Confectionarea Radomului Pentru Avioane

STADIUL ACTUAL AL REALIZARILOR IN CONFECTIONAREA RADOMULUI PENTRU AERONAVE

Scurt istoric

Zborul a fost un fenomen care a trezit interesul omului încă din antichitate. Împlinirea acestei dorințe a trebuit să aștepte mii de ani pentru a se realiza. Începând cu contemplarea zborului păsărilor, trecând apoi prin mitologie – cea care a precedat știința – care este plină de referiri la ideea de zbor și terminând cu primele încercări, totul arată o dorință imensă de a reuși să se realizeze aeronave care să poată fi utilizate în diferite scopuri.

Totuși, aviația, în sensul actual al cuvântului, implică zborul controlat utilizând aparate mai grele decât aerul. Astfel, în 16 decembrie frații Wright au realizat primul zbor cu durata de 12 secunde pe o distanță de 36 metri, acesta fiind primul zbor cu pilot din lume al unui avion [1]. Acesta este momentul în care a luat nașterea aviația, așa cum este recunoscut pe tot globul. Avionul lor, spre deosebire de cele precedente, putea fi controlat în zbor, realizând mișcări în jurul celor trei axe. Pe 12 noiembrie 1906, Alberto Santos-Dumont a realizat ceea ce Brazilia susține ca ar fi primul zbor care nu a necesitat catapultare (decolare numai cu mijloace proprii). Titlul de primul zbor autonom cu decolare prin mijloace proprii a fost realizat de Traian Vuia, care a realizat la Montesson, în 18 martie 1906, un zbor de 12 metri.

De aici înainte, s-a încercat descoperirea principiilor zborului și a creșterii manevrabilității. Utilizând tunele aerodinamice, s-au dezvoltat aripi și elici mai performante. Datorită dezvoltării industriei auto, noi motoare mai puternice și mai ușoare au fost dezvoltate și modificate special pentru utilizarea pe avioane. În anii următori, alți constructori au realizat și ei aparate de zbor din ce în ce mai puternice și performante. Pornind de aici, aviația a cunoscut o dezvoltare uimitoare [2].

Deși cunoștințele și tehnica în domeniul aeronautic încă nu erau dezvoltate la acea data și la noi în țară au existat cercetători și inventatori care, conduși de necesitatea acestor tehnologii, cât și de dorința de cunoaștere, au adus contribuții importante. Urmând linia trasată încă din antichitate, epoca modernă a dat o serie de inventatori români care au ales domeniul aeronautic. În continuare sunt enumerate câteva dintre personalitățile importante ale aviației romanești: Traian Vuia (1872 – 1950), Aurel Vlaicu (1882-1913), Henri Marie Coandă (1886 – 1972). Pe lângă cei enumerați mai sus, mulți alți români au adus contribuții importante în domeniul aero-spațial: Ion Grosu, Radu Manicatide și Iosif Șilimon împreună cu echipele de ingineri ale IAR Brașov, Herman Oberth, Elie Carafoli, Petre Augustin, Mihai M. Niță. Datorită acestora, s-au format centre de cercetare aeronautică în universități din întreaga țară: București, Brașov, Craiova, Bacău, orașe care dețin și fabrici de constructie a aeronavelor sau a pieselor pentru acestea. Important este faptul că și în România a existat interes încă din cele mai vechi timpuri pentru acest domeniu, interes continuat de-a lungul timpului. În acest moment în România, Airbus construiește cea mai mare fabrică unde o să se realizeze elicopterele Super Puma MK1.

Materialele compozite au fost utilizate cu mult înaintea definirii lor ca o grupă aparte de materiale.

La început a fost folosit lemnul, apoi piatra și în urmă cu circa 100 de ani a apărut un material revoluționar în industria construcțiilor: betonul armat.

În ultimii 70 de ani, tehnica a evoluat extrem de mult, prin urmare a fost necesar realizarea unor materiale cu proprietăți mecanice deosebite.

Apariția și dezvoltarea unor domenii noi cum ar fi cel aeronautic, al automobilelor și în principal dezvoltarea aplicațiilor militare, a impus dezvoltarea acestei categorii de materiale care pot lucra în condiții grele. Spre exemplu în industria aeronautică prioritare sunt considerentele de ordin aerodinamic de optimizare a profilelor și realizarea condițiilor deosebite ce sunt impuse datorită diferențelor de temperatură, rezistență la oboseală, rigiditate, vibrații, etc. așa cum sunt prezentate în lucrarile Wei Jin și D.Brown [3].

Prin urmare, materialele tradiționale nu mai pot satisface în totalitate restricțiilor din ce în ce mai mari, iar configurația complicată a structurilor impune, din punctul de vedere al factorului economic, ori folosirea unor tehnologii diferite de realizare ceea ce implică o tehnică scumpă, ori realizarea unor materiale mai ușor de obținut ceea ce înseamnă o tehnologie mai ieftină. Privind prin prisma factorului economic, au apărut materialele compozite, care reprezintă o nouă clasă de materiale de o mare importanță tehnologică cu o aplicabilitate din ce mai mare în multe domenii aeronautic, naval, sau al automobilelor conform datelor prezentate de autorii Anglin J.[4], Gries [5].

Principalul avantaj al acestor materiale îl reprezinta raportul ridicat dintre rezistență și greutate volumică și prețul scăzut de obținere a unor elemente complicate, în cazul producției de serie mare și de masă asa cum este specificat și în J.C.Halpin [6].

De la primii pași, constructorilor de avioane le-a fost clar faptul ca materialele de constructie pentru avioane trebuie sa fie, în acelasi timp, rezistente si usoare

La începutul deceniului doi, din cauza folosirii schemei monoplane – care a condus la reducerea bruscă a rezistenței tuturor tipurilor de avioane, în special a celor grele – s-a trecut la construcția de avioane metalice din aliaje ușoare. Fabricarea pe scară largă a avioanelor metalice de la sfârșitul deceniului doi a demonstrat nivelul înalt pe care l-a atins metalurgia aliajelor ușoare în acea vreme.

Radomul este partea constructivă a avionului cu care începe fuselajul al aparatelor de zbor și este construit, la ora actuală, din mase plastice armate și este destinat atât asigurării protecției echipamentelor de navigație aflate în zona sa împotriva factorilor externi cât și facilitării funcționării acestora în condiții apropiate de parametri maximi. Materialele compozite din care este confecționat radomul trebuie să permită atât transmiterea cât și recepția fidelă a semnalelor emise / primite de echipamentele de navigație aflate în zona sa.

Structura internă a conului de bot, de tip sandwich, este formată din două învelișuri, exterior și interior, între care se află inima acestuia. Toate materialele folosite la construcția radomului, atât cele pentru învelișuri cât și cele pentru inimă sunt materiale plastice armate și de compoziția și grosimea acestora depinde functionarea în condiții optime a echipamentelor de navigație aflate în zona radomului.

Dezvoltarea rapida a tehnicii în domeniul aviatiei a necesitat mari eforturi din partea metalurgiei pentru a satisface necesarul mereu crescând de table pentru învelisul aparatelor de zbor care trebuie sa aiba o rezistenta mare si o suprafata neteda. De asemenea a crescut necesarul de semifabricate, piese matritate etc. cu proprietati ridicate. Aceasta a condus la apariția unor noi procese tehnologice de prelucrare și de asamblare.

Înaintea celui de-al doilea razboi mondial principalele materiale de construcții utilizate au fost aliajele de aluminiu de înalta rezistență de tip dural (Al-Cu-Mg). În decursul deceniului cinci aceste aliaje, care au fost principalele materiale de construcție, au continuat să rămână materiale de bază pentru toate tipurile de avioane care nu suportă o încalzire aerodinamică mai mare de 100°C, cu toate că domeniul lor de aplicare s-a redus din cauza apariției aliajelor de aluminiu speciale de tip zicral (Al-Zn-Mg-Cu).

La sfârsitul deceniului cinci a avut loc un salt însemnat în ceea ce privește dimensiunile, capacitatea de încărcare, distanța de zbor și viteza avioanelor grele, iar aceasta a dus la mărirea greutății acestora și la creșterea sarcinilor care acționează asupra agregatelor. Acest lucru a necesitat folosirea unor materiale noi, mai rezistente și modificarea sortimentației și dimensiunilor semifabricatelor utilizate. În paralel cu aliajele speciale de aluminiu, încep să se utilizeze atât aliajele de magneziu cât și aliajele de titan. Aliajele magneziului cu metale rare se utilizează în construcția de rachete și au calitatea de a- i menține caracteristicile mecanice ridicate atât la temperaturi de 250-300°C cât si la temperaturi joase (-300°C). Cele mai performante aliaje de titan pot atinge valori ale rezistenței mecanice de 1700 – 2000 MPa. Comparativ cu aliajele de aluminiu sau magneziu, rezistența specifică a aliajelor de titan este comparabil în schimb refractaritatea este mult mai bună, mai ales în domeniul temperaturilor de 350 – 550°C. Aceasta caracteristică, împreună cu rezistență deosebită la coroziune determină utilizarea acestor materiale în special în aviația supersonică și în tehnica rachetelor, fiind folosite în principal pentru piesele compresoarelor de la motoarele cu reactie.

Referitor la evoluția aliajelor de aluminiu speciale se poate preciza că utilizarea semifabricatelor din aliaje Al-Zn-Mg-Cu a însemnat un câstig imens în ceea ce priveste greutatea construcțiilor aeronavelor. De asemenea, datorită valorilor ridicate ale limitei de curgere a aliajului 7075 din sistemul Al-Zn-Mg-Cu, semifabricatele din acest aliaj pot fi folosite pentru majoritatea elementelor de construcție încarcate cu sarcini de comprimare (panourile superioare ale aripilor, zona de comprimare a fuselajului, stâlpii etc.) si care actionează pentru deplasare (lonjeroane și nervuri). Câstigul în greutate al construcției poate fi în acest caz de 5 – 8% în comparație cu construcțiile din aliajele 2014 sau 2024 din sistemul de aliaje de aluminiu de tip dural (Al-Cu-Mg) [7].

La alegerea aliajelor de aluminiu de înaltă rezistența destinate industriei aeronautice trebuie să se țina cont de faptul că acestea trebuie să aibă caracteristici de rezistență mecanică ridicate, plasticitate satisfacatoare, rezistență suficientă la coroziune sub sarcina și, de asemenea, să posede o înaltă rezistență la oboseală și o rezistență suficientă la temperaturi relativ ridicate. Realizarea acestor cerințe este legată de întrebuințarea aliajelor de aluminiu speciale în construcția de avioane. În afară de acestea, aliajele trebuie sa posede și proprietăți tehnologice determinate, care să asigure o producție de serie a semifabricatelor în cadrul unităților metalurgice, o prelucrabilitate suficientă a acestora și o stabilitate a proprietăților si a calității semifabricatelor și produselor finite realizate din aceste aliaje în producția de serie.

Importanța deosebită pe care o reprezintă sistemele radar pentru navigația aeriană, asigurând supravegherea în orice condiții de mediu, justifică preocuparea permanentă a cercetatorilor de a descoperi noi materiale și noi tehnologii capabile să îmbunătățească mereu performantele electromagnetice ale radomului. Așa se explică numarul mare de brevete care apar anual pe această temă.

Performanțele electromagnetice ale radomului exprimate prin valorile constantei dielectrice (permitivitate) și ale pierderilor dielectrice (factor de disipare), au ca țintă scăderea acestora sub 4 pentru constanta dielectrica și sub 0.05 pentru factorul de disipare. Aceste doua proprietăți electrice reprezintă măsura transparentei radarului.

Cercetarile privind materialele potrivite în construcția radomului au stabilit ca exista o mare varietate. Pot fi variante de radom care folosesc structuri monolit din materiale cum ar fi: materiale ceramice (carbura de siliciu, nitrura de siliciu, etc.), materiale polimerice, termoplaste (teflon, polietilen tereftalat, polietilenă, polipropilenă, polivinilacril, etc.). De asemenea, pot fi variante de radom cu structuri compozite sub forma de laminate simple sau structuri sandwich. Structurile sandwich ofera multiple posibilitati, dat find gama larga a materialelor composite din care se fac invelisurile radomului, cat si varietatea mare de materiale din care se poate selecta miezul dintre învelișuri. Privitor la miezul dintre învelișuri, în selectarea lui primează în egală măsură atât proprietățile de rezistență mecanică cât și proprietățile electrice, și nu în ultimul rând, stabilitatea termică la temperaturile de serviciu. S-a observat că o creștere a densității miezurilor conduce la creșterea valorii constantei dielectrice [8].

Cercetarile au stabilit că se poate folosi ca miez între învelisuri, atât structurile fagure (dintre care fagurele Nomex, are cea mai largă utilizare), cât și cele sub formă de spumă rigidă și semirigidă derivate de la polimeri cum ar fi: polietilena, PVC, poliuretan, polivinilester, poliimida, etc. Selectarea tipului de miezuri dintre varietatea mare de posibilități, s-a facut luând în considerare că acestea trebuie să aibă rezistentă suficientă la deformare, avand în vedere că radomul este expus pe durata de serviciu la diverse surse de impact și trebuie să-și păstreze integritatea.

Materialele compozite din care se poate executa radomul, au fost selectate dintre acelea unde matricea polimerică a constituit-o rășinile epoxidice, poliesterice și cianesterice (matrice polimerică), care au dat rezultate bune datorită valorilor mici a constantei dielectrice și ale factorului de disipare (Tabel 1).

