DE60225269T2

DE60225269T2 - Aufbringen von glas auf zu verbindende oberflächen von zusammengesetzten materialien

Info

Publication number: DE60225269T2
Application number: DE60225269T
Authority: DE
Inventors: Michael John Bristol HEALEY
Original assignee: Airbus Operations Ltd
Current assignee: Airbus Operations Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: WO2002098651A1; GB0113916D0; DE60225269D1; EP1392503A1; US20050077007A1; ATE387310T1; US7192504B2; EP1392503B1

Description

Verbundwerkstoffe, und insbesondere Verbundwerkstoffe aus Kohlenstofffaser, werden zum Beispiel bei der Fertigung von Komponenten für Flugzeuge wie etwa Flügel verwendet. Derartige Komponenten können durch Haftmittel miteinander verbunden werden.
Bei bekannten Verbundstoffverbindungsstücken, bei denen zwei Substratoberflächen eines Verbundstoffs durch ein Haftmittel miteinander verbunden werden, existieren unterschiedliche Modi von Versagen des Verbindungsstücks. Für derartige Verbundstoffverbindungsstücke ist das Versagen innerhalb des Verbundstoffs selbst, bezeichnet als Versagen wegen Mangel an Kohäsion, vielleicht am üblichsten. Ein solches Versagen schreitet zu einer ersten 0 Grad-Lage des Verbundstoffs parallel zu der Laderichtung voran und resultiert in einem bedeutenden Substratschaden. Versagen wegen Mangel an Kohäsion kann seltener innerhalb des Haftmittels auftreten, mit dem Ergebnis, dass Schaden an dem Verbundstoffsubstrat gering oder gar nicht vorhanden ist. Ein solches Versagen des Haftmittels wegen Mangel an Kohäsion ist ungewöhnlich, und es ist wahrscheinlicher, dass es ein Problem mit dem Haftmittel anzeigt. Versagen wegen Mangel an Kohäsion kann ebenfalls in der Nähe der Schnittstelle zwischen Haftmittel und Substrat auftreten und ist durch eine dünne Schicht von Ablagerung von einer Fläche, die an der anderen haftet, gekennzeichnet.
Ein Versagen, das an der Schnittstelle zwischen Haftmittel und Verbundstoff auftritt anstatt in der Nähe von dieser wird als Adhäsionsversagen bezeichnet und ist im Allgemeinen durch geringe oder keine anhaftende Ablagerung auf den Oberflächen des Versagens und niedrige Bindungsstärke gekennzeichnet und ist nicht wünschenswert.
Während das Versagen jeglichen Verbindungsstücks nicht wünschenswert ist, wird zum Zweck der nachfolgenden Reparatur das Versagen wegen Mangel an Kohäsion und insbesondere das Versagen wegen Mangel an Kohäsion in der Nähe der Schnittstelle zwischen Haftmittel und Substrat oder in dem Haftmittel bevorzugt.
In dem Fall von dehnbaren überlappenden Verbindungsstücken geschieht das Versagen des Verbindungsstücks normalerweise aufgrund von örtlichen Spannungskonzentrationen und beim Laden aus dem Flugzeug, induziert eher durch Biegen als durch reine Zugscherung. Es ist bekannt, dass Faktoren wie die Verjüngung der Kanten der Verbundstoffe und das Produzieren von Haftmittelausrundungen die Konzentrationen an Spannung reduzieren können. Es ist ebenfalls bekannt, dass das Nachgiebiger Machen der Oberflächenschichten im Allgemeinen die Spannungskonzentration reduziert, wobei die Verwendung von +/–45 Grad ausgerichteten Schichten bevorzugt wird.
Es ist bekannt, dass Versagen wegen Mangel an Kohäsion angrenzend an der Schnittstelle zwischen Substrat und Haftmittel durch die Verwendung von um 0 Grad ausgerichteten Lagen an der Substratbindungsoberfläche gefördert wird. Es ist jedoch üblich, Lagen von +/–45 Grad an der Oberfläche aus Gründen der Schadenstoleranz, Bohrungsrückführung, Spannungsreduzierung und im Allgemeinen zum Ausgleichen des Laminats aufzuweisen. Die 0 Grad-Ausrichtung ermöglicht das Erreichen von hohen Versagenslasten, die Größenordnung derartiger Versagenslasten ist jedoch oft nicht wünschenswert, und folglich wird häufig die Verwendung von +/–45 Grad-Lagen an der Substratoberfläche bevorzugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von zwei Stücken von Verbundwerkstoff miteinander bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte des Auftragens einer Schicht Glasfaser auf eine Oberfläche jedes Stücks Verbundwerkstoffs und das Verbinden der Stücke miteinander durch Haftmittel zwischen den Schichten Glasfaser beinhaltet, wobei es in dem Fall des Versagens in dem Verbindungsstück wahrscheinlich ist, dass ein solches Versagen angrenzend an der Schnittstelle zwischen Haftmittel und Glasfaser auftritt und folglich den Schaden an dem Verbundwerkstoff minimiert.
Überraschenderweise ist herausgefunden worden, dass die Zugabe der Schicht Glasfasern und insbesondere einer Schicht von gleichmäßig gewebten Glasfasern auf die zu bindenden Verbundstoffsubstratoberflächen eine leichte Reduzierung in der Versagenslast verursacht, und es wird angenommen, dass diese den Schwerpunkt ändert, der der Standort ist, an dem das Versagen auftritt. Wenn ferner Versagen auftritt, ist es üblicherweise innerhalb des Haftmittels oder in der Nähe der Schnittstelle zwischen Glas und Haftmittel. Dies führt zu reduziertem oder keinem Schaden innerhalb des Verbundstoffsubstrats darunter, was deshalb von Vorteil ist, da die nachfolgende Reparatur des Verbindungsstücks leichter gemacht wird.
Es ist beabsichtigt, dass der Begriff Glasfaser nicht nur Fasern und Fäden aus Glas abdeckt, sondern auch andere Fasern und Fäden, die eine ähnliche Wirkung hervorrufen können, wie zum Beispiel, aber nicht begrenzt auf, Polyaramid, Nylon und Polyethylen.
Die Oberfläche des Verbundwerkstoffs, auf die die Schicht von gleichmäßig gewebten Glasfasern aufgetragen wird, kann eine äußere Schicht Fasern bei 0, +/–30, +/–45, +/–60, +/–90 oder 180 Grad beinhalten. Vorzugsweise beinhaltet die Oberfläche des Verbundstoffs eine äußere Schicht Fasern bei +/–45 Grad. Es versteht sich, dass die Faserausrichtungen oben relativ zu einer Referenzachse des Verbundwerkstoffs konstruiert sind.
