Огляд переваг і недоліків різних методів з’єднання вуглецевих волокнистих матеріалів

Існують різноманітні методи з’єднання композитних матеріалів, і вибір залежить від таких факторів, як навантажувальні характеристики конкретної зони з’єднання. На сьогодні існує п’ять методів з’єднання композитів з вуглецевих волокон: механічне з’єднання, клейове з’єднання, прошивка, з’єднання Z-штифтами та гібридне з’єднання.

(На сьогодні механічне з’єднання та клейове склеювання є найпоширенішими методами передачі навантаження у конструкційних з’єднаннях. Зшивання та з’єднання Z-шпильками в основному застосовуються як допоміжні методи для підвищення стійкості з’єднання до напружень від відшарування.

Клейове з'єднання

Клеєве з’єднання передбачає з’єднання двох або більше компонентів за допомогою клею. Сьогодні клеєве з’єднання загалом поділяють на три категорії: співвідвердження, співз’єднання та вторинне з’єднання. Однак, коли ми у повсякденному вжитку говоримо про «клеєве з’єднання», ми зазвичай маємо на увазі вторинне з’єднання або співз’єднання; продуктивність попередньо сформованого з’єднання шляхом співвідвердження значно перевершує показники співз’єднання.

Клеєві з’єднання можна умовно поділити на два основні типи: з’єднання в плоскості з нахлестом та ортогональні з’єднання. З’єднання в плоскості з нахлестом переважно протистоять напруженню розтягу у площині, при цьому клеєвий шар сприймає зсувові навантаження; такі з’єднання переважно застосовуються для з’єднання пластинчастих елементів у конструкціях літальних апаратів. Ортогональні з’єднання в основному протистоять напруженню розтягу поза площиною — зазвичай їх називають навантаженнями витягування — і головним чином використовуються для з’єднання пластинчастих елементів з балками, ребрами та стрингерами.

Механічні з'єднання

Механічні з’єднання передбачають використання механічних методів — зокрема болтів та заклепок — для з’єднання двох або більше компонентів. До поширених механічних з’єднань у конструкціях літаків належать болтові з’єднання, заклепкові з’єднання, сліпі кріплення та з’єднання заклепками з кільцевим пазом. У конструкціях із вуглецевих волоконних композитів механічні з’єднання мають різноманітні форми. За характером навантаження, що передається через кріплення, їх поділяють на одношарові й двошарові; за наявністю проміжної пластини, яка полегшує з’єднання, — на з’єднання внахлестку та стикові з’єднання; кожному типу з’єднання відповідає певна конфігурація фаскового стику.

При виборі типів механічних з’єднань для конструкцій із композитів на основі вуглецевих волокон слід враховувати наступне: одношарові стикові з’єднання піддаються згинним деформаціям, що знижує міцність з’єднання та ефективність кріплення; тому у проектуванні переважно застосовують двошарові з’єднання. Унаслідок згинних напружень для асиметричних конструкцій одношарових стикових з’єднань слід використовувати багаторядні з’єднання кріпильними елементами, при цьому необхідно збільшувати відстань між рядами; у багаторядних з’єднаннях кріпильними елементами для композитів на основі смоли з вуглецевими волокнами спостерігається суттєве нерівномірне розподілення навантаження, тому потрібно уникати конструктивних схем із надмірно великим числом рядів кріпильних елементів.

У конструкціях зі з’єднаннями на кількох кріпильних елементах, для підвищення міцності з’єднання — особливо виснажувальної міцності — отвори під болти слід розташовувати паралельно, за можливості, уникнувши зміщеного розташування; правильно спроектовані фасонні з’єднання для пластин різної товщини можуть покращити несучу здатність з’єднання, натомість невдало спроектовані фасонні з’єднання можуть знизити цю здатність.

Переваги та недоліки клейового з'єднання

Переваги:

1. Запобігає поширенню тріщин і забезпечує високий рівень безпеки від поломок

2. Жодного зниження міцності, викликаного свердлінням отворів

3. Відсутність проблем із корозією; створює гладку, аеродинамічну поверхню

4. Відмінна стійкість до втоми, поглинання вібрацій, герметичність та ізоляційні властивості

5. Не потрібні кріплення; легка конструкція; низька вартість виробництва

Недоліки:

1. Вимагає спеціальної попередньої обробки з'єднувальних поверхонь; необхідна висока точність між деталями, що скріплюються; потребує обладнання для нагрівання та створення тиску під час затвердіння; ремонт складний.

2. Зварювання створює постійне з’єднання; після зварювання з’єднання неможливо розібрати, що ускладнює переробку матеріалів.

3. Розподіл міцності нерівномірний, міцність на відшарування низька, а з'єднувати товсті конструкції або передавати великі навантаження важко.

4. Якість з’єднання важко контролювати, що призводить до низької надійності

Переваги та недоліки механічних з'єднань

Переваги:

1. Може бути неодноразово збирано та розбирається під час виробництва, технічного обслуговування та заміни