I. 기판 재료
1.1 수지
1.1.1 열경화성 수지
수지는 폴리머의 일반 용어입니다. 수지와 그 화학적 조성 및 물리적 특성은 복합 재료의 가공, 제조 및 최종 특성에 근본적으로 영향을 미칩니다. 열경화성 수지는 모든 인공 재료 중에서 가장 다양하고 널리 사용됩니다. 어떤 모양으로든 주조하거나 성형하기 쉽고, 대부분의 다른 재료와 호환되며, 쉽게(열이나 촉매에 의해) 불용성 고체로 경화됩니다. 열경화성 수지는 또한 우수한 접착제 및 결합제입니다.
1.1.2 폴리에스터 수지
폴리에스터 수지는 비교적 저렴하고 가공하기 쉬운 수지로, 저비용 응용 분야에 자주 사용됩니다. 저연성 폴리에스터 수지는 항공기의 내부 부품에 사용됩니다. 섬유 강화 폴리에스터는 다양한 방법으로 가공할 수 있습니다. 일반적인 가공 방법으로는 매칭 금속 금형 성형, 습식 레이업 적층(진공 포장) 성형, 사출 성형, 섬유 와인딩, 풀트루전, 고압 증기가 있습니다.
1.1.3 비닐에스터수지
비닐 에스테르 수지는 폴리에스터 수지와 동일한 외관, 취급 특성 및 경화 특성을 가지고 있습니다. 그러나 비닐 에스테르 복합재의 내식성과 기계적 특성은 표준 폴리에스터 수지 복합재보다 훨씬 향상되었습니다.
1.1.4 페놀수지
페놀 수지는 20세기 초에 처음으로 상업적으로 시장에 출시되었습니다. 요소 포름알데히드와 멜라민 포름알데히드는 1920년대와 1930년대에 저온 사용을 위한 저렴한 대안으로 등장했습니다. 페놀 수지는 연기가 적고 가연성이 낮아 내부 구성품에 사용됩니다.
1.1.5 에폭시 수지
에폭시 수지는 액체에서 고체까지 광범위한 점도를 가진 중합성 열경화성 수지입니다. 다양한 유형의 에폭시 수지를 사용하는 경우 기술자는 유지 관리 설명서를 사용하여 특정 수리에 적합한 유형을 선택해야 합니다. 에폭시 수지는 프리프레그와 구조용 접착제에 널리 사용됩니다. 에폭시의 장점은 강도와 탄성률이 높고, 휘발성 물질 함량이 낮고, 접착력이 좋으며, 수축률이 낮고, 내화학성이 좋으며, 가공이 쉽다는 것입니다. 주요 단점은 습기가 있을 때 취약하고 특성이 저하된다는 것입니다. 에폭시 수지는 폴리에스터 수지보다 가공이나 경화가 느립니다. 가공 기술에는 오토클레이브 성형, 섬유 와인딩, 성형, 진공 포장, 수지 전사 성형 및 풀트루전 성형이 있습니다. 경화 온도는 실온에서 약 350도 F(180도)까지입니다. 가장 일반적인 경화 온도 범위는 250도에서 350도 F(120-180도) 사이입니다. 그림 10과 같습니다.
그림 10: 펌프가 있는 습식 에폭시 디스펜서 레이업 시스템
1.1.6 폴리이미드 수지
폴리이미드 수지는 고온 환경에서 뛰어나며, 내열성, 산화 안정성, 낮은 열팽창 계수 및 내용매성이 설계를 용이하게 합니다. 주요 용도는 회로 기판, 열 엔진 및 기체 구조입니다. 폴리이미드 수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지일 수 있습니다. 폴리이미드 수지는 일반적으로 550도 F(290도)를 초과하는 높은 경화 온도가 필요합니다. 결과적으로 일반적인 에폭시 복합 포장 재료를 사용할 수 없게 되고 강철 도구가 필수가 됩니다. Kapton®과 같은 폴리이미드 포장 및 릴리스 필름을 사용하는 것이 매우 중요합니다. 저렴한 나일론 슬리빙 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 릴리스 필름 대신 upilex®를 사용하는 것은 에폭시 복합 가공의 일반적인 절차입니다.
