هسته کامپوزیت یا مواد کامپوزیت به شکل هسته (Core Form Composite)

مقدمه

انحراف یک تیر (Beam) با مواد یکسان تخت نیروی وارده، به هندسه تیر و مدول بستگی دارد؛ این انحراف با توان سوم طول تیر افزایش و با توان سوم ضخامت کاهش می یابد. بنابراین آسانترین راه ساختن یک تیر خیلی سفت (Rigid) این است که آنرا ضخیم تر بسازیم.

اگر ضخامت تیر با توان افزایش یابد. انحراف تیر به نصف می رسد. در جاهایی مثل هواپیما که مسئله وزن بحرانی و با اهمیت است ترجیح داده می شود که از سازه های ساندویچی استفاده شود، یعنی در جاهایی که سطوح خارجی در معرض بالاترین تنش فشاری و کششی قرار دارد مثل پانل های کف هواپیما با سطح کنترل، در چنین شرایطی از مواد بسیار سبک ساندویچی استفاده می شود. برای اینکه چقرمگی به وزن را بهینه کنیم، باید مغز جسم، چگالی پایین داشته باشد. شبکه ای شبیه لانه زنبوری دارای بالاتریننسبت چقرمگی به وزن می باشد.

چقرمگی را به چندین روش که در جدول نشان داده شده است می توان بهینه کرد.

هسته کامپوزیتی عضو مرکزی یک قطعه کامپوزیتی بوده و مابین دو صفحه یا دو ورقه نازک قرار گرفته و یک سازه سبک و سخت ایجاد می کند.

سازه های مرکب که به این شکل ساخته می شوند به سازه های ساندویچی معروف می باشند. این نوع سازه ها در مقابل نیروی فشاری مقاومت کافی از خود نشان می دهند. بعنوان مثال یک تیغه ملخ گردان با پوسته فلزی زمانیکه این ملخ در پرواز تحت تنش قرار می گیرد تمایل به خم شدن دارد. این تنش مداوم باعث خستگی فلز می گردد.

طراحی یک تیر کامپوزیتی لایه ای

یک تیر سخت تاثیر نیروهای خمشی، برشی و پیچشی قرار دارد بنابراین لایه ها باید طوری قرار گیرند که هر یک از نیروهای یاد شده را تحمل نمایند در نتیجه لایه های صفر درجه برای غلبه بر نیروهای خمشی، لایه های ۴۵°± برای تحمل نیروهای برشی و لایه های ۹۰ درجه برای تحمل نیروهای پیچشی بکار می روند.

در حالیکه یک تیغه ملخ کامپوزیتی با مغزی فومی یا مغزی لانه زنبوری طوری در مقابل نیروها مقاومت می کند که از خم شدن پوسته جلوگیری می کند. چونکه هسته بطور یکنواخت در سراسر تیغه سفت و محکم می باشد.

هسته کامپوزیت ها می توانند به شکل فوم یا لانه زنبوری و همچنین چوبی باشند. هسته لانه زنبوری از نسبت مقاومت به وزن بالایی برخوردار است. در حالیکه هسته فومی چنین نیست.

هسته هایی به شکل فوم یا اسفنج

اسفنج ها مواد متخلخلی هستند که در حفره عای آنها حبابهای گاز حبس شده است. انواع گوناگون آنها از سخت تا بسیار نرم موجود است.

اسفنج های نرم در تهیه بالش و تشک بکار می روند در حالیکه اسفنج های سخت مصارف گوناگون صنعتی دارند. بطور کلی اسفنج های سخت سیستم های بسته سلولی (متخلخل) بوده و اسفنج های نرم سیستم های باز می باشند. برای اینکه اسفنج انعطاف پذیر باشد، باید سلول های آن باز باشند. تا هنگام فشردگی هوای داخل آن خارج گردد. اسفنج های مهم و پر مصرف پلی یورتانها و پلی استرن ها می باشند.

فوم هایی متفاوتی بسته به نیاز موجود است. فوم هایی با دانسیته هایی متفاوت و مقاوم در برابر آتش و حرارت ساخته شده است و همچنین فوم هایی برای تعمیر و فوم هایی سازه ای در موقع تعمیر باید از فوم هایی تعمیری از نوع مناسب و دانسیته مناسب استفاده کرد.

مقایسه یک سازه با چهار لایه پارچه فایبرگلاس و یک سازه با چهار لایه فایبرگلاس با هسته دو لایه در سطح روی و دولایه در سطح زیرین هسته که ضخامت دومی چهار برابر اولی است دارای ۳۷ برابر سختی، ۱۰ برابر مقاومت و فقط ۶ درصد نسبت به اولی اضافه وزن دارد.

انواع هسته های بکار رفته در هواپیما

• هسته Styrofoam که برای هواپیماهای کوچک مدام استفاده می شود.
• هسته Urethane که با رزین های اپوکسی یا پلی استر بکار می روند.
• پلی وینیل کلرید (P.V.C) که با هر یک از رزین های پلی استر یا اپوکسی بکار می رود.
• استات سلولز که برای تولید ریب ها (Ribs) و سایر سازه ها بکار میرود.

هسته های چوبی:

چوب بالزا یا چوب های لایه ای که از چوب های سخت ساخته شده باشد بهنوان هسته های مواد مرکب استفاده می شود.

هسته لانه زنبوری:

این نوع هسته ساختاری به شکل طبیعی لانه زنبوری بوده و از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار است. هسته کامپوزیت لانه زنبوری می توان فلز آلومینیوم، الیاف کولار، الیاف کربن، الیاف شیشه، کاغذ، نومکس یا استیل ساخته شود. نومکس نام تجاری دوپون بوده و بطور گسترده بعنوان هسته های مواد مرکب پیشرفته بکار می رود. نومکس یک کاغذ آغشته به ماتریس می باشد. هسته کامپوزیت لانه زنبوری در میان دو لایه پایینی و بالایی که می تواند از مواد کامپوزیت یا فلز باشد قرار گرفته است.

هنگام تعمیر یک هسته کامپوزیت لانه زنبوری صدمه دیده باید از چسب به شکل فوم که به صورت نوار موجود است و یا مخلوط رزین و میکروبالن که خمیری شکل است اسفاده کرد.

چسب فوم هسته کامپوزیت نو قرار گرفته بجای هسته کامپوزیت صدمه دیده را به هسته کامپوزیت مجاور می چسباند و در موقع واکنش چسب فومی منبسط شده و فضای بین دو هسته را پر می کند.

انواع هسته کامپوزیت لانه زنبوری و اشکال ساندویچی در شکل های ۱ و ۲ صفحه زیر آورده شده است.

از میان هسته کامپوزیت مصرف شده هسته هگزاگونال (Hexagonal) و هسته رکتانگولار (Rectangular) بیشترین کاربرد را در صنایع هوافضا دارند.