I. Substrátové materiály
1.1 Živica
1.1.1 Termosetová živica
Živica je všeobecný pojem pre polyméry. Živica a jej chemické zloženie a fyzikálne vlastnosti zásadne ovplyvňujú spracovanie, výrobu a finálne vlastnosti kompozitného materiálu. Termosetová živica je najrozmanitejší a najrozšírenejší zo všetkých umelých-materiálov. Ľahko sa odlieva alebo formuje do akéhokoľvek tvaru, je kompatibilný s väčšinou iných materiálov a ľahko sa vytvrdzuje (teplom alebo katalyzátormi) na nerozpustnú pevnú látku. Termosetová živica je tiež výborným lepidlom a spojivom.
1.1.2 Polyesterová živica
Polyesterová živica je relatívne lacná a ľahko spracovateľná živica, ktorá sa často používa v aplikáciách s nízkymi nákladmi. Polyesterová živica s nízkou dymivosťou sa používa na vnútorné časti lietadiel. Polyester-vystužený vláknami možno spracovať rôznymi spôsobmi. Bežné metódy spracovania zahŕňajú tvarovanie kovových foriem, laminovanie-za mokra (vákuové vrecovanie), vstrekovanie, navíjanie vlákien, pultrúziu a vysokotlakovú paru.
1.1.3 Vinylesterová živica
Vinylesterová živica má rovnaký vzhľad, manipulačné vlastnosti a vlastnosti vytvrdzovania ako bežné živice ako polyesterové živice. Odolnosť proti korózii a mechanické vlastnosti vinylesterových kompozitov sú však oveľa lepšie ako štandardné kompozity z polyesterovej živice.
1.1.4 Fenolová živica
Fenolová živica bola prvýkrát komerčne použitá na trhu začiatkom 20. storočia. Močovinový formaldehyd a melamínformaldehyd sa objavili v 20. a 30. rokoch 20. storočia ako lacnejšie alternatívy pre použitie pri nízkych teplotách. Fenolová živica sa používa na interiérové komponenty kvôli jej nízkej dymivosti a nízkej horľavosti.
1.1.5 Epoxidová živica
Epoxidová živica je polymerizovateľná termosetová živica, ktorá má široký rozsah viskozít od kvapaliny po tuhú látku. Pri mnohých rôznych typoch epoxidových živíc by mal technik použiť príručku údržby na výber správneho typu pre konkrétnu opravu. Epoxidová živica je široko používaná v predimpregnovaných laminátoch a štrukturálnych lepidlách. Výhody epoxidov sú vysoká pevnosť a modul, nízky obsah prchavých látok, dobrá priľnavosť, nízke zmrštenie, dobrá chemická odolnosť a ľahké spracovanie. Jeho veľkou nevýhodou je krehkosť a degradácia vlastností v prítomnosti vlhkosti. Epoxidová živica sa spracováva alebo vytvrdzuje pomalšie ako polyesterová živica. Techniky spracovania zahŕňajú lisovanie v autokláve, navíjanie vlákien, lisovanie, vákuové vrecovanie, lisovanie na prenos živice a lisovanie pomocou pultrúzie. Teploty vytvrdzovania sa pohybujú od izbovej teploty do približne 350 stupňov F (180 stupňov). Najbežnejší teplotný rozsah vytvrdzovania je medzi 250 °C a 350 °F (120-180 °C). Ako je znázornené na obrázku 10.
Obrázok 10: Obidva systémy ukladania mokrého epoxidového dávkovača s čerpadlami
1.1.6 Polyimidová živica
Polyimidová živica vyniká v prostredí s vysokou-teplotou, kde jej tepelná odolnosť, oxidačná stabilita, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti a odolnosť voči rozpúšťadlám uľahčujú dizajn. Jeho hlavným využitím sú dosky plošných spojov, tepelné motory a konštrukcie drakov lietadiel. Polyimidová živica môže byť termosetová živica alebo termoplast. Polyimidová živica vyžaduje vysoké teploty vytvrdzovania, zvyčajne presahujúce 550 stupňov F (290 stupňov). V dôsledku toho nie sú dostupné bežné epoxidové kompozitné vrecovacie materiály a oceľové nástroje sa stávajú nevyhnutnosťou. Je veľmi dôležité používať polyimidové vrecovacie a uvoľňovacie fólie, ako je Kapton®. upilex® namiesto lacnejších nylonových návlekov a polytetrafluóretylénových (PTFE) separačných fólií je bežným postupom pri spracovaní epoxidových kompozitov.
