I. Vật liệu nền
1.1 Nhựa
1.1.1 Nhựa nhiệt rắn
Nhựa là thuật ngữ chung cho polyme. Nhựa, thành phần hóa học và tính chất vật lý của nó ảnh hưởng cơ bản đến quá trình xử lý, sản xuất và tính chất cuối cùng của vật liệu composite. Nhựa nhiệt rắn là loại vật liệu nhân tạo đa dạng và được sử dụng rộng rãi nhất. Nó dễ dàng đúc hoặc tạo thành bất kỳ hình dạng nào, tương thích với hầu hết các vật liệu khác và dễ dàng xử lý (bằng nhiệt hoặc chất xúc tác) thành chất rắn không hòa tan. Nhựa nhiệt rắn cũng là một chất kết dính và liên kết tuyệt vời.
1.1.2 Nhựa Polyester
Nhựa polyester là loại nhựa tương đối rẻ tiền và dễ xử lý, thường được sử dụng trong các ứng dụng có chi phí thấp. Nhựa polyester ít khói được sử dụng cho các bộ phận bên trong máy bay. Polyester{2}}được gia cố bằng sợi có thể được xử lý theo nhiều cách khác nhau. Các phương pháp xử lý phổ biến bao gồm tạo hình khuôn kim loại phù hợp, tạo hình-dán ướt (đóng bao chân không), ép phun, cuộn sợi, ép đùn và hơi nước áp suất cao.
1.1.3 Nhựa Vinyl Ester
Nhựa vinyl ester có hình dáng, đặc tính xử lý và đặc tính đóng rắn giống như nhựa thông thường như nhựa polyester. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp vinyl ester được cải thiện nhiều so với vật liệu tổng hợp nhựa polyester tiêu chuẩn.
1.1.4 Nhựa phenolic
Nhựa phenolic lần đầu tiên được sử dụng thương mại trên thị trường vào đầu thế kỷ 20. Urê formaldehyde và melamine formaldehyde nổi lên vào những năm 1920 và 1930 như là những lựa chọn thay thế có chi phí thấp hơn khi sử dụng ở nhiệt độ thấp. Nhựa phenolic được sử dụng cho các bộ phận nội thất vì đặc tính ít khói và dễ cháy.
1.1.5 Nhựa Epoxy
Nhựa epoxy là một loại nhựa nhiệt rắn có khả năng trùng hợp, có nhiều độ nhớt từ lỏng đến rắn. Với nhiều loại nhựa epoxy khác nhau, kỹ thuật viên nên sử dụng sổ tay hướng dẫn bảo trì để chọn đúng loại cho một công việc sửa chữa cụ thể. Nhựa epoxy được sử dụng rộng rãi trong prereg và chất kết dính kết cấu. Ưu điểm của epoxies là độ bền và mô đun cao, hàm lượng bay hơi thấp, độ bám dính tốt, độ co thấp, khả năng kháng hóa chất tốt và dễ gia công. Nhược điểm chính của nó là dễ vỡ và suy giảm tính chất khi có độ ẩm. Nhựa epoxy xử lý hoặc xử lý chậm hơn nhựa polyester. Các kỹ thuật xử lý bao gồm đúc nồi hấp, cuộn sợi, đúc khuôn, đóng bao chân không, đúc chuyển nhựa và đúc ép. Nhiệt độ bảo dưỡng dao động từ nhiệt độ phòng đến khoảng 350 độ F (180 độ). Phạm vi nhiệt độ chữa bệnh phổ biến nhất là từ 250 độ đến 350 độ F (120-180 độ). Như thể hiện trong Hình 10.
Hình 10: Cả hai hệ thống phân phối epoxy ướt đều có máy bơm
1.1.6 Nhựa polyimide
Nhựa polyimide vượt trội trong môi trường có nhiệt độ-cao, trong đó khả năng chịu nhiệt, ổn định oxy hóa, hệ số giãn nở nhiệt thấp và khả năng kháng dung môi tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế. Công dụng chính của nó là bảng mạch, động cơ nhiệt và cấu trúc khung máy bay. Nhựa polyimide có thể là nhựa nhiệt rắn hoặc nhựa nhiệt dẻo. Nhựa polyimide yêu cầu nhiệt độ xử lý cao, thường vượt quá 550 độ F (290 độ). Do đó, vật liệu đóng bao composite epoxy thông thường không có sẵn và dụng cụ bằng thép trở nên cần thiết. Điều rất quan trọng là sử dụng màng đóng bao và giải phóng polyimide như Kapton®. upilex® thay vì màng bọc nylon và màng giải phóng polytetrafluoroethylene (PTFE) chi phí thấp hơn là một quy trình phổ biến để xử lý hỗn hợp epoxy.