폴리에스테르 섬유의 낮은 녹는점으로 인해 유리섬유 토핑은 배출이 가능한 통기성 소재로 대체되어 침구 소재로 사용되어야 합니다.
1.1.7 폴리벤지미다졸 수지(PBI)
PBI는 극한의 고온 저항성 때문에 고온 저항성 재료에 사용됩니다. 수지는 접착제와 섬유로 사용됩니다.
1.1.8 비스말레이미드 수지(BMI)
BMI는 에폭시 수지보다 내열성과 인성이 더 높고 주변 온도와 고온 모두에서 뛰어난 성능을 제공합니다. BMI는 에폭시 수지와 유사하게 처리됩니다. BMI는 항공 엔진과 고온 구성 요소에 사용됩니다. bMI는 표준 핫프레스 캔 처리, 사출 성형, 수지 주조 성형 및 성형 복합 성형(SMC) 등에 적합합니다.
1.1.9 열가소성 수지
열가소성 소재는 온도를 높여 반복적으로 연화시키고 온도를 낮추어 반복적으로 경화시킬 수 있습니다. 가공 속도는 열가소성 소재의 주요 장점입니다. 가공 중에 화학적 경화가 발생하지 않으며, 소재는 부드러울 때 성형하거나 압출할 수 있습니다.
1.1.10 반결정 열가소성 플라스틱
반결정 열가소성 플라스틱은 고정된 난연성, 우수한 인성, 우수한 고온 및 충격 후 기계적 특성, 낮은 수분 흡수성을 가지고 있습니다. 이들은 2차 및 1차 항공기 구조에 사용됩니다. 강화 섬유와 함께 사출 성형 컴파운드, 압축 성형 랜덤 시트, 단방향 몰드, 프리프레그 토우(프리프레그)로 만든 프리프레그, 패브릭 프리프레그에 사용할 수 있습니다. 반결정 열가소성 플라스틱에 함침된 섬유에는 탄소 섬유, 니켈 도금 탄소, 아라미드, 유리 섬유, 석영 등이 있습니다.
1.1.11 비정질 열가소성 플라스틱
비정질 열가소성 플라스틱은 필름, 필라멘트, 분말 등 다양한 물리적 형태로 제공됩니다. 강화 섬유와 결합하여 사출 성형 복합재, 압축 성형 가능한 랜덤 시트, 단방향 고무 몰드, 직조 프리프레그 등에도 사용됩니다. 사용되는 섬유는 주로 탄소, 아라미드, 유리 섬유입니다. 비정질 열가소성 플라스틱의 특별한 장점은 폴리머에 따라 달라집니다. 일반적으로 수지는 가공 용이성, 속도, 고온 성능, 우수한 기계적 특성, 뛰어난 인성 및 충격 강도, 화학적 안정성으로 알려져 있습니다. 안정성으로 인해 무제한의 보관 수명이 제공되어 열경화성 프리프레그의 냉장 보관이 필요하지 않습니다.
1.1.12 폴리에테르에테르케톤(PEEK)
PEEK는 고온 열가소성 플라스틱입니다. 이 방향족 케톤 소재는 뛰어난 고온 및 연소 특성을 가지고 있으며 광범위한 용매 및 독점 가용성 유체에 대한 내성이 있습니다. PEEK는 유리 및 탄소 섬유로 강화될 수도 있습니다.
1.2 수지의 경화 단계
열경화성 수지는 화학 반응을 사용하여 경화됩니다. 경화에는 A, B, C라는 세 단계가 있습니다.
-단계 A: 수지 성분(기질 및 경화제)이 혼합되었지만 화학 반응은 아직 시작되지 않았습니다. 습식 레이업 중에 수지는 단계 A에 있습니다.
