I. Vật liệu nền
1.1 Nhựa
1.1.1 Nhựa nhiệt rắn
Nhựa là thuật ngữ chung cho polyme. Nhựa và thành phần hóa học cũng như 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 đa dạng và được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các vật liệu nhân tạo. Nó dễ đúc hoặc tạo thành bất kỳ hình dạng nào, tương thích với hầu hết các vật liệu khác và dễ đông cứng (bằng nhiệt hoặc chất xúc tác) thành chất rắn không hòa tan. Nhựa nhiệt rắn cũng là chất kết dính và liên kết tuyệt vời.
1.1.2 Nhựa Polyester
Nhựa polyester là một loại nhựa tương đối rẻ tiền và dễ gia công, thường được sử dụng trong các ứng dụng giá thành thấp. Nhựa polyester ít khói được sử dụng cho các bộ phận bên trong máy bay. Polyester gia cố sợi có thể được gia công theo nhiều cách khác nhau. Các phương pháp gia công phổ biến bao gồm tạo khuôn kim loại phù hợp, tạo lớp phủ ướt (đóng bao chân không), đúc phun, quấn sợi, kéo đùn và hơi nước áp suất cao.
1.1.3 Nhựa Vinyl Ester
Nhựa vinyl ester có cùng vẻ ngoài, đặc tính xử lý và đặc tính đóng rắn của nhựa thông thường như nhựa polyester. Tuy nhiên, khả năng chống ăn mòn và đặc tính cơ học của vật liệu composite vinyl ester được cải thiện nhiều so với vật liệu composite 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. Urea formaldehyde và melamine formaldehyde xuất hiện vào những năm 1920 và 1930 như những giải pháp thay thế có chi phí thấp hơn cho mục đích sử dụng ở nhiệt độ thấp. Nhựa phenolic được sử dụng cho các thành phần nội thất vì đặc tính ít khói và dễ cháy của nó.
1.1.5 Nhựa Epoxy
Nhựa Epoxy là một loại nhựa nhiệt rắn có thể trùng hợp có độ nhớt rộng từ lỏng đến rắn. Với nhiều loại nhựa Epoxy khác nhau, kỹ thuật viên nên sử dụng hướng dẫn bảo dưỡng để chọn loại phù hợp cho mục đích sửa chữa cụ thể. Nhựa Epoxy được sử dụng rộng rãi trong các chất kết dính prepreg và kết cấu. Ưu điểm của nhựa Epoxy là độ bền và mô đun cao, hàm lượng bay hơi thấp, độ bám dính tốt, độ co ngót thấp, khả năng chống hóa chất tốt và dễ gia công. Nhược điểm chính của nó là dễ vỡ và tính chất bị suy giảm khi có hơi ẩm. Nhựa Epoxy xử lý hoặc đóng rắn chậm hơn nhựa Polyester. Các kỹ thuật xử lý bao gồm đúc khuôn bằng lò hấp, quấn sợi, đúc khuôn, đóng bao chân không, đúc khuôn chuyển nhựa và đúc đùn kéo. Nhiệt độ đóng rắn dao động từ nhiệt độ phòng đến khoảng 350 độ F (180 độ). Phạm vi nhiệt độ đóng rắn 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 phát huy tác dụng trong môi trường nhiệt độ cao, nơi khả năng chịu nhiệt, ổn định oxy hóa, hệ số giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống dung môi của nó 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 đòi hỏi nhiệt độ đóng rắn cao, thường vượt quá 550 độ F (290 độ). Do đó, các 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 phải sử dụng túi polyimide và màng tách như Kapton®. upilex® thay vì ống bọc nylon có chi phí thấp hơn và màng tách polytetrafluoroethylene (PTFE) là một quy trình phổ biến để xử lý composite epoxy.
Lớp phủ bằng sợi thủy tinh do sợi polyester có điểm nóng chảy thấp nên phải được thay thế bằng vật liệu thoáng khí có thể thải ra làm vật liệu lót.
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 của nó. 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 dẻo dai cao hơn nhựa epoxy và mang lại hiệu suất tuyệt vời ở cả nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cao. BMI được xử lý tương tự như nhựa epoxy. BMI được sử dụng trong động cơ máy bay và các thành phần chịu nhiệt độ cao. BMI phù hợp với quá trình xử lý lon ép nóng tiêu chuẩn, đúc phun, đúc nhựa và đúc composite đúc (SMC), trong số những ứng dụng khác.
1.1.9 Nhựa nhiệt dẻo
Vật liệu nhiệt dẻo có thể được làm mềm nhiều lần bằng cách tăng nhiệt độ và làm cứng nhiều lần bằng cách giảm nhiệt độ. Tốc độ xử lý là lợi thế chính của vật liệu nhiệt dẻo. Không xảy ra quá trình đóng rắn hóa học trong quá trình xử lý và vật liệu có thể được đúc hoặc đùn khi mềm.
