| Тип заполнителя | Плотность, кг/м³ | Прочность на сжатие, МПа | Модуль сдвига, МПа | Рабочий диапазон температур, °C |
|---|---|---|---|---|
| Алюминиевые соты | 30-200 | 0,5-10 | 150-500 | от -60 до +180 |
| Арамидные соты | 29-128 | 2-5 | 80-250 | от -80 до +200 |
| Полипропиленовые соты | 60-100 | 0,8-3 | 50-120 | от -40 до +100 |
| Пенополистирол (EPS) | 15-35 | 0,15-0,4 | 4-10 | от -50 до +75 |
| Пенополиуретан (PUR) | 40-60 | 0,2-0,5 | 8-15 | от -60 до +110 |
| Пена ПВХ | 50-200 | 0,8-4 | 20-80 | от -40 до +70 |
| Бальза (торцевой срез) | 130-180 | 5-12 | 100-200 | от -60 до +120 |
| Критерий | Сотовые заполнители | Пенопласты | Бальза |
|---|---|---|---|
| Изгибная жёсткость панели | Максимальная (особенно алюминий) | Средняя (зависит от плотности) | Высокая |
| Удельная прочность | Очень высокая | Средняя | Высокая |
| Сопротивление сдвигу | Отличное (при правильном склеивании) | Хорошее | Отличное (благодаря пористой структуре) |
| Технологичность обработки | Требует аккуратности, риск повреждения кромок | Простая резка и формовка | Простая обработка, режется как пенопласт |
| Теплоизоляция | Ограниченная | Отличная | Хорошая |
| Влагопоглощение | Минимальное (алюминий, арамид) | Низкое (EPS, PUR до 2% за 24 ч) | Требует защиты (волокна впитывают воду) |
| Применение в судостроении | Высокоскоростные катера, гоночные яхты | Крупногабаритные корпуса, надстройки | Традиционное судостроение, корпуса яхт |
| Применение в авиации | Силовые элементы фюзеляжа, крыла | Ограниченное (интерьер, неответственные панели) | Исторически применялась (самолёты 1940-х гг.) |
| Область применения | Рекомендуемый заполнитель | Обоснование |
|---|---|---|
| Аэрокосмические конструкции (силовые элементы) | Алюминиевые соты (плотность 100-200 кг/м³) | Максимальная удельная прочность, высокая изгибная жёсткость, проверенная технология |
| Интерьер самолётов и вертолётов | Арамидные соты (Nomex) | Огнестойкость, радиопрозрачность, малый вес, усталостная прочность |
| Корпуса катеров и яхт | Бальза (торцевой срез) или ПВХ пена | Отличное сопротивление сдвигу, надёжное склеивание со стеклопластиком, водостойкость (ПВХ) |
| Палубы и надстройки судов | Бальза или пенополиуретан | Сочетание прочности и теплоизоляции, стойкость в морской среде (при правильной изоляции) |
| Кузова рефрижераторов | Пенополиуретан (PUR) | Низкая теплопроводность, хорошая прочность, технологичность при крупносерийном производстве |
| Строительные панели (фасады, кровли) | Пенополистирол (EPS) или минеральная вата | Экономичность, теплоизоляция, огнестойкость (минвата), простота монтажа |
| Спортивный инвентарь (вёсла, сёрфборды) | Пена ПВХ или полипропиленовые соты | Оптимальное соотношение массы и жёсткости, влагостойкость, ударопрочность |
| Автомобильные панели (фургоны, прицепы) | Полипропиленовые соты или XPS пена | Прочность при небольшом весе, стойкость к вибрациям, технологичность |
Конструкция композитных сэндвич-панелей
Композитная сэндвич-панель представляет трёхслойную структуру, где две тонкие несущие обшивки из армированного волокном полимера разделены лёгким заполнителем. Внешние слои воспринимают растягивающие и сжимающие напряжения при изгибе панели, в то время как центральный заполнитель обеспечивает необходимое расстояние между обшивками и передаёт поперечные сдвиговые нагрузки. Принцип работы конструкции основан на том, что изгибная жёсткость пропорциональна кубу толщины, поэтому даже при незначительном увеличении расстояния между обшивками достигается существенный прирост жёсткости при минимальном увеличении массы.
