Materiały funkcjonalne i złożone w transporcie lotniczym

• Autorzy: Surowska B.

Warianty tytułu

EN

Functional and hybrid materials in air transport

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Od wielu lat w lotnictwie wykorzystywane są materiały kompozytowe, które przy stosunkowo niewielkim ciężarze cechują się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. Pozwala to na zbudowanie bardzo wytrzymałej i lekkiej konstrukcji samolotu, a w związku z tym na obniżenie kosztów eksploatacji. Niestety doskonałe właściwości mechaniczne kompozytów ulegają znacznemu obniżeniu w momencie pojawienia się uszkodzenia. Dlatego poszukuje się nowych materiałów złożonych o wyższej odporności na pękanie oraz sposobów diagnozowania stanu struktury w procesie jej wytwarzania i eksploatacji. Do materiałów nowej generacji należą laminaty metalowo-kompozytowe (FML). Są to laminaty składające się z warstw cienkiej blachy metalowej i kompozytu polimer-włókno ceramiczne lub polimerowe. Laminaty takie charakteryzują się doskonałymi właściwościami równocześnie metalu i włóknistego kompozytu polimerowego. Taka kombinacja daje w rezultacie nową generację materiałów hybrydowych o właściwościach hamowania i blokowania rozwoju pęknięć przy cyklicznym obciążeniu, bardzo dobrej charakterys. yce obciążenia i udarności oraz niskiej gęstości. Inną nową klasą materiałów są materiały inteligentne, o sterowalnych właściwościach, uzyskiwanych przez zastosowanie komponentów ze stopów z pamięcią kształtu lub wbudowanie systemów specjalnych, jak układy włókien piezoelektrycznych lub optycznych. Ich coraz większa dostępność i wyjątkowe właściwości fi zyczne sprawiają, że mogą one być z powodzeniem integrowane z innymi materiałami w celu uzyskania właściwości nieosiągalnych na żadnej innej drodze. Wbudowane elementy aktywne, tworzące rozproszoną sieć sensorów i/lub aktywatorów dają możliwość realizacji zadanych zadań monitorowania, adaptacji i sterowania elementem konstrukcyjnym.

EN

For many years aviation has made use of composite materials, which have very good mechanical properties combined with a relatively low weight. Their use enables construction of very durable and lightweight aircraft structures and reduces maintenance costs. Unfortunately, the excellent mechanical properties of composites decrease signifi cantly when damage occurs. That is why new hybrid materials with higher crack resistance and new methods for structural health diagnosing during manufacture and in service are being looked for. One class of new generation materials are fi bre-metal laminates (FML). They are laminates which consist of alternating thin metal layers and layers of polymer/ ceramic fi ber or polymer/polymer fi bre composite. Laminates of this kind share the excellent properties of both metal and fi brous polymer composite. Such a combination yields a new generation of hybrid materials with crack growth retardation and arrest capacities under cyclic loading, very good load-bearing and impact resistance characteristics, and low density. Another new class of materials are smart materials with programmable properties obtained by using shape memory alloys or by embedding special systems such as piezoelectric or optical fi bre systems. Their increasing availability and exceptional physical properties enable their successful integration with other materials to give properties unobtainable by any other method. The in-built active elements, which form a distributed network of sensors and/ or actuators, enable monitoring, adjustment, and control of structural elements.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; laminaty; materiały inteligentne; sensory piezoelektryczne; diagnostyka

EN

composites; laminates; smart materials; piezoelectric sensors; diagnostics

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2008
• Tom: nr 3
• Strony: 30--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 57 poz.

Twórcy

autor

Surowska B.

• Politechnika Lubelska Wydział Mechaniczny Katedra Inżynierii Materiałowej ul. Nadbystrzycka 36 20-618 Lublin,

