Справочник по композиционным материалам

САНДВИЧЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Эта глава описывает особую форму композиционных материа­лов, известных под названием структурных сандвичевых (сото­вых) конструкций.

Структура сандвичевых конструкций состоит из следующих элементов (рис. 21.1): двух тонких прочных облицовочных пла­стин — обшивок, толстой легкой сердцевины — заполнителя, раз­деляющего несущие пластины и распределяющие нагрузку между ними, и адгезионных слоев, связывающих пластины с заполните­лем и передающих нагрузку от заполнителя к облицовкам и об­ратно. Сандвичевую конструкцию обычно рассматривают как двутавровую балку, одна из горизонтальных полок пластин кото­рой «работает» на сжатие, а другая — на растяжение. Сотовый заполнитель, связывающий пластины, аналогичен вертикальной полке балки, «работает» на сдвиг и повышает изгибную жесткость структуры, хотя, в противоположность двутавру, основным его назначением является опора для пластин облицовки.

Ниже будут описаны и обобщены свойства различных наиболее часто используемых материалов; приведены алгоритмы конструк­торских расчетов; выделены особенности расчета распре­деления нагрузки в мате­риале; рассмотрены вопросы заделки кромок и соедине­ний, а также приведено большое число таблиц, гра­фиков и схем, необходимых для констру-кторов. В этой главе предпринята также попытка привести прогнозы и наметить перспективы раз­вития производства и при­менения сандвичевых струк­тур, чтобы помочь разра­ботчикам избежать ошибок.

Структурные сандвичевые рис 21.1. Сандвичевая (сотовая) кон- Конструкции были одним из струкцня

Самых первых композиционных материалов, получивших широкое признанней применение. Практически для всех видов гражданских самолетов и вертолетов, а также военных летательных аппаратов и ракет используются сандвичевые конструкции. Эффективность различных сандвичевых конструкций показана на рис. 21.2. Например, для сандвичевых структур различной толщины с алю­миниевыми листами были получены следующие значення (для структуры 1/4-5052 плотностью 37 кг/м3 с облицовкой толщиной 2 мм):

ABB

Жесткость (D), кг-см2/см

Относительное изменение жесткости

Объемная плотность, кг/м3

Относительное изменение плотности

Кроме использования в несущих конструкциях самолетов и ракет сандвичевые конструкции применяются при создании раз­личных транспортных контейнеров, подвижных частей и обшивок самолетов, в отделке интерьеров морских судов, катеров и яхт, для производства деталей автомобилей и при создании различных предметов быта: корпусов телевизоров, лыж и т. д. Сандвичевые конструкции применяются и в домостроении в качестве конструк­ционных отделочных материалов, для дверей, перегородок и мно­гих других деталей.

Впервые сандвичевые конструкции были использованы для облегчения массы несущих нагрузку элементов в 1820 г., но про­мышленное использование этой идеи задержалось приблизительно на 110 лет. Началом такого применения можно считать успехи промышленного производства клеевых соединений в Великобри­тании и США в 30-х годах нашего столетия. Первоначально про­изводство такой продукции было связано с развитием производ­ства фенольных и винилфенольных связующих. Такие материалы, как «Циклевельд», «Пликозит» и «Редукс» надежно оклеивали металл и дерево, обладали высокими прочностными характери­стиками и в значительной мере благодаря им в технологии много­слойных конструкций началась подлинная техническая револю­ция. Большинство дальнейших исследований было выполнено всего за несколько лет. Они включали: развитие новых методов

А б В

Рис. 21.2. Примеры, иллюстрирующие уникальное свойство саидиимевых кон­струкций — существенно увеличивать жесткость материала практически без увеличения массы

Очистки поверхности металлических несущих покрытий; создание материалов с низкой плотностью и большим соотношением проч­ность/жесткость для сотовой структуры заполнителя; изучение В-стадии отверждения для связующих; получение препрегов (стеклотканей и других текстильных материалов, пропитанных заданным количеством связующего, находящимся в стадии 5); получение высокопрочных связующих; создание жестких по­верхностных покрытий. Были разработаны также технологические процессы, использующие низкие температуру отверждения и давление, и изучены звукоизоляционные свойства сандвичевых конструкций.