1.1.10 Nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể
Nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể có đặc tính chống cháy cố định, độ dẻo dai vượt trội, đặc tính cơ học chịu nhiệt độ cao và sau va đập tốt, và 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 cường, chúng có thể được sử dụng cho các hợp chất đúc phun, các tấm ngẫu nhiên đúc nén, khuôn đơn hướng, prepreg làm từ sợi prepreg (prepreg) và prepreg vải. Các sợi được 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 nhiều dạng vật lý khác nhau, bao gồm màng, sợi và bột. Khi kết hợp với sợi gia cường, chúng cũng được sử dụng trong vật liệu composite đúc phun, tấm ngẫu nhiên có thể đúc nén, khuôn cao su đơn hướng, prepreg dệt và các loại khác. Các sợi được sử dụng chủ yếu là sợi carbon, sợi aramid và sợi thủy tinh. Những ưu điểm riêng biệt của nhựa nhiệt dẻo vô định hình phụ thuộc vào polyme. Thông thường, nhựa được biết đến với khả năng dễ gia công, tốc độ, khả năng chịu nhiệt độ cao, tính chất cơ học tốt, độ dẻo dai và độ bền va đập tuyệt vời, cũng như độ ổn định hóa học. Độ ổn định tạo ra tuổi thọ lưu trữ không giới hạn, loại bỏ yêu cầu lưu trữ lạnh của prepreg nhiệt rắn.
1.1.12 Polyetheretherketone (PEEK)
PEEK là một loại nhựa nhiệt dẻo chịu nhiệt độ cao. Vật liệu ketone thơm này có đặc tính chịu nhiệt và cháy cao tuyệt vời và 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 giai đoạn đóng rắn của nhựa
Nhựa nhiệt rắn được đóng rắn bằng phản ứng hóa học. Có ba giai đoạn đóng rắn, được gọi là A, B và C.
-Giai đoạn A: Các thành phần nhựa (chất nền và chất làm cứng) đã được trộn, nhưng phản ứng hóa học vẫn chưa bắt đầu. Trong quá trình xếp ướt, nhựa ở giai đoạn A.
-Giai đoạn B: Các thành phần nhựa đã được trộn và phản ứng hóa học đã bắt đầu. Vật liệu trở nên đặc và dính. Nhựa của prepreg đang ở giai đoạn B. Để ngăn chặn quá trình đóng rắn thêm, nhựa được đặt trong tủ đông ở nhiệt độ 0 độ F. Ở trạng thái đông lạnh, nhựa của prepreg vẫn ở giai đoạn B. Quá trình đóng rắn bắt đầu khi vật liệu được lấy ra khỏi tủ lạnh và được làm nóng lại.
- Giai đoạn C: Nhựa được lưu hóa hoàn toàn. Một số loại nhựa lưu hóa ở nhiệt độ phòng, một số khác cần chu kỳ lưu hóa ở nhiệt độ cao để lưu hóa hoàn toàn và đầy đủ.
1.3 Prepreg (vật liệu đã chuẩn bị)
Prepreg bao gồm sự kết hợp của sợi nền và sợi gia cường. Nó có dạng đơn hướng (một hướng gia cường) và dạng vải nhiều lớp (nhiều hướng gia cường). Cả năm họ nhựa nền chính đều có thể được sử dụng để tẩm nhiều dạng sợi khác nhau. Sau đó, nhựa không còn ở giai đoạn độ nhớt thấp nữa mà đã được nâng cấp lên mức độ đóng rắn loại B để có đặc tính xử lý tốt hơn. Các sản phẩm sau đây có dạng prepreg: khuôn cao su đơn hướng, sản phẩm sợi dệt, sợi kéo liên tục và thảm cắt nhỏ. Prepreg phải được bảo quản trong tủ lạnh dưới 0 độ F để làm chậm quá trình đóng rắn. Prepreg được đóng rắn ở nhiệt độ cao. Nhiều prepreg được sử dụng trong hàng không vũ trụ được tẩm nhựa epoxy đóng rắn ở nhiệt độ 250 độ F hoặc 350 độ F. Prepreg được đóng rắn trong lò 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: Màng keo và vải Prepreg
1.4 Vật 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 tẩm nhựa trước khi bắt đầu công việc sửa chữa. Quy trình này thường được gọi là cán ướt. Ưu điểm chính của việc sử dụng quy trình xếp ướt là sợi và nhựa có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài. Vật liệu composite có thể được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng hoặc bảo dưỡng ở nhiệt độ cao để đẩy nhanh quá trình bảo dưỡng và tăng cường độ. Nhược điểm là quy trình này lộn xộn và các đặc tính của vật liệu gia cố thấp hơn so với vật liệu prepreg. Như thể hiện trong Hình 12.
Hình 12: Vật liệu vải khô (từ trên xuống dưới: vật liệu chống sét bằng nhôm, kevlar®, sợi thủy tinh và sợi carbon)
1.5 Chất trợ (chất làm dẻo)
Chất trợ (chất làm dẻo) có dạng gel khi ở trạng thái nghỉ và trở thành chất lỏng khi khuấy. Các vật liệu này có độ bền cắt tĩnh cao và độ bền cắt động thấp trong khi mất độ nhớt dưới ứng suất.