Ca materialele de ranforsare din constituția materialelor compozite, au fost selectate materialele fibroase cum ar fi: fibrele de sticla (Tipul E), fibrele de quartz și fibrele aramidice, utilizate sub forma de tesături impregnate (utilizate singure sau împreună).

Tabelul 1 prezintă caracteristicile electromagnetice ale unor materiale (materiale simple sau materiale compozite) care poate constitui o bază de selecție în vederea obținerii unor structuri de radom cu performanțe dorite [9].

Tabel 1.1: Caracteristici electromagnetice

Structura aeronavei

Forma generală și structura inițială a avionului nu au suferit multe schimbări în timp chiar dacă au avut parte de îmbunătățiri continue [10], [11]. Diferite variante s-au folosit pentru a corespunde cel mai bine cerințelor tehnologice și aerodinamice de a lungul timpului. Forma, configurația și structura avionului este influențată și de forțele care acționează asupra lui în timpul zborului dar și la sol: greutatea, tracțiunea (dată de motoare), rezistența la înaintare și portanța. Portanța ( P ) și rezistența la înaintare ( R ) se calculează funcție de coeficienții de portanță (Cz ) și de rezistență la înaintare (Cx ) la o anumită incidență (α). Acești coeficienți se măsoară pe stand în tunele aerodinamice.

Greutatea este o forța care este orientată întotdeauna către centrul pământului. Ea este direct proporțională cu masa radomului. Deși este distribuită asupra întregului radom, ne putem imagina că aceasta este însumată și acționează asupra centrului de greutate. În zbor, deși aeronava se rotește în jurul centrului de greutate iar orientarea greutății rămâne tot către centrul pământului [14].

Tracțiunea este asigurată de sistemul de propulsie al avionului. Valoarea tracțiunii depinde de factorii care sunt asociați sistemului de propulsie: tipul motorului, numărul de motoare, comanda motorului, viteza și înălțimea de zbor. Tracțiunea acționeză pe direcția longitudinală a fuzelajului.

Rezistența la înaintare este forța aerodinamică care se opune oricărui corp ce se deplasează într-un fluid. Mărimea acestei forțe este influențată de mai mulți factori: forma radomului, densitatea și compoziția aerului, viteza. Direcția acestei forțe este întotdeauna opusă direcției de zbor și putem considera că ea "se concentrează" într-un singur punct numit centru de presiune [43].

Portanța reprezintă forța aerodinamică care ajută avionul să se mențină în aer și trebuie luată în raport cu celelalte trei și este datorată trecerii unui obiect printr-un fluid. Ea poate fi generată de orice parte a aeronavei, dar la un avion normal portanța este datorată în special aripii și în particular formei specifice în secțiune a aripii.

Schimbarea direcției sau vitezei curgerii unui fluid generează o forță iar portanța apare atunci când curgerea unui fluid este raportată la un obiect solid. În momentul în care curgerea este deviată într-o anumită direcție, portanța apare în direcția opusă, conform principiului acțiunii și reacțiunii al lui Newton. Dat fiind că aerul este un fluid, moleculele sunt libere în mișcare și orice suprafață solidă poate devia curgerea.

Forța care acționează asupra unei suprafețe este egală cu presiunea înmulțită cu aria suprafeței. Presiunea este o unitate scalară aflată în stransă legatură cu distribuția de presiuni din fluid.. Presiunea acționează perpendicular sau normal pe suprafața unui corp solid, iar direcția forței este normală la suprafață. Direcția normală se schimbă de-a lungul profilului deoarece acesta are o suprafață curbată.

Pentru a obține forța mecanică netă peste întregul profil trebuie adunate contribuțiile componentelor tuturor suprafețelor mici ale obiectului. Este important de știut faptul că dacă presiunea pe o suprafață închisă este constantă, atunci nu există nici o forță rezultantă, deoarece suma tuturor forțelor mici pe direcțiile normale dă valoarea zero.

Pe un corp aflat într-un fluid în mișcare, viteza va avea valori diferite în puncte diferite de-a lungul suprafeței închise a corpului. Presiunea fiind în relație directă cu viteza locală, rezultă de asemenea că ea va varia de-a lungul suprafeței închise. Însumând toate presiunile locale normale și înmulțind apoi cu suprafața exterioară totală a corpului va rezulta o forță. Componenta acestei forțe perpendiculară pe direcția de curgere a fluidului este numită forța portantă, iar componenta de-a lungul direcției de curgere se numește rezistența la înaintare. În realitate există o singură forță, cauzată de variația presiunii în jurul suprafeței corpului sau – vorbind de profile aerodinamice – este cauzată de diferența dintre presiunile de pe intradosul și respectiv extradosul profilului.

Factorii care influențează portanța sunt forma și dimensiunea radomului, viteza și direcția sa principală de mișcare față de fluid, densitatea fluidului, compresibilitatea și vâscozitatea sa.

Fig. 1.1. Distribuția presiunii asupra radomului aflat în curentul de aer de viteză

Fig. 1.2. Distribuția forțelor care acționează asupra unui profil aerodinamic aflat în curentul de aer de viteză V

Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a componentelor sale îi influențează direct performanțele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din următoarele subsisteme: structura de rezistență, sistemul de propulsie, echipamentele de bord și aparatele de comandă a zborului, instalațiile și mecanizarea aeronavei.

Ampenajele reprezintă elemente de echilibru, stabilitate și comandă. Ampenajele sunt compuse din: ampenajul vertical format din direcție care reprezintă partea fixă și derivă ce reprezintă partea mobilă și ampenajul orizontal format din stabilizator și profundor.

Fuselajul este partea aeronavei în care sunt plasate cabina piloților, cabina pasagerilor, cala și cea mai mare parte a echipamentelor și instalațiilor de bord. El reprezintă partea centrală de care este legată aripa, ampenajele și trenul de aterizare. Fuzelajul trebuie să aibă o rezistentă la înaintare minimă din acest motiv trebuie să aibă o formă aerodinamică și cât mai puține proeminențe [11].

Radomul împreună cu echipamentele de navigație aflate în interiorul său formează un sistem integrat. Radomul îndeplinește mai multe funcții. El trebuie să protejeze echipamentele de navigație de mediul înconjurator (ploaie, grindină,umiditate, altitudine, etc.), să confere o formă aerodinamică pentru partea frontală a avionului și să asigure o “fereastră electrică “ transparent pentru semnalul emis și cel recepționat de radar.

Performanțele echipamentelor de navigație aflate în radom sunt strict legate de compromisul realizat între cele trei funcții prezentate mai sus, favorizarea uneia din ele producând neajunsuri celorlalte.

Stadiul actual al realizărilor in domeniul confecționării radomului

În toamna anului 1934, firma germană GEMA a produs primul sistem radar pentru detectarea navelor maritime.

La 26 februarie 1935, Watson-Watt și asistentul sau Arnold Wilkins au efectuat o demonstrație privind detectarea unui avion aflat la o distanta de 8 mile (14Km) prin folosirea undelor radio.

În vara anului 1935 un radar a detectat la Königsberg, în Germania, un avion aflat la 28 Km distanță și 500 m altitudine, cu o precizie de 50 m.

Primele stații radar erau de dimensiuni mari și aveau urmatoarele caracteristici:

Frecvența: între 20 si 30 MHz (15 la 10 metri)

Puterea maximă în impuls: 350 KW (mai târziu 750 KW).

Frecvența pulsurilor: 25 si 12,5 pulsuri/secundă.

Durata pulsului: 20 microsecunde

Dezvoltarea ulterioară a echipamentelor radar a permis miniaturizarea acestora astfel încat primul radar să fie instalat, în 1941, pe avionul Bristol Blenheim.

Istoria radomului începe din perioada celui de-al doilea război mondial, odată cu apariția radarului montat pe avioane.

Necesitatea instalării radarelor pe avioanele militare, ulterior și pe cele civile, a impus crearea unui dispozitiv special care să-l protejeze și totodată să permită trecerea undelor electromagnetice emise și receptate de antena radar.

Amplasarea radarului în partea din fața a fuselajului avionului, impusă de cerința că fasciculul de unde electromagnetice să nu fie ecranate sau distorsionate de vreun obstacol a dus la perfectionarea construcției radomului. Funcției inițiale de protecție aerodinamică pentru sistemul radar i s-a adăugat caracteristica de transparență pentru undele electromagnetice de înaltă frecvență emise și receptate de acesta.

Dezvoltarea sistemelor radar de la un sistem fix pentru detectarea avioanelor inamice la sisteme complexe pentru observații meteorologice, și de predicție a schimbarii bruște a direcției vântului ca și cresterea preciziei și eficienței fasciculului de unde generate și receptate de acestea a condus la creșterea importanței radomului și la modernizarea sa atât in ceea ce priveste costrucția (formă, rezistență) cât și în ceea ce privește materialele utilizate. Astfel a fost necesar să se folosească în construcția radomului materiale speciale care să confere acestuia rezistența și rigiditatea impuse de solicitarile aerodinamice mari din structura anterioara a fuselajului avionului, dar si transparență maximă pentru undele radar, coroborată cu o greutate redusă.

In plus o a doua gamă de factori o reprezintă domeniul de utilizare al radarelor, care s-a extins, fiind folosit la diverse tipuri de aeronave,vehicule terestre, maritime si instalații de sol, fiecare din acestea necesitând forme, mărimi și caracteristici diferite, ceea ce a impus posibilitatea de a le fabrica ținând cont de aceste cerinte. Astfel se poate defini radomul ca fiind un carenaj aerodinamic care protejează o zonă față de mediul exterior, oferă transparență microundelor emise și receptate de sistemele radar încorporate și facilitează obținerea informațiilor meteorologice și topografice pentru aeronavă.

Radomul reprezintă o parte integrantă a avionului și trebuie să fie o piesă rezistentă, care să protejeze sistemul radar (antena), dar care să permită în acelasi timp accesul ușor în spațiul destinat radarului [12]. La proiectarea radomului se ia în considerare următoarele caracteristici:

Alegerea conceptului de realizare;

Cerințele referitoare la calitatea produsului;

Costurile de capital și cele operaționale (costurile ciclului de viață);

Economia de energie;

Siguranța;

Cerințe de rezistență;

Necesitățile și constrângerile impuse de condițiile de montaj;

Fiabilitatea, ușurința în operare și întreținere;

Problemele de mediu;

Cerințele reglementare.

Structura internă a conului de bot, de tip sandwich, este preferată de principalii constructori de avioane (Boeing și Airbus) și este formată din două învelișuri, înveliș exterior și înveliș interior, între care se află inima acestuia (tip fagure). Fiecare din aceste tipuri are avantajele și dezavantajele sale, constructorii optând pentru una din ele în funcție de facilitățile de procurare a diverselor materiale, de posibilitățile tehnologice de construcție, îmbinate cu obținerea unor piese care să fie performante funcțional și structural. In plus trebuie să permită o intreținere ușoară în exploatare și posibilitatea reparării unor mici avarii fără să se altereze caracteristicile conului, în special transmisia undelor. În prezent se folosește structura fagure tip NOMEX, fiind selectată această soluție pentru ușurința fabricației.

Fig.1.3. Secțiune prin perete tip sandwich, cu miez din structură fagure [13]

În continuare vor fi prezentate câteva modele de radomuri, utilizate pe câteva dintre avioanele folosite in prezent.

Pentru fiecare tip se vor enunța caracteristicile și performanțele radarelor montate pe aceste avioane.

Radomul pentru avionul „AWACS” (E-3)

Avionul AWACS (E-3) este un avion militar de supraveghere aeriană, cu funcții de comandă, control și comunicații pentru forțele aeriene de apărare și tactice (Fig. 1.4)

Fig.1.4. Avionul Awacs (E-3)

Testarea radomului pentru stabilirea eficienței transmisiei se face la frecvența de 9375 ±40 MHz, folosind sistemul de antena AS-653/APN-59. Pentru a stabili clasa de precizie a radomulului acesta trebuie testat unghiurile de înclinare de +10°, 0°, -15° cu rotația pe azimut de la -90° la +90° pentru fiecare valoare a unghiului de înclinare. Media eficienței transmisiei nu trebuie să fie mai mică decât 85 % la fiecare unghi de înclinare, iar minima să nu fie mai mică decât 80 % la fiecare unghi de inclinare

Fig. 1.5. Radom montat pe avionul Awacs (E-3)

Radom montat pe avionul Boeing B-52 „Stratofortress

Avionul Boeing B-52 „Stratofortress” este un avion militar strategic de bombardament, cu rază mare de acțiune, subsonic, cu motoare turboreactoare, în serviciul aerian al armatei americane (USAF) începând din 1955. (Fig.3.)

Fig.1.6. Avionul Boeing B-52 „Stratofortres

Fig. 1.7. Radomul montat pe avionul Boeing B-52

Testarea radomului pentru măsurarea eficienței transmisiei se face la frecvența de 16 ±0.102 GHz. Pierderea de putere nu tebuie sa depaseasca 3dB la fiecare unghi de azimut si elevatie testat pe un singur sens al semnalului. Radomul se testează la un unghi de elevație între 0° și -40°, în zece pași, incrementul unghiului azimutal fiind 2.5°. Pentru domeniul 0° până la -10° al unghiului de elevatie, unghiul azimutal va varia între -50° și +50°.

Radomul montat pe avionul Boeing KC 135 „Stratotanker

Fig. 1.8. Avionul Boeing KC 135 „Stratotanker”

Avionul Boeing KC 135 „Stratotanker” este destinat realimentării cu combustibil, în zbor a avioanelor militare. Este în serviciul forțelor militare aeriene americane începând din anul 1957.

