как сдвиговое растяжение и может вызвать расслоение [12,13].

Рис. 2

Две различные геометрии были использованы для моделирования ядра пены: ( a ) твердотельная геометрия («эквивалентная модель»), посредством которой были заданы свойства пены, и ( b ) геометрия ячейки Кельвина («модель Кельвина»). »), где каждая полость была аппроксимирована ячейкой Кельвина. Не видны когезивные слои, которые были вставлены между лицевыми панелями и пенопластовым сердечником.

Рис. 2

Две различные геометрии были использованы для моделирования ядра пены: ( a ) сплошная геометрия («эквивалентная модель»), посредством которой были заданы свойства пены, и ( b ) геометрия ячейки Кельвина («Кельвин модель»), где каждая полость была аппроксимирована ячейкой Кельвина. Не видны когезивные слои, которые были вставлены между лицевыми панелями и пенопластовым сердечником.

Наконец, взаимодействие лицевого листа и пены может вызвать дополнительные нежелательные эффекты.Из-за высоких сжимающих напряжений, возникающих при механическом изгибе, лицевой лист может вклиниваться в сердцевину из пенопласта, сжимая пену до доли ее первоначальной толщины [2, 13]. Как следствие, пена теряет большую часть своей локальной сжимаемости и делает сэндвич непригодным для амортизирующих применений.

Лазерное формование твердого листового металла хорошо изучено; несколько механизмов объясняют поведение изгиба при различных условиях процесса [22].Первый механизм изгиба, механизм температурного градиента (TGM), определяет сценарий, в котором толщина листа образца относительно велика по сравнению с размером лазерного пятна. Крутые температурные градиенты возникают по толщине листа, а нагрев сильно локализован под лазерным источником. Как следствие, тепловое расширение нагретого материала ограничивается холодным окружающим материалом, и происходит пластическое сжатие. Пластическое сжатие распространяется по всему лазерному скану, укорачивая верхнюю часть листа по отношению к нижней и в конечном итоге изгибает материал в сторону лазера.Второй механизм, механизм коробления (BM), управляет сценарием, когда лазерное пятно намного больше, чем толщина листа, вызывая равномерный нагрев по толщине. Лист снова пытается расшириться, но ему мешает окружающий материал, и в конечном итоге он изгибается в сторону или в сторону источника лазера. Область изгиба распространяется вдоль лазерного сканирования, и лист в конечном итоге изгибается в направлении, противоположном направлению изгиба. Третий механизм, механизм осадки (UM), управляет тем же сценарием, что и BM, за исключением того, что секция геометрически защищена от коробления и вместо этого подвергается утолщению.

Для металлических пен было показано, что ни один из вышеупомянутых механизмов в точности не применим, и был предложен модифицированный температурно-градиентный механизм (MTGM) [18]. В MTGM, как и в TGM, по толщине развивается крутой температурный градиент, но укорочение при сжатии вблизи верхней поверхности происходит за счет дробления клеток, а не за счет пластических деформаций сжатия.

Для сэндвич-панелей с наполнителем из металлической пены анализ механизма изгиба становится более сложным.Во-первых, необходимо учитывать взаимодействие между лицевыми панелями и металлической пеной. Лицевые листы имеют тенденцию изгибаться с большей скоростью, чем сердцевина из металлической пены, и, таким образом, «сдерживаются», что может привести к возникновению напряжений на границе раздела. Более того, не существует механизма изгиба, который был бы справедлив как для твердого листового металла, так и для пенопласта, и, следовательно, нет механизма, который мог бы объяснить поведение изгиба всей сэндвич-панели. ТГМ и МТГМ, например, не могут регулировать изгиб всей сэндвич-панели, поскольку деформация пенопласта в основном не основана на пластическом сжатии, а лицевой лист соответственно не может подвергаться смятию.BM также не может быть действительным, так как толщина композита слишком велика, чтобы подвергнуться короблению. UM может только частично объяснить деформацию сэндвича для набора условий процесса, как будет показано ниже, но не объясняет, как сердцевина из пенопласта может изгибаться, не подвергаясь разрушению. Получается, что деформацию сэндвич-панелей можно объяснить сочетанием двух механизмов, которые взаимодействуют и порождают новое явление на границе между верхним облицовочным листом и пенопластовым заполнителем.

Для моделирования сэндвич-панелей можно использовать несколько методов. Простейший метод заключается в том, чтобы смоделировать сэндвич как блок, разделить его на три области и присвоить свойства лицевого листа и пены соответствующим областям [23]. Несмотря на исключительную простоту, недостаток этого метода состоит в том, что лицевая панель и сердцевина всегда жестко связаны, а теплообмен между ними предполагается идеальным (бесконечная проводимость).Однако, поскольку лицевой лист и сердцевина из пенопласта не полностью расплавляются во время производства, поверхность раздела содержит микропустоты, и адгезия несовершенна. Следовательно, следует ожидать конечной теплопроводности, которая может быть учтена только в моделях, в которых лицевые листы и сердцевина из пенопласта изначально отделены.

Для изначально отсоединенных моделей требуется метод соединения, для которого также существует несколько альтернатив.Упрощенный метод включает в себя соединение лицевого листа и пенопластовой сердцевины с использованием связей или контактных взаимодействий [13,16]. Оба метода могут моделировать контактные сопротивления, но не допускают расслоения. Когезионные поверхности обладают такими же тепловыми характеристиками, но также допускают расслаивание при превышении заданных параметров повреждения [24]. Тот же результат может быть достигнут путем введения тонкого слоя (например, 10  90 299 μ 90 300 м) на границе раздела, состоящего из когезивных элементов, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что расслоение можно контролировать и визуализировать [25].Несмотря на то, что в текущем исследовании расслаивания не произошло, этот подход был использован для обоих интерфейсов в ожидании будущих исследований, в которых влияние расслоения станет важным.

[tntstt]=[Knn000Kss000Ktt][unusut]

, где индексы n , s , t относятся к нормальному, первому и второму направлениям сдвига соответственно. Жесткость когезионного слоя устанавливается очень высокой, чтобы не влиять на реакцию сэндвича [26].

Для моделирования неидеального теплообмена на границах раздела были заданы зависящие от температуры значения проводимости G(T) . Данные G(T) в настоящее время доступны только для металлов, находящихся в прямом контакте и подвергающихся давлению. Несколько ссылок предполагают экспоненциальное увеличение G с температурой T [27–29].Для сэндвич-панелей проводимость должна быть больше, чем при прямом контакте из-за наличия металлических связей; однако из-за отсутствия доступных справочных данных зависимость G(T) из Ref. [27].

Моделирование лазерной формовки было выполнено несвязанным образом с использованием тепловых результатов в качестве входных данных для механического анализа. Лицевые панели были смоделированы с использованием критерия текучести фон Мизеса, а свойства материалов, зависящие от температуры, были взяты из Ref.[30]. Моделирование было реализовано в программе abaqus для конечных элементов с использованием элементов DC3D20 и C3D20R для термического и механического анализа соответственно. Верхняя и нижняя лицевые панели моделировались тремя и двумя элементами по толщине соответственно.

F=[11+(α/3)2(σe2+α2σm2)]1/2−Y≤0

ε˙ijp=Y˙H∂F∂σij

H=σeσ̂hσ+(1−σeσ̂)hp

, где h _σ и h _p — тангенсные модули при одноосном и гидростатическом сжатии соответственно, а σ̂ — эквивалентное напряжение, равное первому члену уравнения.(5). Предположения этой модели и источники материальных данных подробно обсуждаются в работах. [17] и [18]. Уточнение сетки x и y было таким же, как в Ref. [18], в направлении z сетка была более мелкой по направлению к границам раздела и более крупной по направлению к центру пены. Во втором методе («модель Кельвина») полость пены аппроксимировалась ячейкой Кельвина, показанной на рис. 2(б), и задавались свойства твердого AlSi10. Типы элементов и метод построения сетки были такими же, как в Ref.[18], за исключением того, что использовался размер полости 2 мм, что дает плотность 700 кг/м ³ .

В эквивалентной модели когезионный слой был сцеплен с элементами COh4D8, размер которых составлял половину размера соседних элементов из металлической пены. В модели Кельвина для когезионного слоя использовался тот же размер элемента, что и для соседних элементов из металлической пены. Термические и механические граничные условия были такими же, как и в предыдущих анализах [17,18], и коэффициент поглощения A  = 0.6 [32].

производства Havel Metal Foam Gmbh, состоящие из лицевых листов AW 5005 и сердцевины из металлической пены AlSi10. Толщина сэндвичей составляла 10 мм, а средняя плотность металлической пены была измерена как 700 кг/м ³ . Способ изготовления обсуждался в гл. 2.1. Образцы сэндвичей были вырезаны до длины 100 мм и ширины 35 мм и установлены на теплоизолированном столике, как показано на рис.3. Лазер CO ₂ с длиной волны 10,6  мкм м использовался для сканирования образцов в направлении x . Для улучшения естественно плохого поглощения излучения 10,6  мкм м в алюминии [33] образцы были покрыты черной графитовой краской. Образцы охлаждали до комнатной температуры после каждого лазерного сканирования, после чего измеряли отклонение с помощью циферблатного индикатора.