- B단계: 수지 성분이 혼합되고 화학 반응이 시작되었습니다. 재료가 두껍고 끈적거립니다. 프리프레그의 수지는 B단계에 있습니다. 추가 경화를 방지하기 위해 수지를 0도 F의 냉동고에 넣습니다. 냉동 상태에서 프리프레그의 수지는 B단계에 머물러 있습니다. 재료를 냉장고에서 꺼내 다시 가열하면 경화가 시작됩니다.
-C단계: 수지가 완전히 경화됩니다. 일부 수지는 실온에서 경화되고, 다른 수지는 완전하고 적절하게 경화되기 위해 고온 경화 주기가 필요합니다.
1.3 프리프레그
프리프레그는 매트릭스와 강화 섬유의 조합으로 구성됩니다. 단방향 형태(한 강화 방향)와 패브릭 적층 형태(여러 강화 방향)로 제공됩니다. 다섯 가지 주요 매트릭스 수지 제품군을 모두 사용하여 다양한 섬유 형태를 함침시킬 수 있습니다. 그런 다음 수지는 더 이상 저점도 단계에 있지 않지만 더 나은 취급 특성을 위해 클래스 B 경화 수준으로 향상되었습니다. 다음 제품은 프리프레그 형태로 제공됩니다. 단방향 고무 몰드, 직물 섬유 제품, 연속 견인 및 잘게 썬 매트. 프리프레그는 경화 과정을 늦추기 위해 0도 F 이하의 냉장고에 보관해야 합니다. 프리프레그는 고온에서 경화됩니다. 항공우주에 사용되는 많은 프리프레그는 250도 F 또는 350도 F에서 경화되는 에폭시 수지로 함침됩니다. 프리프레그는 오토클레이브, 오븐 또는 핫 블랭킷에서 경화됩니다. 일반적으로 구매하여 습기 오염을 방지하기 위해 밀봉된 비닐 봉지 롤에 보관합니다. 그림 11과 같이 표시됩니다.
그림 11: 접착 필름 및 패브릭 프리프레그
1.4 건조섬유소재
탄소 섬유, 유리 섬유, 케블라®와 같은 건식 섬유 소재는 많은 항공기 수리 절차에 사용됩니다. 수리 작업을 시작하기 전에 건식 패브릭에 수지를 함침시킵니다. 이 공정은 종종 습식 적층이라고 합니다. 습식 적층 공정을 사용하는 주요 장점은 섬유와 수지를 장시간 실온에서 보관할 수 있다는 것입니다. 복합재는 실온에서 경화시키거나 고온에서 경화시켜 경화 공정을 가속화하고 강도를 높일 수 있습니다. 단점은 공정이 지저분하고 강화된 재료의 특성이 프리프레그보다 낮다는 것입니다. 그림 12와 같이.
그림 12: 건조 직물 소재(위에서 아래로: 알루미늄 방전 보호 소재, 케블라®, 유리 섬유 및 탄소 섬유)
1.5 보조제(티크소트로픽제)
보조제(틱소트로픽제)는 정지 상태에서는 겔 형태이고 교반하면 액체가 됩니다. 이러한 물질은 높은 정적 전단 강도와 낮은 동적 전단 강도를 가지고 있으며 응력 하에서는 점도를 잃습니다.
II. 접착제
2.1 필름 접착제
항공우주 응용 분야를 위한 구조용 접착제는 일반적으로 필름 형태로 공급되고, 이형지에 지지되며, 냉장 조건({{0}}도 또는 0도 F)에서 보관됩니다. 필름 접착제는 광범위한 유연제 및 강화제와 함께 고온 방향족 아민 또는 촉매 경화제를 사용할 수 있습니다. 고무 강화 에폭시 필름 접착제는 항공우주 산업에서 널리 사용됩니다. 121-177도(250-350도 F)의 상한 온도는 일반적으로 필요한 강화 정도와 수지 및 경화제의 전체 선택에 따라 달라집니다. 일반적으로 강화 수지는 서비스 온도가 낮아집니다. 필름 소재는 일반적으로 경화 전 필름 취급을 개선하고, 접합 프로세스 중 접착제 흐름을 제어하고, 본딩 라인의 두께를 제어하는 데 도움이 되도록 섬유로 지지됩니다. 섬유는 무작위로 배향된 스테이플 매트 또는 직물로 만들 수 있습니다. 일반적인 섬유는 폴리에스터, 폴리아미드(나일론) 및 유리 섬유입니다. 직물이 포함된 접착제는 섬유에 물이 흡수되어 약간의 환경적 열화가 발생할 수 있습니다. 무작위 매팅은 제한되지 않은 섬유가 결합 과정에서 움직이기 때문에 직물만큼 필름 두께를 제어하는 데 효과적이지 않습니다. 스펀레이스 부직포는 움직이지 않으므로 널리 사용됩니다. 그림 13 및 14에서 볼 수 있듯이.
