I. Alusmaterjalid
1.1 Vaik
1.1.1 Termoresin
Vaik on polümeeride üldnimetus. Vaik ning selle keemiline koostis ja füüsikalised omadused mõjutavad põhjalikult komposiitmaterjali töötlemist, tootmist ja lõppomadusi. Termoreaktiivvaik on kõigist tehismaterjalidest kõige mitmekesisem ja laialdasemalt kasutatav. Seda on lihtne valada või vormida mis tahes kujul, see ühildub enamiku teiste materjalidega ja kõveneb kergesti (kuumuse või katalüsaatoritega) lahustumatuks tahkeks aineks. Termoreaktiivvaik on ka suurepärane liim- ja sideaine.
1.1.2 Polüestervaik
Polüestervaik on suhteliselt odav ja kergesti töödeldav vaik, mida kasutatakse sageli madalate kuludega rakendustes. Vähesuitsutatud polüestervaiku kasutatakse lennukite siseosade jaoks. Kiud-tugevdatud polüestrit saab töödelda mitmel viisil. Levinud töötlemismeetodid hõlmavad sobitatud metallist vormimist, märg-lamineerimist (vaakumkottidesse pakkimine), survevalu, kiudude mähkimist, pultrusiooni ja kõrgsurveauru.
1.1.3 Vinüülestervaik
Vinüülestervaigul on sama välimus, käsitsemis- ja kõvenemisomadused kui tavapärastel vaikudel kui polüestervaikudel. Siiski on vinüülesterkomposiitide korrosioonikindlus ja mehaanilised omadused palju paremad võrreldes tavaliste polüestervaigukomposiitidega.
1.1.4 Fenoolvaik
Esimest korda kasutati fenoolvaiku turul 20. sajandi alguses. Karbamiidformaldehüüd ja melamiinformaldehüüd tekkisid 1920. ja 1930. aastatel madalamate kuludega alternatiividena madalal temperatuuril. Fenoolvaiku kasutatakse sisekomponentide jaoks, kuna sellel on vähe suitsu ja süttivusomadusi.
1.1.5 Epoksüvaik
Epoksüvaik on polümeriseeritav termoreaktiivne vaik, millel on lai viskoossusvahemik vedelast tahkeni. Paljude eri tüüpi epoksüvaikude puhul peaks tehnik konkreetse remondi jaoks õige tüübi valimiseks kasutama hooldusjuhendit. Epoksüvaiku kasutatakse laialdaselt prepreg- ja struktuurliimides. Epoksiidide eelised on kõrge tugevus ja moodul, madal lenduvate ainete sisaldus, hea nake, vähene kokkutõmbumine, hea keemiline vastupidavus ja töötlemise lihtsus. Selle peamised puudused on nõrkus ja omaduste halvenemine niiskuse juuresolekul. Epoksüvaiku on aeglasem töödelda või kõveneda kui polüestervaiku. Töötlemismeetodid hõlmavad autoklaavivormimist, kiudude mähkimist, vormimist, vaakumkottidesse pakkimist, vaigu ülekandevormimist ja pultrusioonvormimist. Kõvenemistemperatuurid ulatuvad toatemperatuurist kuni ligikaudu 350 kraadi F (180 kraadini). Kõige tavalisem kõvenemistemperatuuri vahemik on 250–350 kraadi F (120–180 kraadi). Nagu on näidatud joonisel 10.
Joonis 10: Mõlemad pumpadega märg-epoksiiddosaatorite paigutussüsteemid
1.1.6 Polüimiidvaik
Polüimiidvaik sobib suurepäraselt{0}}kõrge temperatuuriga keskkondades, kus selle kuumakindlus, oksüdatiivne stabiilsus, madal soojuspaisumistegur ja lahustikindlus hõlbustavad projekteerimist. Selle peamised kasutusalad on trükkplaadid, soojusmootorid ja lennukikere struktuurid. Polüimiidvaik võib olla termoreaktiivne või termoplastne. Polüimiidvaik nõuab kõrget kõvenemistemperatuuri, tavaliselt üle 550 kraadi F (290 kraadi). Selle tulemusena pole tavalised epoksükomposiitkottide materjalid saadaval ja terasest tööriistad muutuvad hädavajalikuks. Väga oluline on kasutada polüimiidkotte ja eralduskilesid nagu Kapton®. Upilex® odavamate nailonhülsside ja polütetrafluoroetüleenist (PTFE) eralduskilede asemel on epoksükomposiitide töötlemisel levinud protseduur.