Рис.3

Экспериментальная установка. Образцы сканировали в направлении x , и между образцом и держателем помещали теплоизолирующий материал. Циферблатный индикатор был удален во время лазерного сканирования.

Рис. 3

Экспериментальная установка. Образцы сканировали в направлении x , и между образцом и держателем помещали теплоизолирующий материал. Циферблатный индикатор был удален во время лазерного сканирования.

При определении условий процесса применялись два разных подхода.В первом подходе вдохновение было получено из исследований лазерного формования многослойных композитов [34], в которых TGM индуцировался в верхнем слое, а остальные участки композита изгибались под действием возникающего изгибающего момента. Во втором подходе была предпринята попытка согнуть всю сэндвич-панель с помощью механизма лазерной формовки, подвергая всю секцию резкому градиенту температуры. Для обоих подходов изгиб был успешным, но механизмы изгиба оказались иными, чем предполагалось, что будет обсуждаться позже.Первый подход дал небольшой размер пятна D  = 4 мм с высокой скоростью сканирования v  = 30 мм/с, тогда как второй подход дал большой размер пятна D  = 12 мм и более низкое сканирование. скорость v  = 10 мм/с. Мощность поддерживали на уровне P  = 800 Вт для поддержания постоянной энергии площади AE =  P/Dv .

Поскольку оба условия процесса вызывают принципиально разные механизмы изгиба, большая часть этого исследования была посвящена сравнению двух условий.Однако окно процесса не ограничивается этими двумя условиями, и лазерное формование также может быть достигнуто с промежуточными размерами лазерного пятна между D  = 4–12 мм и скоростями сканирования между v  = 10–30 мм/с, как будет продемонстрировано в гл. 5.3.

Температура на нижней поверхности сэндвича измерялась с помощью ИК-камеры. ИК-камера была установлена ​​под образцом, а к предметному столику был добавлен алюминиевый экран, чтобы не повредить ИК-камеру.Использовалась максимальная частота кадров 120  Гц, что обеспечивало достаточную детализацию для захвата температурно-временной истории. Пространственное разрешение ИК-камеры составляет примерно 0,1  мм на измеряемом расстоянии, а разрешение по температуре — 0,1 К.

Для изучения механизма изгиба образцы сэндвича и «изолированные» лицевые панели, которые были удалены из сэндвича, были подвергнуты лазерной формовке под углом около 15°.Затем типичное поперечное сечение сэндвич-образцов (рис. 4 (а) и 4 (б)) сравнивали с поперечным сечением изолированных лицевых листов (рис. 4 (в) и 4 (г)). Технологические условия, использованные для ( a ) и ( c ), представляли собой небольшой размер пятна D  = 4 мм со скоростью сканирования v  = 30 мм/с, а для ( b ) и ( d ) большой размер пятна D  = 12 мм со скоростью сканирования v  = 10 мм/с. Мощность и энергия площади были постоянными и составляли P  = 800 Вт и AE = 6.67 Дж/мм ² соответственно.

Рис. 4

Крестовые сечения сэндвич-панелей, отсканированные на ( A ) D = 4 мм и V = 30 мм / с (100 сканов) и ( B ) D = 12 мм и v  = 10 мм/с (24 скана) и поперечное сечение отдельных лицевых листов, отсканированных при ( c ) D  = 4 мм и v  = 30 мм/с (7 сканирований), и (  = 30 мм/с (7 сканирований)29 ) D  = 12 мм и v  = 10 мм/с (6 сканирований).Энергии мощности и площади были P  = 800 Вт и 6,67 Дж/мм ² во всех случаях соответственно, а окончательный угол изгиба составил 15 град. Верхний лицевой лист согнулся через TGM в ( a ) и ( c ), BM в ( d ) и UM в ( b ).

Рис. 4

Крестовые сечения сэндвич-панелей, отсканированные на ( A ) D = 4 мм и V = 30 мм / с (100 сканов) и ( B ) D = 12 мм и v  = 10 мм/с (24 сканирования), и поперечное сечение отдельных лицевых листов, отсканированных при ( c ) D  = 4 мм и v  = 30 мм/с (7 сканирований2), и ( d ) D  = 12 мм и v  = 10 мм/с (6 сканирований). Энергии мощности и площади были P  = 800 Вт и 6,67 Дж/мм ² во всех случаях соответственно, а окончательный угол изгиба составил 15 град. Верхний лицевой лист согнулся через TGM в ( a ) и ( c ), BM в ( d ) и UM в ( b ).

Изгиб изолированных лицевых панелей регулируется хорошо известными механизмами изгиба. При D  = 4 мм на верхней поверхности произошло некоторое утолщение (рис.4(c)), что является установленным следствием изгиба с преобладанием TGM [35]. При D  = 12 мм (рис. 4(г)) было незначительное изменение толщины лицевого листа, а размер пятна был существенно больше толщины лицевого листа, что указывает на то, что БМ является управляющим механизмом [22].

Для сравнения видно, что изгиб сэндвич-панелей управляется разными механизмами, поскольку поперечное сечение выглядит совершенно по-разному в обоих условиях процесса. При D  = 12 мм (рис. 4(b)) верхний лицевой лист больше не изгибался из-за BM, потому что он был защищен от коробления прикрепленной металлической пеной. Вместо этого лицевая панель была утолщена, что свидетельствует о хорошо зарекомендовавшей себя единой системе обмена сообщениями. Распределения температуры по толщине, показанные на рис. 5 при прохождении лазера, подтверждают этот вывод. Как в изолированной конфигурации, так и в сэндвич-конфигурации почти не было температурного градиента на верхней лицевой панели, что говорило в пользу BM и UM для каждой конфигурации соответственно.

Рис. 5

Моделирование распределения температуры в поперечном сечении (плоскость yz) при прохождении лазера как во всем сэндвиче (эквивалентная модель сэндвича), так и в изолированной лицевой панели. При D  = 4 мм и v  = 30 мм/с в верхнем лицевом листе существует крутой температурный градиент, независимо от того, изолирован ли лицевой лист или имеет многослойную конфигурацию, что указывает на то, что TGM всегда является управляющим механизмом. При D  = 12 мм и v  = 10 мм/с практически отсутствует какой-либо градиент над верхней лицевой панелью в обоих сценариях, что указывает на то, что BM и UM преобладают в изолированной и многослойной конфигурациях соответственно.

Рис. 5

Моделирование распределения температуры в поперечном сечении (плоскость yz) при прохождении лазера как во всем сэндвиче (эквивалентная модель сэндвича), так и в изолированной лицевой панели. При D  = 4 мм и v  = 30 мм/с в верхнем лицевом листе существует крутой температурный градиент, независимо от того, изолирован ли лицевой лист или имеет многослойную конфигурацию, что указывает на то, что TGM всегда является управляющим механизмом.При D  = 12 мм и v  = 10 мм/с практически отсутствует какой-либо градиент над верхней лицевой панелью в обоих сценариях, что указывает на то, что BM и UM преобладают в изолированной и многослойной конфигурациях соответственно.

При D  = 4 мм (рис. 4, а) верхний лицевой лист в сэндвич-конфигурации утолщается не только вверх, но и вниз, что нехарактерно для ТГМ и свидетельствует о том, что деформация определяется другим механизмом изгиба.Тем не менее, тепловые результаты на рис. 5 говорят об обратном, поскольку крутой температурный градиент развивался по всему верхнему лицевому листу независимо от того, был ли он изолирован или прикреплен к пенопластовой сердцевине.

Дополнительные доказательства можно получить из экспериментальных и численных результатов на рис. 6, показывающих изменение температуры на нижней поверхности сэндвич-панели на линии сканирования. При D  = 12 мм через сэндвич передается значительное количество тепла.Это косвенно указывает на то, что верхний лицевой лист нагревался равномерно, что опять-таки предполагает, что UM управлял изгибом верхнего лицевого листа. С другой стороны, при D  = 4 мм до нижней поверхности сэндвича доходит мало тепла, что позволяет предположить наличие перепада температуры в верхней лицевой панели, что приводит к ТГМ. Следует отметить, что в эксперименте лазерный экран располагался очень близко к нижней поверхности сэндвича для защиты ИК-камеры. Этот экран поглощал некоторое количество тепла и является причиной несоответствия между экспериментальной и численной пиковой температурой.Кроме того, на верхнем интерфейсе наблюдается значительное падение температуры, что можно объяснить конечной проводимостью интерфейса. Падение температуры было более значительным при D  = 12 мм, чем при D  = 4 мм из-за экспоненциальной температурной зависимости проводимости интерфейса Г(Т) .