Wenn eine Schicht von gleichmäßig gewebter Glasfaser verwendet wird, ist das Anordnen der Glasfasern vorzugsweise transversal, zum Beispiel bei 45 Grad, zu den Fasern des Verbundwerkstoffs an der Oberfläche, auf die die Glasfaserschicht aufgetragen wird.
Eine Vielzahl von Schichten Glasfaser kann verwendet werden. Die Schichten Glasfasern können in der Form eines Gewebes sein. Das Gewebe ist vorzugsweise ein gewebtes Gewebe oder ein nicht gekräuseltes biaxiales Gewebe mit Fasern, die bei +/–45 Grad oder 0 oder 90 Grad ausgerichtet sind. Es ist beobachtet worden, dass, je größer die Anzahl an Glasfaserschichten ist, desto geringer die Versagenslast ist und umso größer die Tendenz des Verbindungsstücks, an der Schnittstelle zwischen Glasfaser und Haftmittel zu versagen.
Die Glasfaserschichten werden vorzugsweise auf die entsprechenden Oberflächen der Stücke des Verbundwerkstoffs covulkanisiert. In einer alternativen Ausführungsform können die Glasfaserschichten auf die entsprechenden Oberflächen der Stücke des Verbundwerkstoffs cogebunden werden.
Das Haftmittel ist vorzugsweise ein Filmkitt wie etwa AF163 oder FM73. Das Haftmittel kann alternativ eine Klebepaste sein, zum Beispiel DLS1436 oder Epibond 1590.
Das Haftmittel kann so aufgetragen werden, dass es eine Schicht bildet, die 0,05 bis 2,5 mm dick ist. Die Haftmittelschicht ist vorzugsweise 0,2 bis 1 mm dick.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Strahlens und Waschens und Trocknens der Bindungsoberflächen der Glasfaserschichten, um die Haftmittelbindung des Verbindungsstücks zu verbessern.
Es ist herausgefunden worden, dass die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung miteinander verbundenen Verbundstoffe einen hohen Grad an Versagen wegen Mangel an Kohäsion angrenzend an der Schnittstelle zwischen Glasfaser und Haftmittel aufzeigen, d. h. Versagen in der Glasfaserschicht oder dem Haftmittel, und nicht an der Schnittstelle zwischen Glasfaser und Verbundstoff.
Bei durch Verbundstoffe verbundenen Verbindungsstücken ist ein bedeutender Gesichtspunkt die Reparatur im Fall eines Schadens. Wenn die Verbindungsstücke kohäsiv versagen, ist ein solches Versagen selbstzerstörend für den Verbundstoff und lässt wenig der der verbleibenden Oberfläche für neues Binden zurück. Durch das Leiten des Versagens auf innerhalb der Schnittstelle zwischen Glasfaser und Haftmittel, durch das Verwenden des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind die Oberflächen der Last tragenden Verbundstoffe, die das Verbindungsstück bilden, weniger anfällig für Schaden und daher eher zur Reparatur geeignet.
Es sei beachtet, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung potentiell zahlreich Verwendung in der Raumfahrtindustrie findet, aber besonders beim Verbinden von Stringern und Häuten, Rippen und Holmen für Flügel. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verbundstoffverbindungsstück bereit, das durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung produziert wird.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Diagramme beschrieben, in denen:
1 eine auseinander gezogene diagrammatische Ansicht von zwei Stücken Verbundwerkstoff ist, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung verbunden werden sollen; und
2 eine diagrammatische Ansicht der Verbundstoffstücke ist, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung verbunden werden.
Ein Stück Verbundwerkstoff in der Form eines polymeren Verbundstoffsubstrats wie etwa CFRP, im Allgemeinen mit 10 bezeichnet, beinhaltet Schichten 12 von Fasern 14, die in der Harzmatrix 16 enthalten sind. Eine äußere Schicht 18 beinhaltet Fasern 14, die in der gleichen Richtung liegen, und auf die hier als bei 0 Grad ausgerichtet Bezug genommen wird.
Eine Schicht 20 beinhaltet Glasfasern 22, die in einer Matte angeordnet sind. Die Glasfasern 22 in der Schicht 20 liegen in einem Winkel von 45 Grad zu den Fasern 14 in der äußeren Schicht 18. Die Schicht 20 ist mit einer oberen Oberfläche 24 des Substrats 10 covulkanisiert, um sich daran zu binden. Alternativ könnte die Schicht 20 an die obere Oberfläche covulkanisiert sein.
Ein zweites Stück Verbundwerkstoff in der Form eines Substrats, im Allgemeinen mit 26 bezeichnet, ist im Wesentlichen identisch zu dem Substrat 10 mit einer äußeren Schicht Fasern, die bei 0 Grad ausgerichtet sind. Eine Schicht 28, die Glasfasern beinhaltet, ist an eine äußere Oberfläche 30 des Substrats 26 covulkanisiert. Die Fasern in der Schicht 28 befinden sich in einem Winkel von –45 Grad zu den Fasern in der äußeren Oberfläche 30 des Substrats 26.
Ein dünner Haftmittelfilm 32 (siehe 2) wird bereitgestellt und zwischen den Schichten 20 und 28 platziert. In dem vorliegenden Beispiel weisen die Substrate 10, 26 eine typische Dicke von > 3 mm auf, die Glasfaserschichten 20, 28 eine Dicke von ungefähr 0,3 mm und der Haftmittelfilm eine Dicke von zwischen 0,2 mm bis 1 mm. Der Haftmittelfilm wird erhitzt und/oder vulkanisiert, so dass eine Bindung zwischen den Glasfaserschichten 20, 28 gebildet wird. Falls gewünscht, kann eine Vielzahl von Haftmittelfilmen verwendet werden.
Es sei beachtet, dass eine Vielzahl von Glasfaserschichten verwendet werden kann. Wenn eine Vielzahl von Schichten verwendet wird, kann das Anordnen der Fasern in jeder Schicht so abgeändert werden, um die Stärke der gebildeten Bindung zu verbessern und den Schaden an den Verbundstoffen, die gebunden werden, zu reduzieren.

