I. Alustamateriaalit
1.1 Hartsi
1.1.1 Lämpökovettuva hartsi
Hartsi on yleistermi polymeereille. Hartsi ja sen kemiallinen koostumus ja fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat olennaisesti komposiittimateriaalin käsittelyyn, valmistukseen ja lopullisiin ominaisuuksiin. Lämpökovettuva hartsi on monimuotoisin ja laajimmin käytetty kaikista ihmisen-materiaaleista. Se on helppo valaa tai muotoilla mihin tahansa muotoon, se on yhteensopiva useimpien muiden materiaalien kanssa ja kovettuu helposti (lämmöllä tai katalyyteillä) liukenemattomaksi kiinteäksi aineeksi. Lämpökovettuva hartsi on myös erinomainen liima- ja sideaine.
1.1.2 Polyesterihartsi
Polyesterihartsi on suhteellisen halpa ja helposti käsiteltävä hartsi, jota käytetään usein edullisissa sovelluksissa. Matalasavuista polyesterihartsia käytetään lentokoneiden sisäosissa. Kuitu-vahvistettua polyesteriä voidaan käsitellä useilla tavoilla. Yleisiä prosessointimenetelmiä ovat sovitettu metallimuovaus, märkä-laminointi (tyhjiöpussitus), ruiskupuristus, kuidun käämitys, pultruusio ja korkeapainehöyry.
1.1.3 Vinyyliesterihartsi
Vinyyliesterihartsilla on sama ulkonäkö, käsittelyominaisuudet ja kovettumisominaisuudet kuin tavanomaisilla hartseilla kuin polyesterihartseilla. Vinyyliesterikomposiittien korroosionkestävyys ja mekaaniset ominaisuudet ovat kuitenkin paljon parantuneet tavallisiin polyesterihartsikomposiitteihin verrattuna.
1.1.4 Fenolihartsi
Fenolihartsia käytettiin kaupallisesti ensimmäisen kerran 1900-luvun alussa. Ureaformaldehydi ja melamiiniformaldehydi ilmaantuivat 1920- ja 1930-luvuilla edullisempina vaihtoehtoina alhaisen lämpötilan käyttöön. Fenolihartsia käytetään sisäosissa sen vähäisen savun ja alhaisten syttymisominaisuuksien vuoksi.
1.1.5 Epoksihartsi
Epoksihartsi on polymeroituva lämpökovettuva hartsi, jolla on laaja viskositeettialue nestemäisestä kiinteään. Monien erityyppisten epoksihartsien kohdalla teknikon tulee käyttää huolto-opasta valitakseen oikean tyypin tiettyä korjausta varten. Epoksihartsia käytetään laajalti prepregeissä ja rakenneliimoissa. Epoksien etuja ovat korkea lujuus ja moduuli, alhainen haihtuva pitoisuus, hyvä tarttuvuus, alhainen kutistuvuus, hyvä kemikaalien kestävyys ja helppo työstö. Sen suurimmat haitat ovat hauraus ja ominaisuuksien heikkeneminen kosteuden läsnä ollessa. Epoksihartsi on hitaampaa prosessoida tai kovettua kuin polyesterihartsi. Käsittelytekniikoihin kuuluu autoklaavimuovaus, kuidun käämitys, muovaus, tyhjiöpussitus, hartsin siirtomuovaus ja pultruusiomuovaus. Kovettumislämpötilat vaihtelevat huoneenlämmöstä noin 350 asteeseen F (180 asteeseen). Yleisin kovettumislämpötila-alue on 250-350 astetta F (120-180 astetta). Kuten kuvasta 10 näkyy.
Kuva 10: Molemmat märkäepoksi-annostelijajärjestelmät pumpuilla
1.1.6 Polyimidihartsi
Polyimidihartsi on erinomainen{0}}korkean lämpötilan ympäristöissä, joissa sen lämmönkestävyys, hapettumiskestävyys, alhainen lämpölaajenemiskerroin ja liuottimen kestävyys helpottavat suunnittelua. Sen pääasialliset käyttötarkoitukset ovat piirilevyt, lämpömoottorit ja lentokoneen runkorakenteet. Polyimidihartsi voi olla kertamuovihartsi tai kestomuovi. Polyimidihartsi vaatii korkeita kovetuslämpötiloja, yleensä yli 550 astetta F (290 astetta). Tämän seurauksena yleisiä epoksikomposiittipussimateriaaleja ei ole saatavilla, ja terästyökaluista tulee välttämättömyys. On erittäin tärkeää käyttää polyimidipussi- ja irrotuskalvoja, kuten Kapton®. Upilex® halvempien nailonsuojusten ja polytetrafluorieteeni (PTFE) irrokekalvojen sijaan on yleinen menetelmä epoksikomposiittien käsittelyssä.