Рис. 6

Экспериментальные и расчетные графики изменения температуры на нижней поверхности сэндвич-панели при D  = 4 мм и D  = 12 мм.При D  = 12 мм наблюдается более значительное повышение температуры, что указывает на то, что через верхний лицевой лист передается больше тепла. При D  = 4 мм до нижней поверхности доходит мало тепла, что подразумевает наличие температурного градиента в верхней лицевой панели.

Рис. 6

Экспериментальные и расчетные температурные графики на нижней поверхности сэндвич-панели при D  = 4 мм и D  = 12 мм. При D  = 12 мм наблюдается более значительное повышение температуры, что указывает на то, что через верхний лицевой лист передается больше тепла.При D  = 4 мм до нижней поверхности доходит мало тепла, что подразумевает наличие температурного градиента в верхней лицевой панели.

ρρ0=e−(ε11+ε22+ε33)=e−(εii)

, где ρ ₀ — начальная плотность, ε _ii — компоненты нормальной деформации [14]. Начальная плотность ( ρ = ρ ₀ ) представлена ​​100%. Оба результата предполагают изгиб металлической пены в результате МТГМ [18]. Экспериментальные результаты подтверждают этот вывод, поскольку при малых углах изгиба можно наблюдать некоторое смятие клеток (рис.4(а) и 4(б)), и особенно при больших углах изгиба (см. п. 5.2).

Рис. 7

Распределение плотности после лазерного сканирования на ( A ) D = 4 мм и V = 30 мм / с, а ( B ) D = 12 мм и V = 10 мм/с. Начальная плотность 100%. В обоих условиях пенопластовый сердечник уплотнился, как постулируется MTGM. При D  = 4 мм уплотнение имеет большую величину, но происходит более локально.При D  = 12 мм уплотнение происходит на гораздо большей площади, что позволяет более эффективно деформировать при больших углах изгиба. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

Рис. 70005

Рис. 70005

Распределение плотности после лазерного сканирования на ( A ) D = 4 мм и V = 30 мм / с, а ( B ) D = 12 мм и V  = 10 мм/с. Начальная плотность 100%. В обоих условиях пенопластовый сердечник уплотнился, как постулируется MTGM. При D  = 4 мм уплотнение имеет большую величину, но происходит более локально. При D  = 12 мм уплотнение происходит на гораздо большей площади, что позволяет более эффективно деформировать при больших углах изгиба. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

Таким образом, как верхний лицевой лист, так и сердцевина из пеноматериала активно способствуют деформации изгиба за счет различных механизмов изгиба.Последним компонентом сэндвича, требующим анализа, является нижний лицевой лист. Согласно рис. 5 градиент температуры по нижнему полотну отсутствует, а величина нагрева также мала. Таким образом, нижняя лицевая панель является единственным компонентом сэндвич-панели, не вносящим активного вклада в изгиб. Вместо этого он механически сгибается под действием изгибающего момента, создаваемого сердцевиной из вспененного материала и верхним лицевым листом.

Обсудив механизмы изгиба, становится ясно, почему сэндвич-панели, формованные лазером, не подвержены отказам, упомянутым в гл.2.1. Разрушения сердечника при сдвиге не происходят, потому что деформация пены через MTGM в основном носит сжимающий характер [18]. Точно так же не происходит коробления верхнего лицевого листа, поскольку верхний лицевой лист подвергается укорочению при сжатии посредством TGM. Сморщивание лицевого листа не происходит либо из-за того, что лицевой лист слишком толстый, либо из-за размягчения под воздействием тепла предотвращается разрушение нижнего лицевого листа. В зависимости от метода соединения может произойти отслоение лицевой панели. В этом исследовании был использован очень прочный метод соединения, который не привел к расслаиванию.

Еще одной темой, требующей обсуждения, является утолщение на нижней поверхности верхнего облицовочного листа (рис. 4(а)). За такое поведение могут быть ответственны два механизма. Сначала металлическая пена уплотняется, как показано на рис. 7(a) и 7(b), и связанное с этим уменьшение объема оставляет пустоту в пене, которую необходимо заполнить. Поскольку сцепление между верхним лицевым листом и металлической пеной остается неповрежденным, лицевой лист должен заполнить эту пустоту, что легко может быть выполнено, поскольку он подвержен высоким сжимающим напряжениям, а также размягчается из-за лазерного нагрева.Во-вторых, верхний лицевой лист расширяется вниз прямо при прохождении лазера. На рисунке 8 показано распределение деформации ε ₃₃ в направлении z ( a ) непосредственно перед проходом лазера, ( b ) во время прохождения лазера и ( c ) в конце лазера. сканирование. Непосредственно перед проходом лазера верхний лицевой лист начинает равномерно расширяться. По мере того, как лазер проходит, лицевой лист быстро расширяется как вверх, так и вниз, вызывая деформацию сжатия металлической пены под ним. Тем временем пена подвергается некоторой собственной деформации сжатия через MTGM, тем самым «тяня» лицевой лист вниз и вызывая растягивающую деформацию лицевого листа. Это условие сохраняется до конца лазерного сканирования, как показано на рис. 8(c).

Рис. 8

Вертикальное распределение пластического деформации на Z -Дерекция ( ε ₃₃ ) на линии сканирования на D = 4 мм и V = 30 мм / с ( A ) до прохождения лазера, ( b ) при прохождении лазера и ( c ) после лазерного сканирования.Как только лазер проходит, верхний лицевой лист (три верхних слоя элементов) расширяется вверх и вниз рядом с линией сканирования, сжимая пену под ним. Пена, в свою очередь, уплотняется из-за MTGM и «тянет» лицевой лист вниз, вызывая растягивающие напряжения в верхнем лицевом листе. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

Рис. 80005

Рис. 8

Вертикальное распределение штамма на деформации в Z -Дерекция ( ε ₃₃ ) на линии сканирования на D = 4 мм и V = 30 мм / с ( A ) непосредственно перед прохождением лазера, ( b ) при прохождении лазера и ( c ) после лазерного сканирования.Как только лазер проходит, верхний лицевой лист (три верхних слоя элементов) расширяется вверх и вниз рядом с линией сканирования, сжимая пену под ним. Пена, в свою очередь, уплотняется из-за MTGM и «тянет» лицевой лист вниз, вызывая растягивающие напряжения в верхнем лицевом листе. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

В сек. 5.1 было показано, что маленькие ( D  = 4 мм) и большие ( D  = 12 мм) размеры лазерного пятна индуцируют различные механизмы изгиба верхней лицевой панели. Гибочные механизмы, в свою очередь, существенно влияют как на эффективность изгиба, так и на предел изгиба.

На рис. 9 показано, что углы изгиба, достигнутые при D  = 12 мм, более чем в два раза превышали углы изгиба, достигнутые при D  = 4 мм в течение 8 лазерных сканирований, даже несмотря на то, что энергия площади была постоянной в обоих случаях (AE = 6,67 Дж/мм ² ). Эти результаты ясно показывают, что изгиб значительно эффективнее при больших размерах лазерного пятна.

Рис. 9

Экспериментальные углы изгиба по восьми сканам при D  = 4 мм при v  = 30 мм/с и D  = 12 мм/с при v = мм. Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки. При D  = 12 мм гибка более эффективна, чем при D  = 4 мм.

Рис. 9

Экспериментальные углы изгиба по восьми сканам при D  = 4 мм с v  = 30 мм/с и D  = 12 мм с v Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки. При D  = 12 мм гибка более эффективна, чем при D  = 4 мм.

Чтобы объяснить тенденции, наблюдаемые на рис.9, распределения пластической деформации сжатия в направлении y (⁠ε22p⁠) были проанализированы по поперечному сечению сэндвич-панели. При D  = 4 мм (рис. 10(а)) в центре верхней лицевой панели возникли большие деформации сжатия из-за интенсивного нагрева и больших сил теплового расширения, характерных для ТГМ. Остальные сегменты лицевого листа вносили гораздо меньший вклад в деформацию сжатия, а область пластической деформации в основном локализовалась вблизи линии лазерного сканирования. При D  = 12 мм (рис. 10(б)) пластически деформированная область простиралась дальше от линии лазерного сканирования, а деформации сжатия были более равномерно распределены по всему верхнему облицовочному листу. Следовательно, изгиб был более эффективным при D  = 12 мм, потому что больший сегмент верхнего лицевого листа способствовал укорочению при сжатии.

Рис. 10

Пластичное распределение штамма после лазерного сканирования на ( A ) D = 4 мм с V = 30 мм / с и ( B ) D = 12 мм с V = 10 мм/с.При D  = 4 мм значительное укорочение при сжатии произошло только в небольшом сегменте верхнего лицевого листа (три верхних слоя элементов), в отличие от D  = 12 мм, где весь верхний лицевой лист способствовал укорочению при сжатии и деформациям сжатия. дальше от линии лазерного сканирования. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

Рис. 10

Пластическое распределение штамма после лазерного сканирования на ( A ) D = 4 мм с V = 30 мм / с и ( B ) D = 12 мм с V  = 10 мм/с.При D  = 4 мм значительное укорочение при сжатии произошло только в небольшом сегменте верхнего лицевого листа (три верхних слоя элементов), в отличие от D  = 12 мм, где весь верхний лицевой лист способствовал укорочению при сжатии и деформациям сжатия. дальше от линии лазерного сканирования. Был использован масштабный коэффициент деформации 5. Половина образца показана из-за симметрии.