Адгезионные слои играют критическую роль в работе сэндвич-конструкции, обеспечивая передачу нагрузок между обшивками и заполнителем. Эпоксидные и полиуретановые клеевые композиции наносятся на торцы сотового заполнителя или на поверхность пенопластов, после чего происходит совместное отверждение при температуре от комнатной до 180°C в зависимости от применяемой связующей системы. Качество клеевого соединения напрямую определяет работоспособность панели под нагрузкой и её долговечность в условиях эксплуатации.
Для алюминиевых сотовых заполнителей критична площадь контакта с обшивкой, составляющая лишь несколько процентов от общей площади панели. Это предъявляет повышенные требования к прочности адгезива и качеству поверхностной обработки фольги.
Сотовые заполнители в композитных структурах
Алюминиевые сотовые заполнители
Алюминиевые соты изготавливаются из фольги сплавов 5052 и 5056 толщиной от 30 до 150 мкм методом склеивания и последующего растяжения или через стадию гофрирования. Шестиугольная геометрия ячеек обеспечивает оптимальное распределение материала в пространстве, создавая структуру с максимальной жёсткостью при минимальной массе. Типичные размеры ячеек составляют 3,2, 4,8, 6,4 и 9,6 мм по грани шестигранника, при этом меньший размер ячейки обеспечивает большую прочность на сжатие и сдвиг.
Плотность алюминиевых сотовых заполнителей варьируется от 30 до 200 кг/м³, что позволяет подбирать оптимальную конфигурацию для конкретного применения. Для малонагруженных интерьерных панелей достаточна плотность 30-50 кг/м³, полы кабин экипажа требуют 80-120 кг/м³, а силовые элементы конструкции выполняются с плотностью 150-200 кг/м³. Модуль сдвига алюминиевых сот достигает 500 МПа при плотности 190 кг/м³, что обеспечивает высокую устойчивость панели к локальным нагрузкам.
Арамидные сотовые заполнители
Арамидные соты производятся из бумаги на основе волокон Kevlar или Nomex, пропитанной фенольными смолами. Плотность арамидных сот аэрокосмического класса составляет 29-128 кг/м³, что на 15-25% ниже эквивалентных по прочности алюминиевых сот. Термостойкость арамидных материалов позволяет эксплуатировать панели в диапазоне от -80 до +200°C, что критично для авиационных применений с высокими температурными градиентами.
Важным преимуществом арамидных сот является их диэлектрические свойства и радиопрозрачность, что делает их незаменимыми для обтекателей радиолокационных систем и антенных укрытий. Огнестойкость материала обеспечивается самозатухающими свойствами фенольного связующего, что соответствует требованиям авиационных норм по пожарной безопасности.
Полипропиленовые сотовые заполнители
Термопластичные соты из полипропилена представляют экономичную альтернативу для транспортных и строительных применений. Плотность полипропиленовых сот составляет 60-100 кг/м³, прочность на сжатие достигает 3 МПа при сохранении хорошей ударной вязкости. Материал устойчив к большинству кислот, щелочей и солей, не подвержен коррозии и полностью пригоден для вторичной переработки.
↑ К оглавлениюПенопласты как заполнители панелей
Пенополистирол и экструдированные пены
Пенополистирол (EPS) с плотностью 15-35 кг/м³ обеспечивает отличную теплоизоляцию при коэффициенте теплопроводности 0,032-0,040 Вт/(м·К). Закрытоячеистая структура материала обеспечивает влагопоглощение не более 2% от объёма за 24 часа, что позволяет применять панели во влажных условиях без деградации теплоизоляционных свойств. Экструдированный пенополистирол (XPS) имеет более плотную структуру (30-50 кг/м³) и повышенную прочность на сжатие до 0,5 МПа.
Пенополиуретан и его характеристики
Пенополиуретан (PUR) плотностью 40-60 кг/м³ сочетает хорошую прочность на сжатие (0,2-0,5 МПа) с превосходными теплоизоляционными свойствами, имея коэффициент теплопроводности 0,022-0,028 Вт/(м·К). Материал устойчив к перепадам температур, не подвержен гниению и поражению микроорганизмами. Модуль сдвига пенополиуретана составляет 8-15 МПа, что обеспечивает адекватную передачу поперечных нагрузок в панели при пролётах до 6 метров.
