I. Oberflächenmaterialien
Die meisten im Flugzeugbau verwendeten Wabenstrukturen haben Oberflächenmaterialien aus Aluminium, Glasfaser, Kevlar® oder Kohlefaser. Kohlefaser-Oberflächenplatten können nicht mit Aluminium-Wabenkernmaterialien verwendet werden, da dies zur Korrosion des Aluminiums führt. Titan und Stahl werden für Spezialanwendungen in Hochtemperaturstrukturen verwendet. Die Verkleidungsmaterialien für viele Komponenten wie Spoiler und Flugsteuerungen sind sehr dünn, manchmal nur 3 bis 4 Dicken (d. h. mm). Parametrische Berichte haben gezeigt, dass diese Vorsatzplatten keine gute Schlagfestigkeit aufweisen.
Ⅱ. Kernmaterialien
2.1 Wabenkern
Jedes Wabenkernmaterial kann bestimmte gute Eigenschaften haben. Wie in Abbildung 19 dargestellt, ist das am häufigsten für Flugzeugwabenstrukturen verwendete Kernmaterial Aramidpapier (Nomex® oder Korex®). Glasfasern werden für Anwendungen mit höherer Festigkeit verwendet.
Abbildung 19: Wabenkernmaterialien
-Kraftpapier - Seine Festigkeit ist relativ gering und es wird wegen seiner guten Isoliereigenschaften und niedrigen Kosten in großen Mengen verwendet.
-Thermoplast - Seine thermische Masse isoliert gut, absorbiert gut oder kann hinsichtlich Orientierung, Feuchtigkeit und chemischer Beständigkeit zurückgesetzt werden. Es ist umweltfreundlich, ästhetisch ansprechend und relativ kostengünstig.
Aluminium - optimale Festigkeit, hohes Gewichts--zu-Verhältnis und Energieabsorption, gute Wärmeübertragungseigenschaften, elektromagnetische Abschirmeigenschaften, einfache Verarbeitung, relativ niedrige Kosten.
-Stahl-Gute Wärmeübertragungseigenschaften, elektromagnetische Abschirmeigenschaften und Hitzebeständigkeit.
-Spezialmetalle (Titan)-mit relativ hoher Festigkeit, Gewichtsverhältnis, guter Wärmeübertragungsleistung, chemischer Beständigkeit und Hitzebeständigkeit gegenüber hohen Temperaturen.
-Aramidpapier- Mit Feuerbeständigkeit, Flammschutzmittel, guten Isoliereigenschaften, geringen dielektrischen Eigenschaften und einfacher Formbarkeit.
-Glasfaser- Es lässt sich leicht scheren, hat eine geringe Dielektrizität, eine gute Isolierung und lässt sich leicht formen.
-Kohlenstofffasern-behalten die Stabilität von Kohlenstoff, hohe Temperatur, hohe Steifigkeit und einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei, die Wärmeleitfähigkeit lässt sich leicht steuern, der Schermodul ist relativ hoch, aber teuer.
-Keramik - Die Hitzebeständigkeit bei hohen Temperaturen ist gut, die Isolierung gut und die Zellstruktur sehr klein, aber teuer.
Wabenkerne für Luft- und Raumfahrtanwendungen sind normalerweise sechseckig. Diese Kerne bestehen aus speziell positionierten, verklebten, gestapelten dünnen Blechen. Die gestapelten Blätter werden in eine sechseckige Form gestreckt. Diejenigen, die sich in horizontaler Richtung erstrecken, werden als Streifenrichtung bezeichnet.
Ein dichotomer sechseckiger Kern hat eine weitere Materialschicht, die kreuz-in jedes Sechseck eingeschnitten ist. Eine dichroitische Wabe ist härter und fester als ein sechseckiger Kern. Durch Ausdehnen des Papiers zu Sechsecken entsteht ein überdehnter Kern. Überdehnte Kerne haben einen rechteckigen Kern. Überdehnte Kerne sind durch einfache Kurven senkrecht zur Bandrichtung flexibel. Ein glockenförmiger Kern oder gebogener Kern hat ein gebogenes Kernmaterial, das ihn in alle Richtungen flexibel macht. Bei Platten mit komplexen Kurven werden glockenförmige Kernkerne verwendet.