Sklolaminátový vrchný materiál kvôli nízkemu bodu topenia polyesterových vlákien musí byť nahradený výpustným priedušným materiálom ako materiálom podstielky.
1.1.7 Polybenzimidazolová živica (PBI)
PBI sa používa v materiáloch odolných voči vysokej teplote, pretože má extrémne vysokú tepelnú odolnosť. Živica sa používa ako lepidlá a vlákna.
1.1.8 Bismaleimidová živica (BMI)
BMI má vyššiu teplotnú odolnosť a vyššiu húževnatosť ako epoxidové živice a ponúka vynikajúci výkon pri okolitých aj zvýšených teplotách. BMI sa spracováva podobne ako epoxidové živice. BMI sa používa v leteckých-motoroch a vysokoteplotných{3}}komponentoch. bMI sú vhodné okrem iného na štandardné{5}}spracovanie plechoviek za horúca, vstrekovanie, odlievanie živice a lisovanie kompozitov (SMC).
1.1.9 Termoplastická živica
Termoplastické materiály je možné opakovane zmäkčovať zvýšením teploty a opakovane vytvrdzovať znížením teploty. Rýchlosť spracovania je hlavnou výhodou termoplastických materiálov. Počas spracovania nedochádza k žiadnemu chemickému vytvrdzovaniu a materiály môžu byť tvarované alebo extrudované, keď sú mäkké.
1.1.10 Semi-kryštalické termoplasty
Semi{0}}kryštalické termoplasty majú pevné vlastnosti spomaľujúce horenie, vynikajúcu húževnatosť, dobré mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách a po{1}}náraze a nízku absorpciu vlhkosti. Používajú sa v sekundárnych a primárnych leteckých konštrukciách. V kombinácii s vystužovacími vláknami sa môžu použiť na vstrekovacie zmesi, lisované nepravidelné listy, jednosmerné formy, predimpregnované lamináty vyrobené z predimpregnovaných kúdele (predimpregnované lamináty) a látkové predimpregnované lamináty. Vlákna impregnované v semikryštalických termoplastoch zahŕňajú uhlíkové vlákna, poniklovaný uhlík, aramid, sklenené vlákna, kremeň a iné.
1.1.11 Amorfné termoplasty
Amorfné termoplasty sú dostupné v rôznych fyzikálnych formách, vrátane filmov, filamentov a práškov. V kombinácii s vystužovacími vláknami sa tiež používajú v kompozitoch tvarovaných vstrekovaním, lisovaním tvarovateľných nepravidelných listoch, jednosmerných gumových formách, tkaných predimpregnovaných laminátoch a iných. Používané vlákna sú najmä uhlíkové, aramidové a sklenené vlákna. Zvláštne výhody amorfných termoplastov závisia od polyméru. Typicky sú živice známe pre ich ľahké spracovanie, rýchlosť, schopnosť vysokej teploty, dobré mechanické vlastnosti, vynikajúcu húževnatosť a rázovú pevnosť a chemickú stabilitu. Stabilita má za následok neobmedzenú dobu skladovania, čím sa eliminuje požiadavka na skladovanie termosetových predimpregnovaných laminátov v chlade.
1.1.12 Polyéteréterketón (PEEK)
PEEK je vysokoteplotný{0}}termoplast. Tento aromatický ketónový materiál má vynikajúce tepelné a spaľovacie vlastnosti a je odolný voči širokému spektru rozpúšťadiel a patentovaných rozpustných tekutín. PEEK môže byť tiež vystužený sklenenými a uhlíkovými vláknami.
1.2 Fázy vytvrdzovania živíc
Termosetová živica sa vytvrdzuje chemickou reakciou. Existujú tri stupne vytvrdzovania, nazývané A, B a C.
-Fáza A: Živicové zložky (substrát a tužidlo) boli zmiešané, ale chemická reakcia ešte nezačala. Počas mokrého kladenia-je živica v štádiu A.
-Fáza B: Živicové zložky sa zmiešali a začala sa chemická reakcia. Materiál sa stáva hustým a lepkavým. Živica predimpregnovaného laminátu je v štádiu B. Aby sa zabránilo ďalšiemu vytvrdzovaniu, živica sa umiestni do mrazničky pri teplote 0 °F. V zmrazenom stave zostáva živica predimpregnovaného laminátu v štádiu B. Vytvrdzovanie začína, keď sa materiál vyberie z chladničky a znova sa zahreje.
