I. Substraatmaterialen
1.1 Hars
1.1.1 Thermohardende hars
Hars is de verzamelnaam voor polymeren. De hars en zijn chemische samenstelling en fysische eigenschappen hebben een fundamentele invloed op de verwerking, productie en uiteindelijke eigenschappen van het composietmateriaal. Thermohardende hars is de meest diverse en meest gebruikte van alle door de mens-gemaakte materialen. Het is gemakkelijk in elke vorm te gieten of te vormen, is compatibel met de meeste andere materialen en hardt gemakkelijk uit (door hitte of katalysatoren) tot een onoplosbare vaste stof. Thermohardende hars is ook een uitstekend hecht- en bindmiddel.
1.1.2 Polyesterhars
Polyesterhars is een relatief goedkope en gemakkelijk te verwerken hars die vaak in goedkope toepassingen wordt gebruikt. Low smoke polyesterhars wordt gebruikt voor interieuronderdelen van vliegtuigen. Vezel-versterkt polyester kan op verschillende manieren worden verwerkt. Veelgebruikte verwerkingsmethoden zijn onder meer het vormen van passende metalen mallen, het vormen van nat{4}} lamineren (vacuümzakken), spuitgieten, vezelwikkelen, pultrusie en hogedrukstoom.
1.1.3 Vinylesterhars
Vinylesterhars heeft hetzelfde uiterlijk, dezelfde hanteringseigenschappen en uithardingseigenschappen als conventionele harsen als polyesterharsen. De corrosieweerstand en mechanische eigenschappen van vinylestercomposieten zijn echter veel verbeterd ten opzichte van de standaard polyesterharscomposieten.
1.1.4 Fenolhars
Fenolhars werd begin 20e eeuw voor het eerst commercieel op de markt gebruikt. Ureumformaldehyde en melamineformaldehyde kwamen in de jaren twintig en dertig naar voren als goedkopere alternatieven voor gebruik bij lage temperaturen. Fenolhars wordt gebruikt voor interieuronderdelen vanwege de lage rookontwikkeling en lage ontvlambaarheidseigenschappen.
1.1.5 Epoxyhars
Epoxyhars is een polymeriseerbare thermohardende hars met een breed scala aan viscositeiten, van vloeibaar tot vast. Bij veel verschillende soorten epoxyhars moet de technicus een onderhoudshandleiding gebruiken om het juiste type voor een bepaalde reparatie te selecteren. Epoxyhars wordt veel gebruikt in prepregs en structurele lijmen. De voordelen van epoxy's zijn hoge sterkte en modulus, laag vluchtige gehalte, goede hechting, lage krimp, goede chemische bestendigheid en verwerkingsgemak. De belangrijkste nadelen zijn kwetsbaarheid en verslechtering van eigenschappen in aanwezigheid van vocht. Epoxyhars is langzamer te verwerken of uit te harden dan polyesterhars. Verwerkingstechnieken omvatten autoclaafgieten, vezelwikkelen, gieten, vacuümzakken, harsoverdrachtgieten en pultrusiegieten. Uithardingstemperaturen variëren van kamertemperatuur tot ongeveer 350 graden F (180 graden). Het meest gebruikelijke bereik van de uithardingstemperatuur ligt tussen 250 graden en 350 graden F (120-180 graden). Zoals weergegeven in Figuur 10.
Figuur 10: Beide lay-upsystemen voor natte epoxy-dispensers met pompen
1.1.6 Polyimidehars
Polyimidehars blinkt uit in omgevingen met hoge- temperaturen, waar de hittebestendigheid, oxidatieve stabiliteit, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en bestendigheid tegen oplosmiddelen het ontwerp vergemakkelijken. De belangrijkste toepassingen zijn printplaten, warmtemotoren en cascoconstructies. Polyimidehars kan een thermohardende hars of thermoplastisch zijn. De polyimidehars vereist hoge uithardingstemperaturen, gewoonlijk hoger dan 550 graden F (290 graden). Als gevolg hiervan zijn er geen gebruikelijke epoxycomposiet-zakmaterialen beschikbaar en wordt stalen gereedschap een noodzaak. Het is erg belangrijk om polyimide zakken en lossingsfilms zoals Kapton® te gebruiken. upilex® in plaats van de goedkopere nylon kous en polytetrafluorethyleen (PTFE) lossingsfilms is een gebruikelijke procedure voor de verwerking van epoxycomposiet.