Fig. 1.9. Radomul montat pe avionul Boeing KC 135 „Stratotanker”

Testarea radomului pentru măsurarea eficienței transmisiei se face la frecvența de 9375 ±40 MHz folosind sistemul de antena radar AS-653/APN-59. Radomul va fi testat la unghiul de înclinare de +10°, 0°, -15° cu rotație azimutală între -90° și +90° pentru fiecare valoare a unghiului de înclinare.

Media eficienței transmisiei trebuie să fie cel puțin 90% la fiecare unghi de înclinare, iar valoarea minimă a acesteia să nu fie mai mică decât 85% în aceleași poziții când radomul nu este acoperit cu un strat protector împotriva eroziunii produsă de ploaie. Pentru radomurile care au o astfel de acoperire de protecție media eficienței transmisiei trebuie să fie cel puțin 85%, iar valoarea minimă a acesteia să nu fie mai mică decât 80%, la fiecare unghi de înclinare.

Radom montat pe avionul Lockheed C-5A „Galaxy”

Avionul Lockheed C-5A „Galaxy”, este un avion de transport greu destinat transportului logistic al armatei americane, pentru operațiuni strategice. Testul radomului acestui avion se face la frecvența de 9375 ± 30 MHz.

Fig.1.10. Avionul Lockheed C-5A „Galaxy”

Radomul montat pe avionul Boeing 737-300

Fig.1.11. Avionul Boeing 737-300

Avionul Boeing 737-300 este un avion civil de transport mediu curier, având două motoare turboreactoare. Pe el se montează un radom costruit cu structură „sandwich” cu inimă din spumă de tip „Divinycell”. Testarea radomului pentru măsurarea eficienței transmisiei se face la frecvența de 9330 MHz.

Fig.1.12 Radomul montat pe avionul Boeing 737-300

Radomul montat pe avionul BAC 1-11

Fig. 1.13. Avionul BAC 1-11

Avionul BAC 1-11 este un avion de transport civil mediu curier, cu două motoare turboreactoare. Folosește un radar meteorologic care are rază de acțiune de aproximativ 300 km, cu frecvența de 9375 MHz, durata pulsului 2.5 microsecunde și frecvența pulsurilor de 400 pulsuri/secundă.

Radomul este construit dintr-o structură sandwich cu învelișurile, din exterior si interior, din fibră de sticlă și inima din fagure de hârtie impregnată (pentru seriile pana la 600).

Radomul montat pe avionul C-130 Hercules

Fig.1.14. Avionul C-130E Hercules (construit de firma Lockheed)

Avionul C-130E Hercules construit de firma Lockheed este un avion militar de transport, din dotarea armatei S.U.A. (începand din 1956), dar si a altor state.

Fig.1.15. Radomul montat pe avionul C-130 Hercules

Radomul avionului C130 Hercules este o structură cu perete cu rigidizori, și este proiectat și constuit de firma Hitco Carbon Composite. Testul pentru eficiența transmisiei se face la frecvența de 9375 ±40 MHz. Pentru fiecare radom valoarea medie a eficienței transmisiei nu trebuie să fie sub 90%, iar valoarea minimă să nu scadă sub 85%.

Tipuri de radomuri

La ora actuală radomurile sunt construite din mase plastice armate, proiectate în primul rând pentru a proteja echipamentele electronice, echipamentul radar și radio și pentru a permite o buna funcționare a sistemelor de transmisie și de recepție. Proprietatea electrică importantă a materialelor din care se construiesc radomurile și de care trebuie să se țină seama la alegerea unui astfel de material, este constanta dielectrică.

La radomurile care prezintă o structură tip sandwich, pentru o bună transmisie și recepție a radarului importante sunt grosime miezului (-lor) și grosimea suprafetelor. În momentul în care sunt necesare reparații ale radomului trebuie să țină cont de grosimea inițială a materialelor folosite, pentru ca structura originală și proprietățile electrice să fie menținute. Reparațiile trebuie făcute în asa fel încât ca în interiorul radomului să nu patrundă apă și ulei, care au efecte negative asupra eficienței transmisiei, iar în condiții extreme pot provoca pagube asupra structurii radomului.

Clasificarea radomului

Diferitele caracteristici și funcțiuni ale radomurilor avioanelor au determinat mai multe moduri de clasificare a acestora.

Clasificarea radomului dupa „eficiența transmisiei”

Fasciculul electromagnetic generat de antena radar străbate (ca undă emisă și receptată) o anumită suprafată, numită „fereastră” din radomul de protectie. Mărimea suprafeței respectivei ferestre este determinată de unghiurile de baleiere ale antenei radar pe azimut și elevație.

La trecerea prin peretele radomului se produc pierderi ale energiei semnalului, datorate reflexiei, difracției, absorbției, refracției și depolarizării undei electromagnetice.

Aceste efecte trebuie cunoscute pentru a putea fi reduse printr-o proiectare corespunzătoare a radomului.

Eficienta transmisiei este exprimată prin raportul dintre energia undelor care străbat peretele radomului și energia totală emisă (într-o transmisie fără radom).

În funcție de valoarea procentuală a eficienței, clasificarea radomurilor este urmatoarea:

Definitia eficienței transmisiei neglijează efectele din / în diferite direcții care se obțin în radom în timpul testului antenei.

Clasificarea radomului dupa frecventa semnalului

Clasificarea dupa domeniul de utilizare

Clasificare dupa stilul constructiv

Domeniile de utilizare pentru pentru constructii de tip sandwich sunt:

Controlul traficului aerian

Radar meteorologic

Radar cu dispunere fazata

Radar pentru supraveghere secundara

Tipuri constructive

Radom Avion BN-2, varianta 1.

Radom Avion BN-2, varianta 2.

Radom Avion BN-2 TRILANDER

Materiale utilizate la contrucția radomului

Materialele compozite sunt materiale cu proprietăți anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare și elaborare permit folosirea caracteristicilor cele mai bune ale componentelor, astfel încât materialul rezultat să posede proprietăți finale generale, superioare componentelor din care este alcătuit.

Principalele proprietăți ale materialelor compozite sunt:

– densitate mică în raport cu metalele (materialele compozite ce conțin în structura lor rășini epoxidice armate cu fibre de Si, B și C au densitate mică, aproximativ 2 g/cm3);

– rezistență mecanică la tracțiune, la impact și la încovoiere;

Având în vedere proprietățile deosebite ale materialelor compozite, acestea se utilizează în numeroase domenii:

– domeniul construcției de mașini (lagăre, rotoare de compresoare centrifugale, palete de ventilatoare, biele, scule așchietoare, scule pentru deformări la rece sau la cald etc.);

– domeniul aerospațial (structuri de aeronave, componente ale motoarelor funcționând în regim termic ridicat, sisteme de frânare etc.);

– domeniul transportului naval ( structuri pentru ambarcațiuni sportive și nave ușoare, elemente puternic solicitate ale motoarelor etc.);

– domeniul transportului rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comandă, sistemul de frânare etc.);

– domeniul electronicii și electrotehnicii (componente pasive – piese diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente active – capsule pentru circuite integrate etc.);

– domeniul medical (proteze), casnic etc.

Dezvoltarea și diversificarea materialelor compozite

Materialele compozite s-au folosit cu mult timp înainte de a se fi cunoscut acest termen (piatra, lemnul, iar mai târziu, acum aproximativ o sută de ani în urmă, betonul).

Acum aproape 60 de ani au început să fie utilizate materialele plastice armate cu fibre de sticlă datorită calităților lor deosebite față de cele ale materialelor clasice.

De obicei, cele mai importante considerente sunt cele aerodinamice deoarece trebuie să satisfacă condițiile restrictive cu ar fi: rezistența mecanică bună într-un interval cât mai mare de valori pentru temperaturile mediului, vibrații, rezistență la oboseală, rigiditate, greutate minimă și fiabilitate maximă.

Pentru a putea îndeplinii aceste conditii de a lungul timpului au apărut situații în care materialele tradiționale nu le-au putut satisface în totalitate singura opțiune este aceea de utiliza materiale noi cu proprietăti deosebite.

Însă petru a satisface cele mai noi cerințe au apărut materialele compozite, care reprezintă o nouă clasă de materiale cu o importanță tehnologică mare și ale căror aplicații cunosc în prezent o dezvoltare foarte mare în mai multe domenii de utilizare [14].

Materialele compozite sunt materiale noi și sunt realizate special pentru a avea proprietăți cum ar fi:

– rezistența mecanică la tracțiune și încovoiere;

– rezistența la coroziune;

– rezistența la acțiunea compușilor chimici;

– greutatea mică;

– stabilitate din punct de vedere dimensional;

– rezistența la impact;

– proprietățile izolatoare și estetice.

Principalul avantaj al materialelor compozite îl reprezintă raportul ridicat dintre rezistență și greutate.

Fig. 1.14 Consumul de materiale compozite

Caracteristicile mai sus menționate au asigurat utilizarea pe scară largă a acestora, dar au și stimulat cercetările pentru a crea din ce în ce mai multe tipuri de materiale compozite cu proprietăți îmbunătățite. Preocupări pentru a crea aceste materiale cu performanțe din ce în ce mai bune există în toate țările dezvoltate. În figura 1.14 este prezentat consumul materialelor compozite in compoarație cu cel a produselor naturale si al metalelor până în anul 2010 [15].

Materialele compozite sunt alese din ce în ce mai mult în construcția structurilor ce prezintă performanțe deosebite și care au aplicabilitate în toate ramurile industriale.

În toate țările dezvoltate, materialele compozite au prioritate în dezvoltarea procesului tehnologic.

Apariția materialelor compozite și utilizarea lor în construcția structurilor de rezistență a impus atât determinarea caracteristicilor elastice și de rezistență ale compozitelor, cât și efectuarea unor calcule de rezistență în funcție de materialul ales.

Cele mai multe studii s-au facut pentru a determina care sunt principalele deteriorări ce pot să apară sub o anumită sarcină sau a efectului asupra capacității portante a structurilor, precum și analizei comportării compozitelor în condiții dificile de lucru. Acestea reprezintă numai o parte din aspectele abordate în ultimul timp de către cercetătorii în domeniu, numărul mare al lucrărilor apărute de a lungul timpului demonstrează există încă foarte multe probleme care ar trebui rezolvate în ceea ce privește materiale compozite[16].

Un material compozit este alcătuit dintr-un material de bază numit matrice, care are în general proprietăți slabe, dar are un preț scăzut dar ranforsat cu alte materiale, sub formă de fibre continue, fibre scurte sau particule, cu proprietăți mecanice, fizice sau chimice deosebite, dar au un preț de fabricație mai ridicat. Matricea într-un compozit înglobează ranforsantul și asigură un mediu relativ rigid care poate transfera efortul către componenții fibroși. Încărcarea este distribuită între matrice și ranforsant, matricea ținând fibrele la un loc și transferând efortul către fiecare fibră. În construcția materialelor compozite fibrele pot fi orientate în direcții diferite.

În funcție de forma și dimensiunile relative atât a componentei de armare cât și a structurii, materialele compozite se pot clasifica astfel: materiale compozite armate cu particule, materiale compozite filamentare, materiale compozite stratificate. În momentul de față, materiale compozite cu cea mai mare utilizare pot fi împărțite în trei grupe: materiale compozite cu matrice polimerică, materiale compozite cu matrice metalică, materiale compozite cu matrice ceramică.

Compozitele stratificate și armate cu fibre reprezintă categoria de compozite cea mai folosită la nivel mondial. Datorită configurației și a numărului redus de constante elastice pe care le conțin, analiza structurilor realizate din materiale compozite armate cu fibre poate fi efectuată cu multă precizie. Un material compozit stratificat și armat cu fibre se obține prin lipirea mai multor lamine cu orientări diferite ale fibrelor. Așezarea fibrelor în lamine sau grupuri de lamine se face în funcție de performanțele mecanice urmărite (rigiditate și rezistența la anumite solicitări cum ar fi tracțiune, încovoiere). Stratificatul este caracterizat prin numărul de lamine ce intră în alcătuirea sa, precum și prin unghiul α, care indică orientarea fibrelor în lamină.

Un stratificat are simetrie de tip oglindă, dacă lamine identice ca tip și de orientare a fibrelor se regăsesc simetric de o parte și de alta a planului xOy.

Caracteristici elastice ale unei lamine

Studiul unei structuri compozite având o formă oarecare, realizată din materiale compozite stratificate și armate cu fibre continue, trebuie să îndeplinească cele cinci caracteristici elastice ale unei lamine după cum urmează [17]:

El – modulul de elasticitate longitudinal al laminei pe direcția fibrei (direcția Ol);

Et – modulul de elasticitate transversal al laminei (direcția axei Ot);

Glf – modulul de forfecare al laminei (în planul Olf);

νlf –coeficientul lui Poisson în planul Olf;

νlz – coeficientul lui Poisson în planul Otz.

Metode de analiză a unui laminat

laminele sunt perfect lipite împreună (cantitatea de rășină dintre lamine este foarte subțire și nu duce la forfecare în momentul încercării la încovoiere)

normala la mijlocul suprafeței aceasta rămânând dreaptă și normală la suprafață de mijloc.

Figura 1.15 .Variația alungirii cu grosimea

Fibrele aflate în componența compozitelor sunt de mai multe tipuri: continue (unidirecționale, bidirecționale și multidirecționale), fibre tocate (Mat) și discontinue: unidirecționale și orientate la întâmplare.

Fibrele continue se clasifică la rândul lor în subcategoriile următoare: fibre unidirecționale (UD) și țesătură din fibre (Woven).