-Fáza C: Živica je úplne vytvrdená. Niektoré živice vytvrdzujú pri izbovej teplote, iné vyžadujú cykly vytvrdzovania pri vysokej teplote, aby sa úplne a primerane vytvrdili.
1.3 Predimpregnované lamináty
Predimpregnovaný laminát pozostáva z kombinácie matrice a výstužných vlákien. Je k dispozícii v jednosmernej forme (jeden smer vystuženia) a vo forme laminovanej látky (niekoľko smerov vystuženia). Všetkých päť hlavných skupín matricových živíc možno použiť na impregnáciu rôznych foriem vlákien. Živice potom už nie sú v štádiu nízkej viskozity, ale boli postúpené na úroveň vytvrdzovania triedy B pre lepšie manipulačné vlastnosti. Nasledujúce produkty sú dostupné vo forme predimpregnovaných laminátov: jednosmerné gumené formy, výrobky z tkaných vlákien, kontinuálne kúdele a narezané rohože. Predimpregnované lamináty sa musia skladovať v chladničke pri teplote nižšej ako 0 °F, aby sa spomalil proces vytvrdzovania. Predimpregnované lamináty sa vytvrdzujú pri zvýšených teplotách. Mnohé predimpregnované lamináty používané v leteckom a kozmickom priemysle sú impregnované epoxidovými živicami, ktoré vytvrdzujú pri 250 °F alebo 350 °F. Predimpregnované lamináty sa vytvrdzujú v autoklávoch, peciach alebo horúcich prikrývkach. Zvyčajne sa kupujú a skladujú v zapečatenej rolke z plastového vrecka, aby sa zabránilo kontaminácii vlhkosťou. Ako je znázornené na obrázku 11.
Obrázok 11: Lepiaca fólia a tkaninový predimpregnovaný laminát
1.4 Suché vláknité materiály
Suché vláknité materiály, ako sú uhlíkové vlákna, sklenené vlákna a kevlar®, sa používajú pri mnohých opravách lietadiel. Pred začatím opravných prác sa suchá tkanina impregnuje živicou. Tento proces sa často označuje ako mokrá laminácia. Hlavnou výhodou použitia procesu ukladania za mokra-je to, že vlákna a živica sa môžu skladovať pri izbovej teplote po dlhú dobu. Kompozit je možné vytvrdzovať pri izbovej teplote alebo vytvrdzovať pri vysokých teplotách, aby sa urýchlil proces vytvrdzovania a zvýšila pevnosť. Nevýhodou je, že proces je chaotický a vlastnosti vystuženého materiálu sú nižšie ako vlastnosti predimpregnovaného laminátu. Ako je znázornené na obrázku 12.
Obrázok 12: Suché látkové materiály (zhora nadol: hliníkový materiál na ochranu pred bleskom, kevlar®, sklenené vlákna a uhlíkové vlákna)
1.5 Pomocné látky (tixotropné látky)
Pomocné látky (tixotropné látky) sú v pokoji vo forme gélu a pri miešaní sa stávajú tekutými. Tieto materiály majú vysokú statickú pevnosť v šmyku a nízku dynamickú šmykovú pevnosť, pričom pri namáhaní strácajú viskozitu.
II. Lepidlá
2.1 Filmové lepidlá
Štrukturálne lepidlá pre letecké a kozmické aplikácie sa zvyčajne dodávajú vo forme fólie, nanesenej na separačnom papieri a skladujú sa v chlade (-18 stupňov alebo 0 stupňov F). Filmové lepidlá môžu používať vysokoteplotné aromatické amíny alebo katalyzované vytvrdzovacie činidlá so širokou škálou flexibilizérov a tužidiel. Gumové tvrdené epoxidové filmové lepidlá sú široko používané v leteckom priemysle. Horný teplotný limit 121-177 stupňov (250-350 stupňov F) zvyčajne závisí od požadovaného stupňa vytvrdnutia a celkového výberu živice a tvrdidla. Vo všeobecnosti majú tvrdené živice za následok nižšie prevádzkové teploty. Materiál fólie je zvyčajne podopretý vláknami, aby sa zlepšila manipulácia s fóliou pred vytvrdením, aby sa kontrolovalo tok lepidla počas procesu spájania a aby sa napomáhalo pri kontrole hrúbky spojovacej línie. Vlákna môžu byť vyrobené do náhodne orientovaných strižových rohoží alebo do tkaných látok. Bežné vlákna sú polyesterové, polyamidové (nylonové) a sklenené vlákna. Lepidlá obsahujúce tkané textílie môžu mať miernu degradáciu životného prostredia v dôsledku absorpcie vody vláknami. Náhodné rohože nie sú pri kontrole hrúbky filmu také účinné ako tkané textílie, pretože neobmedzené vlákna sa počas procesu spájania pohybujú. Netkané textílie spunlace sa nehýbu a preto sú široko používané. Ako je znázornené na obrázkoch 13 a 14.