Кроме того, изгиб был более эффективным при D  = 12 мм, поскольку сердцевина из пеноматериала более эффективно изгибалась с помощью MTGM.В отличие от D  = 4 мм (рис. 10(а)), где пена подвергалась пластическому сжатию только рядом с линией сканирования, область пластического сжатия была намного больше при D  = 12 мм (рис. 10(б). )). Такой же вывод можно сделать из графиков уплотнения на рис. 7(а) и 7(б), а также результаты экспериментов при больших углах изгиба (рис. 11).

Рис. 11

Поперечное сечение сэндвич-образца, изогнутого под углом 65° при D  = 12 мм и v  = 10 мм/с.Верхний лицевой лист значительно утолщается, и на большой площади происходит уплотнение пены. Тем не менее, прочность верхнего облицовочного листа сохраняется, если не увеличивается. Произошло гораздо меньшее уплотнение, чем при механическом изгибе.

Рис. 11

Поперечное сечение сэндвич-образца, изогнутого под углом 65° при D  = 12 мм и v  = 10 мм/с. Верхний лицевой лист значительно утолщается, и на большой площади происходит уплотнение пены. Тем не менее, прочность верхнего облицовочного листа сохраняется, если не увеличивается.Произошло гораздо меньшее уплотнение, чем при механическом изгибе.

Наконец, гибка была более эффективной при D  = 12 мм, потому что нижний лицевой лист достиг более высоких температур во время лазерного сканирования, как показано на рис. 6, и, следовательно, подвергся большему размягчению под воздействием тепла, чем при D  = 4 мм.

Подобно эффективности изгиба, максимально достижимый угол изгиба очень чувствителен к размеру лазерного пятна.При D  = 4 мм максимальный угол изгиба составляет всего ∼15 градусов, как показано на рис. 4(а). Большие углы изгиба могут быть достигнуты исключительно за счет выполнения нескольких параллельных лазерных сканирований. На рис. 12(а), например, выполнялось два сканирования на строку сканирования, и каждая строка сканирования была смещена на 1 мм. С другой стороны, при D  = 12 мм углы изгиба до 65 градусов и выше могут быть достигнуты по одной линии сканирования, как показано на рис. 12(b).

Рис.12

При D  = 4 мм заметные углы изгиба могут быть получены только при выполнении параллельных сканирований, как показано на ( a ), где два сканирования выполнялись на линию сканирования со смещением на 1 мм. При D  = 12 мм большие углы изгиба до 65 градусов и выше могут быть получены по одной строке сканирования, как показано на ( b ).

Рис. 12

При D  = 4 мм заметные углы изгиба могут быть получены только при выполнении параллельных сканирований, как показано на ( a ), где два сканирования выполнялись на линию сканирования со смещением на 1 мм.При D  = 12 мм большие углы изгиба до 65 градусов и выше могут быть получены по одной строке сканирования, как показано на ( b ).

Одной из причин различных ограничивающих характеристик является механизм изгиба, который определяет деформацию верхнего облицовочного листа. При D  = 4 мм верхний лицевой лист прогибается через ТГМ, и на небольшом участке вокруг линии лазерного сканирования происходит значительное утолщение (рис.4(а)). Это утолщение вызывает значительное падение приращения угла изгиба Δα, так как Δα обратно пропорциональна квадрату толщины листа для условий ТГМ [22]. В конце концов лицевой лист становится слишком жестким, и Δα→0 для всего сэндвича. При D  = 12 мм также происходит значительное утолщение, особенно при больших углах изгиба, как показано на Рис. размер лазерного пятна, а тепловое условие для единой системы обмена сообщениями по-прежнему выполняется.

Другой причиной различных ограничивающих характеристик является эффективность уплотнения пены с помощью MTGM. Как упоминалось в гл. 5.1 уплотнение происходит очень локально при D  = 4 мм, в отличие от D  = 12 мм, где уплотняется большой сегмент пены, как видно на рис. 11. Следовательно, пена может неограниченно уплотняться при D  = 12 мм, тогда как он может локально приближаться к затвердеванию при D  = 4 мм, снижая эффективность изгиба [18].

Изучив поведение сэндвич-панелей при больших углах изгиба, можно изучить влияние лазерной формовки на характеристики сэндвича. Первая проблема, которую необходимо рассмотреть, — это утолщение лицевой панели. С одной стороны, утолщенный лицевой лист увеличивает прочность и жесткость сэндвич-панели. И наоборот, утолщенный сегмент подвергается многочисленным циклам быстрого нагрева и охлаждения, что может привести к охрупчиванию материала [36].Однако, поскольку утолщение лицевого листа происходит в большем масштабе, а алюминий менее восприимчив к пагубным эффектам охрупчивания, ожидается, что характеристики верхнего лицевого листа сохранятся, если не улучшатся. Вторая проблема – уплотнение пены. При D  = 4 мм уплотнение напоминает уплотнение, наблюдаемое при лазерном формовании свободностоящей металлической пены [18]. С увеличением числа сканирований уплотнение становится более локальным и, таким образом, минимально влияет на разрушаемость пенопласта.При D  = 12 мм уплотнение широко распространено за счет МТГМ, а также крупномасштабного утолщения верхнего облицовочного листа. Тем не менее, уплотнение намного меньше, чем при механическом изгибе, когда верхний лицевой лист глубоко проникает в сердцевину из пенопласта и может уменьшить его толщину до 75% [12,13].

Окно процесса не ограничивается двумя условиями процесса, которые сравнивались до сих пор, но охватывает весь спектр между ними.Как показано на рис. 13, любой размер лазерного пятна от D  = 4 мм до D  = 12 мм дает успешный результат (при AE = const.). При каждом размере пятна кривая изгиба слегка выравнивалась с увеличением числа лазерных сканирований. При D  = 4 мм и D  = 6 мм кривая изгиба выравнивалась быстрее, поскольку ТГМ, более чувствительная к утолщению облицовочного листа (см. п. 5.2), доминировала в верхнем облицовочном листе. Кроме того, краска стиралась быстрее из-за более высоких температур верхнего лицевого листа.При D  = 10 мм и D  = 12 мм кривые изгиба выровнялись в наименьшей степени, так как в верхнем облицовочном листе преобладал БМ, менее чувствительный к утолщению лицевого листа. Кроме того, температура в верхней лицевой панели была самой низкой и вызывала наименьшее количество испарений краски. Наконец, D  = 8 мм находится где-то посередине и выравнивается только при большом количестве лазерных сканирований.

Рис.13

Экспериментальные углы изгиба по результатам восьми сканирований при размерах пятна от D  = 4 мм до D  = 12 мм. Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки. При малых размерах пятна кривые изгиба выравниваются быстрее из-за повышенного испарения краски и большей чувствительности к утолщению лицевого листа.

Рис.13

Экспериментальные углы изгиба по результатам восьми сканирований при размерах пятна от D  = 4 мм до D  = 12 мм. Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки. При малых размерах пятна кривые изгиба выравниваются быстрее из-за повышенного испарения краски и большей чувствительности к утолщению лицевого листа.

Более полное представление об эффективности изгиба можно получить, сравнив углы изгиба, достигнутые при каждом условии после одного и восьми лазерных сканирований, как показано на рис.14. После одного сканирования наблюдалось отчетливое увеличение угла изгиба с D  = 4 мм до D  = 8 мм, которое стало еще более выраженным после 8 сканирований. Опять же, причина в том, что по мере увеличения размера пятна происходит меньшее испарение краски, а механизм гибки менее чувствителен к утолщению лицевого листа. Кроме того, при D  = 4 мм и D  = 6 мм температуры лицевого листа были очень близки к температурам плавления (см. рис. 5), следовательно, могло произойти локализованное плавление, сбрасывающее часть сжимающих напряжений.На рис. 14 также показано небольшое снижение угла изгиба с D  = 8 мм до D  = 12 мм после одного лазерного сканирования. После восьми сканирований эта тенденция исчезла, а углы изгиба вышли за пределы D  = 8 мм. Первоначальная тенденция связана с тем, что увеличение скорости сканирования при постоянной подводимой энергии сокращает время диффузии тепла, тем самым увеличивая температуры и, следовательно, углы изгиба [37]. Этот эффект сводится на нет после многократного сканирования, поскольку пятна большего размера меньше испаряют краску и менее чувствительны к утолщению лицевой панели.

Рис. 14

Экспериментальные углы изгиба после 1 сканирования и 8 сканирований при размерах пятна от D  = 4 мм до D  = 12 мм. Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки.