Polyesterikuitujen alhaisesta sulamispisteestä johtuen lasikuitupäällyste on korvattava vuodemateriaalina purkautuvalla hengittävällä materiaalilla.
1.1.7 Polybentsimidatsolihartsi (PBI)
PBI:tä käytetään korkeita lämpötiloja kestävissä materiaaleissa sen äärimmäisen korkeiden lämpötilojen kestävyyden vuoksi. Hartsia käytetään liimoina ja kuituina.
1.1.8 Bismaleimidihartsi (BMI)
BMI:llä on korkeampi lämmönkestävyys ja sitkeys kuin epoksihartseilla, ja ne tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn sekä ympäristön että korotetuissa lämpötiloissa. BMI käsitellään samalla tavalla kuin epoksihartseja. BMI:tä käytetään lentokonemoottoreissa-ja korkean lämpötilan{3}}komponenteissa. BMI:t soveltuvat muun muassa tavalliseen kuumapuristinpuristölkkien käsittelyyn, ruiskuvaluun, hartsivaluun ja muottipuristukseen (SMC).
1.1.9 Termoplastinen hartsi
Termoplastisia materiaaleja voidaan pehmentää toistuvasti nostamalla lämpötilaa ja kovettaa toistuvasti lämpötilaa laskemalla. Käsittelynopeus on kestomuovimateriaalien tärkein etu. Käsittelyn aikana ei tapahdu kemiallista kovettumista, ja materiaalit voidaan muovata tai puristaa pehmeinä.
1.1.10 Puolikiteiset termoplastit
Puolikiteisillä kestomuoveilla on kiinteät palonestoominaisuudet, erinomainen sitkeys, hyvät korkeissa lämpötiloissa ja iskun{1}}jälkeiset mekaaniset ominaisuudet ja alhainen kosteuden imeytyminen. Niitä käytetään toissijaisissa ja ensisijaisissa ilma-alusten rakenteissa. Yhdessä lujitekuitujen kanssa niitä voidaan käyttää ruiskuvaluseoksiin, puristusmuovattuihin satunnaisiin arkkeihin, yksisuuntaisiin muotteihin, prepreg-rouveista valmistettuihin prepregeihin (prepreg) ja kankaiden prepregeihin. Puolikiteisiin kestomuoveihin kyllästettyihin kuituihin kuuluvat hiilikuidut, nikkeli{5}}pinnoitettu hiili, aramidi, lasikuidut, kvartsi ja muut.
1.1.11 Amorfiset termoplastit
Amorfisia kestomuoveja on saatavana useissa fysikaalisissa muodoissa, mukaan lukien kalvot, filamentit ja jauheet. Yhdessä lujitekuitujen kanssa niitä käytetään myös ruiskupuristetuissa komposiiteissa, puristusmuovattavissa satunnaisissa levyissä, yksisuuntaisissa kumimuotteissa, kudotuissa prepregeissä ja muissa. Kuituina käytetään pääasiassa hiili-, aramidi- ja lasikuituja. Amorfisten kestomuovien erityiset edut riippuvat polymeeristä. Tyypillisesti hartsit tunnetaan helppokäyttöisyydestään, nopeudestaan, korkeista lämpötiloistaan, hyvistä mekaanisista ominaisuuksistaan, erinomaisesta sitkeydestä ja iskunkestävyydestään sekä kemiallisesta stabiilisuudestaan. Vakaus johtaa rajoittamattomaan säilytysaikaan, mikä eliminoi lämpökovettuvien prepregien kylmäsäilytyksen tarpeen.
1.1.12 Polyeetterieetteriketoni (PEEK)
PEEK on korkean lämpötilan{0}}kestomuovi. Tällä aromaattisella ketonimateriaalilla on erinomaiset korkeat lämpö- ja palamisominaisuudet ja se kestää monenlaisia liuottimia ja patentoituja liukenevia nesteitä. PEEK voidaan vahvistaa myös lasi- ja hiilikuidulla.
1.2 Hartsien kovettumisvaiheet
Lämpökovettuva hartsi kovetetaan kemiallisella reaktiolla. Kovetuksessa on kolme vaihetta, nimeltään A, B ja C.
-Vaihe A: Hartsikomponentit (substraatti ja kovete) on sekoitettu, mutta kemiallinen reaktio ei ole vielä alkanut. Märkälevityksen aikana-hartsi on vaiheessa A.