Жёсткие ПВХ пены
Жёсткая ПВХ пена представляет конструкционный материал с плотностью 50-200 кг/м³ и прочностью на сжатие до 4 МПа. Закрытопористая структура обеспечивает влагостойкость и химическую стабильность. Модуль сдвига достигает 80 МПа при плотности 200 кг/м³, что позволяет применять ПВХ пены в высоконагруженных панелях для морских судов и промышленного оборудования.
При использовании пенопластовых заполнителей необходимо учитывать температурные ограничения материала. Превышение допустимой температуры эксплуатации приводит к размягчению пены и потере несущей способности панели.
Бальза в конструкции композитных сэндвичей
Древесина бальзы представляет естественный композиционный материал с уникальной пористой структурой торцевого среза. Плотность материала после сушки в печи составляет 130-180 кг/м³, что делает бальзу самой лёгкой конструкционной древесиной при сохранении высокой прочности. Прочность на сжатие вдоль волокон достигает 5-12 МПа, а модуль сдвига составляет 100-200 МПа, что сопоставимо с показателями синтетических пен значительно большей плотности.
Критическим преимуществом бальзы является высокая прочность соединения с эпоксидными обшивками. Пористая структура торцевого среза обеспечивает глубокое проникновение связующего в капилляры древесины, создавая механическое сцепление с прочностью выше, чем у самой бальзы. При испытаниях на отрыв разрушение происходит в стеклопластиковой обшивке, а не в клеевом слое, что подтверждает надёжность соединения.
Листы бальзы для судостроения изготавливаются склеиванием торцевых сегментов с применением специальных эпоксидных и полиуретановых адгезивов. Панели доступны толщиной от 5 до 100 мм и одобрены морскими классификационными обществами Lloyd's Register и Germanischer Lloyd для применения выше и ниже ватерлинии. Материал требует защиты от прямого контакта с водой, так как волокна бальзы способны к влагопоглощению, что может привести к набуханию и снижению механических свойств.
Бальза впервые применена в авиационных сэндвич-конструкциях в 1940 году при разработке самолёта de Havilland Mosquito, где слои из бальзы располагались между фанерными обшивками из березы и ели на казеиновом клее. Первый полёт Mosquito состоялся 25 ноября 1940 года. В пластмассовом судостроении панели с бальзой начали использоваться с начала 1950-х годов.
Расчёт изгибной жёсткости сэндвич-панелей
Изгибная жёсткость композитной сэндвич-панели определяется моментом инерции составного сечения и модулями упругости материалов обшивок. При расчёте учитывается вклад двух факторов: изгибная жёсткость обшивок относительно нейтральной оси всей панели и собственная жёсткость обшивок относительно их центральных осей. Для панелей с тонкими обшивками (толщина менее 5% от общей толщины) преобладающее значение имеет первый фактор.
Полный прогиб сэндвич-панели складывается из прогиба от изгибающего момента и прогиба от поперечной силы вследствие деформаций сдвига в заполнителе. Деформации сдвига вносят существенный вклад особенно при малых пролётах (менее 20 толщин панели), где их доля может достигать 30-50% от общего прогиба. Модуль сдвига заполнителя принимается по средним значениям при нормальной температуре эксплуатации, учитывая податливость материала сердцевины.
Расчёт несущей способности ведётся по двум расчётным схемам: изгибающий момент распределяется между обшивками через нормальные силы, умноженные на расстояние между центрами тяжести обшивок, и собственные изгибные моменты в самих обшивках. Поперечная сила вызывает равномерное распределение касательных напряжений по высоте сердцевины, при этом жёсткость заполнителя на растяжение-сжатие вдоль панели не учитывается.
Для инженерных расчётов применяется гипотеза об изломе нормали, положенная в основу ряда методик проектирования сэндвич-панелей. Расчёт позволяет определять напряжения в обшивках, прогибы панели при различных схемах опирания и комбинациях нагрузок. Для композитных конструкций используются специализированные программные комплексы и расчёты по методу конечных элементов с учётом анизотропии материалов.
Для автоматизации расчётов композитных сэндвич-панелей применяются специализированные программные комплексы методом конечных элементов (ANSYS, Abaqus, Nastran), учитывающие анизотропию композитных обшивок и нелинейное поведение заполнителей.