Рис. 14

Экспериментальные углы изгиба после 1 сканирования и 8 сканирований при размерах пятна от D  = 4 мм до D  = 12 мм.Мощность и энергия площади постоянны и равны P  = 800 Вт и AE = 6,67 Дж/мм ² соответственно. Углы изгиба усреднены по пяти образцам, показаны стандартные ошибки.

Лазерное формование сэндвич-панелей возможно не только с различными размерами пятна, но также имеется значительная свобода в выборе энергии площади. Как показано на рис. 15, 40-процентное изменение скорости сканирования (и, следовательно, площади энергии) по-прежнему приводило к заметным углам изгиба.Размер пятна и мощность поддерживались на уровне D  = 12 мм и P  = 800 Вт соответственно. Увеличение скорости сканирования привело к падению энергии площади и, следовательно, к уменьшению угла изгиба, тенденция, которая хорошо отражена в моделировании.

Рис. 15

Экспериментальные и числовые значения углов изгиба после однократного сканирования при размере пятна D  = 12 мм и мощности P  = 800 Вт.Результаты экспериментов усреднены по пяти образцам, приведены стандартные ошибки. С увеличением скорости сканирования энергия площади и, следовательно, угол изгиба уменьшаются. Можно использовать значительный диапазон энергий площади.

Рис. 15

Экспериментальные и расчетные углы изгиба после однократного сканирования при размере пятна D  = 12 мм и мощности P  = 800 Вт. Результаты экспериментов усреднены по пяти образцам, стандартные ошибки показано. С увеличением скорости сканирования энергия площади и, следовательно, угол изгиба уменьшаются.Можно использовать значительный диапазон энергий площади.

До сих пор все представленные численные результаты были получены с использованием эквивалентной сэндвич-модели, показанной на рис. 2(а). В этом разделе эквивалентная сэндвич-модель сравнивается с сэндвич-моделью Кельвина, показанной на рис. 2(b), в которой полости сердцевины из пенопласта явно моделируются с использованием геометрии ячеек Кельвина.

С одной стороны, геометрия модели пенопласта кажется менее важной для сэндвич-панелей, чем для отдельно стоящих пенопластов [17], поскольку поглощение лазерного излучения в верхнем лицевом листе одинаково независимо от геометрии пенопласта. Кроме того, распределения температуры во время лазерного сканирования в обеих моделях очень похожи, как показано на рис. 16 для D  = 12 мм, v  = 10 мм/с и P  = 800 Вт.

Рис. 16

Распределение температуры в сэндвич-образце, сканированном при D  = 12 мм и v  = 10 мм/с с использованием ( a ) эквивалентной сэндвич-модели и ( b ) модели сэндвича по Кельвину.Половина образца показана из-за симметрии. Рисунок 16 . Половина образца показана из-за симметрии.

С другой стороны, геометрия сердцевины из пеноматериала оказывает существенное влияние на теплопередачу между лицевыми панелями и сердцевиной из металлической пены.В эквивалентной модели сэндвича нет геометрических ограничений для теплового потока между лицевой панелью и металлической пеной, тогда как тепловой поток в модели сэндвича Кельвина проходит через тонкие стенки ячеек. Это приводит к расхождению градиентов температуры, как показано на рис. 17 (аналогично рис. 5). Из-за геометрического ограничения теплового потока больше тепла «удерживается» в верхней лицевой панели сэндвич-модели Кельвина. Как следствие, верхний лицевой лист нагревается больше, и на интерфейсе возникает больший перепад температуры.Это несоответствие более выражено при D  = 12 мм, чем при D  = 4 мм, поскольку тепло имеет больше времени для рассеивания из-за уменьшенной скорости сканирования [37], что делает свойство интерфейса более важным.

Геометрия сердцевины из пеноматериала также оказывает значительное влияние на механическое взаимодействие между лицевыми панелями и сердцевиной из пеноматериала. В эквивалентной сэндвич-модели верхний лицевой лист утолщается одинаково по всему пути лазерного сканирования (см.8). С другой стороны, в сэндвич-модели Кельвина пенопластовый сердечник имеет высокую жесткость, вызванную геометрией, которая локально ограничивает расширение лицевого листа, явление, которое также наблюдалось в экспериментах. На участках, где под лицевым листом на линии развертки находится полость (рис. 18, а)), лицевой лист может неограниченно расширяться вниз, и в лицевом листе развиваются значительные пластические деформации сжатия. На участках, где клеточная стенка расположена под лицевым листом на линии сканирования (рис. 18(b)), расширение лицевого листа ограничено и развиваются менее пластические деформации сжатия. Это явление происходит преимущественно при D  = 4 мм, потому что расширение лицевого листа сильно локализовано на линии лазерного сканирования. При D  = 12 мм лицевой лист утолщается на большем расстоянии от линии лазерного сканирования, а влияние геометрии сердцевины из пенопласта уменьшается.

Рис. 18

Распределение пластической деформации в модели сэндвича Кельвина после лазерного сканирования при D  = 4 мм при v  = 30 мм/с.Был использован масштабный коэффициент деформации 10. Половина образца показана из-за симметрии. В ( и ) полость расположена под лицевым листом на линии сканирования, и лицевой лист может неограниченно расширяться вниз. В (b ) стенка ячейки расположена под лицевым листом, и расширение лицевого листа вниз ограничено. Рис. 18Был использован масштабный коэффициент деформации 10. Половина образца показана из-за симметрии. В ( и ) полость расположена под лицевым листом на линии сканирования, и лицевой лист может неограниченно расширяться вниз. В (b ) стенка ячейки расположена под лицевым листом, и расширение лицевого листа вниз ограничено.

Благодаря повышенной геометрической точности сэндвич-модель Кельвина обладает повышенной чувствительностью к изменениям условий процесса, как показано на рис.19. В то время как эквивалентная сэндвич-модель предсказала небольшую разницу в угле изгиба между малым размером пятна ( D  = 4 мм) и большим размером пятна ( D  = 12 мм), сэндвич-модель Кельвина предсказала более значительную разницу между два, что более близко согласуется с экспериментальными результатами. Обе модели завышают значения углов изгиба при D  = 4 мм, поскольку ни одна из моделей не учитывает испарение краски и возможные эффекты локального плавления, возникающие при D  = 4 мм.

Рис. 19

Экспериментальные и числовые углы изгиба после одного лазерного сканирования при г = 4 мм и V = 30 мм / с, и D = 12 мм и V = 10 мм / с ( P  = 800 Вт = пост.). Модель Кельвина более чувствительна к изменениям условий процесса благодаря более высокой геометрической точности. Обе модели завышали значения углов изгиба при D  = 4 мм, поскольку они не учитывали испарение краски и локализованное плавление.

Рис. 19

Экспериментальные и числовые углы изгиба после одного лазерного сканирования при г = 4 мм и V = 30 мм / с, и D = 12 мм и V = 10 мм / с ( P  = 800 Вт = пост.). Модель Кельвина более чувствительна к изменениям условий процесса благодаря более высокой геометрической точности. Обе модели завышали значения углов изгиба при D  = 4 мм, поскольку они не учитывали испарение краски и локализованное плавление.

Это исследование показало, что сэндвич-панели с наполнителем из металлической пены можно формовать лазером в широком диапазоне технологических условий. Было показано, что как верхний лицевой лист, так и сердцевина из металлической пены изгибаются посредством механизма лазерной формовки и активно способствуют деформации изгиба. Механизм изгиба верхней лицевой панели зависит от размера лазерного пятна и варьируется от TGM (для малых размеров пятна около D  = 4 мм) до UM ​​(для больших размеров пятна около D  = 12 мм).Сердцевина из металлической пены изгибается с помощью MTGM для пятен любого размера. Также было продемонстрировано, что сэндвич-панели изгибаются более эффективно при больших размерах пятна, чем при малых размерах пятна, поскольку более крупные сегменты верхнего лицевого листа и металлической пены способствуют укорочению при сжатии. Кроме того, было показано, что гораздо большие углы изгиба могут быть достигнуты при больших размерах пятна из-за меньшего влияния утолщения лицевого листа на эффективность механизма изгиба. Наконец, было показано, что сэндвич-модели Кельвина обеспечивают более точное предсказание углов изгиба и взаимодействие лицевого листа и пенопласта, чем эквивалентные сэндвич-модели, благодаря их более высокой геометрической точности.

Из этого исследования стало ясно, что поверхность раздела лицевого листа и пенопласта играет центральную роль в лазерном формовании сэндвич-панелей. Различные типы адгезии могут существенно повлиять на теплопередачу и механику и, следовательно, изменить результат процесса лазерной формовки.