UD Plain Woven Twill Woven Satin Woven

Materiale compozite armate cu fibră de sticlă

Figura 1.16. Fibre de sticlă cu grosimea de aproximativ 50μm [18]

Bazate pe o compoziție din aluminiu, oxid de calciu și borosilicate, fibrele produse din sticla “E” sunt considerate principalul material de ranforsare pentru compozitele cu matrice polimerică datorită proprietăților de bun izolator electric, afinității scăzute pentru umezeală și bunelor proprietăți mecanice. Alte compoziții includ sticla “S” cu rezistență mecanică, rezistență la caldură mai bune, precum și unele ranforsari din sticlă specializate, cu rezistență chimică mai bună, cum ar fi sticla AR, rezistenta la mediul alcalin.

Fibrele de sticla au in general o buna rezistență la impact dar au o greutate mai mare decât cele de carbon sau aramidice. Fibrele de sticlă au caracteristici excelente, egale sau mai bune decât ale oțelului în anumite forme. Valoarea mai scazută a modulului de elasticitate necesită tratamente speciale acolo unde rigiditatea este critică. Compozitele fabricate din acest material sunt foarte buni izolatori termici și electrici. Fibrele de sticlă sunt de asemenea transparente la undele radio și sunt folosite pentru antene.

Fibrele de sticlă utilizate la armarea rășinilor termoplaste și termorigide se obțin din așa numita sticlă textilă formată din fire de urzeală și fire răsucite. Cea mai utilizată sticlă textilă folosită la armarea materialelor compozite polimerice este sticla de tip E nealcalină (cu o compoziție alcătuită din borosilicat de calciu și aluminiu). Aceasta se folosește datorită proprietăților lor mecanice, electrice și chimice foarte bune, precum și datorită prețurilor foarte scăzute. Forma finală a fibrelor poate varia de la fibre discontinue (striate, scurte sau lungi) la fibre continue în benzi răsucite, țesături, țesături neîncrețite și pliuri unidirecționale [19].

Tabelul 1.2 Proprietățiale principalelor tipuri de fibre de sticlă [19]

Fibrele de sticlă sunt măsurate cu ajutorul unei unități internaționale numită TEX, fiind un raport între greutate (în grame) și lungime (în kilometri).

Avantajele și dezavantajele utilizării materialelor compozite armate cu fibră de sticlă cost redus; densitatere mică, aproximativ 2.6 g/cm3, rigiditate moderată, rezistență mecanică bună, rezistență la coroziunea bună, proprietăți foarte bune de izolare, în lipsa vidului.

Fibrele de sticlă reprezintă între 80 – 85% din producția de fibre folosite pentru armarea materialelor plastice.

La temperaturi superioare celei de tranziție, sticla devine un lichid care poate fi ușor tras sub formă de fire de lungimi cu grosimi diferite, utilizând o filieră confecționată dintr-un aliaj Pt-Rh.

Fibrele de sticlă se pot folosi la temperaturi de până la 700C și prezintă următoarele caracteristici tehnologice importante :

rezistență mecanică și modul de elasticitate mari ;

conductivitate termică redusă ( 0,035…0,058 W/(mK)) ;

rezistență mare la coroziune (pentru un conținut total de oxizi alcalini mai mic de 1%)

higroscopicitate practic nulă.

Sticla cea mai utilizată pentru producerea fibrelor este sticla de tip E, cu densitatea de 2,55 g/cm3 și cu o compoziție apropiată de cea a eutecticului sistemului CaO-Al2O3-SiO2. Conținutul de oxizi alcalini se menține sub 1% pentru a asigura o rezistență mai bună la coroziune. Oxidul de bor introdus micșorează temperatura lichidă a sticlei în limite largi și se poate folosi pentru stabilirea temperaturii maxime de lucru a fibrei.

Se pot utiliza și alte tipuri de sticle care totuși nu s-au impus decât în mică măsură, cum ar fi sticlele de tip A (puțin rezistente la acțiunea apei), tip C(cu o rezistență remarcabilă la coroziunea provocată de acizi), tip D (cu densitate mică, 2,16 g/cm3, și o constantă dielectrică scăzută), tip M (cu duritate mare, determinată de oxidul de beriliu, BeO, introdus în proporție de 8%), tip S (cu o rezistență mecanică mare care se menține și la temperaturi înalte).

Materiale compozite armate cu fibre de carbon (CFRP)

CFRP =Material compozit armat cu fibre de carbon (Carbon Fiber Reinforced Polimer).

Figura1.17 Fibre de carbon

Este considerata fibra cu un continut de cel puțin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un conținut mai mare de 99% carbon se folosește termenul de fibră grafitică. Astăzi, fibra de carbon este fibră domninată în industria materialelor compozite avansate. În ultimile doua decenii, proprietățile fibrelor de carbon au crescut spectaculos ca rezultat al cererii de materiale cât mai rezistente și căt mai ușoare, mai ales din partea industriei aerospațiale. Ca și raport rezistență/greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială în acest moment. Capacitatea mondială de producție înregistrează o continuă creștere de la apariția materialului până în prezent. Fibrele de carbon sunt mai costisitoare decât fibrele de sticlă, dar oferă o combinație excelenta de rezistență bună, greutate redusă și valori mari ale modulului. Rezistența la tracțiune a fibrei de carbon este egala cu a sticlei, în vreme ce modulul sau este de trei până la patru ori mai mare decât al sticlei.

Structura Fibrei de Carbon Ca si grafitul, fibra de carbon are la bază o structură atomică plană cu legaturi foarte puternice între atomii de carbon, covalente. În cazul grafitului, planurile sunt paralele, legaturile dintre ele fiind de tip Van der Walls ce pot fi ușor rupte. În locul straturilor plane de atomi din carbon, care se găsesc în grafit, fibra de carbon este formată din panglici de atomi de carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei [20].

Fibra de carbon se află sub formă de filamente continue dar și fibre marunțite și tesături. Cele mai mari valori ale modulului și rezistenței se obțin folosind ranforsarea continuă unidirecțională. Firele nerăsucite din filamente de carbon continui conțin 1.000 pana la 75.000 filamente individuale, care pot fi țesute sau împletite sub formă de bobinaj și țesături hibride cu fibre de sticlă și aramidice.

Materialele compozite cu fibre de carbon sunt mai fragile (sarcina de rupere este mai mică) decât cele cu fibre de sticlă sau aramidice. Pot determina coroziune galvanică dacă sunt folosite cu metale. Pentru prevenirea acesteia se folosește un material de barieră cum este sticla sau rășina.

Fibrele de carbon au un diametru de 5 -10 μm. Mai multe mii de fibre de carbon sunt răsucite împreună pentru a forma un fir care poate fi utilizat singur sau într-o țesătură. Ca și raport rezistență/greutate, fibre de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială în acest moment.

Materialele de armare foarte flexibile, țesăturile din carbon și grafit au rezistențe mecanice foarte ridicate, densitate relativ scăzută și unele dintre ele au o deosebită rezistență la temperaturi înalte (2300˚C) [21].

În funcție de proprietățile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi clasificate în:

Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) – modul de elasticitate mare,

Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul II) – rezistență la tracțiune ridicată,

Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III) [22].

Tabelul 1.3. Proprietățiale principalelor tipuri de fibre de carbon

Avantajele fibrei de carbon

Materialele compozite confecționate din fibra de carbon sunt ușoare și rezistente. Acestea pot fi folosite pentru piese utilizate în construcția de mașini și camioane dar si avioane, bărci sau chiar biciclete deoarece oferă siguranță si ajută la obținerea unui bun coeficient de aerodinamicitate.

Dezavantajele fibrei de carbon

Deși mașinile care au anumite părți construite din fibra de carbon sunt mai ușoare și cu performanțe mai bune, confecționarea materialului este mult mai scumpă si nu poate fi adusă la forma inițială în cazul unui accident, comparativ cu oțelul sau aluminiul. Un alt dezavantaj ar mai fi acela ca, atunci cand automobilul trebuie înlocuit, componentele din plastic, oțel și aluminiu pot fi reciclate. Fibra de carbon însa nu este ușor de reciclat pentru a fi încă odatată utilizată la fabricarea de noi componente auto.

Producerea fibrelor de carbon din fibre organice constă de obicei din utilizarea ca materie primă a unor fibre precursoare polimerice, de tip acrilic, care, prin piroliză se transformă într-un material cu aceeași structură cristalină ca a grafitului natural. Se folosesc în mod curent fibre din poliacrilonitril, oxidate superficial la 200…300C timp de o oră.

Aliajele de aluminiu

Pentru obtinerea produselor laminate și extrudate din aliaje de aluminiu destinate industriei aeronautice se utilizează patru sisteme de aliaje, prezentate în tabelul 3.

Dintre acestea, primul sistem conține aliaje fără durificare structurală, iar celelalte trei sisteme conțin aliaje cu durificare structurală, permițând obținerea de caracteristici mecanice superioare și fiind denumite aliaje de înaltă rezistență.

Aliajele de aluminiu de înaltă rezistență cu aplicațiile cele mai numeroase în aeronautică sunt cele care fac parte din sistemele Al-Cu-Mg (aliaje de tip dural) și Al- Zn-Mg-Cu (aliaje de tip zicral). Produsele laminate din aceste aliaje sunt tablele și benzile, iar produsele extrudate sunt barele, profilurile si țevile. Tablele și benzile se produc prin combinarea laminării la cald a lingourilor turnate semicontinuu și omogenizate cu laminarea la rece (fig. 1.5) și sunt, în general, produse placate cu aluminiu sau, în cazul aliajelor de tip zicral, cu aliaj Al-Zn, pentru a se obține o rezistență mai bună la coroziunea atmosferică, dat fiind ca aceste aliaje sunt utilizate curent la fabricarea partilor exterioare ale navelor aeriene. Grosimea stratului placat pe fiecare față a tablelor va fi, în cazul aliajelor sistemului Al-Cu-Mg de 6% pentru grosimi ale tablelor de 0.4 – 0.8 mm, 4% pentru grosimi ale tablelor de 0.8 – 1.6 mm și de 2% din grosimea tablei pentru grosimi de 1.6 – 6 mm, iar în cazul aliajelor sistemului Al-Zn-Mg-Cu va fi de 3.25% pentru grosimi ale tablelor de 0.4 – 3.2 mm și de 1.5% pentru grosimi de 3.2 – 6 mm [23].

Tabelul 3 de pus

Caracteristici mecanice

Caracteristicile mecanice ale principalelor aliaje de aluminiu de înaltă rezistență utilizate în industria aeronautică sunt prezentate în tabelul 4. Aceste caracteristici variază în funcție de mai mulți factori dintre care cei mai importanți sunt compoziția chimică și starea structurală, gradul de deformare și direcția de curgere a materialului metalic în procesul de deformare plastic precum și tratamentele termice aplicate.

Tabelul 4. Proprietăți mecanice la temperatură ambiantă

În ceea ce privește influența elementelor de aliere s-a constatat că în aliajele binare Al-Cu cu 2-5% Cu și Al-Zn cu 3-7% Zn, magneziul ridică sensibil caracteristicile mecanice datorită formării compușilor intermetalici sub forma de particule precipitate, repartizate uniform în soluția de bază.

Textura

Atât la cald cât și la rece, mecanismul elementar de deformare a aluminiului și a aliajelor sale constă în deplasarea prin alunecare pe planul {111} în direcția <110>. Alunecarea începe în grăunții cei mai favorabili orientați, apoi, pe măsura creșterii tensiunii se extinde asupra tuturor celorlalti grăunți. Deformarea prin alunecare este însoțită de rotația fireascaă a rețelei cristaline în raport cu forțele exterioare.

În afară de aceasta, fiecare grăunte suportă acțiunea grăunților învecinați care îi obligă să-si modifice forma în conformitate cu schema de deformare a întregului produs sau a unei părti a acestuia. Ca urmare a rotațiilor convenite la un grad de deformare de 30 – 50 %, grăunții capătă o orientare finalăcare prin deformarea ulterioară nu se mai modifică sau se modifică foarte puțin.

Caracterul orientării finale depinde de schema de deformare aplicată și anume, de raportul deformațiilor principale ε1, ε2 și ε3. În virtutea simetriei procesului de deformare, grăuntele cristalin poate fi orientat cu o probabilitate egală în una din cele câteva direcții simetrice fata de direcțiile principale de deformație.Textura de deformare este descrisă, de obicei, cu ajutorul acestor orientări predominante, numite component ale texturii. Această descriere este incompletă deoarece nu stabilește dispersia orientărilor care poate să ajungă la circa 20-30°C.

Microstructura

Microstructura de deformare a semifabricatelor se formează ca urmare a doua procese: transformarea succesivă a microstructurii inițiale și crearea unor noi elemente specifice structurii de deformare. Primul proces constă în modificarea formei grăunților în conformitate cu schema de deformație dintr-o anumită zonă a secțiunii, iar al doilea în formarea noilor limite ale grăunților. O dovada a faptului că prin deformare apar noi limite o constituie experiențele de presare și de laminare a monocristalelor în urma cărora acestea s-au transformat în policristale.

Influența structurii inițiale moștenite este cu atât mai slabă cu cât este mai dezvoltat procesul de formare a noilor limite. Noile limite se formează în cazul în care este îngreunată modificarea formei inițiale a grăunților în forma finală și atunci când produsul are o anumită textură care se deosebește foarte mult față de textura semifabricatului.

Formarea intensă a noilor limite se remarcă, de exemplu, la deformarea grăunților turnați care au o formă complexă sau la refularea longitudinală a semifabricatelor presate. În ultimul caz actionează ambii factori întrucât textura de presare se deosebește foarte mult de textura de refulare.