-Vaihe B: Hartsikomponentit on sekoitettu ja kemiallinen reaktio on alkanut. Materiaali muuttuu paksuksi ja tahmeaksi. Prepregin hartsi on vaiheessa B. Edelleen kovettumisen estämiseksi hartsi laitetaan pakastimeen 0 asteeseen F. Jäätyneessä tilassa prepregin hartsi pysyy B-vaiheessa. Kovettuminen alkaa, kun materiaali otetaan jääkaapista ja kuumennetaan uudelleen.
-Vaihe C: Hartsi on täysin kovettunut. Jotkut hartsit kovettuvat huoneenlämmössä, kun taas toiset vaativat korkean lämpötilan kovetusjaksoja kovettuakseen täydellisesti ja riittävästi.
1.3 Prepregs
Prepreg koostuu matriisin ja vahvistuskuitujen yhdistelmästä. Sitä on saatavana yksisuuntaisena (yksi vahvistussuunta) ja kangaslaminoituna (useita vahvistussuuntaa). Kaikkia viittä päämatriisihartsiperhettä voidaan käyttää erilaisten kuitumuotojen kyllästämiseen. Hartsit eivät ole enää matalaviskositeettivaiheessa, vaan ne on edistetty luokan B kovettumistasolle parempien käsittelyominaisuuksien vuoksi. Seuraavat tuotteet ovat saatavilla prepreg-muodossa: yksisuuntaiset kumimuotit, kudotut kuitutuotteet, jatkuvat rouvat ja leikatut matot. Prepregit on säilytettävä jääkaapissa alle 0 astetta F kovettumisprosessin hidastamiseksi. Prepregit kovetetaan korotetuissa lämpötiloissa. Monet ilmailuteollisuudessa käytetyt prepregit on kyllästetty epoksihartseilla, jotka kovettuvat 250 asteessa tai 350 asteessa F. Prepregit kovetetaan autoklaaveissa, uuneissa tai kuumissa peitoissa. Ne ostetaan ja varastoidaan yleensä suljetussa muovipussirullassa kosteuden saastumisen välttämiseksi. Kuten kuvasta 11 näkyy.
Kuva 11: Liimakalvo ja kangas prepreg
1.4 Kuivat kuitumateriaalit
Kuivakuitumateriaaleja, kuten hiilikuitua, lasikuitua ja kevlaria®, käytetään monissa lentokoneiden korjaustoimenpiteissä. Kuiva kangas kyllästetään hartsilla ennen korjaustöiden aloittamista. Tätä prosessia kutsutaan usein märkälaminointiksi. Märkälevitysprosessin-enin etu on, että kuidut ja hartsi voidaan säilyttää huoneenlämmössä pitkiä aikoja. Komposiitti voidaan kovettaa huoneenlämmössä tai kovettaa korkeissa lämpötiloissa kovettumisprosessin nopeuttamiseksi ja lujuuden lisäämiseksi. Haittapuolena on, että prosessi on sotkuinen ja vahvistetun materiaalin ominaisuudet ovat heikommat kuin prepregin. Kuten kuvasta 12 näkyy.
Kuva 12: Kuivat kangasmateriaalit (ylhäältä alas: alumiininen ukkossuojamateriaali, kevlar®, lasikuitu ja hiilikuitu)
1.5 Apuaineet (tiksotrooppiset aineet)
Apuaineet (tiksotrooppiset aineet) ovat geelin muodossa levossa ja muuttuvat nestemäisiksi sekoitettaessa. Näillä materiaaleilla on korkea staattinen leikkauslujuus ja alhainen dynaaminen leikkauslujuus, samalla kun ne menettävät viskositeettinsa rasituksessa.
II. Liimat
2.1 Filmiliimat
Rakenteelliset liimat ilmailu-avaruussovelluksiin toimitetaan tyypillisesti kalvomuodossa, tuettuina irrokepaperille ja säilytetään jääkaapissa (-18 astetta tai 0 astetta F). Kalvilimoissa voidaan käyttää korkean lämpötilan aromaattisia amiineja tai katalysoituja kovetusaineita, joissa on laaja valikoima joustavia ja sitkeyttimiä. Kumikarkaistuja epoksikalvoliimoja käytetään laajalti ilmailuteollisuudessa. Lämpötilan yläraja 121-177 astetta (250-350 astetta F) riippuu yleensä tarvittavasta karkaisuasteesta ja hartsin ja kovettimen yleisestä valinnasta. Yleensä karkaistut hartsit johtavat alhaisempiin käyttölämpötiloihin. Kalvomateriaalia tuetaan tavallisesti kuiduilla kalvon käsittelyn parantamiseksi ennen kovettumista, liiman virtauksen säätelemiseksi liimausprosessin aikana ja sidoslinjan paksuuden säätelemiseksi. Kuiduista voidaan tehdä satunnaisesti suuntautuneita niittimatoja tai kudottuja kankaita. Yleisiä kuituja ovat polyesteri, polyamidi (nailon) ja lasikuidut. Kudottuja kankaita sisältävillä liimoilla voi olla hieman ympäristön heikkenemistä kuituihin imeytyneen veden vuoksi. Satunnainen matto ei ole yhtä tehokas kalvon paksuuden säätelyssä kuin kudotut kankaat, koska rajoittamattomat kuidut liikkuvat liimausprosessin aikana. Spunlace-kuitukankaat eivät liiku, joten niitä käytetään laajalti. Kuten kuvista 13 ja 14 näkyy.
