Обзор преимуществ и недостатков различных методов соединения углеродных волокнистых материалов

Существуют различные методы соединения композитных материалов, и выбор зависит от таких факторов, как характер нагрузки в конкретной зоне соединения. В настоящее время выделяют пять методов соединения углеродно-волокнистых композитов: механическое соединение, клеевое соединение, прошивка, соединение с использованием Z-штифтов и гибридное соединение.

(В настоящее время механическое соединение и клеевое склеивание являются наиболее широко используемыми методами передачи нагрузки в конструкционных соединениях. Стежковое соединение и соединение с использованием Z-штифтов применяются преимущественно в качестве вспомогательных методов для повышения устойчивости соединения к растягивающим напряжениям при отслоении.

Клеевое соединение

Клеевое соединение заключается в скреплении двух или более компонентов с помощью клея. В настоящее время клеевые соединения обычно подразделяют на три категории: совместное отверждение, совместное склеивание и вторичное склеивание. Однако в повседневной речи под термином «клеевое соединение» обычно понимают либо вторичное склеивание, либо совместное склеивание; при этом характеристики предварительно изготовленного соединения, выполненного методом совместного отверждения, значительно превосходят свойства соединения, выполненного методом совместного склеивания.

Клеевые соединения можно условно разделить на два основных типа: соединения в плоскости с нахлёстом и ортогональные соединения. Соединения в плоскости с нахлёстом преимущественно воспринимают растягивающие нагрузки в плоскости, при этом клеевой слой несёт сдвиговые усилия; такие соединения в основном применяются для соединения пластинчатых элементов в конструкциях летательных аппаратов. Ортогональные соединения с нахлёстом преимущественно воспринимают растягивающие нагрузки вне плоскости — обычно их называют выдергивающими нагрузками — и в основном используются для соединения пластинчатых элементов с балками, шпангоутами и стрингерами.

Механические соединения

Механические соединения предполагают использование механических методов — как правило, болтов и заклёпок — для скрепления двух или более компонентов. К числу распространённых механических соединений в конструкциях самолётов относятся болтовые соединения, заклёпочные соединения, глухие крепежные элементы и соединения с использованием заклёпок в кольцевой канавке. В конструкциях из углеродного волокнистого композита механические соединения также могут иметь различные формы. В зависимости от характера восприятия нагрузки крепёжными элементами их можно классифицировать на односрезные и двусрезные; в зависимости от того, применяется ли переходная пластина для облегчения соединения, выделяют нахлёстные и стыковые соединения; при этом каждому типу соединения соответствует определённая конфигурация фасонного соединения.

При выборе типов механических соединений для конструкций из углеродного волоконного композита следует учитывать следующее: однораспорные стыковые соединения подвержены изгибным деформациям, что снижает прочность соединения и эффективность его работы; поэтому в проектах предпочтительны двураспорные соединения. Ввиду наличия изгибных напряжений в асимметричных однораспорных стыковых конструкциях следует применять многорядные крепёжные соединения, при этом расстояние между рядами необходимо увеличивать; кроме того, в многорядных крепёжных соединениях для композитов на основе углеродного волокна и связующего наблюдаются значительные неравномерности распределения нагрузки, поэтому следует избегать конструктивных решений с чрезмерным числом рядов крепежа.

В конструкциях со многими крепёжными элементами для повышения прочности соединений — в особенности усталостной прочности — отверстия под болты по возможности следует располагать параллельно, избегая шахматного расположения; правильно спроектированные фасонные соединения плит разной толщины могут повысить несущую способность соединительной конструкции, тогда как неправильно спроектированные фасонные соединения могут её снизить.

Преимущества и недостатки клеевого соединения

Преимущества:

1. Предотвращает распространение трещин и обеспечивает высокую надёжность с точки зрения отказоустойчивости.

2. Отсутствие снижения прочности, вызванного сверлением отверстий

3. Отсутствие проблем с коррозией; обеспечивает гладкую аэродинамическую поверхность.

4. Превосходные свойства по сопротивлению усталости, гашению вибраций, герметичности и изоляции

5. Не требуются крепёжные элементы; лёгкая конструкция; низкая стоимость производства

Недостатки:

1. Требует специальной предварительной обработки склеиваемых поверхностей; между склеиваемыми деталями необходима высокая точность соосности; для отверждения требуется оборудование для нагрева и создания давления; ремонт затруднён.

2. Склейка создаёт постоянное соединение; после склеивания соединение невозможно разобрать, что затрудняет переработку материалов.

3. Распределение прочности неравномерно, прочность на отрыв низкая, а также трудно соединять толстые конструкции или передавать большие нагрузки.

4. Качество соединения трудно контролировать, что приводит к низкой надёжности.

Преимущества и недостатки механических соединений

Преимущества:

1. Может многократно собираться и разбираться в процессе производства, технического обслуживания и замены.