蜂巢式玻璃纖維複合材料

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蜂巢式玻璃纖維複合材料

2016-05-19

複合材料定義

廣義的複合材料(Composite Material)係指兩種以上材料結合,形成一種根據兩總以上材料截長補短、產生性能更佳的材料。
製造飛機所使用複合材料則係以高強度纖維強化材 (Reinforcement)和基材(Matrix)固結形成, 除了將強化材固定使其得以發揮強度與剛性外,並其有保護纖維、提供韌度與抗壓強度之功能。
先進複合材料所使用強化材料型式包括纖維粒子(Fiber Particle)或纖維(Fiber), 此外纖維材料其有易撓曲、高強度、高剛性及低密度之特性,因此纖維成為複合材料最普遍使用之強化材,常見高強度纖維包括玻璃纖維(Fiberglass)、石墨(Graphite)纖維、克夫龍 (Keviar)纖維及硼(Boron)纖維等。

蜂巢式結構

合材料應用上,可區分為由多層纖維預浸材料逐一依特定纖維方向疊製膠合而作的積層板構造(Laminate Construction)和由上、下面層及夾層巢心結構所構成之三明治構造(一般稱蜂巢構造)。

飛機上應用

目前航空飛機應用蜂巢式玻璃纖維地方：

鼻輪艙門
主輪艙門
渦輪發動機引擎罩
飛機主機翼後緣崁板結構內
飛機主機翼外側擾流板
飛機主機翼內側擾流板
方向舵結構內側
尾翼升降舵內側結構。

蜂巢式複合材料優點

具有極高強度與剛性重量比(Strength Stiffness/ Weight Ratio)
高抗疲勞(Fatigue)強度特性
複合材料不發生銹蝕腐化(Corrosion)
可做結構承受負載特性配置複合材料疊層,使結構承載效率大為提高
可降低所需零件材料使用量
輕量化飛機結構,進而節省燃油損耗及提高飛機載重量
結構造型變化大時,製造上比較容易

蜂巢式複合材料缺點

材料成本高
純手工製造勞力密集
承壓強度(Bearing Strength)和積層間強度(Inter laminar Strength)較低。
生產過程中機械特性受溫度/濕度影響大。
複合材料結構強度、剛性及其他特性、檢查難度提高
與鋁合金搭配時, 鋁合金結構容易產生異常
當有破損需要修補時花費很長時間
需嚴謹控制製造環境與人為技術

纖維布特性與編織

纖維布複合材料製作與一般布匹相同,係將纖維股以經線方向(Warp Direction) 和緯線方向(Fill Direction)彼此垂直、相互排列編織而成, 其目的除提供部份橫向強度和剛性外,尚可固定經線纖維使其不易分散。

纖維布之編織種類纖維布依編織之鬆緊可分為各種不同編織型式

簡單編織法
四線編織法
五線編織法
八線編織法

預浸型纖維布

預浸型纖維布(PrepregFabric)當纖維布編織完成後,將纖維施以浸膠處理, 先塗覆樹脂,同時並將此樹脂作初步成化(Curing),這種處理方式稱為B一階段(B-Stage)預浸型纖維布,B一階段樹脂材料在室溫中會繼續反應成化,一旦成化固結就無法再使用,因此需將預浸型纖維布儲存於冰箱中以延緩樹脂成化反應速率。

高強度纖維之種類

商用直升機常使用纖維強化複合材

玻璃纖維
黃色之克夫龍纖維
黑色之石墨纖維或碳纖維
混合結構

蜂巢巢心材料

蜂巢密度之特性如果構成蜂巢之材料相同時,蜂巢的強度取決於密度,高密度巢心其蜂巢壁較厚故強度較高,反之低密度蜂巢巢心其強度較低, 蜂巢巢心修補更換時,必需選擇與原設計相同材質且密度相同之巢心替代,若無相同密度則可由較高密度巢心取代。

蜂巢夾心依材料可區分為金屬與非金屬兩大類, 依其構造又可區分為巢心構造(Honeycomb Core) 和實體夾心(Solid Core)

蜂巢依型分類

六角型蜂巢(Hexagonal Cell):此造型蜂巢結構最強,然彈性、彎曲度較差,適合作為平面結構之蜂巢件。
四角型蜂巢(Rectangular或Overexpanded Cell):此型蜂巢結構較弱,但彈性和彎曲度較佳,可作為曲面結構之蜂巢件。
鈴型蜂巢(Flexible ExpandedCell):此種蜂巢斷面呈現鈴型(Bell)可作三度空間之彎曲,主要用於雷達罩、鼻錐罩等曲率特大之曲面結構之蜂巢件。

高分子基材分析

熱塑性基材不產生化學反應,溫度達600°F~700°F 即融化,可製作所需工件,待基材冷卻後即變得非常強韌、堅硬,如果欲改變工件形狀,則可將溫度昇高使基材軟化重新加工,因此熱塑型樹脂為一可重複使用材料,熱塑性複合材料並不適合作為結構性構件,特別是高溫區域,因此一般航空器之複合材料並不使用熱塑性基材。
熱固性基材成化實為一種化學反應,待基材成化固結後就無法以加熱方式使其軟化,因此為一種不可重複使用材料,熱固性樹脂之機械、物理特性極佳,抗環境及化學性良好、因此為現代商用客機先進複合材料所普遍使用之基材,其中環氧樹脂 (Epoxy)則為最常作為熱固性基材之材料。