Bibliografia

• [1] Asundi A., Choi A.Y.N.: Fiber metal laminates: an advanced material for future aircraft, J. Mater. Processing Technology, 63, 1997, pp. 384-394.
• [2] Vogelesang L.B., Vlot A.: Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures, Journal of Materials Processing Technology, 103, 2000, pp. 1-5.
• [3] Szelążek J.: Czujniki piezoelektryczne stosowane w monitorowaniu stanu technicznego konstrukcji i w „inteligentnych strukturach”, VIII Seminarium NBM Zakopane 2002, www. ndt-imbn.com.
• [4] Sobczak J.: Metalowe materiały kompozytowe. Wyd. Instytutu Odlewnictwa i Instytutu Transportu Samochodowego, Kraków-Warszawa 2002.
• [5] Górny Z., Sobczak J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych. Wyd. IO, Kraków 2005.
• [6] Williams J.C., Starke E.A Jr.: Progress in structural materials for aerospace systems, Acta Materialia 51 (2003) 5775–5799.
• [7] Metal foams near commercialization. Metal Powder Report Vol. 52, (1997), pp. 38-41.
• [8] Culshaw B.: ASSET Collaboration in Europe on Smart Structures, Smart Materials Bulletin, March 2002, pp. 7-10.
• [9] Kawai M., Morishita M., Tomura S., Takamida K.: Inelastic behavior and strength of fiber-metal hybrid composite: GLARE, Int. J. Mech. Sci., 40, no. 2-3, 1998, pp. 183-198.
• [10] Wu G., Yang J.-M.: The Mechanical Behavior of GLARE Laminates for Aircraft Structures, JOM, 2005 January, pp.72-79.
• [11] Alderliesten R.C., Homan J.J.: Fatigue and damage tolerance issues of Glare in aircraft structures, International Journal of Fatigue, 28, 2006, pp. 1116–1123.
• [12] Woerden H. J. M., Sinke J., Hooijmeijer P. A.: Maintenance of Glare Structures and Glare as Riveted or Bonded Repair Material, Applied Composite Materials, 10, 2003, pp. 307–329.
• [13] Borgonje B., Ypma M. S.: Long Term Behaviour of Glare, Applied Composite Materials 10, 2003, pp. 243–255.
• [14] Sinke J.: Manufacturing of GLARE, Parts and Structures Applied Composite Materials 10, 2003, pp. 293–305.
• [15] Castrodeza E. M., Schneider Abdala M. R.W., Bastian F. L.: Crack resistance curves of GLARE laminates by elastic compliance, Engineering Fracture Mechanics, 73, 2006, pp. 2292–2303.
• [16] Sinke J.: Some Inspection Methods for Quality Control and In-service Inspection of GLARE, Applied Composite Materials 10, 2003, pp. 277–291.
• [17] Homan J.J.: Fatigue initiation in fi bre metal laminates, International Journal of Fatigue, 28, 2006, pp. 366–374.
• [18] Kim S. Y., Choi W. J., Park S. Y.: Spring-back characteristics of fiber metal laminate (GLARE) in brake forming process, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 32, 2007, pp. 445–451.
• [19] Sinke J.: Development of Fibre Metal Laminates: concurrent multi-scale modeling and testing, J Mater Sci., 41, 2006, pp. 6777–6788.
• [20] Alderlieste R. C., Hagenbeek N.M., Homan J. J., Hooijmeijer P. A., De Vries T. J., Vermeeren C. A. J. R.: Fatigue and Damage Tolerance of Glare, Applied Composite Materials, 10, 2003, pp. 223–242.
• [21] Guo Y.J., Wu X.R.: A phenomenological model for predicting crack growth in fiber-reinforced metal laminates under constantamplitude loading, Composites Science and Technology, 59, 1999, pp. 1825-1831.
• [22] Kawai M., Hachinohe A.: Two-stress level fatigue of unidirectional f ber–metal hybrid composite: GLARE 2, International Journal of Fatigue, 24, 2002, pp. 567–580.
• [23] Kawai M., Hachinohe A., Takumida K., Kawase Y.: Off-axis fatigue behaviour and its damage mechanics modelling for unidirectional fi bre–metal hybrid composite: GLARE 2, Composites, Part A 32, 2001, pp. 13–23.
• [24] Alderliesten R.C.: On the available relevant approaches for fatigue crack propagation prediction in Glare, International Journal of Fatigue, 29, 2007, pp. 289–304.
• [25] Botelho E.C., Almeida R.S., Pardini L.C., Rezende M.C.: Elastic properties of hygrothermally conditioned glare laminate, International Journal of Engineering Science, 45, 2007, pp.163–172.
• [26] Shim D.J., Alderliesten R.C., Spearing S.M., Burianek D.A.: Fatigue crack growth prediction in GLARE hybrid laminates, Composites Science and Technology, 63, 2003, pp. 1759–1767.
• [27] De Vries T. J., Vlot A.: The Infl uence of the Constituent Properties on the Residual Strength of Glare, Applied Composite Materials, 8, 2001, pp. 263–277.
• [28] Botelho E.C., Pardini L.C., Rezende M.C.: Hygrothermal effects on damping behavior of metal/glass fiber/epoxy hybrid composites, Materials Science and Engineering, A 399, 2005, pp. 190–198.
• [29] Hoo Fatt M. S., Lin C., Revilock Jr. D. M., Hopkins D. A.: Ballistic impact of GLARE fiber–metal laminates, Composite Structures, 61, 2003, pp. 73–88.
• [30] Tsoi K.A., Stalmans R., Schrooten J., Wevers M., Mai Y.-W.: Impact damage behaviour of shape memory alloy composites, Materials Science and Engineering, A342, 2003, pp. 207-215.