Claims

Ein Verfahren zum Verbinden von zwei Stücken von Verbundwerkstoff (10, 26) miteinander, wobei das Verfahren die Schritte des Auftragens einer Schicht Glasfaser (20, 28) auf eine Oberfläche (24, 30) jedes Stücks Verbundwerkstoff und das Verbinden der Stücke miteinander durch Haftmittel (32) zwischen den Schichten Glasfaser (20, 28) beinhaltet, wobei es in dem Fall des Versagens in dem Verbindungsstück wahrscheinlich ist, dass ein solches Versagen angrenzend an der Schnittstelle zwischen Haftmittel und Glasfaser auftritt und folglich den Schaden an dem Verbundwerkstoff minimiert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Anordnen der Schicht Glasfasern (20, 28) transversal zu der äußeren Schicht Fasern des Verbundwerkstoffs ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Anordnen der Schicht Glasfasern (20) +/–45 Grad zu der äußeren Schicht Fasern (18) des Verbundwerkstoffs (10) ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Schichten Glasfaser (20, 28) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Schichten Glasfasern (20, 28) in der Form eines Gewebes sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oder jede Schicht Glasfaser (20, 28) auf die Oberflächen (24, 30) der Stücke des Verbundwerkstoffs (10, 26) covulkanisiert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haftmittel (32) ein Filmkitt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Haftmittel (30) eine Klebepaste ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Haftmittel (32) so aufgetragen wird, dass es eine Schicht bildet, die zwischen 0,05 mm und 2,5 mm dick ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Haftmittelschicht (32) zwischen 0,2 mm und 1 mm dick ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Strahlens, Waschens und Trocknens der Bindungsoberfläche der Glasfaserschichten (20, 28) vor der Auftragung des Haftmittels (32) darauf umfasst.
Ein Verbundverbindungsstück, das gemäß dem Verfahren aus Anspruch 1 produziert wird.