그림 13: 필름 접착제, 케블라®, 유리 섬유 및 탄소 섬유 사용
그림 14: 접착 필름
2.2 접착제
접착제는 필름 접착제의 대체품으로 사용됩니다. 이는 종종 패치의 손상된 부분을 수리하기 위한 2차 접합 및 필름 접착제를 적용하기 어려운 영역에 사용됩니다. 에폭시 수지의 경우 페이스트는 주로 구조적 바인더에 접착하는 데 사용됩니다. 1부 및 2부 시스템이 제공됩니다. 페이스트 접착제의 장점은 실온에서 보관할 수 있고 보관 수명이 길다는 것입니다. 단점은 본딩 라인의 두께를 제어하기 어려워 본딩 강도에 영향을 미친다는 것입니다.
접착제를 바르면 접착 과정 동안 원단을 접착 상태로 유지할 수 있습니다. 그림 15와 같습니다.
그림 15: 접착제
2.3 폼 접착제
대부분의 폼 접착제는 두께가 {{0}}.025-인치에서 0.10-인치인 클래스 B 에폭시 수지입니다. 폼 접착제는 250도 F(121도) 또는 350도 F(176도)에서 경화됩니다. 경화 주기 동안 폼 접착제가 펼쳐집니다. 폼 접착제는 냉장고에 보관해야 하며 프리프레그와 마찬가지로 보관 수명이 제한되어 있습니다. 사전 수리에서 폼 접착제는 샌드위치 구조의 허니컴에 접합하고 기존 코어에서 수리하는 데 사용됩니다. 그림 16과 같이.
그림 16: 폼 접착제 사용
III. 샌드위치 구조의 설명(sandwich structure)
이론적으로 샌드위치 구조는 비교적 두껍거나 가벼운 코어로 분리된 두 개의 비교적 얇고 평행한 외장으로 구성된 구조적 패널 개념입니다. 코어는 굽힘과 자체 평면 전단 하중에 대해 외장을 지지합니다. 코어는 높은 전단 강도와 압축 강성을 가져야 합니다. 복합 샌드위치 구조는 일반적으로 오토클레이브 경화, 프레스 경화 또는 진공 백 경화로 제조됩니다. 스킨 라미네이션은 사전 경화된 다음 공동 경화 작업에서 결합되거나 두 가지 방법을 결합할 수 있습니다. 허니컴 구조의 예는 다음과 같습니다. 윙 스포일러, 활석, 에일러론, 플랩, 나셀, 바닥 및 러더. 그림 17과 같이 표시됩니다.
그림 17: 벌집 샌드위치 구조
4. 성능
알루미늄과 복합 적층 구조를 비교했을 때 샌드위치 구조의 굽힘 강성은 매우 높습니다. 대부분의 허니컴은 이방성, 즉 속성이 배향되어 있습니다. 허니컴 구조를 사용하는 이점은 그림 18에 나와 있습니다. 코어 두께를 늘리면 최소한의 무게 증가로 허니컴 구조의 강성이 크게 증가합니다. 허니컴 구조의 강성이 높기 때문에 보 프레임의 경우처럼 외부 하드보드를 사용할 필요가 없습니다.
그림 18: 솔리드 라미네이션 값과 비교한 허니컴 샌드위치 재료의 강도 및 강성