Klaaskiudkate tuleb polüesterkiudude madala sulamistemperatuuri tõttu asendada allapanu materjalina tühjeneva hingava materjaliga.
1.1.7 Polübensimidasoolvaik (PBI)
PBI-d kasutatakse kõrgele temperatuurile vastupidavates materjalides selle äärmise kõrge temperatuuritaluvuse tõttu. Vaiku kasutatakse liimainete ja kiududena.
1.1.8 Bismaleimiidvaik (BMI)
BMI-l on kõrgem temperatuuritaluvus ja suurem sitkus kui epoksüvaikudel ning see pakub suurepärast jõudlust nii ümbritseval kui ka kõrgemal temperatuuril. BMI-d töödeldakse sarnaselt epoksüvaikudega. KMI-d kasutatakse lennukite{2}}mootorites ja kõrgel temperatuuril{3}}. BMI-d sobivad muu hulgas standardseks kuumpressimiseks{5}}purgi töötlemiseks, survevaluks, vaiguvaluks ja vormitud komposiitvormimiseks (SMC).
1.1.9 Termoplastne vaik
Termoplastseid materjale saab temperatuuri tõstmisega korduvalt pehmendada ja temperatuuri langetades korduvalt karastada. Töötlemiskiirus on termoplastsete materjalide peamine eelis. Töötlemise ajal ei toimu keemilist kõvenemist ja materjale saab pehmeks vormida või ekstrudeerida.
1.1.10 Poolkristallilised{1}}termoplastid
Poolkristallilistel termoplastidel on fikseeritud leegiaeglustavad omadused, suurepärane sitkus, head kõrgel temperatuuril ja -löögijärgsed mehaanilised omadused ning madal niiskusimavus. Neid kasutatakse sekundaarsetes ja esmastes õhusõidukite konstruktsioonides. Koos armeerimiskiududega saab neid kasutada survevalu segude, survevaluvormitud juhuslike lehtede, ühesuunaliste vormide, eelköisikutest (prepreg) valmistatud prepregmaterjalide (prepreg) ja kanga eeltöötlemiseks. Poolkristalliliste termoplastidega immutatud kiudude hulka kuuluvad süsinikkiud, nikeldatud süsinik, aramiid, klaaskiud, kvarts ja muud.
1.1.11 Amorfsed termoplastid
Amorfsed termoplastid on saadaval mitmesugustes füüsikalistes vormides, sealhulgas kilede, filamentide ja pulbritena. Koos armeerimiskiududega kasutatakse neid ka survevalukomposiitmaterjalides, survevormitavates juhuslikes lehtedes, ühesuunalistes kummivormides, kootud prepregmaterjalides jm. Kasutatavad kiud on peamiselt süsinik-, aramiid- ja klaaskiud. Amorfsete termoplastide eelised sõltuvad polümeerist. Tavaliselt on vaigud tuntud oma töötlemise lihtsuse, kiiruse, kõrge temperatuuri, heade mehaaniliste omaduste, suurepärase sitkuse ja löögitugevuse ning keemilise stabiilsuse poolest. Stabiilsuse tulemuseks on piiramatu säilivusaeg, mis välistab termoreaktiivsete prepregmaterjalide külmhoiustamise nõude.
1.1.12 Polüeeter-eeterketoon (PEEK)
PEEK on kõrgtemperatuuriline{0}}termoplast. Sellel aromaatsel ketoonimaterjalil on suurepärased kõrged kuumus- ja põlemisomadused ning see on vastupidav paljudele lahustitele ja patenteeritud lahustuvatele vedelikele. PEEK-i saab tugevdada ka klaasi- ja süsinikkiuga.
1.2 Vaikude kõvenemise etapid
Termoreaktiivne vaik kõveneb keemilise reaktsiooni abil. Kõvenemisel on kolm etappi, mida nimetatakse A, B ja C.
-A etapp: vaigu komponendid (põhimik ja kõvendi) on segatud, kuid keemiline reaktsioon pole veel alanud. Märgpanemise ajal-on vaik A etapis.