Lớp phủ sợi thủy tinh do điểm nóng chảy thấp của sợi polyester phải được thay thế bằng vật liệu thoáng khí có thể xả được làm vật liệu trải giường.
1.1.7 Nhựa Polybenzimidazole (PBI)
PBI được sử dụng trong các vật liệu chịu nhiệt độ cao vì khả năng chịu nhiệt độ cực cao. Nhựa được sử dụng làm chất kết dính và sợi.
1.1.8 Nhựa Bismaleimide (BMI)
BMI có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn và độ bền cao hơn nhựa epoxy và mang lại hiệu suất tuyệt vời ở cả nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ cao. Chỉ số BMI được xử lý tương tự như nhựa epoxy. BMI được sử dụng trong động cơ-máy bay và các bộ phận có nhiệt độ-cao. bMI phù hợp với quy trình xử lý-máy ép nóng tiêu chuẩn, ép phun, đúc nhựa và đúc khuôn tổng hợp (SMC), cùng nhiều quy trình khác.
1.1.9 Nhựa nhiệt dẻo
Vật liệu nhựa nhiệt dẻo có thể được làm mềm nhiều lần bằng cách tăng nhiệt độ và cứng lại nhiều lần bằng cách giảm nhiệt độ. Tốc độ xử lý là ưu điểm chính của vật liệu nhựa nhiệt dẻo. Không có quá trình xử lý hóa học xảy ra trong quá trình xử lý và vật liệu có thể được đúc hoặc ép đùn khi mềm.
1.1.10 Nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể
Nhựa nhiệt dẻo bán{0}}tinh thể có đặc tính chống cháy cố định, độ dẻo dai vượt trội, nhiệt độ cao và đặc tính cơ học sau{1}}va chạm tốt cũng như khả năng hấp thụ độ ẩm thấp. Chúng được sử dụng trong các cấu trúc máy bay thứ cấp và chính. Khi kết hợp với sợi gia cố, chúng có thể được sử dụng cho các hợp chất ép phun, các tấm ngẫu nhiên được đúc bằng nén, các khuôn một chiều, các prepreg được làm từ các prepreg tow (prereg) và prereg vải. Sợi được ngâm tẩm trong nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể bao gồm sợi carbon, carbon mạ niken, aramid, sợi thủy tinh, thạch anh và các loại khác.
1.1.11 Nhựa nhiệt dẻo vô định hình
Nhựa nhiệt dẻo vô định hình có sẵn ở nhiều dạng vật lý khác nhau, bao gồm màng, sợi và bột. Khi kết hợp với sợi gia cố, chúng cũng được sử dụng trong vật liệu tổng hợp đúc phun, tấm ngẫu nhiên có thể đúc khuôn nén, khuôn cao su một chiều, vải prereg dệt và các loại khác. Các loại sợi được sử dụng chủ yếu là sợi cacbon, sợi aramid và sợi thủy tinh. Những ưu điểm đặc biệt của nhựa nhiệt dẻo vô định hình phụ thuộc vào polyme. Thông thường, các loại nhựa được biết đến vì dễ xử lý, tốc độ, khả năng chịu nhiệt độ cao, tính chất cơ học tốt, độ bền và độ bền va đập tuyệt vời cũng như tính ổn định hóa học. Tính ổn định mang lại thời gian bảo quản không giới hạn, loại bỏ yêu cầu bảo quản lạnh các prereg nhiệt rắn.
1.1.12 Polyetheretherketon (PEEK)
PEEK là một loại nhựa nhiệt dẻo-có nhiệt độ cao. Vật liệu xeton thơm này có đặc tính cháy và nhiệt cao tuyệt vời, đồng thời có khả năng chống lại nhiều loại dung môi và chất lỏng hòa tan độc quyền. PEEK cũng có thể được gia cố bằng sợi thủy tinh và sợi carbon.
1.2 Các công đoạn xử lý nhựa
Nhựa nhiệt rắn được xử lý bằng phản ứng hóa học. Có ba giai đoạn chữa bệnh, được gọi là A, B và C.
-Giai đoạn A:Các thành phần nhựa (chất nền và chất làm cứng) đã được trộn lẫn nhưng phản ứng hóa học vẫn chưa bắt đầu. Trong quá trình-làm ướt, nhựa ở giai đoạn A.