Dacă direcțiile de alungire a grăunților la prima și a doua deformare coincid atunci limitele noi aproape că nu apar, iar noile dimensiuni ale grăunților sunt usor de calculat, știind vechile dimensiuni, schema de deformație și gradul de deformare.

De asemenea este puțin probabilă formarea noilor limite, atunci când grăunții din semifabricat sunt echiaxiali, iar o textura distinctă lipsește. Dacă până la deformare profilul transversal al grăunților a avut o secțiune rotundă cu raza r, atunci după deformare aceștia capătă formă de elipsoid cu dimensiunile axelor:

a= r ( 1+ ε1 ) ; b= r ( 1+ ε2 ) ; c= r ( 1+ ε3 )

Forma grăuntilor în produs corespunde schemelor locale de deformație. Astfel, în cazul barelor rotunde, în centrul acestora fibrele au o secțiune rotundă, iar în apropierea suprafeței exterioare au o secțiune alungită pe circumferință. Textura și forma grăunților sunt strâns legate întrucât ambele sunt determinate de tipul schemei de deformație

Materiale folosite pentru miez

În componența unor materiale compozite, armătura este înlocuită cu un miez. Până de curând acestea erau semifabricate sub formă de plăci însă la ora actuală acestea au fost înlocuite cu semifabricatele sub formă de materiale de tip sandwich.

Miezul este sub formă de fagure și poate fi realizat din diferite materiale cum ar fi:

Balsa – este utilizată la confecționarea miezurilor sub formă de fagure.

Spuma termorezistentă – sunt materiale din gama acetatului de celuloză, polistiren, poliuretan. Sunt foarte ușoare dar prezintă un dezavantaj foarte mare, au proprietăți mecanice scăzute și sunt atacate de rășinile poliesterice.

Spuma din PVC – spre exemplu spuma de polivinil poate fi comparată cu balsa deoarece prezintă caracteristici mecanice foarte bune.

Obiectivele tezei

2.1. Necesitatea confecționării radomului din fibră de sticlă, fibră de carbon și fagure de aluminiu

Teza de doctorat își propune să studieze un domeniu foarte important datorită utilității și mai ales al utilizării în cât mai multe sectoare ale industriei, și anume cel al confecționării unui radom din fibră de sticlă, fibră de carbon și fagure de aluminiu.

În acest sens, s-au urmărit două direcții principale:

Definirea unei noii soluții tehnice pentru radomul aeronavelor;

Studierea și implementarea unui nou material compozit stratificat care să fie folosit pentru învelișul radarului.

În vederea obținerii acestor obiective trebuie îndeplinite următoarele:

Realizarea unui studiu teoretic privind stadiul actual al realizărilor în construcțiile aeronautice care să cuprindă următoarele etape:

sintetizarea datelor din literatura de specialitate în domeniul studiat;

efectuarea unui studiu privind stadiul actual al construcției radomului din materiale compozite și evoluția lui de a lungul timpului;

stadiul actual al utilizării materialelor clasice cum ar fi aliajele de aluminiu, de titan sau oțel și care sunt tendințele viitoare privind industria aeronautică;

analiza stadiului actual al utilizării materialelor compozite.

Realizarea unui studiu teoretic privind necesitatea utilizării materialelor compozite din fibră de sticlă, fibră de carbon și fagure de aluminiu pentru confecționarea radomului.

Analiza materialelor compozite ce urmează a fi folosite.

Analizarea metodelor analitice de calcul pentru diferiți parametri.

Obiectivele prezentate mai sus conduc la o vedere de ansamblu privind industria aeronautică. Din literatura de specialitate privind studiile si analizele efectuate se pot trage urmatoarele concluzii despre tendințele actuale din acest domeniu, principalele direcții de cercetare și dezvoltare la nivel internațional.

Principalele obiective:

Alegerea, calculul, testarea și optimizarea materialelor utilizate pentru radom. În această etapă se vor dezvolta următoarele:

Alegerea materialelor pentru radom în urma analizelor efectuate în capitolele precedente. Materialele trebuie să aibă caracteristici mecanice cât mai bune.

Cercetarea și elaborarea metodelor de determinare a proprietăților mecanice la tracțiune și încovoiere ale materialelor compozite alese. Acestea se vor realiza prin testarea unor epruvete confecționate din materialele alese.

Analiza termogravimetrică a materialelor compozite utilizate în confecționarea radomului.

Testarea pentru eficiența transmisiei undelor emise și receptate de antena radar prin învelișul confecționat din fibră de sticlă, fibră de carbon și fagure de aluminiu.

Efectuarea unui studiu comparativ pentru un înveliș confecționat din fibră de sticlă și unul confecționat din fibră de sticlă, fibră de carbon și fagure de aluminiu privind testarea la impact.

În vederea sintetizării informațiilor mai sus prezentate și realizării unei mai bune viziuni asupra obiectivelor urmărite în cadrul acestei teze s-a realizat o schemă generală prezentată în tabelul de mai jos:

Fig. 2.1. Schema generala a obiectivelor tezei de doctorat

Metode teoretice de calcul al proprietăților radomului

3.1. Teoria laminei plane

Efectuarea calculelor de rezistență pentru structurile realizate din materiale compozite, în vederea stabilirii stării de tensiuni și deformații, reprezintă una dintre principalele probleme cu care se confruntă cercetătorii în domeniu. Utilizând avantajele metodelor numerice de calcul se pot obține rapid și corect soluțiile căutate, pentru probleme variate și de o mare importanță practică.

Cea mai utilizată metodă de calcul numeric al structurilor realizate din materiale compozite este metoda elementelor finite (MEF). În acest sens, literatura de specialitate se îmbogățește permanent cu noi tipuri de elemente finite destinate analizei structurilor realizate din materiale compozite, dar mai ales cu elemente finite capabile să modeleze structuri din materiale compozite stratificate și armate cu fibre continue [25], [26], [27],[44].

Majoritatea elementelor finite specializate apărute în acest domeniu, permit efectuarea unei analize globale a structurilor, elementele finite având grosimea egală cu cea a compozitului din care este realizată structura studiată. Cu asemenea elemente finite se pot obține informații referitoare la starea de tensiuni și deformații din fiecare lamină ce intră în componența structurii [29]. La nivelul fiecărei lamine sunt aplicate apoi, criterii de rupere adecvate, în vederea stabilirii valorilor tensiunilor echivalente și a verificării structurii. Elementele finite de acest tip nu pot contribui la identificarea naturii deteriorărilor compozitului.

În ultimii ani a apărut o categorie mai aparte de elemente finite, având grosimea egală cu cea a compozitului structurii. Ele sunt cunoscute sub denumirea de superelemente [30], [31], [32]. Asemenea elemente finite sunt conținute și în bibliotecile programelor de firmă.

Cu ajutorul rezultatelor furnizate de programele realizate cu aceste elemente, este dificilă, uneori chiar imposibilă, studierea deteriorărilor structurii și aplicarea unor criterii de cedare a materialului compozit. Este imposibilă analiza cedării prin delaminare a materialului compozit, întrucât programele nu pot calcula tensiunile interlaminare. În general, analiza unei structuri cu aceste elemente finite, existente în special în cadrul programelor complexe de calcul, se efectuează rapid, volumul datelor de intrare este relativ scăzut, dar informațiile furnizate sunt de foarte multe ori insuficiente, mai ales atunci când se dorește studiul micromecanic, la nivelul laminelor compozitului, în vederea analizării deteriorărilor materialului.

Multitudinea de elemente finite specializate propuse în ultimul timp [33], [34], [35] arată că programele complexe de calcul nu satisfac cerințele cercetătorilor în domeniu, cu precădere acum când, analiza la nivel laminar și interlaminar a unui material compozit în vederea evidențierii deteriorărilor structurii reprezintă una dintre principalele preocupări ale acestora.

Matricea de rigiditate a unui element finit pentru analiza structurilor realizate din materiale compozite stratificate și armate cu fibre se determină prin mai multe metode, majoritatea lor fiind aplicabile și pentru elementele finite ce modelează structurile din materiale clasice.

Sunt utilizate metode care folosesc următoarele căi:

1) pornind de la ecuațiile generale ale teoriei elasticității (metoda clasică);

2) cu ajutorul calculului variațional;

3) prin intermediul formulării Lagrange totală;

4) cu teoriile de deplasare și cu teoriile mixte (teorii în tensiuni) [44].

Materialele compozite sunt livrate de obicei sub forma de straturi subțiri numite “straturi” sau lamine, care sunt suprapuse consecutiv formând un strat plan numit laminat. Un strat sau o lamină unidirecțională este un strat plan sau curb de fibre orientate într-o singură direcție și menținute împreună de materialul matriță, care susține aceste fibre. Încărcările perpendiculare pe suprafața lui se presupun nule. În timp ce comportarea materialelor izotropice poate fi descrisă prin două constante elastice (de regulă modulul lui Young și raportul Poisson) și o valoare a încărcării, un strat de compozit cu izotropie transversală este caracterizat de patru constante elastice (de rigiditate) și cinci parametri de încărcare în analiza bidimensională.

Proprietățile materialului sunt definite pe direcția fibrei (direcția x) și perpendicular pe fibra (direcția y). Pentru fiecare din straturile unidirecționale, pe axele lor, cele patru constante ortotropice sunt modulul de tracțiune longitudinal Ex, modulul de tracțiune transversal Ey, raportul lui Poisson vx și modulul de forfecare Es.

Cei cinci parametri de rezistență pentru fiecare strat unidirecțional sunt :

rezistența la tracțiune longitudinala X;

rezistența la tracțiune transversală Y;

rezistența la compesiune longitudinală X’;

rezistența la compesiune transversală Y’și

rezistența la forfecare S.

Cele cinci teste inițiale de eșantion pentru determinarea experimentală a celor nouă constante de material sunt prezentate în figura 3.1.

În graficul încărcare σ – deformare ε, materialul e caracterizat de o pantă a graficului, care reprezintă rigiditatea materialului, și de punctul de rupere, care definește încărcarea maximă pe care materialul o poate suporta.

Fig. 3.1. Teste de esantion pentru determinarea celor nouă constante de caracterizare a unui material anizotropic

3.2. Generalități.

Elementul finit tridimensional ce va fi prezentat, este special ales pentru a analiza structurile de tip placă, confecționate din materiale compozite stratificate și armate cu fibrede sticlă, carbon, bor etc..

Solicitările la care sunt supuse acestea sunt forțe care sunt concentrate în noduri, orientate pe cele trei direcții ale sistemului de axe Oxyz.

Fiecare lamină reprezintă un material compozit armat unidirecțional având direcția de armare caracterizată prin unghiul făcut de fibre cu axa Ox.

În mod normal dispunerea straturilor este simetrică ceea ce înseamnă că laminele identice sunt poziționate la distanțe egale față de un plan median care este situat la mijlocul stratificatului. Pentru această categorie de materiale compozite stratificate și armate cu fibre, sistemul de axe global Oxyz este situat în mijlocul stratificatului, așa cum este prezentat în figura 3.2.

Pentru lamine, sistemul de axe local Oltz este ales astfel încât axa Ol să fie pe direcția fibrelor de armare, axa Ot perpendiculară pe axa Ol și în planul laminei, iar axa Oz pe direcția normalei la planul laminei. Axa Oz este comună celor două sisteme de axe.

Fig. 3.2. Sistemul de axe al unui stratificat plan

Ipotezele referitoare la materialul, care urmează să fie luat în considerare în metodologia de calcul a matricei de rigiditate a elementului finit sunt următoarele:

– fiecare lamină se modelează sub forma unui mediu continuu, liniar elastic;

– laminele aflate în componența stratificatelor sunt ortotrope, paralele și lipite unele de celelalte;

– fibrele nu se examinează separat de matrice și nici stratul de rășină

– până la ruperea laminelor, îmbinările se consideră a fi ideale.

Matricea de elasticitate a unei lamine

Pentru fiecare material compozit (lamină) există o relație între tensiuni și deformații specifice care are următoarea formă [34], [35], [1], [36], [37]:

(3.1)

unde:

– și reprezintă vectorul deformațiilor specifice ale laminei, în coordonatele Oxyz;

– este matricea complianțelor raportată la sistemul de coordonateOxyz, având forma [1], [ 38], [39],[44]:

(3.2)

-reprezintă vectorul tensiunilor unei lamine, în coordonate locale, ale cărui componente se pot vedea reprezentate în figura 3.3.

Fig. 3.3 Componentele vectorului tensiunilor unei lamine în coordonate Oxyz

Deoarece, (3.3)

atunci rămân cinci constante elastice independente pentru caracterizarea elastică a unui material compozit ortotrop cu izotropie:

– El – modulul de elasticitate longitudinal al laminei, pe direcția fibrelor de armare;

– Et – modulul de elasticitate transversal al laminei, pe direcție normală pe cea a fibrelor;

– Glt – modulul de forfecare al laminei;

– lpt – coeficientul lui Poisson în planul Olt;

– tpz – coeficientul lui Poisson în planul Otz.

Aceste constante elastice pot fi determinate experimental sau analitic pentru că reprezintă datele de intrare în modelarea cu elemente finite.

Inversând relația (3.1) vom obține:

(3.4)

unde reprezintă matricea de elasticitate a unei lamine care este raportată la sistemul de coordonate Oxyz.

Matricea de elasticitate în coordonate Oxyz se obține prin particularizarea formei generale a matricei de elasticitate a unui material ortotrop (relațiile 3.4 și 3.5).

Forma matricei este următoarea:

(3.5)

Indicii 1, 2, 3 ai axelor de ortotropie au fost înlocuiți cu lp, tp și z, care reprezintă direcțiile axelor sistemului local al laminei.