-B etapp: vaigu komponendid on segatud ja keemiline reaktsioon on alanud. Materjal muutub paksuks ja kleepuvaks. Prepregi vaik on etapis B. Edasise kõvenemise vältimiseks asetatakse vaik sügavkülmikusse temperatuuril 0 °F. Külmutatud olekus jääb prepregi vaik B-faasi. Kõvenemine algab siis, kui materjal võetakse külmkapist välja ja kuumutatakse uuesti.
-C etapp: vaik on täielikult kõvenenud. Mõned vaigud kõvenevad toatemperatuuril, teised vajavad täielikuks ja piisavaks kõvenemiseks kõrgel temperatuuril kõvenemise tsükleid.
1.3 Prepregs
Prepreg koosneb maatriksi ja tugevduskiudude kombinatsioonist. See on saadaval ühesuunalisena (üks tugevdussuund) ja kangaga lamineeritud kujul (mitu tugevdussuunda). Kõiki viit põhimaatriksvaigu perekonda saab kasutada erinevate kiudude vormide immutamiseks. Vaigud ei ole siis enam madala viskoossusega staadiumis, vaid on paremate käsitsemisomaduste huvides viidud B-klassi kõvenemistasemele. Prepreg-vormingus on saadaval järgmised tooted: ühesuunalised kummivormid, kootud kiudtooted, pidevad takud ja tükeldatud matid. Kõvenemisprotsessi aeglustamiseks tuleb preprege hoida külmkapis temperatuuril alla 0 °F. Prepreg kuivatatakse kõrgel temperatuuril. Paljud kosmosetööstuses kasutatavad prepregmaterjalid on immutatud epoksüvaikudega, mis kõvenevad temperatuuril 250 °F või 350 °F. Prepregmaterjalid kõvenetakse autoklaavides, ahjudes või kuumades tekkides. Tavaliselt ostetakse ja hoitakse neid suletud kilekotirullis, et vältida niiskusega saastumist. Nagu on näidatud joonisel 11.
Joonis 11: Liimkile ja kanga eeltöödeldud
1.4 Kuivad kiudmaterjalid
Kuivkiudmaterjale, nagu süsinikkiud, klaaskiud ja kevlar®, kasutatakse paljudes lennukite remondiprotseduurides. Kuiv kangas immutatakse enne remonditööde algust vaiguga. Seda protsessi nimetatakse sageli märglamineerimiseks. Märgpaigaldusprotsessi-peamine eelis on see, et kiude ja vaiku saab pikka aega toatemperatuuril säilitada. Kõvenemisprotsessi kiirendamiseks ja tugevuse suurendamiseks võib komposiiti kõvendada toatemperatuuril või kõrgel temperatuuril. Puuduseks on see, et protsess on räpane ja tugevdatud materjali omadused on madalamad kui prepregil. Nagu on näidatud joonisel 12.
Joonis 12: Kuivad kangamaterjalid (ülevalt alla: alumiiniumist piksekaitsematerjal, kevlar®, klaaskiud ja süsinikkiud)
1.5 Abiained (tiksotroopsed ained)
Abiained (tiksotroopsed ained) on puhkeolekus geeli kujul ja muutuvad segamisel vedelaks. Nendel materjalidel on kõrge staatiline nihketugevus ja madal dünaamiline nihketugevus, kaotades samal ajal viskoossuse pinge all.
II. Liimid
2.1 Kile liimid
Lennunduses kasutatavaid konstruktsiooniliime tarnitakse tavaliselt kile kujul, kinnitatakse eralduspaberile ja hoitakse külmkapis (-18 kraadi või 0 kraadi F). Kile liimides võib kasutada kõrge temperatuuriga aromaatseid amiine või katalüüsitud kõvendusaineid koos laia valiku painduvate ja sitkeainetega. Kummist karastatud epoksükile liime kasutatakse kosmosetööstuses laialdaselt. Temperatuuri ülempiir 121–177 kraadi (250–350 kraadi F) sõltub tavaliselt nõutavast karastusastmest ning vaigu ja kõvendi üldisest valikust. Üldiselt põhjustavad karastatud vaigud madalamat kasutustemperatuuri. Kilematerjali toetavad tavaliselt kiud, et parandada kile käsitsemist enne kõvenemist, kontrollida liimivoolu liimimisprotsessi ajal ja aidata kontrollida ühendusjoone paksust. Kiududest saab valmistada juhuslikult orienteeritud klambrimatte või kootud kangasid. Levinud kiud on polüester, polüamiid (nailon) ja klaaskiud. Kootud kangaid sisaldavad liimid võivad kiududesse imava vee tõttu keskkonnas veidi halveneda. Juhuslik matistamine ei ole kile paksuse kontrollimisel nii tõhus kui kootud kangad, kuna piiranguteta kiud liiguvad sidumisprotsessi ajal. Spunlace mittekootud kangad ei liigu ja seetõttu kasutatakse neid laialdaselt. Nagu on näidatud joonistel 13 ja 14.