-Giai đoạn B: Các thành phần nhựa đã được trộn lẫn và phản ứng hóa học đã bắt đầu. Vật liệu trở nên dày và dính. Nhựa của prereg ở giai đoạn B. Để tránh bị đóng rắn thêm, nhựa được đặt trong tủ đông ở nhiệt độ 0 độ F. Ở trạng thái đông lạnh, nhựa của prereg vẫn ở giai đoạn B. Quá trình xử lý bắt đầu khi vật liệu được lấy ra khỏi tủ lạnh và đun nóng lại.
-Giai đoạn C:Nhựa đã được xử lý hoàn toàn. Một số loại nhựa xử lý ở nhiệt độ phòng, một số khác yêu cầu chu trình xử lý ở nhiệt độ cao để xử lý đầy đủ và đầy đủ.
1.3 Prepreg
Prereg bao gồm sự kết hợp của chất nền và sợi gia cố. Nó có sẵn ở dạng đơn hướng (một hướng gia cố) và ở dạng nhiều lớp vải (một số hướng gia cố). Tất cả năm họ nhựa nền chính đều có thể được sử dụng để ngâm tẩm các dạng sợi khác nhau. Sau đó, nhựa không còn ở giai đoạn độ nhớt thấp nữa mà đã được nâng cao lên mức xử lý loại B để có đặc tính xử lý tốt hơn. Các sản phẩm sau đây có sẵn ở dạng prereg: khuôn cao su một chiều, các sản phẩm bằng sợi dệt, dây kéo liên tục và thảm cắt nhỏ. Preregs phải được bảo quản trong tủ lạnh dưới 0 độ F để làm chậm quá trình đóng rắn. Prereg được xử lý ở nhiệt độ cao. Nhiều prereg được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ được ngâm tẩm bằng nhựa epoxy xử lý ở nhiệt độ 250 độ F hoặc 350 độ F. Prereg được xử lý trong nồi hấp, lò nướng hoặc chăn nóng. Chúng thường được mua và bảo quản trong cuộn túi nhựa kín để tránh nhiễm ẩm. Như thể hiện trong Hình 11.
Hình 11: Prepreg màng dính và vải
1.4 Chất liệu sợi khô
Vật liệu sợi khô, chẳng hạn như sợi carbon, sợi thủy tinh và kevlar®, được sử dụng trong nhiều quy trình sửa chữa máy bay. Vải khô được ngâm tẩm nhựa trước khi bắt đầu công việc sửa chữa. Quá trình này thường được gọi là cán ướt. Ưu điểm chính của việc sử dụng quy trình-ướt là sợi và nhựa có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài. Composite có thể được xử lý ở nhiệt độ phòng hoặc được xử lý ở nhiệt độ cao để đẩy nhanh quá trình đóng rắn và tăng cường độ. Nhược điểm là quá trình này lộn xộn và các đặc tính của vật liệu gia cố thấp hơn so với prereg. Như thể hiện trong Hình 12.
Hình 12: Chất liệu vải khô (từ trên xuống dưới: vật liệu chống sét nhôm, kevlar®, sợi thủy tinh và sợi carbon)
1.5 Trợ chất (tác nhân thixotropic)
Các chất trợ chất (tác nhân thixotropic) ở dạng gel khi ở trạng thái nghỉ và trở thành chất lỏng khi được khuấy. Những vật liệu này có độ bền cắt tĩnh cao và độ bền cắt động thấp đồng thời mất độ nhớt khi bị ứng suất.
II. Chất kết dính
2.1 Chất kết dính màng
Chất kết dính kết cấu cho các ứng dụng hàng không vũ trụ thường được cung cấp ở dạng màng, được hỗ trợ trên giấy nhả và được bảo quản trong điều kiện lạnh (-18 độ hoặc 0 độ F). Chất kết dính màng có thể sử dụng các amin thơm ở nhiệt độ cao hoặc các chất đóng rắn được xúc tác với nhiều chất làm mềm và tăng độ cứng. Chất kết dính màng epoxy cường lực cao su được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ. Giới hạn nhiệt độ trên 121-177 độ (250-350 độ F) thường phụ thuộc vào mức độ cứng cần thiết và việc lựa chọn tổng thể nhựa và chất làm cứng. Nói chung, nhựa cứng dẫn đến nhiệt độ sử dụng thấp hơn. Vật liệu màng thường được hỗ trợ bởi các sợi để cải thiện khả năng xử lý màng trước khi đóng rắn, kiểm soát dòng chảy dính trong quá trình liên kết và hỗ trợ kiểm soát độ dày của đường liên kết. Các sợi này có thể được làm thành những tấm thảm dập ghim định hướng ngẫu nhiên hoặc thành vải dệt thoi. Các loại sợi phổ biến là polyester, polyamit (nylon) và sợi thủy tinh. Chất kết dính có chứa vải dệt thoi có thể bị suy giảm nhẹ về môi trường do nước được sợi hấp thụ. Thảm ngẫu nhiên không hiệu quả bằng vải dệt thoi trong việc kiểm soát độ dày màng vì các sợi không bị hạn chế di chuyển trong quá trình liên kết. Vải không dệt Spunlace không xê dịch nên được sử dụng rộng rãi. Như thể hiện trong Hình 13 và 14.