Wabenkerne sind in verschiedenen Kerngrößen erhältlich. Kleinere Größen sorgen für eine bessere Festigkeit der Sandwichpaneele. Wabenkerne gibt es auch in unterschiedlichen Dichten. Wabenkerne mit höherer Dichte sind steifer und fester als Kerne mit niedrigerer Dichte. Wie in Abbildung 20 dargestellt.
Abbildung 20: Wabenkern
2.2 Schaum
Schaumstoffkerne werden im Wohnungsbau und bei Leichtflugzeugen verwendet, um Flügelspitzen, Flugsteuerungen, Rumpfabschnitten, Flügeln und Flügelrippen Halt und Form zu verleihen. Schaumstoffkerne werden in Verkehrsflugzeugen üblicherweise nicht verwendet. Schaumstoff ist in der Regel schwerer und weniger robust als Wabenkerne. Als Kernmaterial kommen unter anderem folgende Schaumstoffe in Frage:
-Polystyrol (besser bekannt als Polystyrolschaum)-Polystyrolschaum in Luft- und Raumfahrtqualität mit einer dicht geschlossenen Zellkernstruktur ohne Hohlräume zwischen den Zellen; hohe Druckfestigkeit und gute Beständigkeit gegen das Eindringen von Wasser; können mit einem heißen Draht geschnitten und in Flügelformen gebracht werden.
-Phenolharz - Gute Feuerbeständigkeit, kann eine sehr geringe Dichte haben, aber seine mechanischen Eigenschaften sind relativ gering.
-Polyurethan - Wird bei der Herstellung von Rümpfen, Flügelspitzen und anderen gebogenen Teilen für Kleinflugzeuge verwendet; relativ kostengünstig, schwer entflammbar und mit den meisten Klebstoffen kompatibel; Polyurethanschäume können nicht mit einem heißen Draht geschnitten werden; Mit großen Messern und Schleifgeräten leicht zu konturieren.
-Polypropylen - Wird zur Herstellung geflügelter Formen verwendet; kann mit heißem Draht geschnitten werden; kompatibel mit den meisten Klebstoffen und Epoxidharzen; Nicht zur Verwendung mit Polyesterharzen geeignet, die in Kraftstoffen und Lösungsmitteln löslich sind.
-Polyvinylchlorid (PVC) (Divinycell, Klegecell und Airex)-Es ist ein geschlossener-zelliger Schaumstoff mittlerer bis hoher Dichte mit hoher Druckfestigkeit, Haltbarkeit und ausgezeichneter Feuerbeständigkeit; kann im Vakuum zu Verbundwerkstoffformen geformt und durch Thermoformen geformt werden; kompatibel mit Polyester-, Vinylester- und Epoxidharzen.
-Poly(methacrylimid) (Rohacell) -geschlossener-zelliger Schaum für leichte Sandwichstrukturen; ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, stabil bei hohen Temperaturen, gute Lösungsmittelbeständigkeit, hervorragende Kriechdruckfestigkeit; teurer als andere Schaumstoffarten, aber mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften.
III. Schäden bei Herstellung und Gebrauch
3.1 Herstellungsfehler
Zu den Herstellungsfehlern gehören:
-Delamination (Delamination)
-Bereiche mit Harzmangel
-Bereiche mit Harzüberschuss
-Blasen, Blasen
-Falten
-Hohlräume
-Thermische Zersetzung
Herstellungsschäden umfassen Anomalien wie Porosität, Mikrorisse und Delaminierung, die durch Bearbeitungsunterschiede verursacht werden. Dazu gehören auch Dinge wie unbeabsichtigte Kantenschnitte, Rillen und Kratzer auf der Oberfläche, beschädigte Befestigungslöcher und Stoßschäden. Beispiele für Fehler, die während des Herstellungsprozesses auftreten, sind verunreinigte Klebeflächen oder Einschlüsse, wie z. B. Prepreg-Liner oder Trennfolien, die während des Auflegeprozesses versehentlich zwischen den Schichten zurückbleiben. Bei der Montage, dem Transport oder der Handhabung kann es zu unbeabsichtigten (nicht-Verarbeitungsschäden) an Einzelteilen oder Komponenten kommen.
