Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

Moderne vliegtuigen worden steeds vaker gebouwd uit lagen synthetische stof gedrenkt in hars, een materiaal dat een composiet wordt genoemd. Deze materialen zijn gewild omdat ze ongelooflijk sterk maar licht zijn, waardoor vliegtuigen hoger kunnen vliegen en minder brandstof verbruiken. Echter, net als elk ander materiaal, kunnen ze schade oplopen door impact of spanning, waarbij vaak verborgen scheuren tussen de lagen of gaten ontstaan die de hele structuur verzwakken. Wanneer een vliegtuig beschadigd is, is het vervangen van het hele onderdeel duur en verspillend. In plaats daarvan gebruiken ingenieurs vaak een reparatietechniek waarbij een nieuw stuk van hetzelfde sterke materiaal over de beschadigde plek wordt gelijmd, vergelijkbaar met een pleister op een wond. De uitdaging ligt in het waarborgen dat deze pleister stevig blijft onder de enorme druk van de vlucht, zonder los te laten of de onderliggende structuur te doen falen.

Een team onderzoekers van universiteiten in Algerije en Rwanda zette zich in om precies te begrijpen hoe deze opgeplakte patches reageren wanneer ze uit elkaar worden getrokken. Ze concentreerden zich op de onzichtbare krachten die spelen waar de patch de oorspronkelijke plaat ontmoet en tussen de lagen van het materiaal zelf. Om dit te doen, vertrouwden ze niet alleen op theorie; ze maakten fysieke monsters en testten deze in een laboratorium, en creëerden vervolgens gedetailleerde digitale tweelingen van die monsters om te zien hoe de schade zich verspreidde. Hun doel was om de beste manier te vinden om de vezels binnen de patch te rangschikken, zodat de belasting gelijkmatig wordt verdeeld, wat voorkomt dat de lijm faalt en de reparatie uit elkaar valt.

De onderzoekers begonnen met het maken van hun eigen monsters met behulp van koolstofvezels en een sterke epoxyhars, een combinatie die gebruikelijk is in de luchtvaart. Ze sneden deze monsters in specifieke vormen, sommige met een glad oppervlak en andere met een gat in het midden om schade te simuleren. Voor de beschadigde exemplaren brachten ze een vierkante patch aan van hetzelfde materiaal, bevestigd met een gespecialiseerde lijm. Ze testten deze specimens in een machine die ze uit elkaar trok totdat ze braken, waarbij ze zorgvuldig maten hoeveel kracht ze konden weerstaan en hoeveel ze uitrekten voordat ze bezweken. Ze onderzochten de gebroken stukken ook onder een microscoop om precies te zien hoe het materiaal bezweek, waarbij ze opmerkten dat de gaten ervoor zorgden dat het materiaal in een rechte, brosse lijn brak, terwijl de gerepareerde stukken een complexer patroon vertoonden van breken over meerdere vlakken.

Om de mechanica achter deze breuken te begrijpen, maakte het team gebruik van krachtige computersimulaties. Ze bouwden een driedimensionaal digitaal model van de gerepareerde plaat, waarbij ze deze opdeelden in miljoenen kleine punten om de spanning op elke locatie te volgen. Ze gebruikten twee geavanceerde methoden om falen te voorspellen. De ene methode stelde de computer in staat om te simuleren hoe scheuren in het materiaal verschijnen en groeien zonder dat het rooster opnieuw getekend hoeft te worden, terwijl de andere zich richtte op de dunne laag lijm en modelleerde hoe deze van het oppervlak zou afbladderen. Ze testten verschillende manieren om de lagen binnen de patch te stapelen, waarbij ze de hoeken van de vezels varieerden om te zien welke rangschikking de spanning het beste kon opvangen. Ze vergeleken patches gemaakt van koolstofvezel tegenover die van glasvezel, en ze testten deze op zowel koolstofvezel als glasvezel basisplaten.

De resultaten toonden aan dat de computermodellen zeer nauwkeurig waren en de resultaten uit de echte tests maten met een afwijking van minder dan vijf procent. Dit gaf de onderzoekers het vertrouwen dat hun digitale instrumenten betrouwbaar konden voorspellen hoe een reparatie zou presteren. Wanneer ze de spanning binnen de gerepareerde platen analyseerden, ontdekten ze dat de rangschikking van de vezels er enorm toe deed. In de meeste configuraties concentreerde de spanning zich zwaar in het midden van de patch, direct rond het gat waar de schade zich bevond. Echter, één specifieke rangschikking viel op. Wanneer ze een patch gemaakt van glasvezels op een glasvezelplaat gebruikten, en de lagen in een specifiek afwisselend patroon van hoeken arrangeerden, werd de spanningsverdeling opmerkelijk gelijkmatig. In deze optimale opstelling daalde de piekspanning naar slechts vijf megapascal, een significante vermindering vergeleken met andere ontwerpen waar de spanning dertig megapascal bereikte.

De studie onthulde ook dat de lijmlaag zelf een kritiek zwak punt is. De simulaties toonden aan dat de hoogste spanning in de lijm niet in het midden van de patch zat, maar eerder aan de uiterste randen waar de patch eindigt. Dit is waar de lijm het meest waarschijnlijk begint af te bladderen. De onderzoekers ontdekten dat het type materiaal dat voor de patch en de basisplaat wordt gebruikt, de manier waarop deze randspanningen zich gedragen, verandert. Bijvoorbeeld, wanneer een koolstofpatch werd gebruikt op een koolstofplaat, was de spanning aan de randen vrij hoog, maar wanneer glasmaterialen werden gebruikt, waren de spanningsniveaus over het algemeen lager en beter beheersbaar. Het team concludeerde dat het simpelweg op een patch lijmen niet genoeg is; de interne structuur van die patch moet zorgvuldig worden ontworpen om overeen te komen met de belasting die het zal dragen. Door de juiste vezeloriëntatie en materiaalkombinatie te kiezen, kunnen ingenieurs reparaties creëren die niet alleen tijdelijke oplossingen zijn, maar duurzame oplossingen die de sterkte en veiligheid van de structuur herstellen.