Kuva 13: Kalvilimojen, Kevlar®-, lasikuidun ja hiilikuidun käyttö
Kuva 14: Liimakalvo
2.2 Liimat
Liimoja käytetään kalvoliimojen korvikkeena. Näitä käytetään usein toissijaiseen liimaukseen laastarien vaurioituneiden osien korjaamiseksi ja alueilla, joilla kalvoliimoja on vaikea levittää. Epoksihartseissa käytetään pääasiassa tahnaa kiinnittämään rakenteelliseen sideaineeseen. Saatavilla on yksi-osainen ja kaksi-osainen järjestelmä. Tahnaliimojen etuna on, että niitä voidaan säilyttää huoneenlämmössä ja niillä on pitkä säilyvyys. Haittapuolena on, että liitosviivan paksuutta on vaikea hallita, mikä vaikuttaa sidoksen lujuuteen.
Kun liimaa levitetään, kangas voidaan pitää liimattuina liimausprosessin ajan. Kuten kuvasta 15 näkyy.
Kuva 15: Liimat
2.3 Vaahtoliimat
Useimmat vaahtomuoviliimat ovat 0,025-tuumaa - 0,10 tuumaa paksuja luokan B epoksihartseja. Vaahtoliimat kovettuvat 121 astetta (250 astetta F) tai 176 astetta (350 astetta F). Kovettumisjakson aikana vaahtoliima avautuu. Vaahtoliimat on säilytettävä jääkaapissa, ja prepregien tavoin niillä on rajoitettu säilyvyysaika. Esikorjauksessa vaahtoliimaa käytetään sandwich-rakenteessa olevaan kennoon liittämiseen ja olemassa olevan ytimen korjaukseen. Kuten kuvasta 16 näkyy.
Kuva 16: Vaahtoliiman käyttö
III. Sandwich-rakenteen kuvaus (sandwich-rakenteen kuvaus)
Teoreettisesti sandwich-rakenne on rakenteellinen paneelikonsepti, joka koostuu kahdesta suhteellisen ohuesta yhdensuuntaisesta päällysteestä, joita erottaa suhteellisen paksu tai kevyt ydin. Ydin tukee pintaa taipumista ja itse-tasomaisia leikkauskuormia vastaan. Ytimen leikkauslujuuden ja puristusjäykkyyden tulee olla korkea. Komposiittisandwich-rakenteet valmistetaan yleensä autoklaavikovetuksella, puristuskovetuksella tai tyhjiöpussikovetuksella. Ihon laminointi voidaan-kovettaa ja yhdistää sitten yhteiskovetusoperaatioon tai molempien menetelmien yhdistelmään. Esimerkkejä hunajakennorakenteista ovat: siipispoilerit, talkki, siivekkeet, läpät, konepellit, lattiat ja peräsimet. Kuten kuvasta 17 näkyy.
Kuva 17: Honeycomb sandwich-rakenne
IV. Suorituskyky
Alumiini- ja komposiittilaminaattirakenteiden vertailussa sandwich-rakenteiden taivutusjäykkyys on erittäin korkea. Suurin osa kennoista on anisotrooppisia, eli ominaisuudet ovat suuntautuneita. Hunajakennorakenteiden käytön edut on havainnollistettu kuvassa 18. Ytimen paksuuden lisääminen lisää hunajakennorakenteen jäykkyyttä huomattavasti minimaalisella painonlisäyksellä. Hunajakennorakenteen suuren jäykkyyden vuoksi ei ole tarvetta käyttää ulkoisia kovalevyjä, kuten palkkirungon tapauksessa.
Kuva 18: Kennosandwich-materiaalien lujuus ja jäykkyys verrattuna kiinteään laminointiarvoihin