Сэндвич-панели | Научный.Net

Авторы: Виктор Миронов, Михаил Лисицын, Ирина Бойко

Аннотация: В настоящее время все большее внимание уделяется композитным материалам (панелям) сэндвич-структуры, особенно экологически безопасным. Сэндвич-панели представляют собой особый тип композитов, состоящих как минимум из трех слоев: сердцевины и обшивки, приклеенных к каждой стороне. Целью данной работы является исследование возможности использования перфорированных металлических материалов для изготовления сэндвич-панелей различного назначения в гражданском строительстве. Используя перфорированные металлические материалы в сочетании с различными материалами сердцевины или используя перфорированные металлические материалы в качестве материала сердцевины, можно производить широкий ассортимент изделий для строительства, демпфирования или изоляции.В статье предложен пример использования листовых перфорированных металлических материалов для изготовления сэндвич-панелей. Были проведены как модельные, так и экспериментальные исследования (механические испытания) для оценки несущей способности сэндвич-панелей и подтверждения применимости предлагаемых сэндвич-панелей для строительных конструкций. Для анализа полученных структур использовалось программное обеспечение анализа методом конечных элементов (FEA). Результаты моделирования хорошо совпадают с результатами экспериментальных исследований.Таким образом, новые виды сэндвич-панелей и технология их изготовления показывают свою надежность и могут быть рекомендованы для применения в различных отраслях, в частности для изготовления облегченных потолочных панелей с наполнителем из теплоизоляционных материалов.

155

Авторы: Мари Русинова, Милош Калоусек, Йиржи Шланхоф

Аннотация: Пожарная безопасность – важная характеристика здоровой внутренней среды.В случае возникновения пожара внутренняя часть противопожарных отсеков внутри здания подвергается воздействию очень высоких температур и другим явлениям, сопровождающим процесс горения. Все они воздействуют на границы структур отсеков, в том числе и на структуры, находящиеся внутри них. Некоторые конструкции выполняют несущую функцию вместе с противопожарными преградами, некоторые являются только противопожарными преградами. Что касается резкого повышения температуры, то следует учитывать его влияние на противоположную поверхность противопожарной перегородки, в частности, на поведение несущих элементов и их устойчивость.Это актуально на сегодняшний день, так как традиционные строительные материалы уступают место деревянным многослойным конструкциям, которым отдают предпочтение прежде всего по теплоизоляционным свойствам, малому весу, малой толщине и быстроте возведения. В статье используется динамическое моделирование, чтобы проиллюстрировать, как эти современные конструкции реагируют на высокие температуры в определенные промежутки времени, предлагая сравнения с традиционными кирпичными конструкциями.

98

Авторы: Батыр М. Языев, Антон Сергеевич Чепурненко, А.А. Савченко

Аннотация: В статье рассматривается обработка кривых сдвиговой ползучести вспененных полимеров, а также методика расчета трехслойных балок с учетом нелинейной ползучести заполнителя. В качестве закона ползучести используется уравнение Максвелла-Гуревича. Приведен пример расчета трехслойной панели со средним слоем из пенополиуретана.

144

Авторы: Джулио Дзани, Марко Карло Рампини, Маттео Коломбо, Марко ди Приско

Аннотация: Многослойные панели на цементной основе представляют собой перспективное и экономичное решение для кровли современных быстровозводимых зданий.В связи с распространением таких технологий считается необходимым оценивать характеристики конструкции также с учетом сценария пожара. В рамках исследовательского проекта, финансируемого национальными и региональными властями, Политехнический университет Милана координировал широкую экспериментальную кампанию, направленную на оценку механических свойств инновационных композитных элементов (ширина 2,5 м, длина 5 м). В документе представлены результаты полномасштабных испытаний прототипа при высоких температурах, в основном с акцентом на диаграммах температура-время и перемещение-время, а также приведена классификация огнестойкости, совместимая с наблюдаемым режимом отказа.

775

Авторы: А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, А.В. Чугайнова, Е.Н. Шустова

Аннотация: Работа посвящена экспериментально-теоретическому анализу механических свойств сэндвич-панелей из волокнистых полимерных композиционных материалов. Рассмотрены конструкции с трубчатым сердечником. Проведено численное моделирование механического поведения и испытания на растяжение натурных образцов сэндвич-панелей. Также проведен анализ влияния перфорации на механические свойства стеклопластиков и сэндвич-панелей.

1

Авторы: Сержиу Патинья, Фернандо Кунья, Рауль Фангейро, Соэль Рана, Фернандо Прего

Аннотация: В данной статье рассматривается характеристика звукоизоляционных свойств гибридных сэндвич-композитных панелей для применения в модульном домостроении.Эти сэндвич-панели представляют собой устойчивое, легкое и прочное решение, так как в их основе структура натуральных волокон, пропитанных термореактивным полимером. Таким образом, были изготовлены и проанализированы три разных типа гибридных композитных панелей, содержащих полиуретановую сердцевину и слоистую композитную оболочку, с различным составом ламинатов. Композитные ламинаты прототипов были изготовлены методом вакуумной инфузии и состояли из стеклянных и джутовых волокон, пропитанных полиэфирной смолой.Разработанные решения сравнивались с эталоном, составленным из гипсокартонных листов разной толщины и используемых для тепло- и звукоизоляции. Звукоизоляционные характеристики проводились на образцах размером 220×220 мм в звуконепроницаемой акустической камере. Протестированные сэндвич-панели показали многообещающие результаты; однако их общая производительность была ниже по сравнению с производительностью стандартных решений, использованных для сравнения. Тем не менее, конкретные характеристики звукоизоляции, т.е.е. Снижение уровня шума на единицу массы материала для разработанных сэндвич-панелей было значительно выше по сравнению со стандартными материалами, что свидетельствует о большей пригодности этого инновационного решения для облегченного строительства и модульного домостроения.

455

Авторы: Ли Синь Цун, Юй Го Сунь

Резюме: Для того, чтобы решить проблему качества соединения лицевой части и сердцевины сэндвич-структуры, в этой статье была предложена М-образная складчатая сэндвич-структура. Структурные характеристики при прямом (чистом) сдвиге были исследованы для сэндвич-структуры. Для возможных режимов разрушения был представлен FE-анализ прочности многослойной конструкции в условиях сдвиговой нагрузки. Панели с сердцевиной разной толщины были испытаны на различные режимы разрушения и механические свойства. В целом, измеренные разрушающие нагрузки показали хорошее соответствие прогнозам КЭ-анализа. Результаты показали, что режимами разрушения многослойной конструкции с низкой относительной плотностью были коробление при сдвиге и разрушение тонкостенных стержней соответственно.Для сэндвич-структуры с высокой относительной плотностью доминирующим режимом отказа было межфазное отслоение поверхности/сердцевины и инициирующий отказ вдоль концов образцов.

173

Авторы: Р. Сантханакришнан, Дариус Стэнли, Тангавел Сандживираджа, А. Джозеф Стэнли

Аннотация: В последние годы в качестве жизнеспособных инженерных сооружений рассматриваются сэндвич-конструкции. Использование композитных конструкций в аэрокосмических и гражданских конструкциях растет, особенно из-за их чрезвычайно малого веса, что приводит к снижению общего веса, высокой стойкости к изгибу и коррозии в дополнение к более высокой жесткости на поперечный сдвиг.Многие исследователи по всему миру оценивали различные комбинации толщины заполнителя и лицевого листа. В этом исследовании оцениваются аспекты соединения лицевых листов и сердцевины посредством сшивания, а также изучается эффект и эффективность сшивания. В этой статье в основном рассматривается конструкция приспособления, используемого для сшивания сэндвич-панелей, которое помогает сшивать файлы с различными ориентациями, такими как 90 ⁰ , 45 ⁰ , 90 ⁰ /45 ⁰ /90 ⁰ и 90 ^{. 0} /45 ⁰ .Ключевые слова: сэндвич-панели, композиционные материалы, конструкция крепления, сшивные панели, сшитая пенопластовая конструкция.

1055

Аннотация: В работе рассмотрены вопросы численного анализа тонкостенных Z-образных прогонов в покрытиях зданий из сэндвич-панелей.Численный анализ выполнен в программе MSC.NASTRAN. Исследовано влияние сетки элементов на результаты расчетов. Результаты проведенного численного анализа позволили разработать методику определения жесткости соединения прогона с сэндвич-панелями.

1483

Аннотация: В настоящее время в гражданском и промышленном строительстве широко распространены здания на основе облегченных стальных каркасов. В качестве ограждающих конструкций здания может использоваться профнастил или кровельные сэндвич-панели, крепящиеся к тонкостенным холодногнутым прогонам. В данной работе исследуются вопросы численного анализа тонкостенных Z-образных прогонов в покрытиях из сэндвич-панелей. Численный анализ выполнен в программе MSC.NASTRAN. Рассмотрена полномасштабная модель кровли с прогонами и сэндвич-панелями. Численный анализ основан на лабораторных экспериментах. Результаты описанных анализов сравниваются с результатами испытаний.Эти исследования проводятся для изучения поведения кровельной системы, состоящей из Z-образных прогонов и сэндвич-панелей, и для разработки корректной конечно-элементной модели для расчета холодногнутых прогонов, опирающихся на сэндвич-панели.

398

Моделирование процесса формования изогнутых композитных сэндвич-панелей

Композитные сэндвич-панели обладают высокой удельной жесткостью на изгиб, открывая возможности для облегчения конструкции. Однако производство сэндвич-компонентов сложной формы может быть дорогостоящим, поскольку в дополнение к процессам формования оболочек требуются операции механической обработки сердцевины.