După efectuarea calculelor se obține:

(3.6)

Raportată la sistemul de coordonate global Oxyz relația (3.4) devine:

{} = [D]{}. (3.7)

Dezvoltat, relația (3.7) are forma:

Proiectarea laminatului. Relații de calcul

Materialul se presupune linear și elastic astfel, rigiditatea lui este aceeași la tracțiune sau la compresiune. Pornind de la aceste patru constante elastice, pot fi proiectate, cu ajutorul teoriei laminei plane, un număr nelimitat de laminate diferite.

În mecanică, legea lui Hooke (relația 3.1) se referă la deformarea materialelor elastice supuse acțiunii forțelor. Această lege, presupune o variație liniara între efort și deplasare pentru solicitarea unidirecțională.

(3.8)

Relația efort-deformație în plan pentru lamină se reduce la:

Tensiunea longitudinală

(3.9)

(3.10)

Tensiunea transversală

(3.11)

(3.12)

Tensiune de forfecare

(3.13)

Pentru această epruvetă orientată unidirecțional a fost testată simultan sub trei tipuri de încărcare – longitudinală, transversală, și de forfecare, iar din suprapunerea deformărilor rezultă :

(3.14)

Ecuațiile de mai sus pot fi scrise și sub formă de matrice:

(3.15)

Definind matricea de rigiditate pentru încărcări plane, o altă formă a ecuației este:

(3.16)

Calculul matricei de rigiditate la încărcări plane Q pentru un singur strat unidirecțional este punctul de start al teoriei laminei plane, odată ce constantele au fost determinate experimental.

Cinematica reprezintă studiul mișcării și depinde numai de geometria obiectului studiat, nu și de proprietățile materialului din care e alcătuit acesta . De vreme ce laminatele din compozite sunt adesea structuri bidimensionale subțiri, teoria laminei plane este folosită pentru simplificarea comportării tridimensionale. Această teorie se concentrează pe comportamentul de întindere și încovoiere raportat la planul median al laminatului.

Presupunerea care formează cheia de bolta a acestei teorii este că o normală la acest plan median rămâne normală, dreaptă si nedeformată. Practic, straturile laminatului se presupun complet aderente unul la altul, nepermițând forfecare interlaminară.

Fig. 3.4. Încărcarea unui strat unidirecțional (a) și a unui strat deplasat față de axă (b)

(3.17)

Relația 3.17 reprezintă matricile de rigiditate cu deplasare față de axa asociată.

3.2.3 Îmbunătățirii aduse ecuațiilor plăcii lamina

În structurile compozitelor, structurile sandwich sunt folosite frecvent. Prin creșterea distanței între învelișurile de rezistență, un miez poate asigura cresterea rigidității la încovoiere fără o îngreunare semnificativă. Miezul este adesea idealizat în proiectarea laminatului; se presupune că el nu contribuie la rezistența laminatului sau la rigiditatea în plan, și că aderența dintre plăcile exterioare și miez este perfectă. Teorema axelor paralele poate fi folosită pentru a explica creșterea momentului de inerție pe care-l crează miezul prin deplasarea învelișurilor laminate de rezistența fată de planul median.

Odată ce învelișul laminat a fost dimensionat, pot fi făcute calcule suplimentare pentru a confirma că presupunerile legate de miez sunt valide.

Materiale și metode utilizate la construcția radomului

La ora actuală radomurile sunt construite din mase plastice armate, proiectate în primul rând pentru a proteja echipamentele electronice, echipamentul radar și radio și pentru a permite o bună funcționare a sistemelor de transmisie și de recepție.

4.1. Materiale

În vederea construirii unui radom cu cele mai bune caracteristice s-au realizat trei tipuri de materiale care au fost testate utilizând diferite metode care vor fi detaliate in capitolele urmatoare.

Materialul compozit confecționat din fibră de sticlă, fibră de carbon și miez din spuma de polietilenă

Pentru confecționarea acestui material s-au testat separat epruvete din fibră de sticlă și fibră de carbon pentru a determina numărul optim de straturi care vor fi folosite în realizarea materialului.

Pentru determinarea celor mai bune proprietăți mecanice se vor realiza epruvete din fibră de sticlă cu 1, 2 și 3 straturi utilizând fibră de sticlă E-7781, rașină epoxidică Resin 1050 și întăritor Hardeners 1059 și epruvete din fibră de carbon preimpregnată Plain 200 cu 3, 4 și 5 straturi.

Materialele utilizate pentru acest stratificat sunt prezentate în Tabelul 4.1.

Tabel 4.1. Materiale folosite pentru confecționarea compozitului cu miez din spuma de polietilenă

Materialul compozit confecționat din fibră de sticlă, fibră de carbon și miez din fagure de hârtie

Pentru determinarea celor mai bune proprietăți mecanice se vor realiza epruvete din fibră de sticlă cu 1, 2 și 3 straturi utilizând fibră de sticlă Bx 300-1250, rașină epoxidică L20 și Liant EPH 161 și epruvete din fibră de carbon preimpregnată Plain 200 cu 3, 4 și 5 straturi.

Materialele utilizate pentru acest stratificat sunt prezentate în Tabelul 4.2.

Tabel 4.2. Materiale folosite pentru confecționarea compozitului cu miez din fagure de hârtie

Materialul compozit confecționat din fibră de sticlă, fibră de carbon și miez din fagure de aluminiu

Pentru determinarea celor mai bune proprietăți mecanice se vor realiza epruvete din fibră de sticlă cu 1, 2 și 3 straturi utilizând fibră de sticlă Bx 300-1250, rașină epoxidică L20 și Liant EPH 161 și epruvete din fibră de carbon preimpregnată Plain 200 cu 3, 4 și 5 straturi.

Materialele utilizate pentru acest stratificat sunt prezentate în Tabelul 4.3.

Tabel 4.3. Materiale folosite pentru confecționarea compozitului cu miez din fagure de aluminiu

Metode de realizare a materialelor compozite

4.2.1 Metoda formării prin contact

Formarea prin contact este procedeul cel mai comun de obținere a pieselor din material compozit. Metoda constă în aplicarea manuală succesivă a pliurilor din țesătură din fibră de sticlă și carbon și a rășinii catalizate. Procedeul se remarcă prin simplitatea tehnologiei și costurile reduse ale mulajelor folosite. Metoda prezintă însă următoarele dezavantaje: cadență scăzută, grosimea relativ neuniformă a pieselor, caracteristici fizico-mecanice medii ale materialului compozit, consum mare de manoperă și toxicitatea ridicată a postului de lucru.

Materiale necesare obținerii produselor stratificate obținute prin impregnarea fibrelor de sticlă cu rășini se depozitează în spații uscate, aerisite, ferite de surse de foc, radiații solare și intemperii, la temperaturi cuprinse între 5 – 25 °C.

Realizarea materialelor compozite mai sus menționate utilizând metoda formării prin contact s-a făcut conform fluxului tehnologic prezentat mai jos:

Pregatirea mulajului constă în următoarele etape:

Degresare cu metil-etil-cetonă;

Uscare;

Aplicarea unui strat de ceară;

Uscare 15 minute;

Lustruire;

Aplicarea unui strat de lichid demulant – alcool polivinilic 631;

Uscare.

Pregatirea țesăturii din fibră de sticlă/fibră de carbon

Se taie fibra luând în calcul și un adaos tehnologic de maxim 50 mm;

Uscare 1.5 h la 105±5ºC.

Prepararea rășinii

Se cântărește baza și întăritorul;

Omogenizare.

Impregnarea fibrei de sticlă/fibrei de carbon

Aplicarea unui strat de rasină;

Asezarea unui strat de fibră care va fi urmat de presare;

Se repetă operația de impregnare (rașină + fibră pană la obținerea grosimii finale).

Polimerizarea

Uscare inițială 24h la 20-30ºC;

Uscare finală 7 zile la 20-30ºC.

4.2.2 Metoda formării sub vid

Este un procedeu similar cu cel de formare prin contact, cu diferența că în faza finală, când materialul este adus la grosimea corespunzătoare, se dispune pe exterior o peliculă subțire de celofan sau polivinil acetat care îmbracă forma. O pompă de vid va absorbi aerul dintre folie și materialul depus, mulându-se după matriță obținându-se astfel piesa finală.

Acestă metodă a fost folosită pentru realizarea materialului cu fagure de aluminium și în final al costrucției radomului. Pentru că în interiorul materialului a fost înglobat fagurele de aluminium acesta trebuie să beneficieze de o pregătire a suprafeței înainte, care constă în degresare alcalină într-o soluție de Oakite 61 B urmată de decaparea în Deoxidizer 6/16 timp de două minute (toleranța la timpul de decapare este de: ±30 secunde ) a metalului ce trebuie lipit. Fagurele de aluminiu trebuie apoi uscat la maxim140°F (60 °C ). După pregatire, fagurele de aluminiu trebuie să fie asamblată în maxim 7 zile, de la pregatirea de suprafață.

După ce fagurele este tratat acesta trebuie lipit pe suprafața laminatului cu grundul adeziv structural, în maxim 16 ore de la pregatirea de suprafață. Piesa confecționată este polimerizată în autoclavă. Fiecare piesă polimerizată în autoclavă, cu circulație de aer, va fi polimerizată timp de 90 – 150 minute la o temperatură de 250±10°F (121±5°C) și o presiune pozitivă. Când presiunea în autoclavă ajunge la 20 psi (0.7 atm), vacuumul va fi purjat în atmosferă. Viteza liniară de creștere a temperaturii va fi de minim 1°F /min (0.5°C/min), la maxim de 8° F/min (4°C/min). Piesa va fi racită până la 140°F (60°C) sub presiunea totală cu o viteză liniară maximă de scădere a temperaturii de maxim 8°F/min (4°C/min).

Temperatura, presiunea și vidul vor fi înregistrate permanent în timpul ciclului de polimerizare. Fiecare piesă aflată sub sacul de vid va fi verificată pentru pierderea vidului din 20 în 20 minute.

Metode de testare a materialelor compozite

4.3.1 Solicitarea la tracțiune

Solicitarea cea mai frecventă la care sunt supuse fibre în timpul prelucrării acestora, precum și în timpul utilizării produselor finite este cea de tracțiune. Solicitarea de tracțiune provoacă întotdeauna o deformație pe direcția de solicitare. Forțele de tracțiune la care sunt supuse fibrele în timpul prelucrării, sau utilizării sunt, de cele mai multe ori mai mici decât cele de rupere, dar pot provoca deformații ireversibile pronunțate. Asemenea deformații apar chiar după o primă solicitare, sau mai ales după solicitări repetate. În ambele cazuri mărimea lor este dependentă de timpul solicitării. Fiecare tip de fibră se caracterizează printr-un anumit mod de comportare la tracțiune, care trebuie cunoascut foarte bine pentru nu distruge parțial sau chiar total fibrele înainte de a le introduce în structura produsului finit. De asemenea, cunoșterea tuturor aspectelor cu privire la comportarea la tracțiune a fibrelor permite stabilirea celui mai adecvat amestec fibros, care să confere produsului finit proprietățile impuse de domeniul de utilizare al produsului.

Principiul metodei de tracțiune: Epruveta este alungită în lungul axei sale principale cu o viteză constantă, până la rupere sau până când tensiunea (sarcina) sau deformarea (alungirea) atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării sunt măsurate sarcina (forța) suportată de către epruvetă și alungirea ei.

Epruvete

Formă și dimensiuni

Solicitarea la tracțiune s-a realizat pe epruvete dreptunghiulare cu taloane lipite conform figurii 4.1 cu dimensiunile prezentate în tabelul 4.4.

Fig 4.1. Epruvetă de tip dreptunghiular cu taloane

Tabel 4.4. Dimensiunea epruvetelor

4.3.2 Încercarea la încovoiere

Determinarea experimentală a epruvetelor s-a realizat conform standardului roman SR EN ISO 14125 Compozite de materiale-plastice armate cu fibre, Determinarea proprietăților de încovoiere. Metoda se utilizează pentru determinarea comportării la încovoiere a epruvetelor și pentru determinarea rezistenței la încovoiere, a modulului de elasticitate la încovoiere și a altor aspect legate de relația efort/deformație în condițiile date. Se aplică în cazul unei pârghii simplu rezemate, încărcată în trei sau patru puncte de încovoiere.

Modul de așezare și de încercare a epruvetei se alege astfel încât să se limiteze deformația la forfecare și să se evite ruperea prin forfecare interlaminară [161].

Epruveta, sprijinită ca o pârghie, este supusă la încovoiere cu viteză constantă, până la rupere sau până când deformația atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării se măsoară forța aplicată pe epruvetă și săgeată. În cazul materialelor care au proprietăți fizice, de exemplu elasticitatea, dependente de direcție, epruvetele trebuie alese astfel încât, în timpul încercării, tensiunea de încovoiere să fie aplicată pe aceeași direcție în care materialele sunt solicitate.

Dacă într-o aplicație materialul este supus unei tensiuni pe o direcție specifică față de direcția principală, se recomandă ca materialul să fie încercat pe această direcție. În oricare dintre încercări grosimea epruvetei pe toată lungimea nu trebuie să aibă cu mai mult de 2% din grosimea medie. Abaterea maximă corespunzătoare pentru lățime este de 3%. Secțiunea transversală trebuie să fie dreptunghiulară și fără muchii rotunjite.

4.3.3 Testarea pentru eficiența transmisiei

Eficiența transmisiei este procentul de energie al microundelor, care trec prin radom. Acesta este de obicei măsurată pe diferite regiuni unghiulare. Se măsoară prin compararea nivelurilor de putere recepționate de o antenă de testare în două condiții diferite:

în primul rând, cu radomul instalat pentru a acoperi antena

în al doilea rând, fără radom.