Joonis 13: Kileliimide, Kevlar®-i, klaaskiu ja süsinikkiu kasutamine
Joonis 14: Kleepkile
2.2 Liimid
Liime kasutatakse kilede liimide asendajana. Neid kasutatakse sageli sekundaarseks liimimiseks plaastrite kahjustatud osade parandamiseks ja kohtades, kus kile liimaineid on raske peale kanda. Epoksüvaikude puhul kasutatakse struktuurse sideaine külge kinnitumiseks peamiselt pastat. Saadaval on ühe--- ja kahe-osalised süsteemid. Pastaliimide eeliseks on see, et neid saab säilitada toatemperatuuril ja neil on pikk säilivusaeg. Puuduseks on see, et sidejoone paksust on raske kontrollida, mis mõjutab sideme tugevust.
Liimi pealekandmisel on võimalik kangast liimimise ajal hoida liimituna. Nagu on näidatud joonisel 15.
Joonis 15: Liimid
2.3 Vahtliimid
Enamik vahtliime on 0,025{10}}tolli kuni 0,10 tolli paksused B-klassi epoksüvaigud. Vahtliimid kõvenevad temperatuuril 250 kraadi F (121 kraadi) või 350 kraadi F (176 kraadi). Kõvenemistsükli ajal rullub vahtliim lahti. Vahtliime tuleb hoida külmkapis ja sarnaselt prepregmaterjalidega on nende säilivusaeg piiratud. Eelremondis kasutatakse vahtliimi liimimiseks kärjele sandwich-struktuuris ja parandamiseks olemasolevas südamikus. Nagu on näidatud joonisel 16.
Joonis 16: Vahtliimi kasutamine
III. Sandwich-struktuuri kirjeldus (võileiva struktuuri kirjeldus)
Teoreetiliselt on sandwich-konstruktsioon struktuurne paneelikontseptsioon, mis koosneb kahest suhteliselt õhukesest paralleelsest kattekihist, mida eraldab suhteliselt paks või kerge südamik. Südamik toetab pinda painde ja tasapinnaliste{1}}nihkekoormuste vastu. Südamikul peab olema kõrge nihketugevus ja survejäikus. Komposiitkihtstruktuure valmistatakse tavaliselt autoklaavis, pressimisega kõvastamisel või vaakumkottiga kõvendamisel. Naha lamineerimist saab eel-kõvendada ja seejärel kombineerida kaas-kõvenemise operatsiooniga või kombineerida mõlemat meetodit. Kärgstruktuuride näited on järgmised: tiivaspoilerid, talk, eleronid, klapid, gondlid, põrandad ja roolid. Nagu on näidatud joonisel 17.
Joonis 17: kärgstruktuuri võileiva struktuur
IV. Esitus
Alumiinium- ja komposiitlaminaatkonstruktsioonide võrdluses on sandwich-konstruktsioonide paindejäikus väga kõrge. Enamik kärgstruktuuri on anisotroopsed, st omadused on orienteeritud. Kärgstruktuuride kasutamise eeliseid illustreerib joonis 18. Südamiku paksuse suurendamine suurendab oluliselt kärgstruktuuri jäikust minimaalse kaalutõusuga. Kärgstruktuuri suure jäikuse tõttu ei ole vaja kasutada väliseid puitkiudplaate, nagu tala raami puhul.
Joonis 18: Kärgstruktuuriga kihiliste materjalide tugevus ja jäikus võrreldes tahke lamineerimise väärtustega