В хорошо зарекомендовавших себя крупносерийных изделиях, таких как легкие компоненты грузового пола салона автомобиля, сравнительно недорогой композитный сэндвич изготавливается путем прессования материала сердцевины для придания формы одновременно с обшивкой за одну операцию формования. В то время как процесс формования вызывает локальное коробление или разрушение структуры сердечника, механические характеристики готового компонента оказались достаточными для этого типа применения [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].Типичные комбинации материалов для сэндвич-структур, формованных прессованием, включают композитные покрытия из стекловолокна, обычно изготавливаемые из мата из рубленого волокна с длиной волокна более 25 мм, шестиугольные бумажные сердцевины и пенополиуретановую смолу. Арматура в обшивках пропитана смолой. Поскольку смола расширяется во время отверждения, она частично заполняет открытые ячейки сердцевины (на границе с оболочкой), что способствует развитию прочных связей между сердцевиной и оболочками. Существуют варианты этого процесса с использованием различных типов сердечников и текстильной оболочки из углеродного волокна для более высоких структурных требований.

При изготовлении панелей переменного сечения и сложной кривизны сердечник может подвергаться многоосным режимам деформирования, включая плоскостное растяжение, сжатие и сдвиг, а также сжатие по толщине и внеплоскостной изгиб [8,9,10]. Одновременно армирующие обшивки подвергаются сдвигу в плоскости и изгибу вне плоскости при формировании ткани. Также может иметь место относительное перемещение между сердцевиной и оболочкой во время формования. Типичными проблемами, возникающими в процессе, являются сморщивание обшивки из-за локального коробления волокна, разрыв сердцевины из-за чрезмерных напряжений в плоскости и плохое прилегание многослойной сборки к поверхностям инструмента из-за низкой жесткости по толщине смятого материала. основной.

Применение методов моделирования облегчает оценку осуществимости процесса до его реализации. Однако в настоящее время не существует подхода к моделированию для выявления проблем, связанных с формованием, и оптимизации параметров процесса. Почти все доступные методы моделирования учитывают несущую способность сэндвич-панелей, включая прогнозирование повреждений [11,12,13,14]. Модель потребуется для моделирования процесса формования сэндвичей, чтобы предсказать дефекты, вызванные формованием.В то время как разрушение сотового заполнителя по всей толщине считается видом отказа в проектировании конструкций [15,16,17], это формирующий механизм при изготовлении компонентов. Кроме того, существующие модели конечных элементов (КЭ) разработаны для многослойных конструкций, в которых обшивка соединена с сердцевиной, что необходимо для передачи нагрузки [18,19,20]. Однако процесс формирования зависит от относительного проскальзывания между обшивкой и сердцевиной. Следовательно, адгезия сердцевины к коже здесь не является проблемой.

Полная модель процесса требует интеграции трех одновременных эффектов: формирование армирующих обшивок, многоосная деформация структуры сердечника и эффекты трения (инструмент-армирование и армирование-сердцевина).Высокоточное прогнозное моделирование формирования армирования (драпирования) хорошо развито. Как правило, тканые и неизвитые ткани можно моделировать с использованием неортогональной конститутивной модели, включающей несколько слоев и эффекты трения [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32]. . Многоосное деформационное поведение ядра является сложным, требующим модели материала, которая отражает формообразующие характеристики, возникающие в результате искажения ячеистой структуры и разрушения ядра по всей толщине в результате неупругого выпячивания и складывания клеточных стенок.Структура ядра может быть детально смоделирована в мезомасштабе с использованием элементов оболочки для представления клеточных стенок с соответствующей плотностью сетки для захвата процесса неупругого дробления. Однако этот подход невозможен для моделей в масштабе компонентов, так как потребуется большое количество конечных элементов, что приведет к длительному времени процессора.

В качестве альтернативы можно разработать макромасштабные модели материала сердцевины, основанные на объемных конечных элементах и ​​гомогенизации структуры сердцевины для получения эффективных механических свойств.Это может уменьшить общее количество степеней свободы в модели и свести к минимуму риск численной нестабильности. Недостатком этого подхода является то, что он требует в качестве входных данных многоосных нелинейных свойств материала, которые может быть трудно охарактеризовать экспериментально. Кроме того, взаимодействие между оболочками и сердцевиной является сложным.

Настоящая работа направлена ​​на разработку нелинейной явной конечно-элементной модели процесса формования сэндвич-панелей и ее проверку на основе экспериментальных исследований, включая полномасштабный демонстрационный образец технологии.

Наука и технология композиционных материалов

Послушать эту тему

В таком развитом обществе, как наше, мы все зависим от композитных материалов в некоторых аспектах нашей жизни. Стекловолокно был разработан в конце 1940-х годов и стал первым современным композитом. Он по-прежнему остается самым распространенным, составляя около 65 процентов всех производимых сегодня композитов. Он используется для изготовления корпусов лодок, досок для серфинга, спортивных товаров, облицовки бассейнов, строительных панелей и кузовов автомобилей.Вы вполне можете использовать что-то из стекловолокна, не подозревая об этом.

Что делает материал композитным

Композитные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, обладающих совершенно разными свойствами. Различные материалы работают вместе, чтобы придать композиту уникальные свойства, но внутри композита вы можете легко отличить разные материалы — они не растворяются и не смешиваются друг с другом.

Композиты существуют в природе. Кусок дерева представляет собой композит, состоящий из длинных волокон целлюлозы (очень сложной формы крахмала), скрепленных гораздо более слабым веществом, называемым лигнином. Целлюлоза также содержится в хлопке и льне, но именно связывающая способность лигнина делает кусок древесины намного прочнее пучка хлопковых волокон.

Это не новая идея

Человечество использует композитные материалы тысячи лет. Возьмем, к примеру, глиняные кирпичи.Если вы попытаетесь согнуть лепешку из засохшей грязи, она легко сломается, но будет прочной, если вы попытаетесь раздавить или сжать ее. С другой стороны, кусок соломы обладает большой силой, когда вы пытаетесь его растянуть, но почти не имеет силы, когда вы его смываете. Когда вы смешиваете глину и солому в блоке, свойства двух материалов также объединяются, и вы получаете кирпич, который устойчив как к сжатию, так и к разрыву или изгибу. Говоря более технически, у него есть как хорошие прочность на сжатие и хорошо предел прочности .

Еще одним известным композитом является бетон. Здесь заполнитель (мелкие камни или гравий) связан цементом. Бетон обладает хорошей прочностью при сжатии, и его можно сделать более прочным при растяжении, добавив в композит металлические стержни, проволоку, сетку или тросы (таким образом создавая железобетон).

Композиты были изготовлены из формы углерода, называемой графеном, в сочетании с металлической медью, в результате чего получается материал, в 500 раз прочнее, чем медь сама по себе. Точно так же композит графена и никеля имеет прочность, превышающую прочность никеля более чем в 180 раз.

Что касается стекловолокна, то оно изготовлено из пластик армированный нитями или стеклянными волокнами. Эти нити можно либо связать вместе и сплести в мат, либо иногда нарезать на короткие отрезки, которые произвольно ориентированы в пластиковой матрице.

Больше, чем сила

В настоящее время многие композиты производятся не только для повышения прочности или других механических свойств, но и для других целей. Многие композиты предназначены для того, чтобы быть хорошими проводниками или изоляторами тепла или обладать определенными магнитными свойствами; свойства, которые являются очень специфическими и специализированными, но также очень важными и полезными. Эти композиты используются в огромном количестве электрических устройств, включая транзисторы, солнечные элементы, датчики, детекторы, диоды и лазеры, а также для изготовления антикоррозионных и антистатических покрытий поверхностей.

Композиты, изготовленные из оксидов металлов, также могут обладать особыми электрическими свойствами и используются для производства кремниевых чипов, которые могут быть меньше и более плотно упакованы в компьютер. Это увеличивает объем памяти и скорость компьютера. Оксидные композиты также используются для создания высокотемпературных сверхпроводящих свойств, которые теперь используются в электрических кабелях.

Изготовление композита

Большинство композитов состоят всего из двух материалов.Один материал (матрица или связующее) окружает и связывает вместе группу волокон или фрагментов гораздо более прочного материала (армирования). В случае сырцовых кирпичей две роли выполняют глина и солома; в бетоне цементом и заполнителем; в куске дерева, целлюлозой и лигнином. В стекловолокне армирование обеспечивается тонкими нитями или волокнами стекла, часто вплетенными в своего рода ткань, а матрица представляет собой пластик.

Стеклянные нити в стекловолокне очень прочны при растяжении, но они также хрупкие и ломаются при резком изгибе. Матрица не только удерживает волокна вместе, но и защищает их от повреждений, разделяя любые стресс из их. Матрица достаточно мягкая, чтобы ее можно было формировать с помощью инструментов, и ее можно смягчить подходящими растворителями, чтобы можно было произвести ремонт. Любая деформация листа стеклопластика обязательно растягивает часть стеклянных волокон, а они способны этому противостоять, поэтому даже тонкий лист очень прочен.Он также довольно легкий, что является преимуществом во многих приложениях.