Wenn in einem Teil zu viel Harz verwendet wird, kann es zu einer Harzüberladung kommen, was bei nicht{0}}strukturellen Anwendungen nicht unbedingt schlecht ist, aber das Gewicht erhöht. Wenn während des Aushärtungsprozesses zu viel Harz ausgeht oder während des Nasslaminierungsprozesses nicht genügend Harz aufgetragen wird, spricht man von Harzmangel. Harzarme Bereiche werden durch die Faseroberfläche sichtbar. Als optimal gilt ein Faser-Harz-Verhältnis von 60:40.
Zu den Quellen von Herstellungsfehlern gehören:
-Unsachgemäße Aushärtung oder Verarbeitung
-Unsachgemäße Verarbeitung
-Unsachgemäße Handhabung
-Unsachgemäßes Bohren
-Werkzeug tropft
-Kontamination
-Unsachgemäßes Mahlen
-Unqualifizierte Materialien
-Ungeeignete Werkzeuge
-Probleme mit Bohrwelle oder Detaillierung
Bei strukturellen Konfigurationen von Verbundwerkstoffen können Schäden in mehreren Lagen auftreten. Dies reicht von Schäden an der Matrix und den Fasern bis hin zum Versagen gebrochener Elemente und verklebter oder verschraubter Befestigungen. Der Grad der Beschädigung bestimmt die Lebensdauer bei wiederholter Belastung und die Restfestigkeit und ist entscheidend für die Schadenstoleranz.
3.2 Faserbruch
Faserbrüche können kritisch sein, da Strukturen typischerweise so konzipiert sind, dass sie von Fasern-dominiert sind (d. h. Fasern tragen den größten Teil der Last). Glücklicherweise beschränkt sich der Faserbruch normalerweise auf den Bereich nahe der Aufprallstelle und wird durch die Größe und Energie des Aufprallobjekts begrenzt. Nur wenige wartungsrelevante Elemente des vorherigen Geräts können zu erheblichen Faserschäden führen.
3.3 Minderwertige Matrix (inhomogene Zelle)
Matrixdefekte treten normalerweise an der Matrixfaserschnittstelle oder an der Matrix parallel zu den Fasern auf. Diese Defekte verschlechtern einige Eigenschaften des Materials leicht, haben jedoch selten einen kritischen Einfluss auf die Struktur, es sei denn, die Matrixdegradation ist weit verbreitet.
Die Anhäufung von Rissen in der Matrix kann zur Verschlechterung der von der Matrix dominierten Eigenschaften führen. Bei Laminaten, die Lasten mit Fasern übertragen sollen (faserdominiert), ist auch bei starker Beschädigung der Matrix nur eine geringfügige Verschlechterung der Eigenschaften zu beobachten. Matrixrisse oder Mikrorisse können Eigenschaften, die von der Harz- oder Faser-Harz-Grenzfläche abhängen, wie z. B. interlaminare Scher- und Druckfestigkeit, erheblich verschlechtern. Mikrorisse können sich sehr nachteilig auf die Leistung von Hochtemperaturharzen auswirken. Matrixdefekte können sich zu Delaminationen entwickeln, einer schwerwiegenderen Art von Schäden.