Hình 13: Sử dụng chất kết dính màng, Kevlar®, sợi thủy tinh và sợi carbon
Hình 14: Màng dính
2.2 Chất kết dính
Chất kết dính được sử dụng thay thế cho chất kết dính màng. Chúng thường được sử dụng để liên kết thứ cấp nhằm sửa chữa các phần bị hư hỏng của miếng vá và ở những khu vực khó dán keo màng. Trong trường hợp nhựa epoxy, chất dán chủ yếu được sử dụng để bám dính vào chất kết dính cấu trúc. Hệ thống một phần và hai phần có sẵn. Ưu điểm của keo dán là có thể bảo quản ở nhiệt độ phòng và có thời hạn sử dụng lâu dài. Nhược điểm là độ dày của đường liên kết khó kiểm soát, ảnh hưởng đến độ bền của liên kết.
Khi dán keo có thể giữ cho vải được dán trong quá trình dán. Như thể hiện trong Hình 15.
Hình 15: Chất kết dính
2.3 Chất kết dính xốp
Hầu hết các chất kết dính bọt đều là nhựa epoxy loại B dày từ 0,025-inch đến 0,10 inch. Chất kết dính bọt xử lý ở 250 độ F (121 độ) hoặc 350 độ F (176 độ). Trong chu kỳ xử lý, chất kết dính xốp sẽ mở ra. Chất kết dính bọt cần được bảo quản trong tủ lạnh và giống như preregs, chúng có thời gian bảo quản hạn chế. Trong quá trình sửa chữa trước, keo xốp được sử dụng để nối vào tổ ong trong cấu trúc bánh sandwich và sửa chữa trong lõi hiện có. Như được hiển thị trong Hình 16.
Hình 16: Sử dụng keo bọt
III. Mô tả cấu trúc bánh sandwich (mô tả cấu trúc bánh sandwich)
Về mặt lý thuyết, kết cấu bánh sandwich là một khái niệm kết cấu tấm bao gồm hai mặt tương đối mỏng, song song được ngăn cách bởi một lõi tương đối dày hoặc nhẹ. Lõi hỗ trợ bề mặt chống lại sự uốn cong và chống lại tải trọng cắt tự phẳng. Lõi phải có độ bền cắt và độ cứng chịu nén cao. Cấu trúc bánh sandwich composite thường được sản xuất bằng phương pháp đóng rắn bằng nồi hấp, đóng rắn bằng máy ép hoặc đóng rắn bằng túi chân không. Các lớp da có thể được xử lý trước và sau đó được kết hợp trong hoạt động đồng xử lý hoặc kết hợp cả hai phương pháp. Ví dụ về cấu trúc tổ ong là: cánh lướt gió, bột talc, cánh hoa thị, cánh tà, vỏ bọc, sàn và bánh lái. Như được hiển thị trong Hình 17.
Hình 17: Cấu trúc bánh sandwich tổ ong
IV. Hiệu suất
Khi so sánh cấu trúc nhôm và composite, độ cứng uốn của cấu trúc bánh sandwich là rất cao. Hầu hết các tổ ong đều có tính dị hướng, tức là các đặc tính có tính định hướng. Ưu điểm của việc sử dụng cấu trúc tổ ong được minh họa trong Hình 18. Việc tăng độ dày lõi làm tăng đáng kể độ cứng của cấu trúc tổ ong với mức tăng trọng lượng tối thiểu. Do cấu trúc tổ ong có độ cứng cao nên không cần sử dụng các tấm cứng bên ngoài như trường hợp khung dầm.
Hình 18: Độ bền và độ cứng của vật liệu bánh sandwich tổ ong so với giá trị cán màng