Glasvezeltoplaag vanwege het lage smeltpunt van polyestervezels moet worden vervangen door een loosbaar ademend materiaal als bodembedekking.
1.1.7 Polybenzimidazoolhars (PBI)
PBI wordt gebruikt in materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen vanwege de extreem hoge temperatuurbestendigheid. De hars wordt gebruikt als lijm en vezels.
1.1.8 Bismaleimidehars (BMI)
BMI heeft een hogere temperatuurbestendigheid en hogere taaiheid dan epoxyharsen en biedt uitstekende prestaties bij zowel omgevings- als verhoogde temperaturen. De BMI wordt op dezelfde manier verwerkt als epoxyharsen. BMI wordt gebruikt in vliegtuig-motoren en hoge- componenten. bMI's zijn onder meer geschikt voor standaard hot{5}}-verwerking van blikjes, spuitgieten, harsgieten en gegoten composietgieten (SMC).
1.1.9 Thermoplastische hars
Thermoplastische materialen kunnen herhaaldelijk worden verzacht door de temperatuur te verhogen en herhaaldelijk worden gehard door de temperatuur te verlagen. Verwerkingssnelheid is het belangrijkste voordeel van thermoplastische materialen. Er vindt geen chemische uitharding plaats tijdens de verwerking en materialen kunnen worden gegoten of geëxtrudeerd als ze zacht zijn.
1.1.10 Semi-kristallijne thermoplasten
Semi{0}}kristallijne thermoplastische materialen hebben vaste vlamvertragende eigenschappen, superieure taaiheid, goede mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen en na- impact en een lage vochtopname. Ze worden gebruikt in secundaire en primaire vliegtuigconstructies. In combinatie met versterkende vezels kunnen ze worden gebruikt voor spuitgietmassa's, door compressie gevormde willekeurige platen, unidirectionele mallen, prepregs gemaakt van prepreg-kabels (prepregs) en prepregs van textiel. Vezels die zijn geïmpregneerd in semikristallijne thermoplastische materialen omvatten koolstofvezels, vernikkeld-koolstof, aramide, glasvezels, kwarts en andere.
1.1.11 Amorfe thermoplasten
Amorfe thermoplastische materialen zijn verkrijgbaar in verschillende fysieke vormen, waaronder films, filamenten en poeders. In combinatie met versterkende vezels worden ze ook gebruikt in spuitgegoten composieten, door compressie vormbare willekeurige platen, unidirectionele rubberen mallen, geweven prepregs en andere. De gebruikte vezels zijn voornamelijk koolstof-, aramide- en glasvezels. De bijzondere voordelen van amorfe thermoplastische materialen zijn afhankelijk van het polymeer. Typisch staan de harsen bekend om hun verwerkingsgemak, snelheid, hoge temperatuurbestendigheid, goede mechanische eigenschappen, uitstekende taaiheid en slagsterkte, en chemische stabiliteit. De stabiliteit resulteert in een onbeperkte houdbaarheid, waardoor de noodzaak voor koude opslag van thermohardende prepregs wordt geëlimineerd.
1.1.12 Polyetheretherketon (PEEK)
PEEK is een thermoplastisch materiaal voor hoge- temperaturen. Dit aromatische ketonmateriaal heeft uitstekende hoge hitte- en verbrandingseigenschappen en is bestand tegen een breed scala aan oplosmiddelen en gepatenteerde oplosbare vloeistoffen. PEEK kan ook worden versterkt met glas- en koolstofvezels.
1.2 Uithardingsfasen van harsen
Thermohardende hars wordt uitgehard door middel van een chemische reactie. Er zijn drie stadia van uitharding, genaamd A, B en C.
-Fase A: De harscomponenten (substraat en verharder) zijn gemengd, maar de chemische reactie is nog niet begonnen. Tijdens het nat leggen-bevindt de hars zich in fase A.