3.4 Delaminierung und De{1}}kleben
An der Grenzfläche zwischen den Schichten eines Laminats kommt es zu Delaminationen. Delaminationen können durch Matrixrisse oder niederenergetische Stöße entstehen, die sich von der Basis bis zur Zwischenschicht erstrecken. Auch entlang der Verbindungslinie zwischen zwei Elementen können sich durch den Herstellungsprozess Verklebungen bilden, die in benachbarten Laminaten zu delaminieren (zu delaminieren) beginnen. Unter bestimmten Bedingungen kann es bei wiederholter Belastung zu einer Delamination oder Verklebung kommen und bei Belastung des Laminats zu katastrophalen Schäden führen. Die Kritikalität der Delaminierung oder Verklebung hängt ab von:
-Abmessungen.
-Anzahl der Delaminationen an einem bestimmten Ort.
-Ort - in der Dicke des Laminats, in der Struktur, in der Nähe freier Kanten, Bereiche mit Spannungskonzentration, geometrische Diskontinuitäten usw.
-Belastungen - Das Verhalten der Delaminierung und Verklebung hängt von der Art der Belastung ab. Sie haben kaum Einfluss auf die Reaktion eines Zuglaminats. Unter Druck- oder Scherbelastung können jedoch an delaminierte oder abgelöste Einheiten angrenzende Unterschichten knicken und zu Lastumverteilungsmechanismen führen, die zu strukturellen Schäden führen können.
3.5 Schadenskombinationen
Generell können Aufprallereignisse vielfältige Schäden verursachen. Hochenergieeinwirkungen durch große Objekte (z. B. Turbinenschaufeln) können zur Fragmentierung von Komponenten oder zum Versagen der Befestigung führen. Der daraus resultierende Schaden kann erhebliches Faserversagen, Matrixrisse, Delaminierung, Bruch von Befestigungselementen und abgenutzte Komponenten umfassen. Schäden durch Stöße mit niedriger{6}}Energie lassen sich leichter kontrollieren, können aber auch eine Kombination aus Faserbruch, Matrixrissen und mehrfachen Delaminierungen umfassen.
3.6 Defekte Befestigungslöcher
Während des Herstellungsprozesses kann es zu falsch gebohrten Löchern, schlecht installierten Befestigungselementen und fehlenden Befestigungselementen kommen. Während des Betriebs kann es aufgrund wiederholter Belastungszyklen zu einer Verlängerung der Stücklöcher kommen.
3.7 Mängel im Service
Zu den Servicemängeln zählen:
- Umweltschäden
- Aufprallschaden
- Müdigkeit
- Risse durch lokale Überlastungen
- Debonding (Kleben)
- Delamination
- Faserriss
- Korrosion
Die meisten Wabenkernstrukturen wie Flügelspoiler, Verkleidungen, Flugsteuerungen und Fahrwerkstüren haben sehr dünne Oberflächenplatten. Aufgrund ihrer Haltbarkeitsprobleme können sie grob in drei Gruppen eingeteilt werden: geringe Schlagfestigkeit, Eindringen von Flüssigkeiten und Erosion (Korrosion). Diese Strukturen weisen eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit auf, sind jedoch weniger widerstandsfähig gegenüber Einsatzumgebungen, in denen Teile überkriechen, Werkzeuge fallen gelassen werden und das Servicepersonal sich der Anfälligkeit dünnhäutiger Sandwichkomponenten meist nicht bewusst ist. Schäden an diesen Komponenten, wie z. B. Kernquetschungen, Aufprallschäden und Ablösungen, sind aufgrund ihrer dünnen Oberflächen in der Regel leicht durch visuelle Inspektion zu erkennen. Allerdings werden sie manchmal von Servicepersonal übersehen oder beschädigt, das Flugzeugabflüge nicht verzögern oder auf Unfälle aufmerksam machen möchte, die sich auf seine Leistungsbilanz auswirken könnten. Infolgedessen bleibt der Schaden manchmal unkontrolliert, was häufig zu einem erhöhten Schaden durch in den Kern eindringende Flüssigkeit führt. Auch unbeständige Konstruktionsdetails (z. B. falsch geschnittene Wabenkernkanten) können zum Eindringen von Flüssigkeit führen.