Pierderile, cum ar fi semnalul care trece prin radom sunt cauzate de o combinație de reflecție, difracție, absorbția, refracție, și depolarizare.

4.3.4 Comportamentul la impact

Deteriorările la impact sunt unanim recunoscute ca fiind printre cele mai severe forme de deteriorare întâlnite în laminatele compozite. În timp ce, la impactul balistic aceste deteriorări sunt vizibile, impactul cu viteză mică este, de obicei, responsabil pentru deteriorări care sunt dificil de detectat cu ochiul liber – așa numitele deteriorări BVID (Barely Visible Impact Damage), dar care pot reduce dramatic capacitatea portantă a structurii.

Efectul deteriorărilor la impact, în mod special asupra rezistenței la compresiune este cunoscut de mai mult de 15 ani în cazul structurilor aeronautice compozite. Modul de lucru tradițional, de a lua în calcul deteriorările la impact, este de a limita deformația specifică admisibilă la compresiune la aproximativ 0.3%, în timp ce, materialul respectiv putea probabil suporta deformații de ordinul a 0.8-1% (cel puțin), în condiții de solicitare standard (umiditate și temperatură).

Testele executate pe epruvete au arătat reduceri semnificative ale rezistenței reziduale de compresiune (compression-after-impact strength CAI), putând ajunge la 70% pentru compozite cu rășini termorigide și mai puțin semnificative de obicei, pentru rășini termoplastice.

Compozitele polimerice răspund la impact și disipă energia cinetică a proiectilului într-un mod diferit față de metale. Pentru cazul energiilor mici și intermediare de impact, metalele absorb energia cinetică a proiectilului prin deformații elastice și plastice. Deformațiile permanente care pot apare în acest caz, determină o micșorare redusă a capacității portante. Pentru energii mari de impact, poate avea loc perforarea sau ruperea structurii și trecerea proiectilului prin structură poate duce la ruperi neregulate, fisurare și fragmentare în zona perforată. Deși asemenea deteriorări vor reduce capacitatea portantă a structurii, efectele acestora pot fi evaluate folosind principiile mecanicii ruperii.

Pentru compozite, capacitatea de a înregistra deformații permanente este extrem de limitată, energia fiind absorbită în mod frecvent prin crearea unor arii mari de delaminare, care conduc la reducerea rezistenței și rigidității.

4.3.4 Analiza termogravimetrică

Analiza termogravimetrică (TGA) este o metodă analitică folosită pentru studierea stabilității termice a materialelor si pentru determinarea fracției de componente volatile prin monitorizarea modificării masei la încalzire. Măsurătorile pot fi efectuate în aer sau în atmosferă controlată de gaz inert, iar masa este înregistrată în funcție de temperatură. Această metodă se bazează pe analiza dependenței pierderii de masă in functie de temperatura unei probe de material când acesta este încălzit cu o viteză dată, constantă, până la finalizarea procesului de degradare (masa rămasă rămâne constantă cu creșterea temperaturii) – aprox. 900°C [H. G. Wiedemann, 1964]. Este o metodă larg utilizată în studiul materialelor polimerice, deoarece oferă informații asupra creșterii stabilității termooxidative a materialului, deci o îmbunătățire a performanțelor sale.

Determinarea caracteristicilor mecanice pentru materialele compozite alese

În cadrul capitolului 5 este prezentată analiza proprietăților mecanice de material, rezultate în urma solicitării la tracțiune și încovoiere a trei tipuri de materiale compozite armate cu fibre de sticlă și fibre de carbon.

Determinarea caracteristicilor mecanice ale materialelor compozite solicitate la tracțiune

Încercarea la tracțiune monoaxială este apreciată a fi cea mai importantă, dar și cea mai utilizată dintre încercările statice datorită simplității procedurii de obținere a unor caracteristici de rezistență și rigiditate. Caracteristicilor mecanice ale materialului compozit duc la determinarea gradului de durificare al compozitului, acesta depinzând de: fibre, matrice, proporția fibrelor încorporate în compozit, cantitatea de fibre încorporate în compozit. Cu cât fracția de volum a fibrelor din compozit este mai mare, curba caracteristică a compozitului va fi mai apropiată de rezistență fibrelor

5.1.1. Materiale

Pentru determinarea caracteristicilor mecanice prin încercarea la tracțiune s-au realizat două seturi de epruvete, unul din fibră de sticlă și unul din fibră de carbon.

Epruvetele din fibră de sticlă a fost realizat folosind fibră de sticlă E-7781, rășină epoxidică Resin 1050 și întăritor Hardeners 1059 cu 1, 2 și 3 straturi

Epruvetele din fibră de carbon au fost realizate din fibră de carbon preimpregnată Plain 200 cu 3, 4 și 5 straturi.

5.1.2. Aparatura utilizată

Aparatura utilizată este o mașină de încercat cu viteză de tracțiune constantă, conform ISO 527, constituită din: parte fixă, prevăzută cu bacuri de fixare a epruvetei și o parte mobilă prevăzută de asemenea cu bacuri de fixare a epruvetei și cu mecanismul de antrenare.

Mașina de încercare este de tipul LS100, prezentată în Figura 5.1, produsă de Lloyd’s Instruments, Marea Britanie.

Mașina de încercare prezintă următoarele specificații: domeniul de forță maximă: 100 kN; acuratețea vitezei de testare: <0.2%; cursa maximă: 840 mm; rezoluția sarcinii: <0.01% din celula de forța utilizată; rezoluția extensiei: <0.1 microni; celula de forță: XLC-100K-A1; software de analiză: NEXYGEN MT.

Mașina de încercare este prevăzută cu un extensometru care este utilizat pentru a determina variația relativă a lungimii de referință a epruvetei în fiecare moment al încercării.

Extensometrul trebuie să fie, lipsit de oricare influență din cauza inerției la viteza de încercare setată și trebuie să fie capabil să măsoare lungimea de referință cu exactitatea de 1 %, sau mai mare pentru valoarea măsurată. În cazul de față lungimea de referință este de 50 mm.

5.1.3. Epruvete

Formă și dimensiuni

Solicitarea la tracțiune s-a realizat pe epruvete dreptunghiulare cu taloane lipite conform ISO 527.

Fig 5.2. Epruvetă de tip dreptunghiular cu taloane

Tabel 5.1. Dimensiunea epruvetelor

Numarul de epruvete

Pentru încercarea la tracțiune s-au confecționat 5 epruvete pentru fiecare material dupa cum urmează:

– material compozit armat cu fibre de sticlă (E-7781), impregnat cu rășina epoxidică (Resin 1050) și întăritor (Hardeners 1059): 1 strat (5 epruvete), 2 straturi (5 epruvete); 3 straturi (5 epruvete);

– material compozit armat cu fibre de carbon pre-impregnate cu rășina epoxidică

(PLAIN 200): 3 straturi (4 epruvete), 4 straturi (4 epruvete); 5 straturi (4 epruvete).

Dimensiunea măsurată a epruvetelor

Înainte de efectuarea testării epruvetelor, s-au măsurat cu precizie dimensiunile secțiunii transversale și lățimea epruvetei; aceste dimensiuni s-au introdus ca date de intrare în calculatorul ce este conectat la mașina de testat, având un soft corespunzător care preia datele experimentale de la mașina de încercat și le prelucrează statistic. Epruvetele au fost prelevate din plăcii de diferite grosimii.

În tabelul 5.2. sunt prezentate caracteristicile geometrice ale epruvetelor realizate din fibră de sticlă și fibră de carbon supuse încercării la tracțiune.

5.1.4. Principiul de testare a epruvetelor

Epruveta se poziționează între cleme astfel încât axa ei longitudinală să fie aliniată cu axa mașinii de încercare. Clemele se strâng în mod regulat și ferm, pentru a evita alunecarea epruvetelor. Pentru a obține rezultate de calitate viteza de încercare folosită este v = 1 mm/min. În urma încercărilor se vor măsura deformația specifică maximă (εmax) și modulul de elasticitate la tracțiune (E).

În cadrul testelor, epruveta este alungită în lungul axei sale principale cu o viteză constantă, până la rupere sau până când tensiunea sau deformarea a atins o valoare prestabilită.

5.1.5. Solicitarea la tracțiune a materialului armat cu fibră de sticlă

Determinarea caracteristicilor mecanice ale materialului compozit armat cu fibră de sticlă s-a realizat utilizând epruvete după cum urmează: cu 1 strat, 2 straturi, 3 straturi. În urma solicitării la tracțiune s-au obținut următoarele rezultate:

Materialul compozit armat cu fibră de sticlă cu 1 strat

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu un strat sunt în Figura 5.4 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.3.

Tabel 5.3. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor composite cu un strat

În urma testelor se poate observa că epruveta cu numarul 4 prezintă un modul de elasticitate mai mare decât celelalte ceea ce înseamnă că rigiditatea este mai mare și deformarea mai redusă.

Material compozit armat cu fibră de sticlă cu 2 straturi

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu două straturi sunt în Figura 5.6 și datele obținute în urma încercării sunt rezumate în Tabelul 5.4.

Tabel 5.4. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor compozite cu 2 straturi

Material compozit armat cu fibră de sticlă cu 3 straturi

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu două straturi sunt în Figura 5.8 și datele obținute în urma încercării sunt rezumate în Tabelul 5.5.

Tabel 5.5. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor compozite cu 3 straturi

Sinteza rezulatelor

În urma încercării la tracțiune pe cele trei tipuri de epruvete s-au obținut următoarele rezultate experimentale prezentate în tabelul 5.6.

Tabel 5.6. Sinteza rezultatelor obținute pentru materialul compozit armat cu fibră de sticlă

S-au ales epruvetele care au cea mai mare mare valoare pentru modulul longitudinal de elasticitate pentru că acestea prezintă cele mai bune proprietăți mecanice.

5.1.6. Calculul densității materialului compozit armat cu fibră de sticlă

Pentru a putea calcula densitatea materialului compozit ne vom folosi de caracteristicile geometrice ale epruvetelor solicitate la tracțiune (Tabel 5.7).

Se va calcula volumul fiecărei epruvete utilizând caracteristicile geometrice.

Volumul epruvetei cu un strat:

Volumul epruvetei cu două straturi:

Volumul epruvetei cu trei straturi:

Sinteza rezultalelor

Tabel 5.8. Rezultatele obținute pentru volum și masă pentru epruvetele solicitate la tracțiune

Cu valorile pentru masă și volum obținute, au rezultat următoarele densități de material pentru compozitul armat cu fibră de sticlă:

Tabel 5.9. Densitatea materialului compozit armat cu fibre de sticlă

Valorile pentru coeficientul lui Poisson (ν) și modulul de elasticitate transversal (G) pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă se aleg asemănător unor materiale similare din literatura de specialitate, astfel: νfs=0.05 iar Gfs =4800 [MPa].

5.1.7. Solicitarea la tracțiune a materialului armat cu fibră de carbon

Determinarea caracteristicilor mecanice ale materialului compozit armat cu fibră de carbon s-a realizat utilizând epruvete după cum urmează: cu 1 strat, 2 straturi, 3 straturi. În urma solicitării la tracțiune s-au obținut următoarele rezultate:

Materialul compozit armat cu fibră de carbon cu 1 strat

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon cu un strat sunt în Figura 5.10 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.10.

Tabel 5.3. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor compozite armate cu fibră de carbon cu un strat

Materialul compozit armat cu fibră de carbon cu 2 straturi

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon cu un strat sunt în Figura 5.11 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.11.

Tabel 5.3. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor compozite armate cu fibră de carbon cu 2 straturi

205000

Se observa că rezistența depinde de structura materialului.

Materialul compozit armat cu fibră de carbon cu 3 straturi

Rezultatele testelor de tracțiune pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon cu trei straturi sunt în Figura 5.12 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.12.

Tabel 5.12. Rezultatele obținute la tracțiune a materialelor compozite armate cu fibră de carbon cu 2 straturi

Sinteza rezulatelor

În urma încercării la tracțiune pe cele trei tipuri de epruvete s-au obținut următoarele rezultate experimentale prezentate în tabelul 5.13.

Tabel 5.13. Sinteza rezultatelor obținute pentru materialul compozit armat cu fibră de sticlă

5.1.6. Calculul densității materialului compozit armat cu fibră de sticlă

Pentru a putea calcula densitatea materialului compozit ne vom folosi de caracteristicile geometrice ale epruvetelor solicitate la tracțiune (Tabel 5.7).

Se va calcula volumul fiecărei epruvete utilizând caracteristicile geometrice.

Volumul epruvetei cu un strat:

Volumul epruvetei cu două straturi:

Volumul epruvetei cu trei straturi:

Sinteza rezultalelor

Tabel 5.8. Rezultatele obținute pentru volum și masă pentru epruvetele solicitate la tracțiune

Cu valorile pentru masă și volum obținute, au rezultat următoarele densități de material pentru compozitul armat cu fibră de sticlă:

Determinarea caracteristicilor mecanice ale materialelor compozite solicitate la încovoiere

Încercarea de încovoiere caracterizează comportamentul unui element structural subțire supus unei sarcini externe aplicată perpendicular pe axa longitudinală a elementului. Elementul structural (în cazul de față, epruveta) se presupune a fi astfel încât cel puțin una din dimensiunile sale să reprezinte un procent aproximativ de 1 / 10 sau mai puțin (Sidebottom O. M, 1993).