-Fase B: De harscomponenten zijn gemengd en de chemische reactie is begonnen. Het materiaal wordt dik en plakkerig. De hars van de prepreg bevindt zich in fase B. Om verdere uitharding te voorkomen wordt de hars in de vriezer geplaatst bij 0 graden F. In bevroren toestand blijft de hars van de prepreg in fase B. Het uitharden begint wanneer het materiaal uit de koelkast wordt gehaald en opnieuw wordt verwarmd.
-Fase C: de hars is volledig uitgehard. Sommige harsen harden uit bij kamertemperatuur, andere vereisen uithardingscycli bij hoge temperaturen om volledig en adequaat uit te harden.
1.3 Prepregs
Prepreg bestaat uit een combinatie van matrix- en versterkende vezels. Het is verkrijgbaar in unidirectionele vorm (één verstevigingsrichting) en in met stof gelamineerde vorm (meerdere verstevigingsrichtingen). Alle vijf de belangrijkste matrixharsfamilies kunnen worden gebruikt om verschillende vezelvormen te impregneren. De harsen bevinden zich dan niet langer in het stadium van lage viscositeit, maar zijn doorontwikkeld naar een klasse B-uithardingsniveau voor betere hanteringseigenschappen. De volgende producten zijn verkrijgbaar in prepreg-vorm: unidirectionele rubberen mallen, geweven vezelartikelen, doorlopende kabels en gehakte gesneden matten. Prepregs moeten in een koelkast onder 0 graden F worden bewaard om het uithardingsproces te vertragen. Prepregs worden uitgehard bij verhoogde temperaturen. Veel prepregs die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, zijn geïmpregneerd met epoxyharsen die uitharden bij 250 graden F of 350 graden F. Prepregs worden uitgehard in autoclaven, ovens of hete dekens. Ze worden meestal gekocht en opgeslagen in een afgesloten plastic zakrol om vochtverontreiniging te voorkomen. Zoals weergegeven in Figuur 11.
Figuur 11: Kleeffilm en textielprepreg
1.4 Droge vezelmaterialen
Droge vezelmaterialen, zoals koolstofvezel, glasvezel en kevlar®, worden bij veel vliegtuigreparatieprocedures gebruikt. De droge stof wordt geïmpregneerd met hars voordat de reparatiewerkzaamheden beginnen. Dit proces wordt vaak nat lamineren genoemd. Het belangrijkste voordeel van het nat leggen-proces is dat de vezels en hars gedurende langere tijd bij kamertemperatuur kunnen worden bewaard. Het composiet kan bij kamertemperatuur of bij hoge temperaturen worden uitgehard om het uithardingsproces te versnellen en de sterkte te vergroten. De nadelen zijn dat het proces rommelig is en dat de eigenschappen van het versterkte materiaal lager zijn dan die van de prepreg. Zoals weergegeven in Figuur 12.
Figuur 12: Droge stofmaterialen (van boven naar beneden: aluminium bliksembeveiligingsmateriaal, kevlar®, glasvezel en koolstofvezel)
1.5 Hulpstoffen (thixotrope middelen)
Hulpstoffen (thixotrope middelen) hebben in rust de vorm van een gel en worden vloeibaar bij roeren. Deze materialen hebben een hoge statische afschuifsterkte en een lage dynamische afschuifsterkte, terwijl ze onder spanning hun viscositeit verliezen.
II. Kleefstoffen
2.1 Foliekleefstoffen
Structurele lijmen voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen worden doorgaans geleverd in filmvorm, ondersteund op loslaatpapier en opgeslagen onder gekoelde omstandigheden (-18 graden of 0 graden F). Filmkleefstoffen kunnen gebruik maken van aromatische aminen op hoge temperatuur of gekatalyseerde uithardingsmiddelen met een breed scala aan weekmakers en harders. Met rubber geharde epoxyfilmkleefstoffen worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie. De bovenste temperatuurlimiet van 121-177 graden (250-350 graden F) is meestal afhankelijk van de vereiste mate van harding en de algehele keuze van hars en verharder. Over het algemeen resulteren geharde harsen in lagere gebruikstemperaturen. Het filmmateriaal wordt gewoonlijk ondersteund door vezels om de hantering van de film voorafgaand aan het uitharden te verbeteren, om de lijmstroom tijdens het hechtingsproces te controleren en om te helpen bij het beheersen van de dikte van de hechtlijn. Van de vezels kunnen willekeurig georiënteerde stapelmatten of geweven stoffen worden gemaakt. Veel voorkomende vezels zijn polyester, polyamide (nylon) en glasvezels. Kleefmiddelen die geweven stoffen bevatten, kunnen een lichte aantasting van het milieu vertonen doordat water door de vezels wordt geabsorbeerd. Willekeurig matteren is niet zo effectief als geweven stoffen bij het beheersen van de filmdikte, omdat de onbeperkte vezels bewegen tijdens het hechtingsproces. Spunlace non-woven stoffen bewegen niet en worden daarom veel gebruikt. Zoals weergegeven in figuren 13 en 14.
