EN
Påvirkningen av fuktighet på UD-prepregs rensystemer
De harpikssystemene som brukes for unidireksjonelle prepregs, både epoksy- og fenolharpikser, er svært hygroskopiske og fuktabsorberende, spesielt ved glassomdannelsestemperaturen (Tg) til harpikssystemene. Polymerkjedene i harpiksene inneholder polare grupper som binder seg til vann. Dette fører til to hovedproblemer: (i) vannindusert plastisering av harpiksen og (ii) hydrolyse, som er vannforårsaket spalting av kjemiske bindinger i harpikssystemet. Betydelig fuktabsorpsjon (mer enn 60 % relativ fuktighet) skjer på få dager i harpiksfylte områder mellom fiberne, noe som fører til oppsvelling og spenninger forårsaket av vannabsorpsjon i harpiksen. Harpiksen blir mykere og fester dårligere til fiberne. Som følge av dette blir lastoverføringen over grensesnittet mellom harpiks og fiber svekket. Dette er spesielt problematisk for UD-prepregs, siden harpiksen er mer konsentrert i fiberretningen.
Fuktighet fremmer potensielle svakpunkter, selv før herdingen begynner. Produsenter må redusere denne risikoen under lagring og håndtering.
Diffusjonsdynamikk: Mekanismen bak unidireksjonell fiberarkitektur og omgivende luftfuktighet
Unidireksjonell (UD) prepreg absorberer vann mye raskere enn vevde materialer, og en viktig årsak til dette er hvordan fuktighet interagerer med fiberne. Når alle fiberne er rettlinjede, dannes mikrokanaler ved overgangen mellom fiber og harpiks. Dette tillater fuktighetens bevegelse gjennom fiberbundter med hastigheter som er 3–5 ganger høyere enn i deres tilsvarende harpiksmaterialer under samme fuktighetsforhold. For eksempel vil UD-prepreg av standardtykkelse begynne å absorbere vann innen 8 timer ved 75 % relativ fuktighet – langt før vevde materialer, som tar to dager. Tre hovedfaktorer bidrar til dette fenomenet. Den første er at de rettlinjede fiberne i prepregen har et høyere volum-til-overflateforhold, noe som muliggjør mer effektiv fuktbevegelse. Den andre er at erosjonen av fiberbundtene etterlater seg fuktledninger, som ytterligere forsterker fuktbevegelsen gjennom harpiksen. Disse forholdene svekker prepregens integritet raskt. Svingninger i temperatur (oppvarming og avkjøling) fører til dannelse av svært små strømmer innenfor fiberbundtene, noe som akselererer fukterosjonen av prepregen.
Mikrohull, bobler og avbladninger i UD-prepreg-laminater
Fuktindusert hulldannelse (>0,3 vekt% → >15 % økning i hullvolum, i henhold til ASTM D2734)
Mikrohull dannes i komposittmaterialer under herdningsprosessen når fuktighet som er absorbert av materialene fordamper og utvider seg. Hull kan utgjøre mer enn 15 % av totalvolumet, selv ved fuktighetsnivåer så lave som 0,3 vekt%. Denne tilstanden er uakseptabel i henhold til luftfartsstandarder (ASTM D2734). Hullene fører deretter til vesentlige problemer ved overgangene mellom harpiks og fiber, hvor det blir for lite harpiks ved disse overgangene, noe som reduserer strukturell integritet i komposittet. Unidireksjonelle prepreg-materialer er følsomme for fuktighet og tenderer til å absorbere fuktighet lettere enn andre kompositt-prepreg-materialer. Produsenter må derfor nøye overvåke og regulere luftfuktigheten for å unngå overdreven hulldannelse og sikre at kompositt-prepreg-materialer ikke avvises under produksjonen.
Kurerelaterte feil: Bobler og mellomlagsskille forårsaket av fukt
Når fuktighet fanges inn i komposittmaterialer, fører tilstedeværelsen av fuktighet til økt damptrykk under autoklavering, noe som resulterer i blærer i harpiksen og adskillelse av lag. Dataene er entydige: Under autoklavering utviklet kompositt-prepreg med mer enn 75 % relativ fuktighet under prepreg-laminering blærer nesten dobbelt så ofte som kompositt-prepreg med mindre enn 30 % relativ fuktighet under prepreg-laminering. Når det oppstår harpiksuttråkk og lagadskillelse, kan skadelige mekaniske spenninger forverre disse problemene ytterligere. Disse problemene er av betydning for utmattingsbestandigheten til luftfartøykomponenter, på grunn av den kritiske betydningen av strukturell integritet i luftfartøykomponenter. Oppbevaring og transport av prepreg-materialer viser hvor avgjørende styringen av tørrom er for å sikre at unidireksjonelle prepreg-kompositter oppnår optimal ytelse når de tas i bruk.