Metoda se utilizează pentru determinarea comportării la încovoiere a epruvetelor și pentru determinarea rezistenței la încovoiere, a modulului de elasticitate la încovoiere și a altor aspecte legate de relația efort/deformație în condițiile date. Se aplică în cazul unei pârghii simplu rezemate, încărcată în trei sau patru puncte de încovoiere. Modul de așezare și de încercare a epruvetei se alege astfel încât să se limiteze deformația la forfecare și să se evite ruperea prin forfecare interlaminară

Epruveta, sprijinită ca o pârghie, este supusă la încovoiere cu viteza constantă, până la rupere sau până când deformația atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării se măsoară forța aplicată pe epruvetă și săgeată.

În cazul materialelor care au proprietăți fizice, de exemplu elasticitatea, dependente de direcție, epruvetele trebuie alese astfel încât , în cursul încercării, tensiunea de încovoiere să fie aplicată pe aceeași direcție ca aceea în care produsele sunt solicitate în serviciu.

În oricare dintre încercări grosimea epruvetei pe toată lungimea nu trebuie să aibă cu mai mult de 2% din grosimea medie. Abaterea maximă corespunzătoare pentru lățime este de 3%. Secțiunea transversală trebuie să fie dreptunghiulară și fără muchii rotunjite.

Determinarea experimentala a epruvetelor din materiale compozite s-a realizat conform standardului român SR EN ISO 14125 din 1998, Compozite de materiale-plastice armate cu fibre, Determinarea proprietăților de încovoiere (14125, 1998)

Prezenta parte a ISO 14125 are la bază ISO 178, in care se regasesc caracteristicile materialelor plastice armate cu fibre. Se păstrează condițiile de încercare relevante pentru sistemele armate cu fibre de carbon și se extind condițiile de încercare din ISO 178 pentru a include atât modalitatea de încercare în trei puncte (metoda A), cât și încercarea în patru puncte (metoda B), dar și condițiile pentru compozitele pe bază de fibre de carbon.

Caracteristicile la încovoiere ale unei structuri compozite tip sandwich se determină utilizând bare de formă rectangulară decupate din plăci. Barele se sprijină liber, fiind încărcate la mijlocul deschiderii (metoda celor trei capete de apăsare).

Caracteristicile la încovoiere care se pot determina sunt:

Tensiunea de încovoiere și săgeata la rupere în cazul materialelor care se rup înainte de atingerea sau la atingerea săgeții convenționale;

Tensiunea de incovoiere pentru săgeata convențională a materialelor care nu se rup înainte de atingerea săgeții convenționale sau la atingerea săgeții convenționale;

Tensiunea de încovoiere pentru sarcina maximă, în cazul materialelor care ating sarcina maximă înaintea sau la atingerea săgeții convenționale;

Tensiunea de încovoiere la rupere sau pentru sarcina maximă, în cazul în care săgeata convențională este depăsită;

Modulul de elasticitate la încovoiere.

5.2.1. Materiale

Materialele compozite, utilizate pentru obținerea epruvetelor, au fost realizate sub forma unor plăci plane, de grosimi diferite.

Pentru primele epruvete încercate la rupere prin încovoiere, s-a realizat o placă din material compozit, din fibră de sticlă.

Epruvetele din fibră de sticlă a fost realizat folosind fibră de sticlă E-7781, rășină epoxidică Resin 1050 și întăritor Hardeners 1059. După depunerea celor 3, 4 sau 5 straturi, materialele au fost lăsate să polimerizeze la temperatura mediului ambient.

Cel de-al doilea set de epruvete care au fost încercate prin încovoiere, s-au realizat dintr-o placă din material compozit, din fibră de carbon.

Epruvetele din fibră de carbon au fost realizate din fibră de carbon preimpregnată Plain 200 cu 3, 4 și 5 straturi. În cazul materialelor studiate au fost supuse încercărilor un număr de patru epruvete pentru material compozit armat cu fibre de sticlă și patru epruvete pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon, astfel:

– material compozit armat cu fibre de sticlă (E-7781), impregnat cu rășina epoxidică (Resin 1050) și întăritor (Hardeners 1059): 3 strat (4 epruvete), 4 straturi (4 epruvete); 5 straturi (4 epruvete);

– material compozit armat cu fibre de carbon pre-impregnate cu rășina epoxidică (PLAIN 200): 3 straturi (4 epruvete), 4 straturi (4 epruvete); 5 straturi (4 epruvete).

Dimensiunea măsurată a epruvetelor

Înainte de efectuarea testării epruvetelor, s-au măsurat cu precizie dimensiunile secțiunii transversale și lățimea epruvetei; aceste dimensiuni s-au introdus ca date de intrare în calculatorul ce este conectat la mașina de testat, având un soft corespunzător care preia datele experimentale de la mașina de încercat și le prelucrează statistic. Epruvetele au fost prelevate din plăcii de diferite grosimii.

În tabelul 5.2. sunt prezentate caracteristicile geometrice ale epruvetelor realizate din fibră de sticlă și fibră de carbon supuse testelor la încovoiere.

Tabelul 5.9 Valorile parametrilor geometrici pentru solicitarea de încovoiere

5.2.2. Principiul de testare a epruvetelor

Epruveta, este sprijinită ca o pârghie, pe două rezeme (Figura 14) și este supusă la încovoiere cu viteză constantă, până la rupere. În timpul încercării sunt măsurate forța aplicată pe epruvetă și deformția specifică a acesteia (deplasarea unui punct situat la mijlocul distanței dintre punctele de sprijin).

Aceste măsurători sunt materializate într-un grafic forță – deformție specifică. Epruveta se consideră ruptă la prima cădere a graficului forță – deformție specifică.

5.2.3. Rezultatele încercărilor la încovoiere a epruvetelor din materiale compozite

Epruvetele au fost numerotate de la 1 la 4 pentru fiecare număr de straturi. Viteza de încercare a epruvetei este de 0,1mm/s, la temperatura mediului ambiant de 20ºC. Epruvetele trebuie sa aibă aceeași temperatură ca și mediul în care are loc încercarea.

Pentru fiecare epruvetă se realizează folosind un sistem automat de înregistrare graficul forță/deformație specifică.

5.2.3.1. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu 3 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.15 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.10

Tabel 5.10. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de sticlă cu trei straturi

5.2.3.2. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu 4 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.16 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.11.

Tabel 5.11. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de sticlă cu patru straturi

5.2.3.3. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu 5 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.17 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.12.

Tabel 5.11. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de sticlă cu cinci straturi

5.2.3.4. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon cu 3 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de carbon cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.18 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.12

Tabel 5.12. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de carbon cu trei straturi

5.2.3.5. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu 4 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.16 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.11.

Tabel 5.11. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de sticlă cu patru straturi

5.2.3.6. Rezultalele soliciatării la încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu 5 straturi

Rezultatele testelor de încovoiere pentru materialul compozit armat cu fibre de sticlă cu trei straturi sunt prezentate în Figura 5.17 și datele relative sunt rezumate în Tabelul 5.12.

Tabel 5.11. Rezultatele obținute la încovoiere a materialelor compozite din fibră de sticlă cu cinci straturi

1. Probleme locale la materiale compozite,Teză de doctorat, U.P.B. Hadăr, A. 1997.

2. Z., Hashin. Theory of Fibre Reinforced Materials. Theory of Fibre Reinforced Materials. s.l. : NASA, 1972.

3. Univers Ingineresc. Tomescu T. Brasov : AGIR, 2003, Vol. 8.

4. Three – Dimensional Finite Element Analysis on Interlaminar Stresses of Symmetric Laminates, Computers and Structures. Wei J., Zhao J. H. 1991, Vols. Vol. 41, nr. 4.

5. Anglin, J.M. Aircraft Applications. Engineered Materials Handbook – Composites. 1989.

6. Potential application of sewing technologies as a joining process for FRP materials,. Gries T., Laourine E., Pickett A.K. s.l. : Aachener Textil Tagung, 2001.

7. Rules for Classification and Construction. J.C.Halpin. Germania : Germanischer Lloyd, 2006.

8. Progrésses métallurgiques recentes dans les alliages de l ' aluminium corroyés, in: Revue de l 'aluminium. Develay, R. France : s.n., 1980, Vols. nr. 493,p.137-158.

9. Miller, Tara. Introduction to Composites. New York : Composites Institute, Society of the Plastics Industry, 1998.

10. Alpert Y., Jerby E.,. Coupled thermal- Electromagnetic Model for Microwave heating of Temp Dependent Dielectric Media. s.l. : IEEE Trans. on plasma Sci., vol.2, no.2, 1999.

11. Glosar Aviatic . Miclaus L. Timisoara : Editura Marineasa,http://www.elibrarie.ro/carti/miclaus.pdf;, 2001.

12. Proiectarea structurilor de aeronave și astronave. A., Petre. Bucuresti : Editura Academiei Române, 1999, Vols. pp.11–12. ISBN 973-27-0687-2.

13. Quality program requirements. MIL-Q-9858. s.l. : Boeing Specification.

14. General specification for airplane strength and rigidity. -A-8860B, MIL. s.l. : Boeing Specification.

15. General specification for radomes. -R-7705B, MIL. s.l. : Boeing Specification.

16. Contribuții privind implementarea materialelor compozite în construcția de mașini, Teză de doctorat. Pavel, R. București : s.n., 1999.

17. Materiale compozite.Prezentare generală. s.l. : Cursuri master.Facultatea de Stiința și Ingineria Materialelor.

18. Hadăr, A. Structuri din compozite stratificate. București : Editura Academiei și Editura AGIR, 2002.

19. Materiale plastice și compozite în ingineria autovehiculelor. Chiru A., Scutaru M. L., Vlase S., Cofaru C. 2011.

20. 1. Hollaway, Leonard (Editor). Handbook of Polymer Composites for Engineers. Cambridge : Woodhead , 1994.

21. Influenta geometriei burghielor asupra prelucrabilitatii materialelor compozite. A., Vaida. s.l. : Sesiunea stdenteasca stiintifica, 2015.

22. B., Lupescu M. Fibre de armare pentru materialele compozite. Bucuresti : Editura Tehnica, 2004. ISBN: 973-31-2212-2.

23. Backer A., Dutton S., Kelly D. Compozite Materials for Aircraft Structures. s.l. : Editura American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004. ISBN 978-1563475405.

24. Cazimirovici E., Suciu M.V. Bazele laminarii aliajelor speciale ale unor metale neferoase usoare.

25. Bathe, K. J., Ho, L. W. A Simple and Effective Element for Analysis of General Shell Structures, Computers and Structures. s.l. : Vol. 13, 1981.

26. Hinton, E. The Flexural Analysis of Laminated Composites Using a Parabolic Isoparametric Plate Bending Element, International Journal for Numerical Methods in Engineering. s.l. : Vol. 15, 1976.

27. Finite Element Solution for Laminated Thick Plates. Mau, S. T., Tong, P., Pian, T. H. H. s.l. : Journal of Composites Materials , 1977, Vol. Vol. 6.

28. Finite Element Analysis of Laminated Composites Plates. Panda, S. C., Natajaran, R. s.l. : International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1979, Vol. Vol. 14.

29. A Penalty Plate-Bending Element for the Analysis of Laminated Anisotropic Plates. Reddy, J. N. s.l. : International Journal Numerical Method in Engineering, 1980, Vol. Vol. 15.

30. Alămoreanu, E., Negruț, C., Jiga, G. Calculul structurilor din materiale compozite. București : Universitatea “Politehnica" , 1993.

31. Analysis of Multilayer Laminates Using Three – Dimensional Superelements. Jones, R., Callinan, R., Teh, K. K., Brown, K. C. s.l. : Journal of Numerical Methods in Engineering, 1984, Vol. Vol. 20.

32. An Invariant Eight – Node Hybrid – Stress Element of Thin and Thick Multilayer Laminated Plates. Spilker, R. L. s.l. : International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1984, Vol. vol. 20.

33. Alternate Hybrid – Stress Elements for Analysis of Multilayer Composite Plates. Spilker, R. L., Chou, S. C., Orninger, O. s.l. : Journal of Composites Materials, 1977, Vol. vol. 11.

34. Finite Element Micromechanical Analysis of an Unidimensional Composite Including Longitudinal Shear Loading. 11. Adams, D. F., Crane, D. A. s.l. : Computers and Structures, 1984, Vol. vol. 18.

35. Tecnicas avanzadas de calculo de composites. Miravete, A., Perez, E., Fernandez, J. Barcelona : Simposium de Materiales de Alta Tecnologia, 1986.

36. Three-Dimensional Finite Element Analysis on Interlaminar Stresses of Symmetric Laminates. Wei, J., Zhao, J. H. s.l. : Computers and Structures, 1991, Vols. Vol. 41, nr. 4.

37. Matériaux composites. Gay, D. Paris : Editions Hermes, 1991.

38. Cristescu, N. Mecanica materialelor compozite. s.l. : Universitatea București Vol.1, 1983.

39. Reddy, J. N. Mechanics of Composites Structures. New York : Mc Graw Hill, 1980.

40. Tsai, S. W., Hahn, H. T. Introduction to Composite Materials. s.l. : Westport, 1980.

41. Reddy, J. N. An Introduction to the Finite Element Method. New York : Mc Graw Hill, 1984.

42. A Rafined Mixed Shear Flexible Finite Element for the Nonlinear Analysis of Laminated Plates. Reddy, J. N. s.l. : Computers & Structures, 1986, Vol. Vol. 22.

43. https://ro.wikipedia.org/wiki/Avion. [Online] [Cited: 05 24, 2014.]

44. www.resit.pub.ro/cursuri master/CAP.6. [Online] [Cited: 04 26, 2015.]