Die Wiederherstellung durch in das Teil eindringende Flüssigkeiten kann von Flüssigkeit zu Flüssigkeit variieren, am häufigsten handelt es sich um Wasser oder Hydraulikflüssigkeit. Wasser verursacht in reparierten Teilen tendenziell zusätzliche Schäden, wenn nicht die gesamte Feuchtigkeit aus dem Teil entfernt wird. Die meisten Restaurationsmaterialsysteme härten bei Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser aus, was zu einer Ablösung an der Haut-{2}}Kern-Grenzfläche führen kann, was zu einer Wasseransammlung überall führt. Aus diesem Grund wird in der Regel vor jeder Restaurierung eine Kernzyklustrocknung durchgeführt. Einige Betreiber unternehmen den zusätzlichen Schritt, beschädigte, aber nicht reparierte Teile in einem Hochdrucktank zu trocknen, um zu verhindern, dass während der Reparatur zusätzliche Schäden entstehen. Hydraulikflüssigkeit ist ein anderes Problem. Sobald der Kern der Sandwichplatte gesättigt ist, ist es nahezu unmöglich, die Hydraulikflüssigkeit vollständig zu entfernen. Selbst während des Aushärtungsprozesses tritt weiterhin Flüssigkeit aus dem Abschnitt aus, bis die austretende Verunreinigung vollständig entfernt ist. Im Rahmen der Restaurierung wird dringend empfohlen, den kontaminierten Wabenkern und den Klebstoff zu entfernen. Wie in Abbildung 21 dargestellt
Abbildung 21: Schäden an der Waben-Sandwichstruktur des Radoms
Verbundwerkstoffe haben bekanntermaßen eine geringere Erosionskapazität als Aluminium, daher werden sie bei der Anwendung auf Spitzenoberflächen häufig vermieden. Allerdings wurden Verbundwerkstoffe in hochkomplexen Geometrien eingesetzt, meist jedoch in Verbindung mit Korrosionsbeschichtungsanwendungen. Einige Korrosionsbeschichtungen sind hinsichtlich der Abriebfestigkeit oder Wartung nicht optimal. Ein weiteres Problem, das nicht so offensichtlich ist wie das erste, ist die Erosion der Kanten von Türen oder Paneelen, wenn diese Luftströmungen ausgesetzt sind. Diese Erosion kann auf die Konstruktion oder Installation (unsachgemäße Installation) zurückzuführen sein. Andererseits können Metallstrukturen, die mit diesen Verbundkomponenten in Kontakt kommen oder sich in deren Nähe befinden, Korrosionsschäden aufweisen, die auf eine falsche Auswahl von Aluminiumlegierungen, Schäden an den Metallkomponenten durch korrosive Dichtungsmittel während der Montage oder beim Spleißen, unzureichende Dichtungsmittel oder eine fehlende Glasfaserbarriere an der Schnittstelle von Trägern, Rippen und Formstücken zurückzuführen sind. Wie in Abbildung 22 dargestellt
Abbildung 22: Korrosionsschaden an der Flügelspitze (Tip)
3.8 Korrosion
Die meisten Glasfaser- und Kevlar®-Teile verfügen über ein hervorragendes Aluminiumnetz zum Blitzschutz. Dieses Aluminiumgeflecht korrodiert häufig im Bereich von Bolzen oder Schraubenlöchern. Korrosion beeinträchtigt die elektrische Verbindung des Panels und erfordert die Entfernung des Aluminiumgitters und den Einbau eines neuen Gitters, um die elektrische Verbindung des Panels wiederherzustellen. Wie in Abbildung 23 dargestellt
Abbildung 23: Korrosion eines Aluminium-Blitzschutzgitters
UV-Strahlen beeinträchtigen die Festigkeit von Verbundwerkstoffen. Verbundkonstruktionen müssen mit einem Deckanstrich vor der Einwirkung von UV-Licht geschützt werden. Zum Schutz von Verbundwerkstoffen wurden spezielle UV-Grundierungen und -Beschichtungen entwickelt.