Figuur 13: Gebruik van filmkleefstoffen, Kevlar®, glasvezel en koolstofvezel
Figuur 14: Plakfolie
2.2 Kleefstoffen
Kleefstoffen worden gebruikt als vervanging voor filmkleefstoffen. Deze worden vaak gebruikt voor secundaire verlijming om beschadigde delen van patches te repareren en op plaatsen waar filmkleefstoffen moeilijk aan te brengen zijn. Bij epoxyharsen wordt hoofdzakelijk een pasta gebruikt om het structurele bindmiddel te hechten. Er zijn systemen met één- en twee- delen beschikbaar. Het voordeel van pastalijmen is dat ze bij kamertemperatuur bewaard kunnen worden en lang houdbaar zijn. Het nadeel is dat de dikte van de verbindingslijn moeilijk te controleren is, wat de sterkte van de verbinding beïnvloedt.
Wanneer de lijm wordt aangebracht, is het mogelijk om de stof tijdens het lijmproces gelijmd te houden. Zoals weergegeven in Figuur 15.
Figuur 15: Kleefstoffen
2.3 Schuimlijmen
De meeste schuimkleefstoffen zijn klasse B-epoxyharsen van 0,025-inch tot 0,10 inch dik. Schuimkleefstoffen harden uit bij 250 graden F (121 graden) of 350 graden F (176 graden). Tijdens de uithardingscyclus ontvouwt de schuimlijm zich. Schuimlijmen moeten in de koelkast worden bewaard en hebben, net als prepregs, een beperkte houdbaarheid. Bij de pre-reparatie wordt de schuimlijm gebruikt om op de honingraat in de sandwichstructuur te lassen en in de bestaande kern te repareren. Zoals weergegeven in Figuur 16.
Figuur 16: Schuimlijm gebruiken
III. Beschrijving sandwichstructuur (beschrijving sandwichstructuur)
Theoretisch is sandwichconstructie een constructief paneelconcept dat bestaat uit twee relatief dunne, parallelle bekledingen, gescheiden door een relatief dikke of lichte kern. De kern ondersteunt de bekleding tegen buiging en tegen zelf-vlakke schuifbelastingen. De kern moet een hoge schuifsterkte en drukstijfheid hebben. Composiet sandwichconstructies worden gewoonlijk vervaardigd door uitharding in een autoclaaf, uitharding onder druk of uitharding in een vacuümzak. Huidlamineringen kunnen vooraf-uitgehard worden en vervolgens gecombineerd worden in een co-uithardingsoperatie, of een combinatie van beide methoden. Voorbeelden van honingraatstructuren zijn: vleugelspoilers, talk, rolroeren, kleppen, gondels, vloeren en roeren. Zoals weergegeven in Figuur 17.
Figuur 17: Honingraatsandwichstructuur
IV. Prestatie
In een vergelijking van aluminium- en composietlaminaatconstructies is de buigstijfheid van sandwichconstructies zeer hoog. De meeste honingraatsoorten zijn anisotroop, dat wil zeggen dat de eigenschappen georiënteerd zijn. De voordelen van het gebruik van honingraatstructuren worden geïllustreerd in Figuur 18. Het vergroten van de kerndikte vergroot de stijfheid van de honingraatstructuur aanzienlijk met minimale gewichtstoename. Door de hoge stijfheid van de honingraatstructuur is het niet nodig om externe hardboards te gebruiken, zoals bij een balkenframe.
Figuur 18: Sterkte en stijfheid van honingraatsandwichmaterialen vergeleken met waarden voor massieve laminering