Konsekvenser i virkeligheten: Virkninger på feltfeil og luftfartsertifiseringer
Airbus A350-vingeskall-avbladningshendelse: Årsaken identifisert som høyt fuktnivå i UD-prepreg
Under utførelsen av flytestene for ett av de nyeste utviklede flyene merket ingeniørene at skinnets delaminering på vingene skyldtes at UD-prepregen (unidireksjonell prepreg) var for fuktig. Hva betyr «for fuktig»? Enkelt sagt: over 0,4 vektprosent. Hva skjedde da? UD-prepregen utviklet mikrosprekker som ikke bare førte til delaminering av skinnet, men også medførte alvorlige konsekvenser – blant annet omkostninger på ca. 200 millioner dollar for omkonstruksjon og en forsinkelse på 11 måneder før godkjenning i henhold til EASA’s sikkerhetsbulletin fra 2022. Slike nevnte forsinkelser understreker betydningen av å overvåke fuktighetsnivået i prepregmaterialer for å unngå kostbare omkonstruksjoner og reguleringstilbakeholdenheter. Prepregmaterialer som er utsatt for overdreven fuktighet påvirker materialenes egenskaper og fører til behov for ny kvalifisering i henhold til krav fra FAA og EASA – en prosess som er både kostbar og tidskrevende. Data fra Boeing 787s rombordpanel: Eksponering ved 75 % relativ fuktighet dobler blisterdannelsen sammenlignet med kontrollert lagring ved <30 % relativ fuktighet.
Data som er gjort tilgjengelig av en stor luft- og romfartsprodusent angående fuktabsorpsjon i romskrogpaneler gir noen bekymringsverdige resultater. Dataene viser at paneler som utsettes for 75 % RF i 48 timer ender opp med ca. 32 % tomromsinnhold. UD-prepreg lagret ved under 30 % RF ender opp med 16 % tomrom, noe som anses som mindre fuktbetinget blæring. Fuktbetinget blæring anses allerede som over akseptable grenser etter luftdyktighetsstandarder, som ifølge SAE AIR 7292-standarden krever en toleranse på 5 % tomrom for primære strukturelle komponenter innenfor et romskrog. Og selvfølgelig betyr det også at reparasjonskostnadene blir urimelig høye. Et annet interessant funn fra ytterligere laboratoriearbeid er at for hver økning på 10 % i relativ fuktighet reduseres den sikre håndteringstiden for prepreg-materialene med ca. 15 timer, altså tiden før harpiksen undergår uomvendelig nedbrytning som følge av varme. Derfor forbedrer effektiv fuktighetsstyring den operative rekkevidden betydelig i produksjonsmiljøer.
Vellykket fuktighetskontroll for UD-prepreg
Beste metoder: Spesifikasjoner for tørrom (ISO 12944-2), tørremidler og sanntids-NIR
Kvalitetskontroll av UD-prepreg-materialer eller selv bare å holde fuktighetsnivåene under kontroll er avgjørende. For eksempel kan tørrom som er bygget for å oppfylle eller overholde ISO 12944-2-standardene holde luftfuktigheten på 30 % (RF) eller lavere for å forhindre nedbrytning av harpiks under håndtering. I tillegg kan fuktmålerstriper i vakuumforpakning med tørremiddel blokkere ca. 95 % av luftkontakt med harpiksen sammenlignet med standard fuktbarrierefilmer. For kontinuerlig, uavbrutt måling av fuktinnholdet i harpiks (over 0,1 vektprosent), er det tilgjengelige nær-infrarøde (NIR) fuktsensorer som utløser en alarm ved grenseverdien. Ved å kombinere alle de ovennevnte metodene oppnås en svært god effekt, med en reduksjon av luftbobler med 80 % og fullstendig eliminering av bobler under herdningsprosessen. Dette er spesielt bemerkelsesverdig, gitt den tilliten produsentene har fått til sine praksiser for lagring av materialer gjennom akselererte aldringsstudier utført i kunstig skapte varme og fuktige miljøer som er representativ for tropiske forhold.
Ofte stilte spørsmål
Hva er den primære bekymringen med UD-prepreg-harpmasse-systemer?
Den primære bekymringen med UD-prepreg-harpmasse-systemer er fuktighetsopptak, som igjen fører til plastifisering og hydrolyse, noe som svekker materialets strukturelle integritet.
Hvorfor absorberer UD-prepregs mer fuktighet enn vevde materialer?
Den rette fiberkonstruksjonen i UD-prepregs tillater fuktighetstrengning lettere enn i vevde materialer. I tillegg forverrar temperatursvingninger fuktighetstrengningen.
Hva er effektene av for mye fuktighet i UD-prepregs?
Overflødig fuktighet kan føre til luftbobler, blærer og delamineringer, alle som svekker materialets strukturelle integritet og kan føre til katastrofale svikter.
Hvordan kan fuktighet kontrolleres i UD-prepregs?
Bruk av tørrom, tørkemidler i emballasjen og nær-infrarød sanntidskontroll kan brukes til å regulere fuktighetsnivåene.