• [31] Lombardi A.V.: Technological optimisation of a smart thermosetting aeronautical composite subject to fatigue bending loads, Progress in Aerospace Sciences, 39, 2003, pp.385–404.
• [32] Ye L., Lu Y., Su Z., Meng G.: Functionalized composite structures for new generation airframes: a review, Composites Science and Technology, 65, 2005, pp. 1436–1446.
• [33] Chung D. D.L.: Composites get smart, Materials today, January 2002, pp. 30-35.
• [34] Ghomshei M. M., Tabandeh N., Ghazavi A., Gordaninejad F.: Nonlinear transient response of a thick composite beam with shape memory alloy layers, Composites Part B: Engineering, Vol. 36, Is. 1, 2005, pp. 9-24.
• [35] Żak A. J., Cartmell M. P., Ostachowicz W.M.: Static and Dynamic Behaviour of Composite Structures with Shape Memory Alloy Components, Materials Science Forum. Vols. 440-441, 2003, pp. 345-354.
• [36] Lin M.: Development of SMART Layer for Built-In Structural Diagnostics, Proc. of the 2nd International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, September 8-10,1999, Conf. Structural Health Monitoring 2000, Technomic Publishing Co., Inc, Lancaster-Basel, pp. 603-611.
• [37] Sporn D., Schonecker A.: Composites with piezoelectric thin fibres - first evidence of piezoelectric behavior, Mat. Res. Innovat., Vol.2, 1999, pp.303-308.
• [38] Bernhard A.P.F., Chopra I.: Analysis of a bending-torsion coupled actuator for a smart rotor with active blade tips, Smart Mater. Struct. 10, 2001, pp. 35–52.
• [39] Agneni A., Mastroddi F., Polli G.M.: Shunted piezoelectric patches in elastic and aeroelastic vibrations, Computers and Structures 81, 2003, pp. 91–105.
• [40] Beldica E., Hilton H. H.: Nonlinear viscoelastic beam bending with piezoelectric control ± analytical and computational simulations, Composite Structures 51, 2001, pp. 195-203.
• [41] Sester P. M.: Efective properties of composites with embedded piezoelectric fibres, Computational Materials Science, 16, 1999, pp. 89-97.
• [42] Nam Ch., Kim Y., Weisshaar T. A.: Optimal sizing and placement of piezo-actuators for active fl utter suppression, Smart Mater. Struct., 5, 1996, pp. 216–224.
• [43] Qu G.M., Li Y.Y., Cheng L., Wang B.: Vibration analysis of a piezoelectric composite plate with cracks, Composite Structures, 72, 2006, pp. 111–118.
• [44] Allahverdi J.M., Mohammadi F., Safari A.: Processing of Piezoelectric Fiber/Polymer Composites with 3-3 Connectivity, Journal of Electroceramics, 8, 2002, pp. 209–214.
• [45] Matt H.M., Lanza di Scalea F.: Macro-fiber composite piezoelectric rosettes for acoustic source location in complex structures, Smart Mater. Struct., 16, 2007, pp. 1489–1499.
• [46] Chen H., Dong X., Zeng T., Zhou Z., Yang H.: The mechanical and electric properties of infi ltrated PZT/polymer composites, Ceramics International, 33, 2007, pp. 1369-1374.
• [47] United States Patent 6963157.
• [48] Choy S.H. , Chan H.L.W., Ng M.W., Liu P.C.K.: Study of 1-3 PZT fibre/epoxy composite force sensor, Applied Physics A: Materials Science & Processing, Vol. 81, 4, 2005, pp. 817-821.
• [49] Hammami H., Arous M., Lagache M., Kalle A.: Experimental study of relaxations in unidirectional piezoelectric composites, Composites: Part A, 37, 2006, pp. 1–8.
• [50] Lehmann M., Büter A., Frankenstein B., Schubert F., Brunner B.: Monitoring System for Delamination Detection – Qualifi cation of Structural Health Monitoring (SHM) Systems, Conference on Damage in Composite Material CDCM 2006, Stuttgart, September 2006.
• [51] Ohba Y et. al: Preparation of Lead Zirconate Titanate Thin Film by Hydrothermal method, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 31, No. 9B, 1991, pp. 2174–2177.
• [52] Ohba Y., Arita K., Tsurumi T., Daimon M.: Analysis of Interfacial Phase between Substrates and Lead Zirconate Titanate Thin Films Synthesized by Hydrothermal Method, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 33, No. 9B, 1994, pp. 5305-5308.
• [53] Edery-Azulay L., Abramovich H.: Active damping of piezo-composite beams, Composite Structures, 74, 2006, pp. 458–466.
• [54] Williams R.B., Inman D.J.: An Overview of Composite Actuators with piezoceramic fibers, Center for Intelligent Material Systems and Structures, Department of Mechanical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, 310 Durham Hall, Blacksburg, VA 24061-0261.
• [55] Raja S., Sinha P.K., Prathap G., Bhattacharya P.: Influence of one and two dimensional piezoelectric actuation on active vibration control of smart panels, Aerospace Science and Technology, 6, 2002, pp. 209–216.
• [56] Oueini S. S., Nayfeh A.H., Pratt J. R.: A Nonlinear Vibration Absorber for Flexible Structures, Nonlinear Dynamics, 15, 1998, pp. 259–282.
• [57] Yung H. Yu: Rotor blade-vortex interaction noise, Progress in Aerospace Sciences, 36 2000, pp. 97-115.