За последние десятилетия было разработано много новых композитов, некоторые из которых обладают очень ценными свойствами. Тщательно выбирая армирование, матрицу и производственный процесс, который объединяет их, инженеры могут адаптировать свойства в соответствии с конкретными требованиями. Они могут, например, сделать композитный лист очень прочным в одном направлении, выровняв таким образом волокна, но более слабым в другом направлении, где прочность не так важна.Они также могут выбрать такие свойства, как устойчивость к теплу, химическим веществам и атмосферным воздействиям, выбрав соответствующий матричный материал.

Выбор материалов для матрицы

В качестве матрицы во многих современных композитах используются термореактивные или термопластичные пластмассы (также называемые смолами). (Использование пластика в матрице объясняет название «армированный пластик», обычно данное композитам). Пластмассы полимеры которые скрепляют арматуру и помогают определить физические свойства конечного продукта.

Термореактивные пластмассы жидкие при приготовлении, но затвердевают и становятся жесткими (т.е. отверждаются) при нагревании. Процесс схватывания необратим, поэтому эти материалы не становятся мягкими при высоких температурах. Эти пластмассы также устойчивы к износу и воздействию химических веществ, что делает их очень прочными даже в экстремальных условиях.

Термопластичные пластмассы, как следует из названия, являются твердыми при низких температурах, но размягчаются при нагревании. Хотя они используются реже, чем термореактивные пластмассы, у них есть некоторые преимущества, такие как более высокая вязкость разрушения, длительный срок хранения сырья, способность к переработке и более чистое и безопасное рабочее место, поскольку для процесса отверждения не требуются органические растворители.

Керамика, углерод и металлы используются в качестве матрицы для некоторых узкоспециализированных целей. Например, керамика используется, когда материал будет подвергаться воздействию высоких температур (например, теплообменники), а углерод используется для продуктов, подверженных трению и износу (например, подшипники и шестерни).

Выбор материалов для армирования

Хотя стекловолокно является наиболее распространенным армирующим материалом, во многих передовых композитах теперь используются тонкие волокна из чистого углерода.Можно использовать два основных типа углерода — графит и углеродные нанотрубки. Оба они представляют собой чистый углерод, но атомы углерода расположены в разных кристаллических конфигурациях. Графит — очень мягкое вещество (используется в «графитовых» карандашах) и состоит из листов атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников. Связи, скрепляющие шестиугольники вместе, очень прочные, но связи, скрепляющие листы шестиугольников, довольно слабые, что и делает графит мягким. Углеродные нанотрубки изготавливаются путем скручивания одного листа графита (известного как графен) в трубку.Получается чрезвычайно прочная конструкция. Также возможно иметь трубки, состоящие из нескольких цилиндров — трубки внутри трубок.

Композиты из углеродного волокна легче и намного прочнее стекловолокна, но и дороже. Из этих двух графитовые волокна дешевле и проще в производстве, чем углеродные нанотрубки. Они используются в конструкциях самолетов и высокоэффективном спортивном оборудовании, таком как клюшки для гольфа, теннисные ракетки и гребные лодки, и все чаще используются вместо металлов для ремонта или замены поврежденных костей.

Нити из бора еще прочнее (и дороже), чем углеродные волокна. Нанотрубки из нитрида бора имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они намного более устойчивы к теплу, чем углеродные волокна. Они также обладают пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что они могут генерировать электричество при воздействии на них физического давления, такого как скручивание или растяжение.

Полимеры также могут использоваться в качестве армирующего материала в композитах. Например, кевлар, изначально разработанный для замены стали в радиальных шинах, но наиболее известный своим использованием в пуленепробиваемых жилетах и ​​шлемах, представляет собой полимерное волокно, обладающее чрезвычайной прочностью и повышающее прочность композита.Применяется в качестве армирования в композитных изделиях, требующих легкой и надежной конструкции (например, конструкционные детали корпуса самолета). Еще более прочным, чем кевлар, является вещество, изготовленное из комбинации графена и углеродных нанотрубок.

Выбор производственного процесса

Для изготовления объекта из композитного материала обычно используется какая-либо форма. Армирующий материал сначала помещается в форму, а затем напыляется или закачивается полужидкий матричный материал для формирования объекта.Можно приложить давление, чтобы вытеснить любые пузырьки воздуха, а затем форму нагреть, чтобы матрица затвердела.

Процесс формования часто выполняется вручную, но автоматическая обработка на машинах становится все более распространенной. Один из этих методов называется пултрузия (термин, образованный от слов «тянуть» и «экструзия»). Этот процесс идеально подходит для изготовления прямых изделий с постоянным поперечным сечением, таких как мостовые балки.

Во многих тонких конструкциях сложной формы, таких как изогнутые панели, композитная структура строится путем наложения листов тканого волокнистого армирования, пропитанного пластиковым матричным материалом, на базовую форму соответствующей формы.Когда панель изготовлена ​​до необходимой толщины, матричный материал отверждается.

Многослойные композиты

Многие новые типы композитов производятся не методом матрицы и армирования, а путем укладки нескольких слоев материала. Структура многих композитов (например, используемых в панелях крыльев и корпусов самолетов) состоит из сот из пластика, зажатых между двумя обшивками из композитного материала, армированного углеродным волокном.

Эти сэндвич-композиты сочетают в себе высокую прочность и особенно жесткость на изгиб с малым весом. Другие методы включают простое наложение нескольких чередующихся слоев различных веществ (например, графена и металла) для получения композита.

Зачем использовать композиты?

Самым большим преимуществом композитных материалов является прочность и жесткость в сочетании с легкостью.Выбирая подходящую комбинацию армирующего и матричного материала, производители могут добиться свойств, точно соответствующих требованиям к конкретной конструкции для конкретной цели.

• Композиты в Австралии

  Австралия, как и все развитые страны, проявляет большой интерес к композитным материалам, которые многие считают «материалами будущего». Основная задача состоит в том, чтобы снизить затраты, чтобы композиты можно было использовать в продуктах и ​​приложениях, которые в настоящее время не оправдывают затрат.В то же время исследователи хотят улучшить характеристики композитов, например, сделать их более устойчивыми к ударам.

  Один из новых методов включает «текстильные композиты». Вместо того, чтобы укладывать армирующие волокна по отдельности, что медленно и дорого, их можно связать или сплести вместе, чтобы сделать своего рода ткань. Это может быть даже трехмерным, а не плоским. Пространства между текстильными волокнами и вокруг них затем заполняются матричным материалом (например, смолой) для изготовления изделия.

  Этот процесс может быть легко выполнен машинами, а не вручную, что делает его быстрее и дешевле. Соединение всех волокон вместе также означает, что композит с меньшей вероятностью будет поврежден при ударе.

  По мере снижения затрат другие варианты использования композитов начинают казаться привлекательными. При изготовлении корпусов и надстроек лодок из композитов используется их устойчивость к коррозии. У минных охотников ВМС Австралии композитный корпус, поскольку магнитный эффект стального корпуса будет мешать обнаружению мин.

  Также в разработке находятся вагоны для поездов, трамваев и других «движителей людей», изготовленных из композитов, а не из стали или алюминия. Здесь привлекательность заключается в легкости композитов, поскольку в этом случае транспортные средства потребляют меньше энергии. По той же причине мы будем видеть все больше и больше композитов в автомобилях в будущем.

Ярким примером является современная авиация, как военная, так и гражданская. Без композитов было бы гораздо менее эффективно. Фактически, потребность этой отрасли в легких и прочных материалах была главной движущей силой разработки композитов.В настоящее время часто можно найти секции крыла и хвостового оперения, пропеллеры и лопасти несущего винта, изготовленные из передовых композитов, а также большую часть внутренней конструкции и фурнитуры. Планеры некоторых небольших самолетов полностью сделаны из композитных материалов, как и крылья, хвостовое оперение и панели корпуса больших коммерческих самолетов.

Размышляя о самолетах, стоит помнить, что композиты менее склонны к полному разрушению под нагрузкой, чем металлы (например, алюминий). Небольшая трещина в куске металла может очень быстро распространиться с очень серьезными последствиями (особенно в случае с самолетом).Волокна в композите блокируют расширение любой небольшой трещины и распределяют напряжение вокруг.

Подходящие композиты также хорошо противостоят нагреву и коррозии. Это делает их идеальными для использования в продуктах, которые подвергаются воздействию экстремальных условий, таких как лодки, оборудование для обработки химикатов и космические корабли. В целом композитные материалы очень прочны.

Еще одним преимуществом композитных материалов является то, что они обеспечивают гибкость дизайна. Композитным материалам можно придавать сложные формы, что очень удобно при производстве чего-то вроде доски для серфинга или корпуса лодки.