Obrázok 13: Použitie filmových lepidiel, Kevlar®, sklenené vlákna a uhlíkové vlákna
Obrázok 14: Lepiaca fólia
2.2 Lepidlá
Lepidlá sa používajú ako náhrada filmových lepidiel. Tieto sa často používajú na sekundárne lepenie na opravu poškodených častí záplat a v oblastiach, kde sa lepidlá fólie ťažko nanášajú. V prípade epoxidových živíc sa na priľnutie ku štrukturálnemu spojivu používa hlavne pasta. K dispozícii sú jedno-a dvojdielne-systémy. Výhodou pastových lepidiel je, že sa dajú skladovať pri izbovej teplote a majú dlhú trvanlivosť. Nevýhodou je, že hrúbka spojovacej línie sa ťažko kontroluje, čo ovplyvňuje pevnosť spoja.
Po nanesení lepidla je možné ponechať tkaninu prilepenú počas procesu lepenia. Ako je znázornené na obrázku 15.
Obrázok 15: Lepidlá
2.3 Penové lepidlá
Väčšina penových lepidiel má hrúbku 0,025{10}} až 0,10 palca epoxidové živice triedy B. Penové lepidlá vytvrdzujú pri teplote 250 stupňov F (121 stupňov) alebo 350 stupňov F (176 stupňov). Počas cyklu vytvrdzovania sa penové lepidlo rozvinie. Penové lepidlá je potrebné skladovať v chladničke a rovnako ako predimpregnované lamináty majú obmedzenú skladovateľnosť. Pri predbežnej oprave sa penové lepidlo používa na nalepenie na plást v sendvičovej štruktúre a opravu existujúceho jadra. Ako je znázornené na obrázku 16.
Obrázok 16: Použitie penového lepidla
III. Popis sendvičovej štruktúry (popis sendvičovej štruktúry)
Teoreticky je sendvičová konštrukcia konštrukčným panelovým konceptom, ktorý pozostáva z dvoch relatívne tenkých paralelných obkladov oddelených relatívne hrubým alebo ľahkým jadrom. Jadro podporuje obklad proti ohybu a proti samo-rovinnému šmykovému zaťaženiu. Jadro musí mať vysokú pevnosť v šmyku a pevnosť v tlaku. Kompozitné sendvičové štruktúry sa zvyčajne vyrábajú vytvrdzovaním v autokláve, vytvrdzovaním lisovaním alebo vytvrdzovaním vo vákuovom vrecku. Laminácie kože môžu byť pred-vytvrdené a potom skombinované v rámci-operácie vytvrdzovania alebo kombináciou oboch metód. Príklady voštinových štruktúr sú: spojlery krídel, mastenec, krídelká, vztlakové klapky, gondoly, podlahy a kormidlá. Ako je znázornené na obrázku 17.
Obrázok 17: Voštinová sendvičová štruktúra
IV. Výkon
V porovnaní hliníkových a kompozitných laminátových štruktúr je ohybová tuhosť sendvičových štruktúr veľmi vysoká. Väčšina plástov je anizotropná, tj vlastnosti sú orientované. Výhody použitia voštinových štruktúr sú znázornené na obrázku 18. Zväčšenie hrúbky jadra značne zvyšuje tuhosť voštinovej štruktúry s minimálnym nárastom hmotnosti. Vzhľadom na vysokú tuhosť voštinovej konštrukcie nie je potrebné použiť vonkajšie sololitové dosky, ako v prípade trámového rámu.
Obrázok 18: Pevnosť a tuhosť voštinových sendvičových materiálov v porovnaní s hodnotami pevnej laminácie