II. Chất kết dính
2.1 Keo dán màng phim
Keo dán cấu trúc cho các ứng dụng hàng không vũ trụ thường được cung cấp dưới dạng màng, được hỗ trợ trên giấy tách và được bảo quản trong điều kiện lạnh ({{0} độ hoặc 0 độ F). Keo dán màng có thể sử dụng amin thơm nhiệt độ cao hoặc chất đóng rắn được xúc tác với nhiều chất làm mềm và chất làm cứng. Keo dán màng epoxy cường lực cao su được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ. Giới hạn nhiệt độ trên là 121-177 độ (250-350 độ F) thường phụ thuộc vào mức độ làm cứng cần thiết và lựa chọn tổng thể về nhựa và chất làm cứng. Nhìn chung, nhựa cường lực dẫn đến nhiệt độ sử dụng thấp hơn. Vật liệu màng thường được hỗ trợ bởi các sợi để cải thiện việc xử lý màng trước khi đóng rắn, để kiểm soát dòng chảy của keo trong quá trình liên kết và hỗ trợ kiểm soát độ dày của đường liên kết. Các sợi có thể được tạo thành các tấm kim bấm định hướng ngẫu nhiên hoặc thành vải dệt. Các sợi phổ biến là polyester, polyamide (nylon) và sợi thủy tinh. Keo dán có chứa vải dệt có thể bị phân hủy nhẹ về mặt môi trường do nước được các sợi hấp thụ. Việc đan xen ngẫu nhiên không hiệu quả bằng vải dệt 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 di chuyển và do đó được sử dụng rộng rãi. Như thể hiện trong Hình 13 và 14.
Hình 13: Sử dụng keo dán phim, Kevlar®, sợi thủy tinh và sợi carbon
Hình 14: Phim dính
2.2 Chất kết dính
Chất kết dính được sử dụng thay thế cho chất kết dính dạng màng. Chúng thường được sử dụng để liên kết thứ cấp nhằm sửa chữa các phần bị hỏng của miếng vá và ở những khu vực mà chất kết dính dạng màng khó áp dụng. Trong trường hợp của nhựa epoxy, keo dán chủ yếu được sử dụng để bám dính vào chất kết dính cấu trúc. Có sẵn hệ thống một thành phần và hai thành phần. Ưu điểm của keo dán dạng màng là chúng có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng và có thời hạn sử dụng dài. Nhược điểm là độ dày của đường liên kết khó kiểm soát, ảnh hưởng đến độ bền của liên kết.
Khi keo được bôi, có thể giữ cho vải được dán trong quá trình liên kết. Như thể hiện trong Hình 15.
Hình 15: Chất kết dính
2.3 Keo dán bọt
Hầu hết keo bọt đều là nhựa epoxy loại B dày {{0}}.025- inch đến 0.10- inch. Keo bọt đông cứng ở nhiệt độ 250 độ F (121 độ) hoặc 350 độ F (176 độ). Trong chu kỳ đông cứng, keo bọt sẽ nở ra. Keo bọt cần được bảo quản trong tủ lạnh và giống như prepreg, chúng có thời hạn bảo quản hạn chế. Trong quá trình sửa chữa trước, keo bọt được sử dụng để ghép vào tổ ong trong cấu trúc bánh sandwich và sửa chữa trong lõi hiện có. Như thể hiện trong Hình 16.
Hình 16: Sử dụng keo dán bọt
III. Mô tả cấu trúc sandwich (mô tả cấu trúc sandwich)
Về mặt lý thuyết, kết cấu bánh sandwich là khái niệm tấm kết cấu bao gồm hai mặt tương đối mỏng, song song được ngăn cách bởi lõi tương đối dày hoặc nhẹ. Lõi hỗ trợ mặt chống lại uốn cong và chống lại tải cắt tự phẳng. Lõi phải có cường độ cắt cao và độ cứng nén. Cấu trúc bánh sandwich composite thường được sản xuất bằng phương pháp đóng rắn bằng lò hấp, đóng rắn bằng máy ép hoặc đóng rắn bằng túi chân không. Các lớp da có thể được đóng rắn trước và sau đó kết hợp trong hoạt động đóng rắn đồng thời hoặc kết hợp cả hai phương pháp. Ví dụ về cấu trúc tổ ong là: cánh lái, talc, cánh tà, cánh tà, nacelle, sàn và bánh lái. Như thể hiện trong Hình 17.
Hình 17: Cấu trúc bánh sandwich tổ ong
IV. Hiệu suất
Khi so sánh giữa kết cấu nhôm và kết cấu gỗ ghép, độ cứng uốn của kết cấu bánh sandwich rất cao. Hầu hết các tổ ong đều có tính dị hướng, tức là các đặc tính được định hướng. Những ưu điểm của việc sử dụng kết cấu tổ ong được minh họa trong Hình 18. Tăng độ dày lõi làm tăng đáng kể độ cứng của kết cấu tổ ong với mức tăng trọng lượng tối thiểu. Do kết cấu tổ ong có độ cứng cao nên không cần sử dụng ván cứng bên ngoài như trong trường hợp khung dầm.
Hình 18: Độ bền và độ cứng của vật liệu dạng tổ ong so với giá trị cán mỏng rắn